王培斌

(沈陽工程學(xué)院能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧沈陽110136)

1 北美木結(jié)構(gòu)住宅建筑的特點(diǎn)

中國古建筑采用了大量的木材，也產(chǎn)生了大量的優(yōu)秀木結(jié)構(gòu)建筑.但是近幾十年國內(nèi)新建的木結(jié)構(gòu)建筑很少，而山區(qū)及林區(qū)的部分木結(jié)構(gòu)建筑的木材利用率也不高.在北美，90%的獨(dú)立屋、聯(lián)排屋和4層及以下的公寓建筑是木結(jié)構(gòu)的.高層公寓中除承重的框架結(jié)構(gòu)為混凝土外，大部分建筑內(nèi)部的隔斷也采用木結(jié)構(gòu).對(duì)于一些低層的商業(yè)、學(xué)校及公共建筑也大量采用木結(jié)構(gòu)建筑.

北美的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑與中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑有較大的區(qū)別，其采用近似標(biāo)準(zhǔn)木制件的組合方式，主要結(jié)構(gòu)是墻體、地面和屋頂?shù)?房屋的地基采用混凝土材料，墻體采用木骨架結(jié)構(gòu).根據(jù)建筑的用途和用戶的經(jīng)濟(jì)情況，采用不同規(guī)格的木骨架(Stud)，一般有2×4、2×6、2×8、2×10、4×8 和 4×12(單位為英寸)等規(guī)格，一般獨(dú)立屋多采用2×4和2×6的骨架.木骨架固定在木制底板(Bottom Plate)上，底板布置在木制的地基板(Footing Plate)上.底板的尺寸與木骨架的尺寸相同，地基板的尺寸比底板的尺寸大，地基板在混凝土地基上.不同用途建筑的木骨架的排列間距不同，木骨架的兩側(cè)覆蓋有墻面板(Sheathing)，墻面板的材質(zhì)可以是石膏板、刨花板或纖維板.墻面板和木骨架之間分別填充有保溫材料、2層建筑防潮紙(building paper＆Vapor barrier)(類似塑料的材料)，并且留有空氣層(air space).

不同樓層之間采用樓層連接板(Floor Joists)連接，樓層連接板大部分為2×8和2×10英寸的木骨架.在樓層連接板上分別安裝有本層的天花板和上一層的地板，然后再安裝上一層的木骨架.與中國古代木結(jié)構(gòu)建筑中的立柱不同，北美住宅建筑的木骨架高度是分層設(shè)置的，每層的高度在2.7～3.0 m之間.

高層住宅建筑中承重墻和外立面墻采用混凝土結(jié)構(gòu)，大部分的中間不承重的隔斷墻也采用木骨架墻體結(jié)構(gòu)，非承重墻體的木骨架之間的間隔要大一些.為了提高墻體的強(qiáng)度和安全性，在墻體的拐角處、窗戶和門的位置，木骨架的排列密度大一些.

在一些大型的木結(jié)構(gòu)建筑中，當(dāng)建筑的跨度和高度比較大時(shí)，也采用梁(Beams)和柱(Column)的結(jié)構(gòu).但是這些梁和柱不是采用整根的木材，而是以厚度相同的板材組合而成，并且這些板材可以在橫向進(jìn)行聯(lián)結(jié).

為了產(chǎn)生不同的視覺效果，木結(jié)構(gòu)建筑的外墻可以分別采用水泥、瓷磚、木制扣板(Siding)和塑料扣板等材料.其屋頂桁架可以采用工廠加工和施工現(xiàn)場(chǎng)加工2種形式.屋頂?shù)母采w材料可以分別選擇，如混凝土瓦、粘土瓦、瀝青復(fù)合瓦(asphalt Shingles)、木制瓦(Wood Shakes)、這種木制瓦經(jīng)過特殊的處理工藝，其性質(zhì)不易隨氣候和環(huán)境的變化而變化，一般可以使用15至20年左右.

由于木結(jié)構(gòu)建筑的內(nèi)部墻體為板材，在房屋的內(nèi)部裝修方面，可變性大，方便，成本低.木材經(jīng)過特殊的處理，在干燥的季節(jié)不易開裂，在潮濕的季節(jié)吸濕能力強(qiáng).如果住戶對(duì)房子進(jìn)行正確的維護(hù)和使用，木結(jié)構(gòu)建筑可以使用百年以上，在北美經(jīng)?？梢砸姷桨倌隁v史的老房子.在海拔高度較大的地區(qū)，大部分木結(jié)構(gòu)的獨(dú)立屋建有地下室或半地下室，因?yàn)槎镜叵碌耐寥罍囟雀哂谑彝獾目諝鉁囟龋募镜叵碌耐寥罍囟鹊陀谑彝獾目諝鉁囟?，不論是房間夏季的得熱和冬季的散熱均比較小.同時(shí)在增加的建筑成本相對(duì)較小的情況小，可以得到更多的使用空間.與相同高度的混凝土或磚混結(jié)構(gòu)的建筑相比，木結(jié)構(gòu)建筑的重量只是其30%～40% 左右.所以木結(jié)構(gòu)建筑地基的尺寸較小，可以節(jié)省材料和施工時(shí)間并降低施工的難度.

2 低碳和節(jié)能

樹木在生長過程中，利用光合作用吸收CO2，放出O2，將碳固化在木材里.不同的樹木生長期不同，當(dāng)樹木的生長變得緩慢后，其固碳的能力下降，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行采伐，利用這些土地種植新的樹木.而被砍伐的樹木中已固有很多碳，用作建筑、家具或造紙等，其碳沒有排到空氣中，只有將木材作為燃料時(shí)，其中的碳才重新排入大氣中.相對(duì)于水泥、黏土磚、鋼材和塑料等建筑材料，木材是可再生的資源，并且加工過程的能源消耗也低.

我國的森林覆蓋率本身就不高，而前些年對(duì)森林的過度采伐，并沒有及時(shí)種植新的樹木，所以造成木材的短缺.合理有序地對(duì)森林進(jìn)行采伐和利用，對(duì)環(huán)境是有幫助的.另外，也可以進(jìn)口一些木材.

一般干燥木材的導(dǎo)熱系數(shù)在0.1 W/(m·k)至0.4 W/(m·k)之間，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)在1.0 W/(m·k)至3.0 W/(m·k)之間，石材的導(dǎo)熱系數(shù)在1.5 W/(m·k)至4.0 W/(m·k)之間.而木結(jié)構(gòu)的墻體和頂棚均采用保溫措施，在墻面板和木骨架之間分別填充有保溫材料、2層建筑防潮紙(building paper＆Vapour barrier)，并且留有空氣層(air space).在密閉的空間里，空氣的流動(dòng)性很差，所以保溫效果很好.屋頂?shù)谋胤绞脚c墻體接近，只是在屋頂和保溫材料層之間一般留有25 mm的空間，這個(gè)空間既可以保溫，也是起了通風(fēng)的作用，所以木結(jié)構(gòu)建筑的供暖和制冷的能耗均比普通的混凝土建筑低.

大部分北美的獨(dú)立屋(別墅)建筑均采用單獨(dú)供暖的方式，可以采用熱水散熱器、地板輻射散熱器、熱空氣供暖及電供暖等方式.如果夏季的冷負(fù)荷比較大，可以采用地源熱泵供熱和供冷.因?yàn)槭仟?dú)立供暖，業(yè)主可以按照實(shí)際的需求和外界天氣的變化進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到節(jié)能的目的.由于木材的導(dǎo)熱系數(shù)小，冬季維護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)表面的溫度比較高，居住者的感覺也舒適.

因?yàn)榇皯舻臒岷暮屠浜谋容^大，木結(jié)構(gòu)建筑大部分采用中間有熱斷橋的塑鋼窗，并采用中空或雙層的Low-E玻璃.由于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為木結(jié)構(gòu)，并且采用了保溫措施，一般情況下，木結(jié)構(gòu)住宅建筑的能耗是混凝土建筑的70%以下.

3 木結(jié)構(gòu)的抗震性能和防火問題

木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能也非常好.加拿大不列顛哥倫比亞省面臨太平洋，是地震多發(fā)地區(qū)，該地區(qū)大部分中小學(xué)的建筑均采用木結(jié)構(gòu)，其可以抵抗8級(jí)地震，一般的木結(jié)構(gòu)住宅建筑也可以抵抗7.5級(jí)地震.在木結(jié)構(gòu)建筑中，木制的地基板與混凝土地基之間采用螺栓連接，墻體與底板和連接板之間采用金屬緊固件或大尺寸的釘子聯(lián)結(jié).因?yàn)槟窘Y(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)整體，且重量輕，具有抗側(cè)力沖擊的能力，即使發(fā)生較大的地震時(shí)，整個(gè)建筑物可能發(fā)生整體的位移，但木結(jié)構(gòu)卻不易散架和倒塌.北美木結(jié)構(gòu)建筑多采用軟木，其主要樹種為雪松、衫樹和松樹等.這些木材具有韌性好、彈性大的特點(diǎn)，所以發(fā)生大的地震時(shí)，其結(jié)構(gòu)也容易恢復(fù)到原來的位置，可以減少人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失.如果木結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，在房屋重建時(shí)，還可以利用部分的木材和板材.而不能用作建筑的木材，經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理，還可以造紙或作為生物質(zhì)燃料.

而混凝土及磚混結(jié)構(gòu)的建筑，當(dāng)其被地震破壞后，就沒有任何利用價(jià)值，只會(huì)造成更多的環(huán)境污染.

在人們一般的印象中，木結(jié)構(gòu)建筑在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其燃燒得更快，損失更大.但實(shí)際上木結(jié)構(gòu)建筑中的承重件，如木骨架、連接板和屋頂桁架等均進(jìn)行了阻燃處理，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以降低表面的燃燒速度，提高耐火時(shí)間.同時(shí)重型木結(jié)構(gòu)防火是依靠構(gòu)件燃燒時(shí)表面產(chǎn)生碳火層，以保護(hù)內(nèi)部，降低內(nèi)部材料燒焦的幾率.如果墻面板采用耐火石膏板和耐火保溫材料，其耐火性能可以提高很多.

雖然鋼構(gòu)件不燃燒，但是沒有經(jīng)過特殊強(qiáng)化處理的金屬構(gòu)件，在遇到高溫時(shí)，其強(qiáng)度降低很快.如溫度達(dá)到750℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度只是常溫時(shí)的10%.所以當(dāng)發(fā)生大的火災(zāi)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的混凝土建筑更容易坍塌，所以有時(shí)木結(jié)構(gòu)建筑比鋼結(jié)構(gòu)更安全和可靠.

4 結(jié)語

通過前面的分析和木結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)際使用情況表明，木結(jié)構(gòu)建筑在使用舒適度、外觀造型、建設(shè)和使用周期、能耗等方面均優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)建筑.同時(shí)木材也是低碳環(huán)保的建筑材料，符合國家綠色建筑和低碳減排的要求，其發(fā)展前景廣闊.雖然相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)建筑的造價(jià)相對(duì)高一些，但是隨著人們生活水平的提高和對(duì)建筑環(huán)境要求的提高，以及國家木結(jié)構(gòu)建筑標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，將有更多的木結(jié)構(gòu)建筑在國內(nèi)出現(xiàn).

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