中国现代木结构建筑发展状况

           大家都知道,中国是木结构建筑的发源地,我们祖先给我们留下的建筑遗产基本全是木结构建筑。随着工业化的发展,新型建筑材料逐渐替代木材,木结构建筑逐渐让位于砖混建筑、钢筋混凝土建筑、钢结构等现代建筑,80年代初,为了缓解我国森林资源贫乏的矛盾,政府曾一度下令限制木质建筑产品的发展,鼓励采用木制构件的代用品铝、钢、塑料等。这条禁令一直到我国加入WTO才宣布解除。因此,现代木结构建筑的发展在中国基本是一个盲点。中国加入WTO后,木结构建筑应用状况有了明显变化。特别是最近几年人类生存环境的恶化,注重节能环保、低碳建筑的理念和建筑用木材源生产能力的快速提升,给木结构建筑带来了生机,以原生态木材与现代科学技术相结合的现代木结构建筑有望重新成为中国房地产界的新宠。

世界上位于现代木结构建筑产业前列的是北美、北欧、日本、俄罗斯等国家和地区。在亚洲的日本、北欧的芬兰、瑞典、北美的美国、加拿大等发达国家,民居建筑已普遍推广了现代木结构住宅。钢筋混凝土结构、轻型木结构、轻钢结构建筑已形成了三足鼎立之势,无论是建筑风格、结构体系、营造方式均有各自特色。日本近年来在新建住宅中,木结构住宅所占比例基本在45%左右;在北欧的芬兰、瑞典,90%的民居住宅为1~2层的木结构建筑;在北美,80%的人居住在木结构住宅里。美国75 %的人居住在木制房屋里 ,尤其是高档别墅几乎全部是木制的 。在德国,设有生态住宅研究所、门窗研究所和设计院,专门从事用生态材料建造住宅的研究设计,并已建造了各式各样的建筑群。在日本、美国的加州、我国台湾等国家或地区都将木结构建筑作为地震多发区防震、抗震的重要措施,这是因为在近几年日本所发生的地震中,轻型木结构住宅几乎没有倒塌的案例。从日本木结构住宅类型来看,梁柱式木结构仍占绝对比例,即吸收了中国传统木结构的精髓,也有自己独特的风格和个性。在这些国家的木结构建筑产业中,各种新型材料、现代技术得到了广泛应用,木结构建筑体系已相对成熟,除了建造一些新颖别致的木质别墅外,还向公共建筑、多层和高层混合结构建筑方向发展。

          加拿大的木材工业是国家支柱产业之一 ,其木结构住宅的工业化、标准化和配套安装技术非常成熟 。当然,这些国家的优势是他们大都属于木材的生长量超过使用量的国家,这和中国的情况不同,中国是一个木材资源贫乏的国家。但是近几年情况发生了变化,为了应对全球气候变化,减少建筑能耗与碳排放,中国开始发展建筑用材林基地,并且已经找到了解决现在建筑用木材的途径。首先我国拥有的充足外汇储备给我们引进木材资源注入了强大的底气,2011年我国已经超过日本成为世界木材第一出口国加拿大的第一进口商,2012年上半年的进口量就超过2011年全年木材进口量。根据住房和城乡建设部2012年3月29日与加拿大联邦政府自然资源部及加拿大卑诗省林业厅签署的为期5年的合作谅解备忘录,两国建设部门将在未来中长期探寻适宜中国建筑需要的现代体系,并通过技术研究、建设试点项目、编制技术规范、开展技术合作与推广等一系列工作,发展并推广现代木结构建筑技术,为我国提倡的绿色、节能、减碳建筑形式提供一种新的选择。

中国的现代木结构建筑市场,在几年前开始启动。从户外木结构到木结构建筑,从装饰材料到承重材料,从轻型木结构到重型木结构,产业链逐渐成形(设计、施工、材料)。据资料介绍,上海、宁波、杭州、西安、武汉和海南都已经建造了少量轻型木结构住宅小区,尤其上海,木结构建筑量和建筑企业数量均为全国第一。下图就是我国第一栋多层轻型木结构建筑是天津泰达悦海酒店的2栋四层的酒店式公寓楼照片。

 

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  天津泰达悦海酒店木结构酒店式公寓楼营造图片

  加拿大结构房屋建筑公司借助新加坡开发商在苏州工业园区建造了42栋木结构房屋,还和中国有关部门签订了100栋的木结构房屋协议,这是迄今与国外签署的最大的一单木结构房屋建造协议。2011年底,住建部宣布将在北京、上海、天津、河北等地区建设多层木结构住宅建筑,这将成为中国首批集合式多层纯木结构或混合木结构住宅建筑。看来木结构建筑这条春江的水开始“暖了”!

二、现代木结构建筑的分类和体系建设

现代木结构建筑是指建筑的主要结构部分由木方、集成材、木质板材所构成的结构系统。是经历了古代梁柱式小跨度结构发展而来,但又与之截然不同的建筑体系。

现代木结构建筑的主要结构构件均采用标准化的木材或工程木产品,构件连接节点采用金属连接件连接。从结构形式上分,一般分为重型梁柱木结构和轻型桁架木结构。重型木结构是指用较大尺寸或断面的工程木产品作为梁、柱的木框架,墙体采用木骨架等组合材料的建筑结构,其承载系统由梁和柱构成;轻型木结构是指用标准的规格材、木基结构板材或石膏板制作、建造的木框架单层或多层建筑结构,其承载系统由墙骨柱和木构架墙体构成。目前在国内推广的主要是轻型木结构建筑。

轻型木结构建筑常用的形式主要又分为4类:

1)多层木结构混合建筑,其中木结构部分在其它结构体系的上部且不超过三层;

2)多层民用建筑采用木屋盖(含既有建筑平改坡体系);

3)钢筋混凝土框架结构与非承重木骨架外墙、内隔墙、木楼盖中的一种或多种组合;

4)单层或者多层木结构建筑。

现代木结构建筑营造体系意指已经形成一套成熟的行业技术标准和规范,合理的产业链分工,具有成套专业技术和熟练的产业技术劳动者。西方现代木结构建筑营造体系已经有200多年的发展历史,
 

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  中国由于上世纪80年代木结构产业发展的断代,现代木结构建筑基本没有发展,和木结构发展先进国家拉下了不小的差距,但是中国目前也在加紧建设自己的现代木结构建筑营造体系,近日,住房和城乡建设部接连发布了四部有关木结构建筑的国家标准与规范,几乎囊括了从设计、施工、验收到消防安全等行业全过程,结束了木结构行业一直缺乏国家标准的局面。这四部规范分别是:《木结构工程施工质量验收规范》、《胶合木结构技术规范》、《木结构工程施工规范》和《轻型木桁架技术规范》。其中,除《木结构工程施工规范》将于12月1日起实施以外,其他三部规范都已于8月1日起正式实施。这预示着中国很快就可以建立起自己的现代木结构建筑技术体系,以自然、低碳、生态为特征的木结构建筑也将籍此获得更大的发展空间。

三、轻型木结构的优势和关键技术

1、轻型木结构建筑的10大优势:

1)具有很高的耐久性: 只要合理建筑,轻型木结构可以说是现有房屋结构中最经久耐用的结构之一,轻型木结构抗沉降、抗干、抗老化,具有显著的稳定性。如果使用得当,木材则是一种稳定、寿命长、 耐久性强的材料。

2)施工周期短: 轻型木结构所有结构构件和连接件都是标准化生产的。因此,其施工安装速度远远快于混凝土和砖结构。即使不使用预制构件,一般性的木结构住房由有经验的建筑工人建造,也比建筑同样规格的砖混住房要快得多。使用预制构件,建造时间可以进一步缩短。

3)抗震性强:轻型木结构房屋韧性大,对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力,而且由于自身结构轻,木结构又有很强的弹性回复性,地震时吸收地震力少,结构在基础发生位移时可由自身的弹性复位而不至于发生倒塌。在地震时的稳定性已经得到反复验证,即使强烈的地震使整个建筑物脱离其基础,而其结构却能完整无损。在日本神户和美国洛杉矶的大地震中,木屋只是稍微变形而决不倒塌。即使在强大的地震力下,木屋稍微变形或整体被推前数米,仍完好无散架。由此证明了木结构在各种极端的负荷条件下,其结构的抗地震稳定性能和结构的完整性是很优越的。

4)设计布置灵活: 轻型木结构因其材料和结构的特点,使得平面布置更加灵活,为建筑师提供了更大的想象空间,木结构房屋的墙体比标准混凝土墙体薄20%,因而其室内空间更大;同时还能够轻易将基础设置(电线、管道及通风管) 埋入地板、天花板和墙体内,没有任何其他建筑体系能够提供和建筑本身结合天衣无缝的室内碗柜、隔板和衣橱,从而大幅度节省购买家具的费用,使其成为定制结构或装饰性设计的最佳选择。而且木结构房屋还能够轻易地进行重新设计,以满足需求的变化。

5)保温节能性非常好: 轻型木结构的保温节能性能优于其他任何材料建成的结构形式。木材本身就是出色的绝热体,在同样厚度的条件下,木材的隔热值比标准的混凝土高16倍,比钢材高400倍,比铝材高1600 倍。所以,轻型木结构住房的取暖费用比较低,冬暖夏凉。

6)防火性能: 防火性能主要取决于房屋中用于构成屋顶、墙壁和地板各部分的整体材料。轻型木结构的各组成部分加上防火石膏墙板,很容易达到与砖石结构建筑相同的防火性能。木材虽是可燃材料,但它燃烧时表面会形成一层焦炭层,帮助保护其内部木材,并且维持其强度和结构完整性。因此,一根重型木料相对于一根尺寸相当的钢梁而言,能够在火中维持更长的时间。据资料介绍 1991 年 12 月 14 日在日本对一栋木屋进行了在大地震状况下的火灾破坏试验。试验中模拟发生大地震,摇晃房屋,然后在室内外人为制造火灾。该试验木屋表现了极好的防火性。在一屋子失火的情况下,火势要经过45分钟才会蔓延到二层。而传统的房屋在10分钟就会被大火包围,即使是建造经济型木结构房屋,其抗火灾能力也不低于两个小时。

7)环保特性: 粘土砖和水泥的生产对环境的危害是众所周知的,其燃烧要耗费大量的能源,并且产生的废气造成空气污染、温室效应和酸雨。而木材能减少空气中的CO2,可持续发展的林业可提供永不枯竭的森林资源。木材的生产只产生很少的废物。 锯材生产的废料可以被用来制造纸浆、 刨花板或作为燃料。木材同时又是 100%可降解。如果不做处理,它可很简单地解体融入土壤,并使土壤肥沃。

木结构建筑是真正的“绿色”建筑。在气温较低的地区,譬如北京,木结构房屋的用电能耗:比轻钢结构房屋低9.43%;比混凝土房屋低10.92%;在气候温和的地区,譬如上海,轻型木结构房屋的用电能耗:比轻钢结构房屋低 8.79%;比混凝土房屋低 7.33%。近年来,传统的木结构建筑逐渐被钢筋混凝土所代替,同时也带来了一系列的环境问题:每年中国消耗全球一半的钢铁和水泥用于建筑业,产生了巨大建筑废物、化学污染等等,发展木结构建筑,一定程度上能减缓人类为解决居住条件造成的环境污染。

8)木结构建筑的潮气控制: 通常有一个误解:水是木材的天敌。事实上,许多木结构建筑建造在多雨、潮湿的地区。木材能够吸收并释放大量的潮气,只有在长时间处于极度潮湿的情况下问题才会产生。只要在建造房屋时合理地做好防水,木材就能成为一种在各种气候下表现良好的建筑材料,在湿度较高时吸收潮气,相反湿度较低时则释放潮气,使得建筑物愈加舒适。研究发现,在一户典型的房屋中,室内木制挂板能够降低最高潮气量的10-25%,使室内更为舒适,并且减少了空调及通风系统的使用率。木制地板能够帮助创造更好的室内空气质量,因为通过日常的扫地、拖地和吸尘过程可减少室内灰尘 和微生物的积聚。

9)白蚁防治:白蚁、木蜂和食菌小蠹等虫害问题在各种建筑物中都有可能发生。现在已经有了多种有效且环保的方法来解决白蚁问题。木结构建筑可以将设计与现代昆虫屏障、天然防虫木材及防腐木材相结合,甚至在白蚁高发地区,轻型木结构建筑也能成为一种极具吸引力,并且非常牢靠的选择。因为木材经过处理后物理性质稳定,不会轻易发生变形或化学反应。木材的含水率在 12%以下时,虫子就不能存活。而我国现在进口的加拿大 SPF 木材 的平均含水率只有 17%,并且在地基处使用屏障系统——防腐材料来阻隔白蚁的入侵,再加上严格、独特的施工技术,用高科技“呼吸薄膜”包裹木结构的外表面,使结构中的湿气能顺利排出,又避免外界的雨水不能侵入内部结构。木结构成为既能有效防潮、结构本身又能透气的房子。

10)隔音: 木结构建筑隔音、私密。 现代木结构建筑将各种不同的材料、设计方法相结合,使之在隔音及保护私密空间方面非常行之有效。尤其在商业建筑或多户住宅中,隔音材料的使用显得更为重要。在交通繁忙的区域,可在墙体和地板的自然空腔中充填隔音材料。此外,不同密度的材料层,结合隔音金属条等新技术,以及墙体龙骨交错排列等设计方法,都大大有助于降低声音的传导,创造 一个宁静和私密的环境。

 

 2、轻型木结构建筑的关键技术

1)木材转化为建材的技术

原生木材在很多情况下, 并不能完美地完成建构建材的任务, 这是因为其本身在规格、外观及物理特性上达不到拟建建筑的设计要求. 木材普遍存在的缺陷是: 某些方式下力学强度不够, 规格尺寸受限制, 不能弯曲, 容易腐蚀, 不耐火等. 因此, 木材必须经过二次处理或加工才能成为合格的建材, 甚至进一步形成一种可以预制的建筑构件, 再经过现场拼装, 完成建筑的建造。尤其现代建筑,具有更大的跨度, 更高的层数, 更丰富的形态, 更庞大的体量, 其所需要的建材特性是目前我们国内的建材制造技术水平还不能达到的,因此现在国内使用的木制建材基本都是进口加拿大或者北欧的。不过春江鸭相信,以我们现有的国力及技术发展速度, 通过学习和借鉴发达国家的先进经验以及自己的不断钻研, 将木材转化为满足现代建筑要求的建材及建筑构件, 满足中国的现代木构建筑营造需要,并不是一件难以做到的事情。在提高木材强度方面, 国外常常采用增加金属杆件、金属拉索、金属五金件以及胶合梁, 使建筑屋顶形成桁架结构或网架结构。 其所形成的木构建筑跨度可以非常的大,40 ~60m跨度的木质大梁是很常见的。通过层合技术还可以使木材形成柔美的曲线。 木材的防腐与耐火处理则更是方法多样, 效果优良。 事实就像内奥米·斯汤戈所著的《新型木建筑》第二章“结构可能说”中试图说明的那样:经过再加工或处理过的木材在建筑结构上有着广泛的可行性。

2)轻型木结构建筑构件的工业化生产水平

轻型木结构建筑通常是在工厂预制构件然后在工地安装,当然也可以在现场建造和安装。木结构住宅非常注重贴近自然的小环境,好比在自然环境里‘种’房子,而不是在房子周围配景观。度身定造是美国住宅最普遍的设计方法,一般的流程是:业主从承建商提供的众多房型样本中挑选—种,在工程师的指导下提出调整意见,在承建商提供的内外装饰面料、设备菜单中选择适合自己使用要求而又符合消费能力的项目。木结构房屋是半工厂化生产,是因为它仅生产适用不同部位的构件,既不同于完全工厂化生产的盒式组装建筑那样千篇一律的程序化,缺乏变化和个性,也不同于那种用天然木料现场制作既费工费料,又质量低、耐用性差的方法。木构件本身的生产是完全工厂化的。用于不同部位的木构件均有针对性的如防火,防潮,防腐,防虫害等技术规范控制其品质的适用性能,使建筑结构和外露木质面层十分经久耐用。承建商的设计和构件厂的生产都严格遵照统一的模数规格,所有连接点构造都有详尽的规范要求和专用的连接件,使木构件有着广泛的通用性。构件厂按订单发货,承建商按图拼装,施工中如要修正设计,拆拆改改也非常方便。在很短的时间内,—幢住宅就能拔地而起,大大降低了高昂的现场人工和管理费用。在建筑选型、外墙保温、外立面装饰、外立面装饰、功能区划分等充分体现了以人为本,以主人为主的舒适要求。

3)木结构建筑的技术设计能力

木结构房屋在设计中广泛使用的功能系统有:A 隔音、保温系统,使能源得到有效的利用:B 中央供热智能系统,可以点对点的供热,让有限的热水发挥最好效能;C 中央空调系统,可以有效节省电能;D 中央吸尘、排风系统,有效的净化空气和粉尘;E 防寒系统。

现代木结构房屋的建造流程:

访问客户—>向客户推荐住宅方案—>到现场测量—>做初步设计—>与客户详细沟通设计方案—>再做详细方案—>制作预算书及合约文本—>双方签约—>工厂安排生产—>工厂做组装件—>包装检验—>装运前编码—>安排出货—>装载及运输—>工地保存组件—>生产的同时向客户推荐材料—>做地基平整—>做基础施工—>将大件材料吊装—>开始立墙—>一楼施工—>架设二楼框架—>施工封顶—>室内装饰装修—>建筑竣工—>景观配套—>售后服务

必须承认,目前中国建筑师的现代木结构建筑设计水平据国际水平还差距较大,研究一下所能看到的国内现代木构建筑的实例, 不难发现不仅作品少, 而且绝大多数粗糙、呆板、陈旧、缺乏新意, 而欧美、太平洋各国及日本的作品不仅数量、类型繁多, 而且大部分精致、活泼、新颖、充满创造。 在一些建筑(特别是大跨建筑)中, 我们能感受木结构自身力学性质的合理性及其出色的形式美感。那些暴露在外的木结构, 都经过了精心的加工, 成为了一种自然的室内装饰, 类似于中国传统木建筑中的“露明造”, 较之寻常那些浮华的室内装饰, 更显得高雅脱俗。 从建筑风格看, 有借鉴中国古代、日本古代木建筑的, 有参考欧州古典及地方木建筑的, 有吸收北欧简约风格使其建筑颇具现代审美精神的, 虽然种类多样, 但每种形式都让人感到是继承与发展的统一。从关注的重点看, 也有结构、功能、美观、舒适、人文、乡土、环保、节能, 甚至细部构造等方面的不同, 其中, 最值得一提的是设计充分发挥施工方式优越性的思想。 我们知道木构建筑的施工方式是预制拼装, 它让木构建筑有着较快的建造速度, 集合式盒子拼装住宅就是一例。 总之, 要赶上国际现代木构建筑的设计水平,中国建筑师还有很长一段路要走。

四、木结构建筑市场的机会和发展前景

政府鼓励,法规完备,国外协会大力推广,材料的标准化,建立国内的认证体系,产业链基本形成,消费市场逐渐接受。。。。

迄今为止,轻型木结构建筑已具备了在国内推广的环境基础,相比之下市场环境领先于技术环境。随着人们思想意识的变化,木结构建筑在中国的推广应用前景广阔。木结构建筑的推广应用可以带动和促进一系列的产业发展,如林木加工处理、设备配件的生产、建筑设计技术的进步等,目前木结构房屋建造的材料、设备基本上依赖于进口,国内相关产业的发展既有机遇,更有挑战。

1、木结构建筑的应用领域

木结构建筑及其构筑物在我国的应用领域较广,目前主要考虑下列方向发展:

(1) 应用于长三角、珠三角(江苏、浙江、广东等)经济发达地区的新农村住宅、乡镇建设;

(2) 地震多发地区(如四川、青海、甘肃、辽宁等省区)的抗震木结构住宅建设;

(3) 风景旅游地区和最佳人居环境城市(海南、云南、苏州、扬州、大连等)的生态环保住宅和园林景观的亭、台、榭、廊、桥等建构筑物建设;

(4) 古木建筑的修缮与重建。我国有大量的古木建筑(如应县木塔、故宫、寺庙等),有的已是世界文化遗产,需要重点修缮和保护还有一些地方对过去因火灾、战争毁坏的古木建筑进行重建。

(5) 其他木结构建筑。如体育馆、会堂、影剧院、图书馆、学校、医院、幼儿园等公共建筑。在现代建筑中,利用木结构施工容易、材料轻的特点建造别具风格的异型楼顶,对上世纪70~90年代建造的平顶房进行平改坡的改造工程等。

木结构建筑在中国市场的未来是美好的。近10多年来,我国的建筑竣工面积一直居世界首位,随着我国经济的高速发展、住房理念的变化,混凝土结构长期***我国建筑市场的的状态将被打破,一个混凝土结构、钢混结构、木结构三足鼎立的多元市场格局将逐步形成。结合我国建筑、文化、材料、技术等特点,中国一定会走出自己的木结构建筑发展之路。

新型木结构建筑在我国发展已有良好的开端,且发展迅速,相信顺应绿色、环保、节能、低碳时代潮流和理念的木结构建筑一定有更加美好灿烂的明天。

2、设计人才尚属行业短板

尽管木结构在技术和施工方面已日臻成熟,然而由于我国长期依赖于砖石混凝土等建筑材料,因此,在现代木结构建筑设计方面的专业人才相对匮乏。

国内木结构建筑企业最缺的是木结构建筑设计方面的专业人才以及相关的生产、施工技术,严重制约了木结构建筑企业的发展空间。目前的状况是一些企业没有专业设计人员,完全照搬北美或北欧的建造体系,受制如人;另一种是仅有效果图(从网上、资料而得),靠施工人员凭经验折腾,这种方式不可取,因为建筑必须安全第一,这种做法会给建筑留下很多隐患,也会扰乱木结构建筑市场。另外,由于国内缺乏大型构件的生产、成型技术,缺乏技术标准,使得在公共建筑中使用木结构严重受阻。

针对以上问题,国内已经引起了足够的重视,一些著名高校开始参与木结构建筑的研发工作,如同济大学、哈尔滨工业大学、东南大学等,还有少数林业高等院校正在招收培养本科人才。加拿大木业协会在此方面也做了大量的培训工作。希望在设计上尽可能探索出有中华文化底蕴和独特结构的中国现代木结构建筑模式,争取用5~10年在世界木结构建筑领域占有重要地位。

在生产技术上,早期尽可能引进国外的先进制造技术和产品,最终要打造出自己的产业和制造商。加快木结构建筑的本土化、国产化,以设计为主导,重点解决在结构材料和构件生产、施工建造等方面的技术。重视户内外胶粘剂和金属连接件的研究,开发出适合我国木结构建筑的设计软件,横向联合不同学科,对建筑材料、结构、室内外装饰进行全方位的攻关。有关主管部门则需尽快补充完善相关技术标准,特别是木质材料的物理力学性能指标,加速我国木结构建筑的发展进程。

目前阶段,我国现代木结构建筑设计人才还没有培养出来,设计几乎还是完全依靠国外设计机构,如加拿大、日本等国。而木结构建筑有很强的专业性和特殊性,设计师不仅需要掌握木结构建筑的风格和样式,还需要掌握大量的专业木材知识。据了解,我国建筑设计师大多对木材特性和要求缺乏相关了解,因而很难完成木结构建筑的规划设计。

建筑是体现当地环境、气候、风土人情以及居住习惯的产物,如果完全照搬其他国家和地区的设计,很难满足业主对个性需求和生活习惯的需要。因此,木结构行业的长期发展必须尽快弥补设计人才短板,加强专业人才贮备。据了解,同济大学已看中该产业在中国的发展前景,开始与加拿大林业协会展开合作交流,专门培养现代木结构建筑的专业设计人才,满足建筑材料多元化、低碳性的需求。想在建筑学专业有所建树的设计师团队和企业,应该看重这个细分市场的机会,通过互联网、木结构建筑设计技术培训班等渠道,尽快学习掌握木结构设计及相关技术,在新一轮建筑市场的竞争中,获得自己企业的一席之地。

下面请各位设计师欣赏国外优美的木结构营造流程和现代木结构建筑方案效果图。

五、木结构建筑案例欣赏

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金桥联排住宅:

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  国外多层木结构建筑:

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