现代木结构房屋进展

■ 张嘉秋 Zhang Jiaqiu 秦惠纪 Qin Huiji

0 前言

近10年现代木结构建筑技术在中国得到发展，源自政府建设部门对绿色建材和循环经济的重视。

2005年3月，中国林科院木材工业研究所从加拿大引进木结构房屋结构材料应用关键技术，在北京建造了2层轻型木结构示范房屋(图1)；同年9月，上海科学技术委员会在莘庄建造了3层木结构生态建筑示范楼(图2)；10月，苏州落成了首栋木制结构联排别墅。同期在全国建造的木结构住宅还有北京波特兰花园、温哥华森林，上海红枫小区、南京佳湖绿岛、苏州青湖丽苑等轻型木结构住宅小区以及上海金桥“梦家园”(加拿大木业办公地)。该时期的木结构建筑以整体产品引进方式建设。

近年上海采用轻木或胶合木结构的项目有：上海市援建项目都江堰向蛾小学建筑群(图3)，世博会展馆建筑-温哥华案例馆(图4)、世博村A地块近代保护建筑董寅初住宅修复工程，三林经适房基地行政中心(图5)，以及松江陈子龙纪念馆仿古建筑群、江宁路511号(原戈登路巡捕房)修复工程、圣三一教堂修复工程和宝山寺仿古建筑群(图6)等项目。

基于中国政府对绿色建筑的重视和加、欧、美、日和新西兰等国木业在中国的投入，国内外学者、工程师定期进行了木结构技术交流和互访，国内工程界和开发商对现代木结构认知度的不断加深，对于促进中国现代木结构技术的发展起着至关重要的作用。

现代木结构技术在中国经过了十年初创期，在各个领域都取得了令人瞩目的成果，但也存在一些值得业内人士进一步思考的问题，本文就当前木结构建筑技术进展中涉及到木结构设计方面的一些问题作进一步讨论。

1 技术标准

近十年来，国内的科研、教学、设计单位联手，在国外木业研究机构的支持下，引进吸收了现代木结构技术，结合国内研发成果，编制了一系列国家、地方和行业标准。

2005年版《木结构设计规范》(GB50005-2003)[1]对轻型木结构和胶合木结构设计的一般要求作了规定。

2009年版《轻型木结构建筑技术规程》(DG/TJ08-2059-2009)[2]提出了按工程设计法或按构造设计法对整体木结构建筑进行抗震设计的概念，给出了水平荷载作用下木结构抗震分析方法，并且对木结构的连接设计和构造设计都作出了具体的规定。作为上海市政府城乡建设委员会第五注册期培训班的培训教材。

国内已编的木结构建筑设计标准还有：中国西南设计院主编的国标《胶合木设计技术规范》(GB/T50708-2012)、行标《轻型木桁架技术规范》(JGJT265-2012)，国家建材工业局标准站主编的国标《木骨架组合墙体技术规范》(GB/T5036l-2005)。

目前，国标2003版的《木结构设计规范》[3]正在进行修订中。为适应公共建筑对(重)木结构建筑业市场的需求，上海现代建筑设计集团、同济大学、上海市消防局、苏州皇家等单位编制的《工程木结构设计规范》正在进行中，

据了解，国内已编或在编的木结构材料或构件标准有：中国林业科学研究院林业新技术研究所主编的《轻型木结构用木质复合工字搁栅》，黑龙江省林业科学院木材科学研究所主编的《木质结构材料使用销类金属紧固件连接性能试验方法》、《木工字梁》、《木结构用单板层积材》，南京林业大学主编的《轻型木结构建筑覆面板用定向刨花板》，北京林业机械研究所负责《轻型木结构连接件通用技术条件》等。

即将颁布的国标《建筑防火规范》(报批稿)[4]允许木结构组合(混合)建筑的层数为7层、24m高度，拓宽了木结构建筑的适用范围。

2 设计技术

现代木建筑按常用的结构用材可分为原木方木结构(图7)、胶合木结构(图8)和轻木结构(图9)三类，以及他们的混合应用结构，或与钢筋混凝土结构、钢结构组合应用结构；按常用的结构力学模型可分为梁柱式框架体系(图8)、轻型木结构体系(图9)、普通胶合木或CLT胶合木的墙板结构体系(图10)以及他们的混合应用结构。但是迄今为止，除了轻型木结构体系的力学计算模型比较明确外，梁柱式框架体系虽已得到应用，但其受力机理尚存在某些不确定性；近年来，欧美研发普通胶合木或CLT胶合木墙板结构体系也已进入试设计阶段。

2.1 木框架结构力学模型基本假定

木框架结构是国内适用的基本结构体系。对梁柱式结构而言，由于梁柱节点的非刚性，导致在水平荷载作用下结构初始变形大的特证。描述梁柱节点非刚性变形特征需要考虑因素较多，包括梁柱节点连接设计、节点构造、试验方法，特别是木材物理力学参数，目前难以用公式进行概括。(纯)框架结构过大的变形限制了他的应用，节点非刚性特征有待进一步研究。文献[3]规定梁柱式木结构柱应按两端铰接计算。文献[7]第11.3.1条文说明提出了梁柱铰接房屋的适用性问题，并在第11.3.6～11.3.8条提出控制侧向变形、加强整体性和保证稳定性的措施。

2.2 水平层间位移

文献[3]第4.2.15条规定，轻型木结构的水平层间位移不得超过结构层高的1/250；第4.2.19条规定，文物建筑和优秀历史建筑维护和加固设计验算木构架的抗震变形时，位移角限值宜取1/30；两者差异较大。据文献[8]介绍，部分美国规范SEAOC.1996、ASCE 41.2006、FEMA(2000)对轻型木结构房屋层间位移性能参数给出的参考值：小震、中震、大震作用下，结构的层间位移限制分别为1%、2%、3%。

鉴于木结构试验本构关系中存在的非线性性质和前期变形大的特点，文献[3]规定的小震作用下水平层间位移限值偏严。参照文献[7]钢筋混凝土框架和多层钢结构弹塑性层间位移角限值1/50和文献[8]的规定，如果将木框架结构极限层间位移角控制在1/50～1/30内，根据近期上海《工程木结构设计规范》对五类木框架结构系列的初步试验结果证明，所有带支撑框架和带木基结构墙板框架、包括“控制极限层间位移角的带隅撑框架结构”，层间位移角一般都能控制在该范围内，成为可供选择的框架结构种类。

2.3 五种类型木框架结构的试验研究

为了开拓木框架结构体系，上海《工程木结构设计规范》进行了(纯)框架、带交叉支撑框架、带人字撑框架、带隅撑框架和带木基结构墙板框架等五种类型木框架结构系列的研究(表1)，此外，还完成了内插钢板螺栓连接节点试验，以及在内插钢板螺栓连接节点与螺栓垂直方向施加横纹自攻螺丝的节点试验。

试验结果表明，采用内插钢板螺栓连接梁柱式(纯)框架节点试验，同样存在节点非刚性问题。

试验证明，当以承载能力评价带支撑框架与(纯)框架的力学性能时，前者有效地提高了结构的承载能力，变形量也能控制在结构正常使用的范围内。

与带支撑框架相比，带木基结构墙板框架在试验前期，墙板几乎承担了全部侧向荷载作用，结构的侧向变形量接近带人字撑框架变形量，但该阶段的荷载值仅为带人字支撑框架的一半。在反复荷载作用下，部分墙板退出工作，墙板抗剪承载力持续降低。但是在大变形情况下，框架与木基结构墙板变形越来越协调，整体工作能力不断提高，弥补了墙板承载力的降低，结构整体工作，形成稳定的承载能力，结构变形呈持续增长的态势，结构延性良好。

在与螺栓垂直方向施加横纹自攻螺丝后，内插钢板螺栓连接梁柱式节点的承载能力与刚度得到提高，提高的幅度与梁柱节点的设计、自攻螺栓的排列和数量以及自攻螺丝的长度和位置有关。施加横纹自攻螺丝后显著提高了节点的延性性能。

3 配套技术

与木结构建筑设计配套的计算软件、连接件产品和结构设计手册等都是不可或缺的结构设计组成部分。

国内木结构建筑工程结构计算方法有二种，一种是按现行国标或地方标准的手算计算书。对于3层及3层以下的平立面规则的木结构建筑而言，采用文献[2]规定方法进行抗震设计，手算具有可操作性，但是当结构存在规则性问题或体型比较复杂需要按侧向刚度分配法作整体分析时，手算就显得力不从心了。

第二种采用国外MITEK软件计算的设计文件，该软件适用于各类木结构建筑整体设计和构件设计，但使用MITEK软件尚需国内建设技术主管部门认可。该软件尚存在诸多需要与中国规范协调衔接的前后处理问题。虽然国内部分用户已购买了该软件，但使用范围受到一定限制。

国内木结构设计软件的研发尚未提到议事日程。计算手段涉及木结构建筑的推广应用，开发中国适用的木结构计算软件应是当务之急。

国内配套的现代木结构构件选用手册、企业的制品标准，仅见高承勇等编著的“轻型木结构建筑设计”，附有构件选用表；苏州皇家编制的工程木制品、木结构五金等企业标准。

著名的连接件专业生产厂SIMPSON公司[5]、MITEK公司的产品遍及木与木、木与混凝土、木与钢以及木与砌体结构中的连接中。

目前送审的木结构建筑工程设计文件的深度一般都未达建设部《建筑工程设计文件编制深度规定》[6]，或存在设计文件不全，或存在设计深度不够等问题，包括计算书、设计说明、平面图、节点详图、连接件详图以及其他构配件等。

国内木结构设计配套技术的开发力度尚不能满足木结构技术发展的需求。

4 前景

国内现代木结构建筑业从本世纪初起步，已具雏形，工程项目遍及全国各省市，应用于住宅会所、游艺设施、景观小品和桥梁等建筑结构中，也常见于仿古建筑中。

国内科研院校、设计、木业联手的现代木结构理论研究、应用技术以及实验研究的成果卓有成效地推动了中国现代木结构事业的进展，当前国内现代木结构建筑发展的瓶颈是适用的结构计算软件、工程木制品、连接件等，建筑市场监管机制也需要进一步配套和完善。

随着现代木结构技术的进展、木结构建筑日益广泛的应用，木结构研发将如同混凝土结构、钢结构和砌体结构一样，终将显示其在建筑结构体系领域内的不可或缺的价值。

[1]中华人民共和国建设部主编.木结构设计规范(GB50005-2003)(2005年版). 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]上海现代建筑设计(集团)有限公司主编.轻型木结构建筑技术规程(DG/TJ08-2059-2009).上海：2009.

[3]木结构规范修订组.木结构设计规范(GB50005)(征求意见稿)，2013.

[4]中华人民共和国公安部主编.建筑防火规范(GB 50016)(报批稿)，2012.

[5]SIMPSON.WOOD CONSTRUCTION CONNECTORS C 2011-2012.

[6]中华人民共和国建设部.建筑工程设计文件编制深度规定(2008板)，2010.

[7]中华人民共和国建设部主编.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010).北京：2010.

[8]康加华.轻型木结构房屋力学性能与设计理论研究.上海：同济大学博士学位论文，2012，4.