轻木-混凝土混合结构的研究综述

高 兵 张洪舰

吉林建筑大学土木工程学院（130000）

2015年的《促进绿色建材生产和应用行动方案》提到“发展木结构建筑，促进城镇木结构建筑应用”。2016年，住建部颁布的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》提到“推广绿色建材，提高绿色建筑的比例”。2017年，新的《木结构设计规范》（GB 5005—2017）颁布。新版《绿色建筑评价标准》（GB 50378—2019）指出，“绿色建筑是在全寿命周期内，节约资源，保护环境，减少污染，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑”。可见，为响应绿色环保，实现可持续发展，近年来我国在政策、规范、宣传等方面大力推动木结构建筑的发展和应用。

尽管政府和企业为木结构建筑的发展和推广下了很多功夫，但效果并不明显，城市中的多高层建筑很少采用木结构，乡镇的低层建筑也基本没有木结构。鉴于此，文章将阐述其中原因，论述轻木-混凝土混合结构的优势，并认为此结构在城乡低层建筑中推广应用具有可行性。

1 木结构的特点与不足

木结构是我国传统的结构形式，已有几千年的悠久历史。其以梁柱为承重受力体系，通过榫卯连接，以巧夺天工的设计建造而成，是集历史性、艺术性和科学性于一身，具有极高的文物价值和观赏价值[1]。木结构建筑发展至今，已进入现代木结构建筑的新发展阶段[2]。木材作为传统的天然建筑材料，易于再生，绿色环保，符合当下节能减排和可持续发展的方针策略。木结构建筑有如下几个特点。

1.1 抗震性能

地震作用与结构重量有关，相较于钢筋混凝土与钢结构，木结构自重轻，产生地震作用小。另外，木结构房屋整体具有良好的韧性和塑性能力，在日本多震地区木结构应用广泛，因此木结构具备良好的抗震性能。

1.2 保温隔热性能

由于独特的构造特点，木材导电、导热性低，具有良好的保温、隔热、绝缘的性能。

1.3 节约能源，绿色环保

木结构的能源消耗、碳排放、水污染相比主流建筑结构都是最低的。虽然木行业的发展必然导致林区的大片损失，但只要做好可持续管理，利用木材可再生特性，这些影响都是短暂的。综合考虑，木材具有绿色环保的特点。

1.4 施工方便快捷

木材易加工，可根据要求制作成各种形状；木材轻，运输安装无需大型设备。同时，木结构的楼梯、桁架、墙体等可预制，设计灵活，不仅能够满足各种结构用途，还能够缩短施工工期。除了上述主要特点外，木材还有诸如装配化程度高、建筑美观舒适等优势。

我国解放初期，由于大规模建设发展的原因，木材需求量大，被过度砍伐，而且没有注重木材资源的可持续发展，致使木材资源濒临枯竭。虽然近些年采取了退耕还林政策，我国的森林面积、森林覆盖率逐年增长，但优质的林材品种偏少，材质偏低，使得我国木材大部分来从国外进口。木材数量上，成本过高，不足以支撑当代城市的建设需求，纵使木结构建筑拥有上述突出优点，但难以被普通大众所接受。在《木结构设计标准》（GB 50005—2017）中规定，轻型木结构的层数不宜超过3层。考虑到我国人多地稀的实际情况，轻型木结构建筑在我国的推广应用受到了极大的限制。

2 轻木-混凝土混合结构的可行性

由于我国人多地少的特点，希望用木材建造更高的建筑。《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）扩大了轻型木结构的适用范围，由原来“木结构建筑不允许超过3层”变更为“允许建造7层、高度为24 m以下的木结构组合建筑,其中木结构的层数不应超过3层”，以满足人们的居住需求。所以在城乡地区的低层建筑中,轻木-混凝土混合结构或将是一种可行的构造形式。

现阶段，不管是临街小区的门面房，还是老城改造，或是城区扩建，为了尽可能地提高资源利用率，满足现代生活需要，很多的建筑都是下商场上住房的结构。这种建筑底层的高度、开间和进深的设计灵活度较大，往往需要较大的空间，因此若采用轻型木结构会受到一定的限制，会削弱结构整体的抗震性能，导致地震作用下由于底层的损坏而使整个结构倒塌。因此当低层需要较大使用空间，用钢筋混凝土结构来代替轻型木结构是合理的。此外，底层木结构容易受潮、虫侵，而钢筋混凝土结构可以有效避免这样的问题。若上层使用轻型木结构，由于可以在工厂预先完成房屋的桁架、墙体等构件，将构件送至工地可直接进行拼装组合，能够短时间内完成一栋房屋的建造，工业集成化程度高，符合当下装配式建筑的工业化要求。同时木结构对地基的负荷大大降低，增加了建筑面积，为土地、环保等问题提供了可持续的解决方案，既顺应了时代建筑潮流，又降低了对底层承重的要求。

从另一方面来说，轻木-混凝土混合结构是轻型木结构与钢筋混凝土结构两种结构优点的折合。在低层使用钢筋混凝土结构，不仅降低了木结构房屋的整体造价，同时满足了防潮、防水等要求。在上层使用木结构，不仅能够减少施工工期，且对周边环境污染较少，也顺应了绿色环保的建筑理念，减少了废弃物的污染，提高了建筑装配率，既满足了经济要求，也响应了国家号召。

3 轻木-混凝土混合结构国内外应用

尽管《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）中明确了轻型木结构混合结构的定义和允许的建造规模，但由于我国对现代木结构的研究相对较晚，在近些年才逐渐兴起，所以这种轻木-混凝土混合建筑仍处在探索阶段。虽然我国现阶段还没有“4+3”的组合结构（下4层混凝土结构，上3层轻木结构），但也有轻木-混凝土混合结构成功的例子。

成都青白江华严小学，是成都市第一栋采用轻木-混凝土混合结构的小学教学楼。该教学楼采用了“1+2”混合结构建筑形式，底层为混凝土浇筑用作商铺，2~3层为轻型木结构搭建，为小学所在地。建筑面积共计869 m2。国内还有一些工程在探索“1+3“的混合结构，但规模不大，也说明了这种类型结构具有可行性但当前还处于不成熟阶段。

加拿大不列颠哥伦比亚建筑规范（British Columbia Building Code.简称BCBC）最早的木结构建筑层数为4层，2009年加拿大BCBC规范把木结构的建筑层数从4层提高到6层。2019年3月，BC省允许木结构建筑的层数从现有的6层扩展到12层，规范于2020年生效。可见，国外的木建筑技术比我国成熟许多。2009年，美国西雅图建成的名为“Marselle”的7层轻木-混凝土组合结构公寓（2+5）。该建筑下部2层为混凝土结构，上部5层为轻型木结构[3]。美国2017年完工的“The Heights”公寓是一栋6层楼的混合建筑（1+5）。这栋建筑的地下车库与一层的店铺采用混凝土结构，而5层住宅则采用轻型木结构。当然国外像这样的混合结构还有很多，由国外成功案例可见，轻木-混凝土混合结构在我国存在发展潜力。

4 我国对轻木-混凝土混合结构的研究

当底层钢筋混凝土框架结构的抗侧刚度足够大时，可视作刚性基础，轻型木结构房屋坐落其上，因此可把轻型木结构房屋作为独立的结构进行分析计算。这种分开的分析和构造并不复杂。根据现有的规范标准就可以解决相应的问题。当底层刚度不是足够大时，这种上柔下刚的混合结构体系在地震作用下，如何准确合理地计算上部轻型木结构的地震作用力是研究的重点。

熊海贝[4]等人对“1+2”的3层轻木-混凝土混合结构振动台试验，模型总高8.8 m。上部轻型木结构与下部混凝土结构采用螺栓连接。该试验以不同上下刚度比为依据设计试验模型，试验过程选取了Taft地震波、El Centro波和上海人工地震波SHW2。结果表明，随着震动的增大，上部两层木结构有所损坏，混凝土框架损坏很小。木结构的损坏多是钉连接节点的破坏，而钉连接节点在破坏前往往发生了较大的变形，这个过程消耗了地震的能量，因此轻木-混凝土混合结构具有良好的抗震性能。上部轻型木结构的地震反应随着上下刚度比的增大而减小。

李英俏[5]通过有限元分析得出混凝土结构、轻木结构的上下刚度比较大时，可按底部剪力法将上下结构分开进行结构抗震设计，但对轻型木结构分析时，需考虑下部混凝土框架结构对上部的影响。此影响用地震作用放大系数来考虑，取值与上下结构刚度比有关，上下刚度比越大，放大系数将越小。

5 结语

通过对轻木-混凝土混合结构进行系统的分析和总结，该混合结构在未来的发展推广过程中仍存在有待解决的问题。

上部轻型木结构的地震作用力仍是轻木-混凝土混合结构研究的关键所在。虽然熊海贝等人的试验以能反映实际“单户木结构房屋”典型特点的结构作为研究对象，但由于试验设备的局限性，试验模型的尺寸小于实际房屋。即便能够研究出其规律，但并不能完全代表实际情况。故应加强对轻木-混凝土混合结构的研究，使其更符合实际情况。同时，模型不仅限于“1+2”，应使模型更符合我国当下的人多地少的现状，并加强对有限元软件的应用，建立更为简便的房屋整体模型。

我国钢筋混凝土结构应用较广，其设计方法、评价体系比较成熟完善。轻型木结构的设计、规格、材料的生产与评价体系还不完善，这也阻碍了轻型木结构建筑的推广和应用。轻木-混凝土混合结构要想得到广泛运用，离不开国家和当地政府的引导和支持。在不断完善规范、设计方法的同时，政府可通过建设示范区来向城郊和乡镇的低层建筑进行推广轻木-混凝土混合结构建筑，从而提高我国的轻木-混凝土混合结构建筑的建造水平，并提高装配率。