建造过程用木

AVT-sid110.jpg木制中庭

 

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建设木制建筑中暂时搭建的屋顶,Sundbyberg.

瑞典建筑文化中的木材

木建筑在瑞典有悠久的历史,最古老的木建筑能够追溯到十三世纪。木建筑是瑞典的文化遗产。从1874年开始,瑞典建筑和防火规定只能建造最多两层的木建筑。

但是,对于独栋住宅和低层联排住宅,木材仍然是占主导地位的建筑材料,所以瑞典一半以上的住房是木建筑。不过,20世纪的高层建筑,无论住宅还是其他建筑都不是是用木材建造的。直到1994年瑞典加入欧盟时,通过基于功能的建筑法规,建造以木材为承重框架的多层房屋才被允许。通过新材料组合和技术方案,木结构建筑与其他结构的建筑具有同样的防火安全性。 这也拉开了木结构建筑的新时代。

现代木材建筑

如今,两层以上的木建筑所采用的建筑技术与旧的木建筑完全不同,所以我们们常用“现代木结构建筑”一词来标明差异。 现代木结构建筑没有特殊传统,而是基于广泛的国际和国家研究与开发。它是在整个欧洲同时开始的,规则的更改是欧盟指令的一部分。因此,现代木建筑的发展是在多国家多方面平行进行的,具有极大的开放性和合作性。因此,产品开发、建筑设计、材料使用、施工技术、结构计算和新的施工过程已经得到完善开发并迅速普及。

现代木结构建筑的特征还在于高度的工业预制和较短的施工时间。建筑在设计和制造过程中使用了现代IT技术。这意味着从构思到完成的过程与传统的建筑组织过程完全不同。 与其他工业产品相似,工业生产的建筑具有更明确的产品规格,并且通过数字化提供了其性能的质量保证。同样,建筑组件的制造和最终组装都高度自动化,并且遵循严格的程序,以确保每个环节正确地执行。

使用木建筑

1990年代,建筑法规的修订允许使用木材建造更大、更高的建筑物,推动了国际上对材料和结构体系的开发。如今,木材模块单元建筑和基于正交胶合木的建筑技术日臻完善。前者的开发主要来源于瑞典,而正交胶合木结构体系在中欧已取得了很大发展。

木块单元和正胶胶合木,包括成熟的胶合木,使现代木结构能够被广泛应用到各种建筑类型中。独立住宅、多高层建筑、学校、幼儿园、工业建筑、公共建筑、停车场、大空间建筑、体育场馆、办公楼、道路、桥梁以及其他特殊建筑,现代木结构几乎没有局限,而且技术还在不断发展。木结构没有专利,只有国际标准,所以可以为各国所用。

正是因为木结构无国界,其发展才能如此迅速。这与传统木结构本土化的区别很明显。

木结构总是与其他建筑材料结合的,例如地基就不能使用木材建造。除此之外,还有许多建筑部件是与其他材料紧密结合的,这样才能更好地发挥每种建筑材料的性能和特点,使之相得益彰。

目前,木结构建筑的定义是以木结构作为承重框架结构的建筑。木制外墙通常不包含在承重系统中,许多木结构建筑也没有从表面彰显木结构体系。当然,木材也可以作为外墙材料依附于非木材的承重结构框架上,这种建筑不被称为木结构建筑。

木材自重相对较轻而强度相对较大,即比强度很大,而且是一种可再生材料,可以固定二氧化碳,因此各国对木结构建筑倍加关注。木材是一种有机材料,在现代木结构建筑中需要特殊处理,例如防火、防潮和隔声等。如今也有许多这些方面的研究开发。

防火隔声

欧洲在1874年禁止建造超过两层的木屋,原因是木结构在城市环境中发生火灾的风险很大。1888年炎热的夏季,瑞典松兹瓦尔和于默奥的木结构建筑被烧毁。1950年代以来,防止城市大火的木结构技术就已经完善,但并未影响建筑消防法规的改变。1994年的变化主要不是消防法规的变化,而是为了增加欧洲建筑材料行业的竞争。

所以,现代木结构建筑的基础研究自然是始于消防安全。研究根据公认的国家消防法规,基于一个房间内发生的火灾如何向整栋建筑传递。一个防火分区可以包括数个房间,通过承重的木结构、隔热层和石膏板覆盖层,可以满足防火分区的消防规定。今天,这些结构已在整个欧洲得到验证和认可。

木结构建筑的隔声做法通常是在两面木墙之间的留空腔,这也是楼板隔声的常用做法。在整个建筑结构中形成的这种空腔必须用防火材料密封或填充,这也是经过测试和验证的。

通常,当框架结构中有可燃材料时,防火分区贯穿处(例如电线和管道)的密封质量要求很高。所以在工厂精确地预制生产比施工现场作业要好得多。

木结构促使人们不断提高对建筑防火的要求。当我们审视建筑和建造的火灾风险就不难发现,当前建筑法规还存在缺陷。例如最明显的是从室外进入防火分区的火势会通过屋檐蔓延到阁楼,这点已经被发现并得到改进,阁楼应有更好的分割规定。救援服务的工作流程也已成为待研究的领域。

国际上有关火灾发展和风险的研究为改善建筑的消防安全做出了贡献。木材燃烧以恒定的渗透速率发生,在热解区内的材料完好无损,木结构在火灾中能够保持承重性能且可计算,而钢结构则只能完全依赖外部的防火材料。因此与钢梁相比,木结构在建筑防火安全方面有很大优势。具体请参阅有关消防属性的更多信息。

施工过程中的含水率

木结构建筑用材的含水率必须干燥至适合施工现场的气候和湿度,木材的目标含水率也会根据具体的施工建造方法而设定。因此,在木结构建筑施工中的运输、安装、紧固等各个步骤都应采取防潮措施,防止含水率、尤其是表面含水率升高。 不同的木结构体系应采取不同的防潮措施,在下文的结构体系部分会有相应描述。木结构施工单位通常有自己的施工手册保证质量。

现代木结构建筑的结构建成后不需要额外的干燥时间,所有其他配套的施工部分可以在结构完成后立即进行。建筑竣工后第一年内,主体结构自身会发生一定程度的干燥,特别是内墙和基板,含水率一般能降到10%以下。

关于木材含水率的基本知识请参照木材含水率章节。

木结构建筑围护结构(包括外立面)的防潮在多本手册中都有具体描述,例如研究项目“WoodBuild”中的《木结构外立面手册》、《使用湿敏材料作为建筑构件的防潮设计》。

瑞典斯德哥尔摩Vinsta围护结构模块单元建筑. 摄影Johan Ardefors

 

 

施工过程中的木结构体系

木结构建筑有许多建造方式和结构体系。 采用什么样的建造技术与项目的具体条件密切相关。 建筑的跨度、荷载、项目规模和完成度都是重要参数。下文描述了一些最常用的建造方式和结构体系。

预制建筑构件和更先进的结构体系在大型建筑项目中很常见,也容易复制。在运输时,建筑构件的尺寸受到道路宽度的限制,其中4150 mm通常是最大宽度尺寸,不过在某些项目中因“个别路段的特殊原因”可能有例外。通过铁路运输时,铁轨的尺寸相对更小。

建筑师已经用木结构实践了许多大胆的建筑设计,先进的新型木结构建筑已经成为一种文化。这些项目已经广泛分布在瑞典和其他木结构建筑迅速发展的国家(几乎整个北半球),有时也与玻璃等其他材料配合使用。因此,进入二十一世纪以来,木材在建筑中的使用急剧增加,尤其是参数化设计等新的建筑设计手段给木结构带来了新的机遇。木结构体系是国际和木结构构件是无国界的,尤其是在欧盟范围内流通非常广泛。

木材作为建筑材料,将传统的建筑行业也带向了更高度预制化的方向。木材自重相对轻而强度大,让生产和运输更大、更复杂的预制构件成为可能。随着木结构预制率的提高,施工现场作业也从构件生产转变为构件组装。施工运输的次数减少了,运输过程就能得到极大的优化,甚至精确到以分钟计。木桥和由模块单元构成的多高层木结构建筑的建造完全颠覆了建筑施工过程——预制装配式木结构建筑的建造速度比传统建筑要快太多了。

轻型木骨架体系

井干式木屋在19世纪后期被木骨架结构所取代。 自1930年代以来,木骨架结构发展成了轻型木结构体系并沿用至今。这种结构的最大优点是,木材在顺纹方向上尺寸比较稳定,仅在径切和弦切方向上含水量变化较大。这种轻型木骨架一般与保温层相结合。从前常用锯屑和刨花作为保温材料,现在则采用矿棉和纤维素。

建造轻型木骨架体系的木屋可采用不同的建造,如纯现场手工施工或工厂预制生产。

现场施工的建造方式

现场施工一般用于独立住宅,在瑞典也曾经用于更大型的建筑,如今已很少见。这种方式在美国是多层建筑的主要建造方式。

这种方法适合缺乏起重机械、大部分的施工作业在露天场所手工进行的现场施工,。原材料一般是预切过的锯材或从木材商直接购买并进行现场切割的木材。

现场制作墙板一般是在地坪层或上层楼板上进行。上下楼板应事先安装好,再嵌入垂直的骨架,之后再钉上框架固定。梁架和屋顶固定在顶层楼板上,相应配上地板和天花板。

一般来说,框架结构是一个不含保温层的开放结构。楼板铺上胶合板或刨花板,然后搭建屋顶。高层建筑施工时,可能需要安装墙板承受风荷载,保证建筑稳定。只有在屋顶建造完毕不透风雨之后,才能开始安装对湿度较敏感的材料,如隔声保温板、石膏板等。

这种施工过程对环境湿度比较敏感,施工前应检查建材的含水率,尤其是地板和墙角连接点等的关键部位。室内墙板在表面含水率低于18%之前不得进行安装。表面含水率过高是微生物生长主要原因。具体请见木材与含水率章节。

同样的,这种施工过程也应避免木材严重脱水,例如应避免木材在初夏长时间不遮盖。

正交胶合木体系

自1990年代首次生产以来,正交胶合木的发展很快。正交胶合木建筑构件已经成为建筑市场常见的产品,常用作墙体、楼板和屋顶,适用于所有建筑类型,特别是大跨度和结构造型大胆的建筑。正胶胶合木为实现新的建筑艺术创造了条件。

自1950年代以来,大型混凝土承重用于墙体和楼板的技术已广为应用。而正胶胶合木构件也具有这样的性能,而且它比混凝土更轻、更大(最大3.5 m宽和20 m长),更具可塑性。

正交胶合木通常与其他材料和其他木结构结构体系(例如梁柱框架结构)配合使用。对于住宅等需要大量重复建造的建筑类型,许多供应商都有自己特定的正交胶合木体系。这些体系在细节上不尽相同,特别是楼板做法存在差异。

正胶胶合木具有很强的工程实践性,因此供应商的生产标准通常起着次要作用。正交胶合木的在将来可能主要用在专门设计的建筑物。在这些建筑物中,木结构一般都保持裸露可见,需要质量很好的正交胶合木。

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预制装配方式

在工厂预制建筑结构构件可以大大减少现场施工的时间。预制楼板可用于所有类型的木结构建筑,在独立木屋、公寓楼和办公楼中都很常见。但施工需要起重设备,起重重量必须达到三吨。随车起重机最多可举起3-4层结构。

预制的非承重墙体与现场施工的轻型木骨架墙相似。外墙饰面可以预先上漆并安装到墙体上,窗户也可以预先嵌入。而正交胶合木构件通常要在外侧预埋保温层,窗户也要预装。

独立住宅的楼板通常与现场施工制作的带地板梁的楼板结构相同。楼板空腔应填充隔声材料。

在高层公寓楼中,楼板结构的要求更高,以保证相邻公寓之间的防火和隔声。楼板一般有两层,一层是结构层,一层防火隔声层。承重结构可以是传统的地板梁结构、正交胶合木板或箱型结构。

预装保温层并完成表面处理的墙体和楼板构件在运输和安装过程中要避免雨淋。独立住宅通常要在一天内完成安装,并装好屋顶。不能在一天内完成的高层建筑,需要搭建雨蓬遮盖施工现场。目前市场上有专门的施工雨棚做法。

 

梁柱框架结构体系

胶合木梁柱框架结构体系已有超过100年的历史,但是很少被归为单独的结构体系。随着正交胶合木和箱型结构的出现,梁柱框架结构也被列为单独的一类。不同木结构体系需要配合使用,木结构与其他建筑材料的配合也同样重要,就像钢结构和混凝土结构相得益彰一样。

目前,建筑市场上用于住宅或其他类型建筑的梁柱框架结构体系很多。最常见的是采用胶合木结构的大厅,胶合木梁柱体系和曲梁构件在建筑市场上已经很常见。

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预制模块单元

预制装配化能够将20%-30%的现场施工工作转移到工厂中。而预制模块单元能够将80%以上的施工工作转移到工厂中,大大缩短了施工周期。

预制模块单元可以包含一个或多个房间,或建筑物的一部分,例如设施安装齐全的浴室。模块单元完整包含墙体、楼板和天花板。一个单元自成完整体系,并与其他单元连接。 

基于正交胶合木的预制模块完成度很高,能预装水管、电路、电信、网络,只需在施工现场接通。模块单元的尺寸仅受到运输条件的限制。

模块的组装速度可达每天20到30个模块单元。因此,一些多层建筑可以在一天内就完成安装封顶,屋顶也可以在工厂预生产。在屋顶安装之前,模块单元将受降水影响。因此,如果不能在一天内完成所有单元的安装,则必须使用功能良好的临时雨蓬遮盖施工现场。