工业化村镇建筑解析-工业化村镇建筑

在距今六七千年前，我国已经开始使用榫卯节点形式来构筑木结构房屋。这种传统木结构建筑以木构架为房屋的骨架，墙体仅为维护结构。就其形式而言，传统木结构建筑主要有抬梁式、穿斗式及密梁平顶式三种形式（图5-1）：

（1）抬梁式建筑以垂直木柱为房屋的基本支撑，木柱顶端沿着房屋进深方向架起数层叠架的木梁。木梁由下至上逐渐缩短，层间垫短柱或木块，最上层梁中间立小柱或三角撑，形成三角形梁架，在相邻的屋架之间架上檩，檩上架椽，形成屋面下凹的两坡屋顶骨架。抬梁式是使用最广的古代木结构建筑形式，古代宫廷建筑基本都是使用抬梁式木结构建筑，华中、华北、西北、东北等地均有采用该建筑形式的。

（2）穿斗式木结构建筑将每间进深方向上的各柱随屋顶坡度升高，直接承檩，另用一组穿枋联系，构成两坡屋顶的骨架。其他构件与抬梁式相同，主要流行于华东、华南和西南等地区。

（3）密梁平顶式建筑用纵向列柱承檩，檩间架水平的椽，构成平屋顶。主要流行于新疆、西藏、内蒙古等地区，以西藏的布达拉宫为代表。

图5-1 典型传统木结构民居形式

然而传统木结构的榫卯连接形式存在致命缺陷。在长期荷载及地震荷载作用下，传统木结构的榫卯节点宜发生拔榫、折榫或卯口破坏等破坏形态，导致节点承载力及刚度下降，木构架整体破坏。此外，从历年乡镇地区木结构震害来看，传统木结构建筑常出现的破坏形式还包括木结构屋面破坏（图5-4）、木结构维护墙体破坏（图5-5）、木构架柱脚破坏、木结构承重构件破坏（图5-2、图5-3）等。

图5-2 木屋架整体倒塌

图5-3 拔榫

图5-4 屋面破坏

图5-5 墙体破坏

20世纪80年代以来，由于我国森林管理水平滞后，结构用木材逐渐减少，木结构的发展一度停滞。近20年来，随着材料工业和建筑工业的发展以及北美现代木结构住宅进入中国市场，木结构建筑迎来黄金发展期。

2003年，我国颁布《木结构设计规范》（GB 50005—2003），规范按照建筑类型将木结构建筑主要分为轻型木结构体系和梁柱结构体系；按照木结构住宅使用木材的种类可划分为轻型木结构、普通木结构、胶合木结构；按照市场上具体的木结构建筑类型将木结构建筑分为以木质原料为结构的木结构建筑、木结构与钢结构相结合的混合结构、混凝土与木结构相结合的混合结构等几类。

1.轻型木结构体系

轻型木结构体系起源于北美，诞生于19世纪中叶，距今已有一百多年的历史。轻型木结构由木骨架墙体、木楼盖和木屋盖系统组成，适合于三层及以下的民用建筑。

轻型木结构体系以一定间距（一般为410～610mm）的尺寸较小的木构件，按照等距离形式以一定顺序排列成骨架结构形式，由建筑物的屋面板、楼面板、墙面板等建筑构件组成，承受不同情况下的各种荷载，是一种非常安全的高次超静定的结构体系。该结构体系属于箱形结构，除具有较高安全性外，还具有灵活性、整体性、重量轻、建造省时省力等特点，这种结构体系常用于建造民用住宅。按照建筑内部结构特点不同，可分为连续式框架结构和平台式框架结构。

（1）连续式框架结构。连续式框架结构是在19世纪30年代出现在美国的轻型木结构建筑。该结构住宅以地板梁、墙骨、天花梁、屋顶椽子等部分组成，采用厚度均为38mm的木材作为建筑材料，木骨架之间采用长钉相连接。这种住宅具有结构安全、舒适耐用、施工速度快、周期短等特性，成为当时住宅、餐饮等建筑的主要形式。该房屋建造时选用预制的等规格板材，在很短的时间内把房屋建造完成，是当时建造房屋的首选模式。

图5-6 轻型木结构

（2）平台式（非连续式）框架结构。该结构从20世纪40年代后期在北美建筑市场开始占主导地位，至今北美的建筑商仍采用该结构建造房屋。该框架房屋与连续式框架房屋最显著不同的是，当一层墙板高度相同时，在建造好这一层的墙体并围合以后，搭建好楼板，这样直接在一层楼板上建造第二层墙体结构。因为平台式框架结构房屋墙骨不具有连续性，所以在施工中可根据需要提前预制，符合市场的发展和建筑的需求，比之连续式框架结构（房屋墙骨从一层楼板直达建筑顶部框架的结构）更适应施工和安装要求，故在北美地区平台式框架结构房屋已取代连续式框架结构房屋。(www.xing528.com)

2.梁柱式木结构体系

梁柱式木结构体系也可以称为重木结构体系，它包括以原木为结构材并通过榫卯节点形式连接的传统木结构及现代工业化梁柱式木结构。现代工业化梁柱式木结构以胶合木或木基材料制作拱、梁、柱、桁架等主要受力构件，并以金属连接件实现各构件之间的相互连接。在梁柱式木结构中，结构构件的尺寸较为灵活，可以满足多高层及大跨度的建筑的使用要求，目前工业化梁柱式木结构建筑被广泛应用于欧美、日本等国家的住宅及商业建筑、公共建筑，如餐厅、学校、教堂、办公楼以及桥梁等。在我国，工业化梁柱式木结构体系的相关研究已经展开，并取得了一定进展。图5-7至图5-11例举了几个较为典型的现代木结构建筑。

图5-7 日本白龙穹顶

图5-8 美国塔科马穹顶

图5-9 德国CREE的LCTONE塔

图5-10 加拿大英属哥伦比亚大学学生公寓

图5-11 苏州胥虹桥

3.工业化木结构的节点连接形式

节点连接性能直接影响整体结构的强度和可靠度，故而节点连接是工业化木结构的重中之重，也是结构施工技术的重要环节。工业化木结构体系的常用连接形式一般有齿连接、螺栓连接和植筋连接等，如图5-12所示。

齿连接主要是用于桁架节点的连接形式，它是将受压构件的端头做成齿榫，抵承在另一构件的齿槽内以传递压力的一种连接形式。齿槽除承受压杆的压力外，并在槽底平面上承受顺纹方向的剪力。齿连接又分单齿连接和双齿连接。通常，齿连接广泛应用于我国传统的木结构建筑，抗震性能虽强于榫卯节点，但仍不适用于工业化木结构重要部位的连接。螺栓连接和钉连接同属金属连接件。加拿大木结构设计标准规定现代木结构中金属连接件大体分为钉类连接件、螺栓和销类连接件、木结构铆钉、剪盘和裂环连接件、齿板连接件、构架连接件以及梁托等，而我国的木结构规范将钉、螺栓以及铆钉等连接件统称为销类连接件。在工业化木结构中，螺栓节点的工作原理就是通过螺栓的抗剪和受弯使得木构件的孔壁受压、木材横纹受剪受劈，从而阻止了构件的相对移动。目前实际应用中螺栓连接一般根据侧材的不同分为钢夹板螺栓节点、钢填板螺栓节点以及木夹板螺栓节点。节点中螺栓的分布以及对木材厚度的要求在《木结构设计规范》（GB 5005—2003）中均有所规定。

图5-12 木结构节点连接形式

木结构节点螺栓连接的破坏模式大概分为以下四种：

（1）由于螺栓布置时端距或中距的距离不足从而引起木材的剪切破坏；

（2）由于螺栓直径过大而木构件过薄导致木材的撕裂破坏；

（3）由于木材销槽承压能力不足导致销槽孔被压溃而导致的承载力下降或直接导致节点传力的失效；

（4）销槽孔承压变形较大而螺栓的直径较细导致螺栓的变形甚至剪断，其中螺栓变形的破坏模式又分为单铰破坏和双铰破坏。

一般认为前两种破坏模式为脆性破坏，后两种破坏模式为延性破坏，结构中更倾向于实现延性破坏，因为总是希望结构在破坏之前会有一定的变形易于察觉，而且这种塑性变形还会引起多螺栓节点之间应力的再分配，使得螺栓节点能更好地发挥材料性能。而根据节点连接设计的要求，在实际应用中需要对螺栓连接的最小端距、中距、行距及边距给出相关规定使得节点不会发生脆性破坏。