建造

建筑结构中的木材应用古来有之,但凡林木生长之处,木材都会被广泛用作建筑材料。通过国际木材贸易,森林资源有限的国家如今也可以获得足够的建筑用木材,这些木材取自可持续并且通过认证的林地。将木材作为建筑材料可以节约能源,提高成本效益,同时保护环境。

灵活多变的工程材料

与其他建筑材料相比,木材具有多项优势。首先,在同等强度和承重能力的情况下,木材相比其他材料重量更轻。这种材料非常“灵活”,使用简单的工具即可进行加工制作。其次,它还是一种可再生的生物材料,是自然生态循环的一部分。因此,使用木材可以为地球的二氧化碳减排作出重要贡献。 

 
 
在地震威胁严重的地区,更能凸显木结构建筑的优点。
 
 

建造技术

对于采用木制支撑框架的建筑而言,存在几种常用的建造方法。一种方法是使用木结构件制成框架,然后覆以木结构面板。地基通常使用混凝土。这种简单的建造技术常用于单户住宅,当然也可用于多层建筑。另一种技术是使用实木作为支撑框架。交叉层压材是由木材胶合而成,可用于建造墙体和托梁。可能需要对墙体进行保温隔热处理,以提高建筑的能源利用效率。这种技术非常适合建造多层建筑。

还有一种技术是梁柱体系。这种技术在承重结构中大量使用不同形式的胶合木材。 
 

 
所有这些框架系统都能满足消防安全、噪音污染和能源利用效率方面的现代标准。在多层建筑中,必须特别考虑这些功能标准。经过全面测试的技术解决方案如今得到广泛应用。

采用镶板和木制墙骨柱的外墙示例
 
 
现场建造
建造方法多种多样,现场建造房屋是最早使用的方法。人们将建筑材料装运至建筑现场,并在此搭建墙体、托梁等各种构件,之后再进行架设。这种方法需要在建筑现场进行大量的组织和规划工作;必须设法克服材料和预制结构构件受潮损坏的风险;往往还需要进行长期现场施工。
 
 
工厂预制
不同构件的预制如今更为普遍,实施工厂预制。墙体、地板构件、屋顶、桁架等等都可以在场外工厂中进行建造。这些构件可以先进行预制,然后进行保温隔热处理,安装设施并加装门窗。高度预制已成为一种建造趋势,在这一模式下,大部分工作都将在工厂中完成,这里有着得到质保认可并得到严格控制的环境。建造现场的建筑实际装配工作从开始直到屋顶铺设完成,仅需要一到两天的时间。而在极端情况下,整个建筑甚至都可以在工厂制作,其中不仅铺设供电、供水及排污管道,还可以开辟厨房和卫生间并且完成地板铺设和墙纸裱糊。
 
 
用木材预制构件进行建造的另一个优点是,木制构件相对更轻,使用移动式起重机等简单起重设备就可以架设到几层高的位置,在某些情况下,还可借助安装在卡车上的起重机将构件运到现场。 
使用木材进行工厂预制可以提高成本效益。与现场建造相比,使用预制木制模块可降低 多达 20-25% 的总成本。部分原因在于此方法能比现场建造节省多达 80% 的时间。 
在瑞典,多层木建筑的市场份额已经从 2000 年的 1% 增加至现今的 15%。
 
 
在施工现场装配单元房。
 

单户住宅

 

斯德哥尔摩 Östra Kvarnskogen。

这种建造方法可以实现多样化的房屋设计,既符合所在国家和当地的建筑惯例,同时又支持建筑创新。无论是奢华豪宅还是经济适用户型,建筑成本在很大程度上取决于设计。单户住宅对于消防安全和噪音污染的要求通常低于多层建筑,不过单户住宅要满足低能耗要求则更为困难。
 
 

多层建筑

多数国家的建筑法规往往限制使用木框架建造多层建筑。之所以限制使用易燃材料,是为了避免建筑物发生火灾。 
 
 
然而,大量研究与开发已经表明,对材料持中立态度的建筑法规更为可取。近十余年来,以功能为依据的法规已在不少国家普遍得以通过。木材的确可能燃烧,但其燃烧方式具有可控性。可以估算燃烧一小时后不受影响的横截面面积,并据此选择材料尺寸,使得不受燃烧影响的横截面面积仍能承受所需荷载。相比较之下,钢材在全燃火产生的高温下则会丧失全部承载能力。在木材的表面可涂加不易燃的表面材料和/或洒水装置以确保火灾早期发生阶段的安全。
 
现代建筑法规对三至八层高的多层木结构建筑的增加起到了积极作用。这种建筑明显增多缘于几个重要因素。一个因素是与其他材料相比可以降低建筑成本。木材已经被证明是工业建造方式的最佳用料,可以大大降低
成本。 
 
另一个因素是日益提高的环境保护意识。只要砍伐木材的森林通过补植和实施管理方案实现林地的可持续性,木材就是可再生材料,并且还可以降低  CO2  排放,因而促使人们选择木材。
 
 
第三个因素是在某些重型建筑 (例如混凝土建筑)现场进行建造的能力,这些建筑需要大量昂贵的桩柱地基。木结构重量更轻,所需的地基更为简单并且成本低廉,从而可以解决现场施工难的问题。
因为木结构相对较轻,因此水平稳定性设计尤其重要。六至七层建筑通常使用混凝土建造第一层,然后将木结构固定到混凝土上。风载荷通过托梁构件和剪力墙转移到地面,利用受剪面层作用实现良好的稳定性。
 
 
设计木框架承重的多层建筑时,一个重要的考虑因素是隔音。现在已经有多种有效解决方案可以防止声音在地板和住宅之间传播,并且不会影响建筑的稳定性。
和单户住宅一样,木结构多层建筑也可通过外部建筑设计实现与建筑所在地风格的一致性。

 

抗震性能

在地震威胁严重的地区,更能凸显木结构建筑的优点。
 
2008 年 5 月中国汶川地震发生之后进行的一项调查显示,木结构建筑在地震中的表现优于采用其他材料的建筑。木结构建筑仅受到较小的损伤,相比之下大量砖墙都发生了倒塌,混凝土建筑物也遭受了严重
破坏。
 
 
足尺地震试验。日本的大型 E-Defense 振动台,世界上最大的振动台
这一结论也经过了试验验证;试验表明多层混合木结构可以在最严重的地震中屹立不倒1 。在日本神户对一栋七层多用途足尺公寓塔楼(在一层钢结构上建造了六层木框架)进行了试验。
 
这是世界最大规模的足尺地震试验。该建筑承受的地震强度相当于北岭卡诺加公园记录的  180%。塔楼没有受到重大破坏,证明了木结构建筑即使在最强烈的地震中也能够幸存。 
 
减少地震冲击有多种方法,冲击吸收是桥梁和建筑结构抗震保护的最新技术。图中显示的是一个防震装置的示例,这是一块由日本开发的带有防震单元的面板,用于吸收木结构建筑的地震能量。当地震产生的力撞击该结构时,能量会通过面板传递到减震器。
 
 
1 Shelby Lentz:《Shaking it up – a test to improve mid-rise, wood framed building design》(摇摇看 – 一个改善木结构中层建筑设计的试验),2009。GoStructural.com。
 

幕墙/填充墙

在许多国家,将木材制造的填充墙与混凝土或钢材制造的承重框架结合使用的做法越来越常见。这种类型的外墙设计只用于承载墙体构件的自身重量载荷,以及直接影响构件的风载荷。构件重量较轻,可以在工厂进行预制,这是一个极大的优势。木制填充墙具有极佳的隔热性能。另外,各个国家对节能建筑日益严格的要求也是促使这种墙体解决方案得以推行的动因之一。 
构件外层可以包覆石膏板、砖、木制镶板或者其他覆盖材料,以配合建筑设计和周围建筑风格。
主要通过两种方法将木框架构件安装到钢制、混凝土或砖石结构中,即将嵌板安装或部分安装到结构中或者结构外。
 
 
木框架填充墙安装在混凝土结构中。
 
该项技术的主要优点包括
  • 轻而易举提供出色的隔热性能。
  • 由于墙体厚度薄,可用建筑面积显著增加(与具有类似隔热效果墙体的砌体建筑相比)。
  • 通过系统化的场外制造工艺节约现场人工和建造时间。
  • 从环境 (LCA) 角度来看,木框架建筑几乎总是具有最佳表现。
  • 填充式木框架墙体技术支持广泛的建筑形式和多种覆面材料。

隔墙/内墙

在搭建不承载任何载荷的内墙时,木框架加人造板是一种十分常用的解决方案。这些墙的作用是分隔房间,但也可通过设计使其达到针对公寓隔墙的消防安全和噪音要求。
 
 

扩建

在改造多由混凝土建造的现存旧式建筑以及实现其现代化方面,木材蕴含着巨大的潜力,主要通过楼层增建或屋顶扩建来实现。
 
 
一栋现存混凝土建筑增建三层木结构楼层。
 
 
最简单的方式是为旧建筑设计全新的屋顶,从而利用增加的阁楼改造成居住空间。这些空间也可用于放置能效提升装置或通风设备的热交换器。 
由于木质结构较轻,往往有利于增建楼层。在此类情况下,通常适宜使用预制构件。当然,必须对设计进行验证,为吸收额外垂直载荷和确保水平稳定性留出余量。