现代轻型木结构建筑的应用特点

李振升　罗欣　李燕萍

摘要 现代轻型木结构因木材资源的可再生、结构安全、节能保温和环境友善等特点，在国内外受到越来越广泛的重视。该研究介绍了轻型木结构建筑的分类和轻型木结构住宅构架方式，论述了木结构建筑对保温调湿、隔声隔音、光特效、防火等室内环境的改良作用，并结合实例阐述了木材与其他材料的结合方式，旨在为发展现代轻型木结构建筑提供新思路及对策。

关键词 轻型木结构建筑；应用特点；室内环境

中图分类号 S26 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）05-190-02

Abstract Modern light timber has been paid to more and more great attention at home and abroad due to the characteristics of renewable resources， safe structure， energy saving and thermoinsulating， environmentally friendly and so on. The classification of light timber architecture was introduced， as well as the residential architectural style of light timber. The improvement effects of timber architecture were discussed on wet adjustment， heat preservation， sound insulaton， light special effects， fireproof and so on. Combination of timber and other materials was elaborated based on living examples， aiming at providing new ideas and countermeasures for the development of modern light timber architecture.

Key words Modern timberwork architecture； Application characteristics； Indoor environment

随着城市化发展进程的推进，大量混凝土建筑拔地而起，各种建筑材料在建筑上的应用给居住者带来了美观大气的外观，但是随之而来的是植被的破坏，生态环境的恶化。木结构建筑是在中国发展起来的，而现在北美、欧洲等却大量应用在住宅建筑中。梁超阐述了现代木结构建筑技术的优势[1]，白化奎讨论了中国发展木结构建筑的意义与前景[2]。笔者以现代轻型木结构建筑为根本，论述其特点及对室内环境的改良作用，提出将木材与其他材料结合使用，更好地满足不同环境及居住者需求，进而为发展现代轻型木结构建筑提供新思路及对策。

1 轻型木结构建筑的定义及分类

1.1 定义

轻型木结构是由构件断面较小的规格材料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，承受各种载荷，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。现代轻型木结构建筑在北美主要应用于住宅建筑中[3]。

1.2 各种构架方式的含义及其注意点

轻型木结构住宅根据施工技术、建筑用途及施工方法分为立柱-梁构架方式、重木构架方式、原木构架方式。

1.2.1 立柱-梁架方式。是最古老的木结构方式中的一种，是从圆木构架发展而来的建筑形式，目前常与典型的平构架结合运用。

1.2.2 重木构架方式。重木构架方式与立柱-梁方式的不同之处在于结构材使用的是重的圆木而构筑。重木构架将重原木具体分类为最小规格的木材而构成建筑，重木构架之所以要求构件的最小规格是为保障火灾发生时结构体的安全。

1.2.3 原木构架方式。在最原始的壁式木结构之中就有原木房屋，原木构架将水平木作为承重墙，其余的地面、屋顶结构以2×4轻型木结构统一而构成。（2×4住宅是使用厚度为5 cm，宽10 cm的结构材，此叫法主要是与日本传统立柱-梁结构区分开。）

1.3 轻型木结构住宅构架方式和特点

1.3.1 立柱-梁构架房屋。有轻质木框架和多层木框架两种。轻质木框架房屋使用38 mm厚的木材作为地板梁、天花梁、屋顶椽子和墙栓。这些构件以中心相距41 cm的间隔布置，其他也有一些以30.0 cm、48.8 cm或60.0 cm间隔布置的。多层木框架房屋主要做自给自足的退休社区及将3～4层木框架住宅建在底层预应力混凝土框架的车库和商业空间上面。多层木框架房屋特别适合作为填充项目建在城市中心的小街区里[4]。

1.3.2

重木构架房屋。主要用在住宅方面，也叫做木框架房屋。传统的木框架房屋是大尺寸木构件的梁柱体系，它们用榫、钉或者金属扣件连接。大型构件用作屋顶和楼板，小型构件则用来做墙。

1.3.3

原木构架房屋。传统上的原木构架房屋是指用原木建造的乡村住宅。它有许多种不同的样式并且还有现代设施。原木牢固的结构和良好的热惰性使房屋具有极佳的保温性能。材料制造时先将原木去皮，再将其加工成各种构件。构件的内外侧可以是圆的、直的、斜的，这使它有许多种铺设方式。它的端侧则可是圆的、直的、有凹凸槽的或经特殊处理的。原木最普通的形式是圆形，这里有两种传统的建造技术：瑞典加工法和北美加工法。前者是将底部削切以适合另一构件顶端（以此相连）；后者则是将原木叠放，中间的缝隙用人造合成物填充。

2 轻型木结构建筑的优点

2.1 材料利用率高，投资少

木材的主干可以用作木质承重构件，枝杈材与加工剩余物可用于制造各种人造板，例如定向刨花板、中密度纤维板等人造板可以用作建筑的非承重结构，提高了木材的利用率，同时避免了拆迁时废弃物对环境的危害，达到生态的可持续利用。同时旧屋改造秉持可持续设计5R（Reuse Renew Recycle Reduce Revalue）的基本原则，木材的重复使用率也较高，节省了投资成本。

2.2 施工安装方便

施工方式主要有现场施工、工厂装配、预制模件、拖车式（活动住房）等。例如“平台式框架结构”一层一层构造，下一层就为上一层做好准备。另外，结构材的搬运无需大型吊装设备，便于施工。

2.3 施工周期短，施工过程简单

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，因此整个工程的施工作业面多，容易加快施工进度，缩短施工周期[5]。例如1幢普通木结构别墅的建筑工期大约3个月，而同等规模的混凝土别墅的建筑工期为5个月，所需人工量则相当于木结构房屋的数倍。

2.4 能源节省

木结构房屋本身的节能效应及其内部的保温层，使房屋全年的空调用电量大大少于其他建筑物[5]。定向刨花板作为墙体时能耗最低，普通砖砌和钢筋混凝土墙体比它高2～3倍。再如，在同样厚度下，木材的隔热值比标准的混凝土高16倍，比钢材高400倍，比铝高1 600倍。木结构建筑似一座天然的空气调节器。在上海地区，木结构房屋采暖能耗比轻型钢结构房屋低27.1%，比混凝土结构房屋低31.3%[6]。达到同样温度效果，木材需要的厚度是混凝土的1/15，是钢材的1/400。在使用同样保温材料时，木结构的保温性能要好15%～70%，可使建筑物的使用能耗大大降低[7]。

2.5 可利用空间扩大

木结构建筑中所有管线均设在墙体或楼板内，有效增加了使用面积，房屋使用率一般可达85%～90%，这可有效增加投资回报率。

2.6 抗震性能强

木结构建筑自重较轻，在地震中能降低结构损失的机率。此外，地震致使房屋倒塌时对人产生的伤害也比其他建筑材料小。例如始建于1460年四川省平武县城的报恩寺在“5·12”地震中，只是木构造脱榫，墙体存在一定脱落，但整体未被地震震毁，成为地震后的避灾场所。

3 轻型木结构建筑对室内环境的改良

3.1 保温调湿

木材是一种多孔性材料，导热系数较小，是热的不良导体。木材作为墙体或装饰材料，对室内温度起一定的调节作用。冬季在同样气候条件下，混凝土结构的居室温度比木结构的居室温度低1 ℃多。木材的调湿特性是其独特性能之一，木材自身的吸湿作用能直接缓和室内湿度变化。木结构房屋的年平均湿度比混凝土房屋低8%～10%，这与最佳居住环境相对湿度60%左右的指标最为接近[8]。

3.2 隔声吸音

由于木质材料是多孔性材料，具有良好的吸声性。所以木质材料装修的室内与混凝土造居室内声音的回响时间不同，如果有两组以上的人在同一居室内谈话，在混凝土造居室内谈话易被干扰的程度大于木造居室。

3.3 空气质量

第一，木结构建筑室内氡浓度较低，仅为混凝土结构的10%～15%。木结构住宅与混凝土住宅相比，小孩出生率较高，人的平均年龄也较高，差异高达3.5岁。木造率高时，肺癌、食道癌、乳癌、子宫癌等引起的死亡率降低。另一项研究表明，用木材建造的教室引起的学生身体不适会较其他材料建造的教室少。造成这些现象的重要原因之一可能与木材氡气含量低有关。第二，木材可以散发出芳香的气味，令人心旷神怡，领略到大自然的气息。木材散发的气味还有一些其他独特功效。例如，樟木自身具有防虫的特效；由花柏所建造的房屋中没有蚊子出现；椴木可使结核菌或白喉菌无法生存；松木有消炎、镇静、止咳等作用；杉木会刺激大脑而使之更为活跃等。怡人的气味会使人感到舒畅，减轻紧张的感觉和消除疲劳。

3.4 光特效

第一，木材具有柔和的自然光泽，由于木材是多孔性材料，表面会有小的凹凸，在令人眩晕的光线照射下，会呈现漫反射现象，或吸收部分光线。光似乎能渗进木材表面，使它产生柔和的光泽，所以光线也变得柔和。第二，木材可以减少紫外线对人体的危害，同时又能反射红外线，故会给人带来温暖、柔和、细腻的触觉和视觉效应，在寒冷的冬季可以给人带来温暖。

3.5 防火性能较高

调查研究，火灾中的人员伤亡与建筑结构材料的燃烧性并没有直接关系，而致人死亡的原因更多的是因内部装饰材料等燃烧后迅速传播的有毒气体。木材本身可以碳化阻止进一步燃烧，木结构采用防火石膏板对房子进行重重设防，重点对可燃的木制构件进行保护，以阻断火焰与木构件的接触，犹如给木结构建筑穿了一件难燃或不燃的防火外套。加上传统木框架、木衍架和工字格栅的木结构墙体、地板和屋顶，耐火极限可达2 h，相当于非易燃材料的防火水平。

4 木材与不同材料的结合

木材及其他材料结合可以克服木材自身的缺点和不足，包括力学上的、构造连接上的、装饰表现上的等，能够从技术层面解决许多问题，例如砖、石克服木材的不耐腐蚀、不耐磨，防火性差的弱点；钢材及其他金属材料的应用克服了木材连接的弱点及木材厚重、跨度小的问题，同时还解决了木材与大面积玻璃连接的问题。这样才能创造更为合理的建筑形式[7]。

4.1 木材与砖的结合

从力学性能考虑，砖材一般作为承重部位墙体、台阶等，木材则屋顶墙身上部、地板、非承重墙的骨架、门窗、家具等部位；砖石的粗犷、稳重、冷峻和木材的温柔、轻盈、温暖，产生一种结构逻辑与肌理特效的对比与和谐。例如建成于1997年的美国佛蒙特州斯特瑞藤山的卡维尔住宅（图1），是充分利用木材与砖材的质感与肌理对比所营造的住宅建筑。

4.2 木材与混凝土结合

木材与混凝土都是手工制作的材质，因此极为朴实自然。墨西哥建筑师卡拉赫用钢筋混凝土材料及当地木材创造了不少富有墨西哥特色的作品。在尼格罗住宅中，用混凝土墙与木质梁作为承重体系，各个不同材质的界面使室内空间显得丰富而富有情趣（图2）。

4.3 木材与金属结合

金属和木的结合更加增强了建筑的视觉效果。金属在木结构建筑的应用加强了连接上的功效，提高了整体刚度的作用[9]。金属因物理性能可以实现较大的跨度，形成规模较大的建筑。例如由A&G建筑事务所在美国纽约州难安普顿设计的阿莫尔别墅就是木材与金属结合的最好例证（图3）。

4.4 多种材料的结合

充分利用木材及各种材料的不同特性进行组合运用，更好地创作出适宜建筑。例如巴特普林斯在美国加利福尼亚州门多西诺设计的海特住宅就是通过木材与玻璃、混凝土、金属等的有效结合创造的现代木结构建筑。

5 结语

现代轻型木结构建筑具有一定的防火、抗震、环保、舒适等特点。木材同时可以兼容砖材、金属、混凝土等多种材料，达到有效的设计目标。对有条件地区的旧木结构建筑可以重点保护与再开发、再利用。例如福州的三坊七巷做到住宅建筑的旅游化，成为地区的一个亮点。同时重点发展现代轻型木结构建筑，在保护原有植被的住宅区、旅游区等，在保护地区环境、降低能耗、投入较少的情况下，营造绿色风向标。在倡导绿色建筑的环境下，国家有关部门应大力研究及出台相关政策，扶持从事木结构建筑的研究及培养相关木结构材料开发和销售的人才。我国现代木结构建筑的逐步发展将为低碳经济以及社会可持续发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]梁超.现代木结构建筑技术的优势[J].上海建设科技，2006（5）：57-58.

[2]白化奎.发展轻型木结构住宅的几点建议[J].林业科技，2009，34（1）：56.

[3]韩国产业文化出版社.韩国现代建筑木制别墅建筑[M].长春：吉林科学技术出版社，2003：8-13.

[4]张仲强.木结构建筑[J].世界建筑，2002（9）：17-21.

[5]郑军德.选择的理由-论木结构建筑的再度发展[J].浙江工艺美术，2009（1）：47-51.

[6]何敏娟，FRANK LAM.北美“轻型木结构”住宅建筑的特点[J].结构工程师，2004（1）：1-2.

[7]张璧光.木质建筑的节能与其在我国的应用前景初探[J].华北电力大学学报，2003，9（5）：26-28.

[8]戴志中，胡斌.木材与建筑[M].天津：天津科学技术出版社，2002：65-196.

[9]陈孝柱，董岩.一种新型框架式“钢木结构”的研制与设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014（20）：18-20.