木质工程材料在木结构建筑中的设计与应用

2020-03-07金银慧朱建伟付宁闫培英周海宾

工程建设与设计 2020年2期

金银慧，朱建伟，付宁，闫培英，周海宾

（内蒙古大兴安岭林业科学技术研究所，内蒙古牙克石022150）

1 引言

木质工程材料在木结构中的设计和应用过程中存在的问题制约着木结构建筑行业的发展，无法充分满足木结构建筑行业的使用要求，因此，需要加强对木质工程材料的设计应用研究，明确木质工程材料应用过程中需要注意的问题以及相关设计应用的不足，并采取针对性的措施进行解决，进一步提高木质工程材料的应用效率和应用价值。

2 木质工程材料概述

2.1 木质工程材料的类型

根据木质工程材料的加工处理特点，可以将木质工程材料分为胶合木结构、胶合板、大片刨花板等多种类型。工程木质材料保持了原有木材的无辐射、减震、调湿的优势，且能够有效解决木材易发生火灾、易被虫蛀以及容易变形的缺陷，也是当前建筑行业进行新型木结构建设的首选材料。胶合木主要是采用小方材或者板材，按照木纤维的平行方向在长度、宽度以及厚度方面通过胶合而制备成的木材产品。胶合木制造的构件尺寸可以打破树木尺寸的限制。胶合板普遍应用于轻型木结构房屋的墙面板、屋面板以及楼面板[1]。大片刨花板指的是长度为7cm、宽度为2cm、厚度约为0.8mm的大片刨花。平面结构上随机铺装制成工程用单板层积材也被称之为切片，胶合木质量轻、强度高、耐候性好，在工程建设领域有十分重要的应用价值。定向刨花板以木间伐材以及小径材等为原料，通过专用设备加工成长条刨花经过定向铺装、施胶以及干燥之后，热压成型的人造板为定向刨花版。定向刨花具有线膨胀性小、结合力强、强度高、耐水性好以及握钉力高等多种优势。

2.2 木质工程材料的力学性能

木质工程材料的力学性能主要取决于原材料的加工方式以及原材料的种类，木质工程材料的弯曲弹性模量以及弯曲强度一般指的是板材平板弯曲或表面弯曲的性能指标。木质工程材料的拉伸压缩性能与材料的弹性模量有关，一般指的是材料表面的抗压强度以及抗拉强度。材料的顺纹与横纹方向的抗压和抗拉性能有着较大的差异。所以，在材料设计过程中，需结合材料的使用场合及材料的使用要求进行科学的产品设计。板材抗剪性能指的是木质工程材料表面抵抗变形的能力，由于外部压力的影响，会造成板材出现菱形形变，产品设计过程中可以参照材料的弯曲性能进行设计。

3 木质建筑材料的发展

在我国古代，建筑大量采用了木结构和木质建筑材料，故宫等就是其中的优秀代表。而在现代，我国的木结构建筑却出现了一个断层，木材的使用越来越少，木质建筑材料行业的发展也相对滞后。我国现代木结构建筑的使用分布，除边远山区的简易木房，多用于一些景区的景观建筑以及少数发达地区的别墅等，整体使用量非常少，与优质木质建筑的高昂价格及占地面积较大有关，也与国内落后的木质建筑设计及木质建材标准件的缺失相关。国内的木质建材主要只是应用在门窗、地板等装饰部分，木质主体结构构件相对缺失，而且木质建筑材料没有形成标准件，不能批量生产，成本不能有效降低。因而出现了木质建筑材料行业整体发展滞后的现象。

一方面，由于我国在20世纪80年代开始种植人工林，进入21世纪后，逐渐迎来了砍伐期，木材年增量约为2.5×107m3；另一个方面，我国加入世贸组织后，进口木材关税大幅下降，我国可以通过比较优惠的价格买到俄罗斯、新西兰等盛产木材国家的木材，同时，可以吸收和学习国外对木材加工的许多高端技术，使木结构建筑和木质建筑材料行业得到了很快的发展。随着人们经济水平、生活水平、审美观念和文化素养的继续提高，对木质建筑材料的欢迎程度也会随之而提升。在今后的发展过程中，木质建筑材料将会是建材行业里不可忽视的一员。

4 木质工程材料在木结构建筑中的设计和应用

4.1 木结构建筑局部的设计

木结构建筑属于框架结构体系，外墙、楼盖及屋盖是建筑最为重要的结构部分，决定了建筑物的稳定性、刚度以及强度。在木结构的设计过程中，需要结合木结构的使用范围及使用条件，首先，工程项目建设人员需要确定建筑外观的物理尺寸，并进一步确定建筑结构的类型。然后，根据建筑外观、尺寸等计算建筑的楼盖、屋盖以及外墙。设计过程中，应考虑建筑材料的类型以及结构布置的条件并对力学强度进行验算，保证材料的刚度和强度。楼盖和外墙的设计相对比较简单，主要采用倾斜木结构墙体和楼盖的结构类型。屋盖的结构设计相对比较复杂，主要包括大木结构木屋架、轻型木结构木架以及胶合木结构木架3种类型。在进行屋盖结构设计验算的过程中，工作人员需要根据建筑物的外观尺寸分别确定各部分结构的特征，分别按照制定的技术路线进行设计。屋面材料的选择直接关系着整体结构的稳定性，因此，需要在对顺水条、挂瓦条以及屋面板的强度进行运算之后再确定所承受的载荷。

4.2 砖石与木材结合

砖石砌体是一种重要的建筑材料，坚韧的木材和坚硬的砖石结合，能更好地发挥木材和砌体的功能。因为不同的材料具有不同的性质，在建筑设计中将石材与木材相结合，可以产生独特效果，拥有更舒服的美学感受。砖石材料一般适用于地基和墙面，木材用于门窗、地板、楼梯和屋顶，木材的温暖感和轻柔的特点，可以使人们感受到自然和新鲜。