我国穿斗式木结构建筑研究现状与发展建议*

付 帅 陈泽华 杨小军 王佳阳 刘嘉敏

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

我国具有悠久的建造和使用木结构建筑的历史，创造了辉煌的木结构建筑文化。传统木结构建筑形式多样，就现存古建筑和保留传统构造的地方民居来看，抬梁式木结构和穿斗式木结构的应用最为普遍[1]。其中穿斗式主要用作民居，具有建造工艺简便、建筑成本低、取材方便等特点，是我国古代民间广泛采用的建筑结构形式[2]。随着时代的变迁，新型建筑材料大量涌现，以穿斗式木结构为代表的传统木结构建筑逐渐被钢筋混凝土结构、钢结构及混合结构的现代建筑取代。如何更好地继承和发扬传统木结构建筑建造技术，是我国木结构专家学者关注的焦点。

1 穿斗式木结构特点

穿斗式木结构的建造特点是沿着房屋的进深方向排列立柱，柱子的间距较小，柱子顶端与檩条相连，承受檩条所传来的荷载。不使用架空的抬梁，而以穿坊穿过木柱连接各个柱子，即在立柱上开孔，贯穿数根横木，形成一榀木构架。每两榀木构架之间用斗枋连接，形成一个稳定的空间骨架[3]。抬梁式木结构主要通过柱子将梁抬起，梁的端头放置檩条，再沿檩条垂直方向架椽，最后在椽子上铺望板和瓦片，形成一个稳定的房屋结构[4]。由于没有了横梁，穿斗式木构架中檩条和屋顶的重量直接由柱子承担，因此立柱的排列较密，开间相比抬梁式建筑要小，通常用于普通民宅。

穿斗式木结构节点采用榫卯连接，由榫头和卯口组成。榫卯节点可以承受一定的弯矩，具有很好的弹性和抵抗水平推力的作用，表现出较强的半刚性特性。榫头和卯口在地震过程中会出现一定的摩擦变形，吸收部分地震能量，减少建筑结构的地震响应[5-6]。

2 研究现状

2.1 抗震性能

国内学者对木结构建筑的抗震性能与节点加固修复做了诸多相关研究，并取得了重要成果。抗震性能测试方面，薛建阳等[7]通过振动台模拟地震试验对穿斗式木构架进行抗震性能测试，发现穿斗式木构架具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。滕睿等[8]运用现场脉动测试对3栋川南穿斗式木构架民居进行研究，发现不同类型的填充墙均可减小结构的基本自振周期，同时增大结构的阻尼，能起到良好的抗震作用。抗震性能模拟方面，黄舜等[9]运用SPA2000软件对穿斗式木构架结构部件组成、结构受力和传统施工工艺等进行分析，建立抗震计算模型，发现穿斗式木构架自振频率和最大位移随榫卯节点刚度的变化而变化。

2.2 防火性能

传统穿斗式木建筑在整体布局上以连片集中为主，房屋间距过小，火灾一旦发生，常常出现连片烧毁的现象，危害极大。Firmanti等[10]对木梁在受火状态下的受力性能进行试验研究，发现持荷比与炭化深度及质量损失成正比，与木梁的耐火极限成反比。Anita等[11]对受弯木构件的耐火性能进行试验研究，建立了木构件在耐火环境下载荷比和失效时间之间的关系模型，发现受火状态下木构件的失效时间与强度无关，临界强度取决于木构件本身的强度等级。付海燕等[12]采用葡萄牙软木板作为填充物制成一种新型防火复合实木门，通过耐火极限性能测试，发现其理化性能明显好于普通实木门，对于穿斗式木结构建筑中防火木门的选择具有一定参考价值。

2.3 木构件加固

穿斗式民居在使用过程中，由于木材本身存在易开裂变形等缺点，加上自然环境对木构件的侵蚀，导致木构件性能下降无法达到正常使用的标准，因此需要采用增强措施对木构件进行加固处理[13]。近年来关于木构件加固的研究主要集中于碳纤维材料加固，徐明刚等[14-16]运用碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP)对木构件进行加固，测试其轴压承载力、受弯承载力、抗压刚度等，发现碳纤维材料能够大幅提高木构件的承载性能，具有良好的加固作用。这些研究可以为古建筑木结构的保护和修复提供参考。

3 现存问题

3.1 工艺相对落后

传统穿斗式木结构建筑修建过程包括选址、平基、选材、施工掌墨、排扇立房和拼板装房等，主要依靠建造师傅和工匠们的建造经验进行施工，房屋质量难以得到保证。大部分木构件依靠人工截取和打磨，加上传统作业工具简单粗糙，导致木构件精度较差，木材不能得到充分利用，建造成本难以控制。建筑材料的选用全凭个人经验，集中施工区域原材料供应不足，以至于材料选用标准降低，难以满足建造要求。梁、柱等主要结构用材的基本属性和各项物理性能指标均无规范可依，难以形成工业化、系统化的建造模式。

3.2 容易发生火灾

在传统穿斗式木结构建筑中，木构件基本没有经过任何阻燃处理，加上建筑密度较大，引起火灾的自然因素众多，从而导致火灾时常发生。木结构建筑失火的主要原因包括以下几方面：在建筑用材上，民用住宅使用的木材经长时间风干和暴晒，含水率降低，木质疏松，在气候干燥时节容易发生火灾；在结构形式上，穿斗式木结构房屋大多采用薄木板做墙体和楼板，火灾发生时极易出现快速燃烧现象，并伴随大量热量的释放，加上穿斗式住宅本身南北通透，空气流动性较好，极易酿成大型火灾；在建筑布局上，传统木结构建筑具有连片集中的特点，房屋间距过小，难以满足安全距离的要求，一旦发生火灾，严重增加了救援难度，大火会很快引燃相邻建筑物，火势蔓延开来，后果不堪设想[17-18]。

3.3 结构稳定性差

传统穿斗式民居大多简单粗糙，导致建筑在服役过程中会出现部分结构不稳定的现象。首先，穿斗式木结构中榫卯连接只是将榫头插入预留卯口，并未对节点进行任何加固处理，当竖向荷载增加时，榫头将产生竖向位移和转动，榫头和卯口之间的静摩擦转化为动摩擦，加上榫卯节点的承载能力、榫头长度、卯口深度等诸多因素影响，从而出现拔榫、节点松动等现象，对结构整体稳定性不利[19-20]。其次，围墙与木柱之间多采用墙体覆盖柱的形式，在地震发生时，由于墙体和木柱的动力特性存在差异，容易发生相互碰撞，造成墙体开裂或倒塌。此外，柱脚大多平置浮搁于基础石墩之上，仅依靠柱脚和石墩之间的摩擦力维持稳定，使得柱脚在地震后易出现滑移和脱落[21]。传统穿斗式木结构房屋还存在屋顶过重过大、木构架之间配合不紧密等问题，这些均对房屋安全性构成严重威胁。

4 发展建议

4.1 应用建筑新材料

随着工业技术的发展，大量工程用木材出现，凭借良好的物理力学性能和稳定性能被广泛应用于建筑工程中。梁和柱作为主要结构构件可以选用强度设计值更高、材质更加均匀的胶合木，其绿色环保、力学性能优良、工业化程度高，且防腐防火性能好于普通木材，能有效减少火灾和木材腐蚀等。楼板、墙板可以选用定向刨花板，其尺寸稳定性好、材质均匀、抗弯强度高，还具备保温隔热、生命周期能耗低等特点，既保证了建筑的使用安全，又有利于环境保护[22]。屋面防水对木结构建筑十分重要，建筑物除了铺设望板、瓦片等材料以外，还需要增设防水层，包括卷材防水层和防水垫层。卷材防水层可以采用橡胶防水卷材和沥青防水卷材，防水垫层则可以采用沥青防水垫层和透气防水垫层。

4.2 提升建筑耐久性

传统穿斗式民居建造技术有限，加上自然环境对房屋的侵蚀，均会影响木结构建筑使用安全性，故需要对木结构建筑进行防火和防虫等处理，以提升建筑的耐久性。在防火处理方面，当前用于木结构建筑的主要阻燃处理技术包括化学改性、表面涂敷和浸渍处理等。对外露的梁柱构件，选用不燃或难燃材料包裹在木构件外侧，以起到阻燃作用。除此之外，在木构件与墙体之间的空腔中增加挡火构造，阻挡火焰或高温气体通过墙体或构件上的孔或缝隙进行传播，以提高建筑的防火性能[23]。防虫处理方面，在现代穿斗式木结构的建造过程中，主要采取灭治和预防两种防虫处理方式。灭治指的是在虫蚁严重地区采用化学药物进行虫蚁灭杀，采用的药物有氟虫晴、吡虫啉等。预防处理则选用防虫药物对木材进行喷洒，对虫蚁起到驱逐作用，药物选择均应确保对人体无害、不易燃、无异味等。

4.3 引入装配新技术

装配式木结构建筑是指主要的木结构承重构件、木组件和部品在工厂预制生产，并通过现场安装而成的木结构建筑[24]。在建造过程中，将传统穿斗式木结构建造工艺与现代装配式建造技术相结合，将房屋按照使用功能划分为若干个单元，每个单元事先在工厂进行预制，随后将预制好的单元运到施工现场，在地面上先对其进行预排列搭建，在此过程中组装人员在屋架对应构件处安装吊点，最后进行整体吊装和现场搭建，安装方便快捷[25]。随着国家政策的大力扶持与推进，装配式木结构建筑乃至整个装配式行业将会迎来空前发展。

5 结语

穿斗式木结构建筑具有建造工艺简便、抗震性能好、建造成本低等优点，被广泛应用于我国古代南方地区，但是随着社会经济的大力发展和人民生活水平的普遍提高，因其开间小、防火设施落后、节点连接不牢靠等缺点，已不能满足现代人的居住要求。在国家倡导大力发展绿色建筑的时代背景下，应通过继承老一辈优良的传统木结构建筑建造工艺和学习国外优秀的建造技术和设计理念，同时迎合国家装配式设计建造发展大环境，努力扩大服务范畴，运用新材料与新技术，提高房屋建造质量与效率，争取尽早实现现代穿斗式木结构的模块化建设，推动传统木结构的现代化发展，为人类提供更加舒适的居住环境。