北美_輕型木結構_住宅建筑的特點

1、北美 輕型木結構 住宅建筑的特點何敏娟(同濟大學,上海200092Frank Lam(不列顛哥倫比亞大學,加拿大溫哥華V6T1Z4提要 輕型木結構 是北美住宅建筑的主要結構形式。本文介紹了這種結構形式在經濟性能、施工安裝等方面的優(yōu)點,闡述了其屋面、墻體及樓面等結構體系的特點和構造方法,介紹了結構傳力體系、主要采用的設計方法、防腐防火處理等,以期對中國 輕型木結構 住宅的建設起到一定的積極作用。關鍵詞輕型木結構,結構特點Properties of North American Wood FrameResidential ConstructionsHE M injuan(T ongji U niv

2、ersity,Shang hai200092LAM Frank(T he U niv ersity of Br itish Columbia,Vancouver,V6T1Z4,CanadaAbstract Wood frame construction is the most c ommon style of residential buildings in North Ameri can.Some advantages of this construction method including economical properties,fabrication and erection co

3、nvenience are introduced in this paper.The structural systems about roof,floor and w all of w ood frame c onstruction are pre sented here.The loads bearing systems,the design methods,deterio ration preventing,termite control and fireproofing are also shown here.Keywords w ood frame construction,Stru

4、ctural properties1前言北美森林資源豐富、林產工業(yè)發(fā)達,木結構是住宅建筑的主要結構形式。大量住宅建筑采用木結構,除了充分利用現(xiàn)有資源外,還有其他許多原因:!木材資源再生產容易:只要合理開采、種植,相對于其他建筑材料如磚石、混凝土和鋼材等,木材最易再生產,一般周期為50100年;隨著林業(yè)、木材加工業(yè)的發(fā)展,很多速生材也可用于建筑結構中,這樣大大縮短再生產周期。節(jié)約能源、產生的污染少:大量對比分析表明,木材作為建筑材料,其整個生產和使用過程中消耗的能源最少,對環(huán)境產生的污染最少。#有利于環(huán)境質量提高和生態(tài)平衡:只要林產管理適當,種植與砍伐形成良性循環(huán),則有利于提高空氣質量、美化生活

5、環(huán)境、保持生態(tài)平衡。結構重量輕抗震性能好:結構物上的地震作用與結構質量有關,木結構質量輕,產生的地震作用當然也小;此外,由地震致使房屋倒塌時對人產生的傷害也要比其他建筑材料小。%木材熱傳導速度慢:由于木材本身構造的特點,細胞內有空腔,形成了天然的中空材料,使得熱傳導速度慢,保溫、隔熱性能好,所以木結構有冬暖夏涼之美稱。2木結構的主要結構形式木結構的主要結構形式有 梁柱結構體系 (Post and beam construction和 輕型木結構體系 (Light w ood frame construction兩種,當然也有一些 雜交體系 ,將兩者綜合應用于同一結構之中。(1梁柱結構體系梁柱結

6、構體系是一種傳統(tǒng)的建筑形式,它是由跨距較大的梁柱結構形成主要的傳力體系,無論豎向荷載還是水平荷載,都由梁柱結構體系承受,并最后傳遞到基礎上。(2輕型木結構體系輕型木結構是由構件斷面較小的規(guī)格材、均勻密布連接組成的一種結構形式,它由主要結構構件(結構骨架和次要結構構件(墻面板、樓面板和屋面板共同作用、承受各種荷載,最后將荷載傳遞到基礎上,具有經濟、安全、結構布置靈活的特點,所以在北美大量用于住宅建筑中。當這種結構通過合理設計,部分結構體系能夠承受和傳遞跨距較大的荷載時,它也能用于其他大型的工業(yè)和民用建筑。這種結構稱之為 輕型木結構體系 ,并不是說它自重輕、只能承受較小的荷載,而是以它單個構件的斷

7、面較小得名。3輕型木結構住宅建筑的特點3 1輕型木結構的優(yōu)點(1材料利用率高、投資省木材加工過程中為了最大限度地利用原木,可用其不同長度、不同斷面同時生產很多品種和規(guī)格的材料。如去除邊角后可以生產各種尺寸的 規(guī)格材 ;由于材質的不均勻性,規(guī)格材按材質好壞分不同等級。輕型木結構能夠用各種不同規(guī)格、等級的木材,從而提高材料利用率,減少材料浪費。輕型木結構還能利用 速生材 生產的 定向刨花板 作為其墻板、樓板,從而進一步降低結構造價。輕型木結構這種構造體系本身能夠發(fā)揮各種構件(主體結構、非主體結構的共同作用,減少了材料用量、提高了結構的安全性能。(2施工安裝方便目前廣泛使用的 平臺式框架結構 的輕型

8、木結構是一層一層建造的,已安裝好的下層結構為上層結構施工提供了操作平臺;單塊墻板都是單層高度的,尺寸不大、重量輕,因此施工過程中不需用大型吊裝設備。(3施工周期短輕型木結構的各種構件如墻骨柱、樓面梁、椽條、木屋架、各種面板等都是工廠生產運輸?shù)浆F(xiàn)場的,工地主要是基礎施工、各種構件的拼裝等,因此單個工程的施工作業(yè)面多,容易加快施工進度、縮短施工周期。3 2輕型木結構的結構形式平臺式框架 輕型木結構是一種將小尺寸規(guī)格材以較小的中心間距(一般為410 610m m密置而成的一種結構形式。這些密置的骨架構件既是結構的主要受力體系,又是內、外墻面和樓屋面面層的支撐構架,此外還為安裝保溫隔熱層、穿越各種管線

9、提供了空間。結構強度通過主要結構構件(骨架構件和次要結構構件(墻面板、樓面板及屋面板等共同作用得到。典型的 平臺式框架 輕型木結構構造圖及各種構件的名稱見圖1。結構主要組成部分為屋面結構、墻體結構和樓面結構。(1屋面結構屋面主要由屋面板、屋脊梁、椽條、天棚擱柵或屋架組成,如圖2。必要時還有其他一些支撐構件,如椽條連桿:減小椽條計算長度;椽條連桿的縱向系桿:保證椽條連桿的側向穩(wěn)定等。屋面板常用材料為多層夾板或定向刨花板;屋脊板、椽條、天棚擱柵一般為規(guī)格材;屋架常由規(guī)格材工廠預制,現(xiàn)場就位、安裝。屋面結構主要支撐在承重墻體結構上。 圖1平臺式框架輕型木結構的典型構造形式 圖2 屋面結構(2墻體結構

10、墻體結構由頂梁板、底梁板、墻骨柱用釘連成一個整體框架,框架兩側釘墻面板,如圖1。墻面板為多層夾板、定向刨花板或石膏板;頂梁板、底梁板和墻骨柱一般都是規(guī)格材。墻體有承重墻和非承重墻之分,承重墻中規(guī)格材的斷面大些、墻骨柱的中心間距小些;而非承重墻則反之。承重墻的頂梁板一般為雙層;當頂梁板上受到較大集中荷載時,該處墻體需加強,如用幾根規(guī)格材并在一起形成一根 組合柱 ,來傳遞頂梁板上方的集中荷載。墻體直接支撐在樓面結構上時,上層承重墻必須保證荷載能夠可靠傳遞到下層承重墻體或樓面梁上,并最后傳遞到基礎上;非承重墻可擱置在樓面擱柵或樓面支撐上。(3樓面結構樓面主要由樓面擱柵和樓面板組成,如圖3。樓面擱柵為

11、規(guī)格材或木 工字形 梁,當采用木 工字形 梁時,樓面承載能力較大、剛度較好;樓面板一般為多層夾板或定向刨花板。 圖3 輕型木結構樓面結構 樓面結構支撐在下層承重墻的頂梁板上,有時為了減小樓面擱柵跨度,下層墻頂標高處設置大梁,來作為樓面擱柵的中間支撐點,如圖3中的擱柵中部支撐。為了保證樓面擱柵的側向剛度,擱柵之間可用填塊、剪刀撐加強,或在樓面擱柵底部用連續(xù)的木板或鋼板聯(lián)系。3 3輕型木結構的傳力方式輕型木結構框架體系能夠同時傳遞豎向荷載和水平荷載。豎向荷載作用下荷載傳遞路線:屋面結構(樓面結構(承重墻體(基礎。水平荷載一般由風荷載或地震作用產生。結構在水平荷載作用下,就會產生側向變形,如圖4所示

12、。為了避免產生過大的側向變形,屋面板設計成具有足夠剛度的水平放置的 梁 ,水平荷載作用到迎風面的墻體上,然后通過屋面板傳遞到兩端的端墻上,端部剪力墻就象一根具有足夠剛度的 懸臂梁 ,再將荷載傳遞到基礎上。為了保證屋面板、剪力墻具有足夠剛度,它們的骨架構件的規(guī)格尺寸需足夠大;此外,骨架與面板之間需牢固、可靠連接,以確保板體的整體作用;如果板體側向剛度還不夠,可在墻架內設置斜向支撐來加強。此外,對于端部剪力墻,在側向荷載作用下一側有上拔力的作用,一側有下壓力的作用,如圖4。因此,剪力墻與基礎需要有牢固的連接,以確保抵抗上拔力。圖4 水平荷載作用3 4輕型木結構的設計輕型木結構 是北美小型住宅建筑的

13、主要形式,其結構具有較為成熟的設計方法。在豎向荷載作用下,各構件按其所承受的荷載進行計算設計。在水平荷載作用下,如果荷載、建筑規(guī)模滿足規(guī)范限定的要求,水平荷載抵抗體系完全可按規(guī)范構造要求確定構件規(guī)格、間距和連接等,而不需另行進行分析計算,這叫 構造設計法 (construction de sign based on performance history;但當荷載、規(guī)模超過規(guī)范限定時,整個水平荷載抵抗體系必須按計算確定,此謂 工程計算設計 (engi neering calc ulated design。工程計算設計時同其他結構設計一樣,分承載能力極限狀態(tài)設計和正常使用極限狀態(tài)設計兩部分。而木

14、結構計算的復雜之處在于這種材料性能的離散性較大,同時影響剪力墻剛度或承載能力的因素很多,如墻體框架木材的樹種、等級和斷面,框架兩側面板種類、厚度和鋪設方向,面板與框架連接的方式等等。所以,實際剪力墻在橫向荷載作用下的承載能力為與上述諸多因素相關的一個函數(shù)式,這些因素在函數(shù)式中用參數(shù)體現(xiàn),參數(shù)的取值基于大量試驗確定。4輕型木結構的防腐、防蟻和防火4 1防腐木材為有機材料,其腐朽的真正原因是真菌的存在,要避免木材腐朽就要消滅木材中的真菌。真菌生存需要四大條件,缺一不可:充足的氧氣、適宜的溫度(2030、一定的濕度(木材含水率為20%以上時真菌充滿活力和真菌賴以生存的木材本身。從以上四個因素來看,前

15、兩者是不可改變的,而后兩者可加以控制。木材用作建材時,經適當干燥后含水率可控制在20%以下。在使用過程中,潮氣一般有三方面的來源:地面以下潮氣、雨水和潮濕的空氣。所以,地面以下一般不用木構件;結構屋面設有一定坡度以排水,設挑檐、雨蓬、適當位置鋪防潮布等以避免雨水侵入;構造上注意通風、需要時用機械排風以避免木結構潮氣凝結。在潮濕部位使用的木材(如墻體最下方與基礎連接的地梁板通過藥物加壓處理,使真菌無法生存。所以通過控制木材含水率和進行藥物加壓處理可抵抗木材腐朽。4 2防蟻木結構易受白蟻等昆蟲的侵蝕,所以,建木結構時需要有一定防蟻措施。!場地清理,挖出場地內的腐木、樹根。建筑物周邊筑一圈拌有化學藥

16、物的隔離帶,化學藥物有滅蟻作用,白蟻無法穿越,這種方法防蟻可達50年之久。近來人們越來越關注環(huán)境保護,盡量少用或不用化學藥品,所以目前也有用經夯實的、密閉性能較好的、特殊的砂石來壘筑隔離帶。#木構件置于地面以上,在木構件與基礎之間鋪設孔非常細小的金屬網,使白蟻無法穿越。對木結構進行化學處理,使其具有防蟻作用。%采取監(jiān)控和補救措施。對木結構密切監(jiān)視,一旦發(fā)現(xiàn)蟲害,分撒氣味對其有吸引作用的慢性藥物,讓白蟻將藥物搬進蟻窩,起到徹底殲滅的作用;也可用隔離罩將建筑物封閉起來后高溫熱熏。上述為幾種常用的防蟻、滅蟻方法,對一幢建筑物,可單獨采用也可綜合實施。4 3防火從材料本身來講木材具有可燃性。但是,大量

17、調研表明設計和建造符合建筑防火規(guī)范的木結構,具有其他結構材料的房屋同等水平的防火安全性能。為減少火災和減少火災造成的損失,所采取的主要措施如下。(1避免火災發(fā)生。安全規(guī)范地進行電氣設計、按規(guī)程使用和操作電器設備、在爐灶和取暖設備區(qū)域用防火材料裝修等,從而避免火災的發(fā)生。(2減小火災損失。一旦發(fā)生火災,要有保證措施減小火災中人員傷亡和財產損失。安裝報警裝置,使人們及時發(fā)現(xiàn)火警;合適的消防通道和消防出口,以保證及時疏散和撲救;在結構中設置防火隔斷,控制火勢蔓延;用耐火材料裝修以使結構有足夠耐火時間;安裝滅火設施以盡早控制和撲滅火勢。(下轉第10頁St ructural Eng ineers 200

18、4; ( 1 & 10 & &設計方法研究& 以上所述的類比推理過程采用了統(tǒng)計 干個設計子系統(tǒng), 每個子系統(tǒng)對應類比設計 初始解的一個子系統(tǒng), 兩者之間進行類比推 理, 從而得到子系統(tǒng)的初始解。最后通過組 合的方法把各個子系統(tǒng)的解組合起來, 形成 當前設計項目的初始解。 現(xiàn)要 求 設 計 跨 徑 為 73. 3 + 90 + 73. 3m , 梁寬為 15m 的預應力混凝土連續(xù) 梁橋 廣東沙口大橋。采用類比設計的 方法, 其推理的步驟如下: ( 1 根據(jù)新設計的水文、 地質等條件進 行知識庫篩選。 ( 2 根據(jù)跨徑和橋梁寬度 采用圖 5 所 示的統(tǒng)計學觀點, 采

19、用線性插值的方式選擇 主梁的截面形式。 ( 3 根據(jù)選定的截 面形式對知識庫進 行進一步的篩選。 ( 4 根據(jù)橋梁的最大跨徑、 主梁寬度、 以及初步選定的截面形式等知識, 采用類比 推理模型對知識庫中剩余的設計實例進一 步進行匹配, 確定主梁的其它細部信息。 ( 5 根據(jù)設計荷載 對主梁截面進行驗 算。 ( 6 驗算通過則生成初始解, 否則對截 面進行修正。 ( 上接第 5 頁 3 1 2 學的方法對現(xiàn)有設計實例進行了初步的分 析, 由此對 精確匹配 進行了部 分修正。但 是, 仍然需要在以下兩個方面進一步完善: ( 1 圖 5 所示的統(tǒng)計知 識涉及的參數(shù) 比較少, 需要進一步增加。 ( 2 由于設計實例的缺乏, 類比推理中 產生的截面可能不能滿足設計要求, 這樣就 需要以推理產生的截面和設計荷載為基礎 進行截面詳細設計。 4 結 論 本文以預應力混凝土連續(xù)梁橋主梁類比 設計為例, 初步研究了類比技術在橋梁設計 中的應用。創(chuàng)建了類比設計知識庫, 并對類 比設計的推理方法和主梁截面初始解的產生 進行了初步的研究, 取得