北美 轻型木结构 住宅建筑的特点何敏娟(同济大学,上海200092)Frank Lam(不列颠哥伦比亚大学,加拿大温哥华V6T1Z4)提要 轻型木结构 是北美住宅建筑的主要结构形式。

本文介绍了这种结构形式在经济性能、施工安装等方面的优点,阐述了其屋面、墙体及楼面等结构体系的特点和构造方法,介绍了结构传力体系、主要采用的设计方法、防腐防火处理等,以期对中国 轻型木结构 住宅的建设起到一定的积极作用。

关键词轻型木结构,结构特点Properties of North American Wood FrameResidential ConstructionsHE M injuan(T ongji U niversity,Shang hai200092)LAM Frank(T he U niv ersity of Br itish Columbia,Vancouver,V6T1Z4,Canada)Abstract Wood frame construction is the most c ommon style of residential buildings in North Ameri can.Some advantages of this construction method including economical properties,fabrication and erection convenience are introduced in this paper.The structural systems about roof,floor and w all of w ood frame c onstruction are pre sented here.The loads bearing systems,the design methods,deterio ration preventing,termite control and fireproofing are also shown here.Keywords w ood frame construction,Structural properties1前言北美森林资源丰富、林产工业发达,木结构是住宅建筑的主要结构形式。

大量住宅建筑采用木结构,除了充分利用现有资源外,还有其他许多原因:!木材资源再生产容易:只要合理开采、种植,相对于其他建筑材料如砖石、混凝土和钢材等,木材最易再生产,一般周期为50~100年;随着林业、木材加工业的发展,很多速生材也可用于建筑结构中,这样大大缩短再生产周期。

∀节约能源、产生的污染少:大量对比分析表明,木材作为建筑材料,其整个生产和使用过程中消耗的能源最少,对环境产生的污染最少。

#有利于环境质量提高和生态平衡:只要林产管理适当,种植与砍伐形成良性循环,则有利于提高空气质量、美化生活环境、保持生态平衡。

∃结构重量轻抗震性能好:结构物上的地震作用与结构质量有关,木结构质量轻,产生的地震作用当然也小;此外,由地震致使房屋倒塌时对人产生的伤害也要比其他建筑材料小。

%木材热传导速度慢:由于木材本身构造的特点,细胞内有空腔,形成了天然的中空材料,使得热传导速度慢,保温、隔热性能好,所以木结构有冬暖夏凉之美称。

2木结构的主要结构形式木结构的主要结构形式有 梁柱结构体系 (Post and beam construction)和 轻型木结构体系 (Light w ood frame construction)两种,当然也有一些 杂交体系 ,将两者综合应用于同一结构之中。

(1)梁柱结构体系梁柱结构体系是一种传统的建筑形式,它是由跨距较大的梁柱结构形成主要的传力体系,无论竖向荷载还是水平荷载,都由梁柱结构体系承受,并最后传递到基础上。

(2)轻型木结构体系轻型木结构是由构件断面较小的规格材、均匀密布连接组成的一种结构形式,它由主要结构构件(结构骨架)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)共同作用、承受各种荷载,最后将荷载传递到基础上,具有经济、安全、结构布置灵活的特点,所以在北美大量用于住宅建筑中。

当这种结构通过合理设计,部分结构体系能够承受和传递跨距较大的荷载时,它也能用于其他大型的工业和民用建筑。

这种结构称之为 轻型木结构体系 ,并不是说它自重轻、只能承受较小的荷载,而是以它单个构件的断面较小得名。

3轻型木结构住宅建筑的特点3 1轻型木结构的优点(1)材料利用率高、投资省木材加工过程中为了最大限度地利用原木,可用其不同长度、不同断面同时生产很多品种和规格的材料。

如去除边角后可以生产各种尺寸的 规格材 ;由于材质的不均匀性,规格材按材质好坏分不同等级。

轻型木结构能够用各种不同规格、等级的木材,从而提高材料利用率,减少材料浪费。

轻型木结构还能利用 速生材 生产的 定向刨花板 作为其墙板、楼板,从而进一步降低结构造价。

轻型木结构这种构造体系本身能够发挥各种构件(主体结构、非主体结构)的共同作用,减少了材料用量、提高了结构的安全性能。

(2)施工安装方便目前广泛使用的 平台式框架结构 的轻型木结构是一层一层建造的,已安装好的下层结构为上层结构施工提供了操作平台;单块墙板都是单层高度的,尺寸不大、重量轻,因此施工过程中不需用大型吊装设备。

(3)施工周期短轻型木结构的各种构件如墙骨柱、楼面梁、椽条、木屋架、各种面板等都是工厂生产运输到现场的,工地主要是基础施工、各种构件的拼装等,因此单个工程的施工作业面多,容易加快施工进度、缩短施工周期。

3 2轻型木结构的结构形式平台式框架 轻型木结构是一种将小尺寸规格材以较小的中心间距(一般为410 ~610m m)密置而成的一种结构形式。

这些密置的骨架构件既是结构的主要受力体系,又是内、外墙面和楼屋面面层的支撑构架,此外还为安装保温隔热层、穿越各种管线提供了空间。

结构强度通过主要结构构件(骨架构件)和次要结构构件(墙面板、楼面板及屋面板等)共同作用得到。

典型的 平台式框架 轻型木结构构造图及各种构件的名称见图1。

结构主要组成部分为屋面结构、墙体结构和楼面结构。

(1)屋面结构屋面主要由屋面板、屋脊梁、椽条、天棚搁栅或屋架组成,如图2。

必要时还有其他一些支撑构件,如椽条连杆:减小椽条计算长度;椽条连杆的纵向系杆:保证椽条连杆的侧向稳定等。

屋面板常用材料为多层夹板或定向刨花板;屋脊板、椽条、天棚搁栅一般为规格材;屋架常由规格材工厂预制,现场就位、安装。

屋面结构主要支撑在承重墙体结构上。

图1平台式框架轻型木结构的典型构造形式图2 屋面结构(2)墙体结构墙体结构由顶梁板、底梁板、墙骨柱用钉连成一个整体框架,框架两侧钉墙面板,如图1。

墙面板为多层夹板、定向刨花板或石膏板;顶梁板、底梁板和墙骨柱一般都是规格材。

墙体有承重墙和非承重墙之分,承重墙中规格材的断面大些、墙骨柱的中心间距小些;而非承重墙则反之。

承重墙的顶梁板一般为双层;当顶梁板上受到较大集中荷载时,该处墙体需加强,如用几根规格材并在一起形成一根 组合柱 ,来传递顶梁板上方的集中荷载。

墙体直接支撑在楼面结构上时,上层承重墙必须保证荷载能够可靠传递到下层承重墙体或楼面梁上,并最后传递到基础上;非承重墙可搁置在楼面搁栅或楼面支撑上。

(3)楼面结构楼面主要由楼面搁栅和楼面板组成,如图3。

楼面搁栅为规格材或木 工字形 梁,当采用木 工字形 梁时,楼面承载能力较大、刚度较好;楼面板一般为多层夹板或定向刨花板。

图3 轻型木结构楼面结构楼面结构支撑在下层承重墙的顶梁板上,有时为了减小楼面搁栅跨度,下层墙顶标高处设置大梁,来作为楼面搁栅的中间支撑点,如图3中的搁栅中部支撑。

为了保证楼面搁栅的侧向刚度,搁栅之间可用填块、剪刀撑加强,或在楼面搁栅底部用连续的木板或钢板联系。

3 3轻型木结构的传力方式轻型木结构框架体系能够同时传递竖向荷载和水平荷载。

竖向荷载作用下荷载传递路线:屋面结构(楼面结构)∋(承重墙体∋(基础。

水平荷载一般由风荷载或地震作用产生。

结构在水平荷载作用下,就会产生侧向变形,如图4所示。

为了避免产生过大的侧向变形,屋面板设计成具有足够刚度的水平放置的 梁 ,水平荷载作用到迎风面的墙体上,然后通过屋面板传递到两端的端墙上,端部剪力墙就象一根具有足够刚度的 悬臂梁 ,再将荷载传递到基础上。

为了保证屋面板、剪力墙具有足够刚度,它们的骨架构件的规格尺寸需足够大;此外,骨架与面板之间需牢固、可靠连接,以确保板体的整体作用;如果板体侧向刚度还不够,可在墙架内设置斜向支撑来加强。

此外,对于端部剪力墙,在侧向荷载作用下一侧有上拔力的作用,一侧有下压力的作用,如图4。

因此,剪力墙与基础需要有牢固的连接,以确保抵抗上拔力。

图4 水平荷载作用3 4轻型木结构的设计轻型木结构 是北美小型住宅建筑的主要形式,其结构具有较为成熟的设计方法。

在竖向荷载作用下,各构件按其所承受的荷载进行计算设计。

在水平荷载作用下,如果荷载、建筑规模满足规范限定的要求,水平荷载抵抗体系完全可按规范构造要求确定构件规格、间距和连接等,而不需另行进行分析计算,这叫 构造设计法 (construction de sign based on performance history);但当荷载、规模超过规范限定时,整个水平荷载抵抗体系必须按计算确定,此谓 工程计算设计 (engi neering calc ulated design)。

工程计算设计时同其他结构设计一样,分承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计两部分。

而木结构计算的复杂之处在于这种材料性能的离散性较大,同时影响剪力墙刚度或承载能力的因素很多,如墙体框架木材的树种、等级和断面,框架两侧面板种类、厚度和铺设方向,面板与框架连接的方式等等。

所以,实际剪力墙在横向荷载作用下的承载能力为与上述诸多因素相关的一个函数式,这些因素在函数式中用参数体现,参数的取值基于大量试验确定。

4轻型木结构的防腐、防蚁和防火4 1防腐木材为有机材料,其腐朽的真正原因是真菌的存在,要避免木材腐朽就要消灭木材中的真菌。

真菌生存需要四大条件,缺一不可:充足的氧气、适宜的温度(20)~30))、一定的湿度(木材含水率为20%以上时真菌充满活力)和真菌赖以生存的木材本身。

从以上四个因素来看,前两者是不可改变的,而后两者可加以控制。

木材用作建材时,经适当干燥后含水率可控制在20%以下。

在使用过程中,潮气一般有三方面的来源:地面以下潮气、雨水和潮湿的空气。

所以,地面以下一般不用木构件;结构屋面设有一定坡度以排水,设挑檐、雨蓬、适当位置铺防潮布等以避免雨水侵入;构造上注意通风、需要时用机械排风以避免木结构潮气凝结。

在潮湿部位使用的木材(如墙体最下方与基础连接的地梁板)通过药物加压处理,使真菌无法生存。