建筑用木材的使用初探

谌晓梦

（中国城市科学研究会木结构建筑专业委员会，北京 100835）

0 引言

木材是大自然赐予人类的礼物，被誉为“最有人情味的材料”。其质感温润亲和可再生，具有诸多材料无法比拟的美感。作为建筑材料，木材的使用由来已久，在工业文明出现以前，一直是传统建筑的主要建造材料。

1 木材简介

木材是乔木或灌木等植物在初生长后，在根茎中之维管形成层不断向内发展的植物组织结构[1]。作为四大传统建材之一，木材用在建筑工程的很多方面，如桁架、梁、柱、门窗、地板、顶棚、模板、脚手架等。作为唯一可再生的建筑材料，木材具有其独特优势：

1）质强比佳：木材强度高，韧性好，重量较轻。木材密度在450～675kg/m3，混凝土在2350～2450kg/m3，在满足同等使用条件时，混凝土的重量是木材的两倍。这对减轻建筑物的自重，节省建筑物的基础处理都是十分有利的。

2）抗震性好：作为生物质材料，木材的延展性良好，受到外界冲击或震动破坏时，自身的破坏不是瞬间发生，而是较为缓慢的过程。因此很多木结构建筑在受到冲击乃至地震时，最可能保持整体结构的完整和稳定。

3）易于加工：木材取自天然，易于加工、运输施工便捷，生产成本低。

4）环保可持续：木材属于自然产物，具有绿色属性。树木在生长过程中，以光合作用的形式在植物中实现“碳固存”，每生长1m3木材，吸收约1t二氧化碳，释放0.75t氧气；从建材生产角度看，每生产1t木材，需耗费453kw电力，而1t钢则需3780kw。据研究显示，每生产1吨材料对比：木材释放1070kg氧气，固化二氧化碳1470kg；钢释放5000kg二氧化碳；水泥释放2500kg二氧化碳。说明一个单位材料的加工能耗，木材：水泥：钢铁：铝的比值为1：5：191：791[2]。从建筑能耗来看，据研究显示，最大限度利用木材的设计可将传统设计建筑物的温室气体排放减少近50%（表1），可使房屋使用中的能耗减少23%～25%[3]。

5）亲和舒适：据研究学者发现，生活在木材的建筑空间，确实对人体生理指标、体温、心率和血压等有积极的影响，远远优于金属、石材等材料的环境。国外木材科学学者也曾研究木材的颜色和心理之间的关系，结果光谱显示，木材表面的字符确实能给人以天然舒适的感觉，更容易给人们带来放松的感觉。

表1 主要建材生命周期对环境影响比较

2 作为建筑材料的历史

图1 原始巢居发展序列

人们对于木材的起用，更多的是源于自然的选择。远古时期的黄河和长江流域，树木非常茂盛，黄土高原还是一片原始森林，人们为了躲避野兽虫蛇或自然灾害的侵蚀，开始练习构木为巢，而木材的取材和加工相对容易，自然而然就发展成了干栏式木建筑。战国和辽宋时期，梁柱式、穿斗式木建筑及《营造法式》等建筑规范相继出现，建筑发展逐渐成熟，开始从满足居住需求向美学需求方面转变，随之出现了各类符合标准规范的亭台楼阁、桥梁等木建筑。到唐宋明清时代，又因文化和环境等地域性差异，建造出了不同的代表性的民族建筑，如以紫禁城为代表性的官式建筑、山西应县佛宫寺释迦塔、侗族依山而建的干栏式建筑、木结构重檐式交通廊桥以及湘西凤凰吊脚楼等，很多建筑留存至今。

以桥梁建筑为例，最早先秦时期木材被用来建造木梁木柱桥。南宋时期，随着建筑规范的出现，木材开始应用于建造桥墩基础、桥身，古老的“睡木沉基”正是南宋桥梁建筑的一项重大技术发明，即以整株松（杉）木纵横叠架于水底，以“卧桩”的形式构筑桥墩基础以降低施工难度，加速工程进展。另外，不乏一些桥梁全部用木材建成，如（江西宜黄县）下东门桥，为典型的木结构桥[4]。

可见，古时木材在建筑中应用十分广泛，包括宫殿、坛庙、民居、古典园林（亭、台、楼、阁、廊、榭、轩、舫、馆、桥等）等，其功能定位主要在结构构件，如梁、柱、枋、檩等，也用作装饰构件，如门、窗、斗拱等。木材在古代建筑上的广泛使用体现了其独特的东方文化和审美取向，象征着天人合一的世界观，承载着古代社会民俗与精神的变迁，也给后人带来了灿烂的建筑艺术。

3 建筑用木材使用现状

不可否认，木材也有其与生俱来的缺陷。因生物质材料的特性，在建筑工程中长时间大量地在露天环境中使用木材，其防腐、阻燃、耐久性会成为持续面临解决的问题。久而久之，在现代工业文化的主流引导下，木质建材的竞争力逐渐减弱，诸多无机材料钢筋混凝土等以其较低的应用要求逐渐实现了应用的超越。同时，由于我国人口众多，以全球20%的人口占有5%的森林资源，人均木材资源相当不足，在上世纪80年代国家保护天然林的政策下，木材尤其是建筑结构用材逐渐被边缘化。

随着科技的进步和城镇化建设的不断推进，人们意识到与生态环境之间的矛盾日益凸显，人们对于建筑材料的生态性的思考和转变日渐增多。此时，木材在受到现代工业文化的冲击之后，又重新回归了人们的视野。木材作为建筑材料对于当代建筑的发展而言，不论是从精神方面给予人们的亲切感知，还是说实际层面上对于缓解不断恶化的环境问题，都有着不容忽视的作用。在建筑中使用木材进行设计和建造也更能够符合绿色环保的政策意识。

以下从资源、建材种类方面了解木材的使用现状。

3.1 木材资源

在一带一路的大背景下，木材资源的产量和消费及在建筑行业的应用分析应该站在全球经济一体化的角度来思考。

图表显示十多年来，我国木材产量、进口量（图2）持续增长，对外依赖度超过50%。国内木材消费总量从2007年的3.8 亿立方米增长到2018 年的6.1 亿立方米，年均增长4.67%。随着木质建材的回归，用于建筑业的木材从2016年的0.84亿立方米增长到2018年的1.86立方米，呈持续增加态势（图3）。表中数据可以看出，木材的总需求量、消费量均逐年增加，建筑业对木材资源的利用也逐渐增加，但空间仍然很大[5]。

图2 2006-2018木材产量和进口量

图3 建筑业木材消费量

3.2 建筑结构用材

现代建筑用木材的种类很多，按照树种不同可包括杉、松、柳等，按照材种不同可包括南美材、东南亚材、北美材、欧洲材等，按照用途不同可分为结构材、非结构材。结构材又包括原木、锯材和胶合材。其中，原木和锯材属于实木，胶合材属于人造材。

以下介绍三类主要的建筑结构用木材[6]。

3.2.1 原木

原木是树干经去皮后直接用做结构构件的木材，通常应用在传统的木梁桥、井干式木结构建筑中[1]。原木用作结构构件时，对材料的规格、外观等要求很高，故不利于广泛使用。在现代木建筑中，原木通常被作为质朴纯粹的代表符号应用在建筑中的特定位置（图4）。

图4 井干式木结构

3.2.2 锯材

锯材是将原木按一定规格切尺寸切割加工后得到的截面为矩形的方木、板材或规格材。锯材结构强度大、材质均匀、尺寸稳定，通常用作框架结构建筑的结构材或楼地面的覆面板[1]。锯材经粗加工而成，一般作为结构的构成元素与结构一起隐藏在建筑内部。如Flip Flop House，木框架结构主要用规格材，但在结构外部加盖其他装饰材料，建造完成后看不到任何锯材的使用痕迹（图5）。

图5 锯材建筑

3.2.3 胶合材

胶合材是将原木通过胶合压制而成的材料，在胶合过程中加入多种添加剂，能够有效地提高木材利用率和木材性能。其尺寸和形状不受树木自然特性的限制，可以根据设计需要制造出大断面和各种形状的结构用材。在建筑应用中，适用部位灵活，可用于结构、围护、外表皮等多个地方。多用于建造会所、学校、医院、图书馆或游泳馆等公共建筑。

图6 胶合材

胶合材主要分类是木基结构板材、结构复合材和胶合木（图6）。目前我国存在两类结构用木基结构板材，针叶材胶合板和定向木片板，均通过高温高压和结构用胶，将很小的材料颗粒或碎片粘合而成。适用于施工项目的模板、轻型木结构楼盖覆面板、屋面板和墙面板等。由于原料种类无多限制，提高了木材资源的利用效率，降低成本，符合环保与可持续发展的理念。

结构复合材包括两种产品即单板层积材（LVL）和旋切片胶合木（PSL），被广泛地用在轻型木建筑中梁、柱、过梁以及重型木结构的构件中。

胶合木即集成材（GLT），是较小规格的实木锯材，利用冷固化型胶粘剂，顺纹方向粘结而成的一种工程木。可以制作成大跨度弯曲梁，被广泛应用于桥梁、建筑等工程领域。

随着胶合技术的发展，胶合材将更多地取代原木作为结构材料。

3.3 非结构用材

木材作为非结构用材在建筑中的应用则更加普遍。比如家具和家居装饰中的应用，几乎随处可见，有各式家具、木质门窗、实木地板、镶板、椽子、挂瓦条、灰板条等；景观建筑中，有木栈道、花坛、围栏、候车亭、景观桥等。结构用木材亦可用作建筑装修、装饰。

随着现代木材加工处理技术不断发展，多用作非结构材的木基复合材料应运而生，可见于建筑领域的各个环节，比如景观建筑中防腐木、炭化木、塑木的应用等。木基复合材料是指以木材为增强体，以树脂、塑料、金属或水泥石膏为基体复合而成的材料，是现代技术为木质材料带来的一种创新，作为木材工业的发展方向，正成为科研学者们的研究热点。

4 木材作为建筑材料的发展趋势

随着高技术、轻结构在建筑中的应用，生态建材将代表着一种方向和趋势。木材作为首选的生态建材将在现代工业化进程中发挥着其不可替代的作用，作为传统建筑文化的载体，也将成为展现科技与传统文化交融的材料语言，其应用也将呈多元化的发展。

在坚持木材合理利用、节约利用的前提下，如何利用现代工业技术手段将木材属性创新改良，为木材注入新的科技含量，运用至现代建筑，既给传统材料赋予时代性，又体现地域文化特性，是值得人们思考的问题。

从宏观上看，继续发展木材在建筑中的应用，需要根据我国的国情、政策和林产资源，在加强生态建设、积极发展、科学经营、持续利用森林资源的前提下，立足于人工林的培育和合理利用，积极开发利用国外森林资源，通过应用数字化技术，充分利用并且加工各类木材及剩余物，开发并且生产高得率、高性能的木质复合材料，以满足市场的需要。