木结构建筑—论我国住宅的盲点

  • 更新时间:2015-09-12 17:26:21
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    前几年曾听美国的一位同行讲:“在美国有90%的住宅是木结构,1980年代后期较以前更多”。后来看到一些与美式木结构房屋有关的技术资料,觉得木结构房屋在发达国家近百年持续发展,不断完善的模式,或许对我国建筑,森林产业的发展有可借鉴的地方。

    对于住宅建设,我们可以从多方面去展望与探索,应着眼于人居环境循环体系的制造,多层次技术的建构,将传统设计方法同现代先进技术结合起来,在注重现代化,个性化的同时,也应重视房屋的质量、能源消耗、生态环境等综合效益。

    纵观建筑历史,木结构因其结构性能及美学价值,留下了许多不朽之作,我国古代建筑更以木结构为主体,形成了风格独特的建筑体系。近年,我国由于森林管理不善,滥砍滥伐,以致材源枯竭被限制使用,几乎不建造木结构房屋了,从而在这方面是个盲点,一说起木结构房屋,人们总是把它想象成四面透风,吱吱作响,很不牢靠,一点就着的木头房子,其实我们现在所说的木结构房屋是用木材做结构框架,从室外或室内不一定能看见木材,外表上与砖混结构一样的轻型结构房屋。在很多发达国家,如美国、日本、加拿大等国,木材仍是建筑常用的材料,人们有经济能力选择不同的建筑材料和模式,但大多数人仍选择木结构,1997年美国新建单体别墅约113.8万幢,其中90%采用木结构,在33.8万幢多层住宅中,绝大多数人也采用木结构。

    木结构还被用于建造单层厂房、学校、办公建筑、旅馆、大跨度体育馆等工业、民用及商业建筑。下面我们从结构性能、材料来源、环境效益、建造技术等几个方面了解一下美式木结构房屋的情况及对我国的意义。

1、结构性能

    在美国,住宅建筑大量使用木结构,除了因为施工进度与材料成本较其他结构形式优越外,还有以下一些因素:

    由于木材的可燃性,人们自然地认为木造房子比钢材或混凝土危险。事实上,火灾中致人死亡的更多的是内部装饰材料等燃烧后产生并迅速传播的毒气和烟,采用木结构的国家都对木结构房屋的安全做过大量的研究,这些国家的建筑规范对结构及防火等都有严格的要求,确保住户和邻里的安全。

1.1、安全:木结构对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏具有良好的延展性。其破坏过程是一个渐变的屈服过程。当房屋在地震中晃动时,木结构仍然可以保持结构的稳定和完整,神户地震和最近的台湾地震中,木结构房屋几乎没有倒塌的,地震中的很多伤亡是由于沉重的混凝土天花板或楼板崩塌而压人致死,但木天花板或楼板要轻得多,不易坍塌,造成的伤害也很少。

1.2、节能:木材的细胞组织可以容留空气,使其具有良好的保温隔热性能。若达到同样的保温效果,木材需要的厚度是混凝土的1/15,是钢材的1/400。放在木结构空腔内的保温材料,提供了高效的节能方式且施工简便。在使用同样的保温材料时,木结构比钢结构的保温性能好15%—70%。良好的保温隔热性能意味着长期减少了电或煤气的消耗,提供冬暖夏凉的居住环境。

1.3、灵活:木结构房屋的施工周期只是同类型砖混结构的1/2至1/4,且形式多样,布局灵活,可为用户提供更多的房型甚至度身定造。

1.4、维修和翻新方便:用户可按照不同时期的生活需要改变房子的内部结构。主要管道接口所在墙面的位置都预留了检修口,只要打开这个口,就能找到管道,不需要象砖墙结构那样挖开墙面,破坏装修。由于所有管线都走在木结构的空腔之内,外边根本看不到,因此室内外都整洁美观。

2、材料来源

2.1、美国:美国西部辽阔而地势多样,有一望无际的草原、崎岖的山脉、温带雨林、内陆森林,还有世界上最富饶、最受珍视的公营、私营、工业和非工业林地,并由几百万英亩的林地被划为永久保留地,禁止商业采伐。

    木材生产受制于所在林区公共规范的公营和私人土地上,采伐活动受县、州和美国联邦环境和土地管理法的管辖。此外,被誉为“木材之乡”的俄勒冈州、加州等还受最严格的(森林作业条例和最佳管理作业法)的管制,并采用以超越世界上任何林区的最高采伐标准。这些自然栖息地内的濒危物种、水域、土壤、生态系统的健康和多样性受法律保护。这些法规还要求特定地区的某些树种在规定时间内再植。俄勒冈州为1年,其他州是3年。西部树种木材可加工成几百种木材产品,按特定的木材等级销售,这些等级是近100多年时间内逐渐制定的。在严格的法规控制下,公营或私营木材公司既种树又伐树,将伐下的树制成林产品,获取丰厚的利润。要想利润高就要多种树,才能多伐树。如美国的惠好公司,已有100多年的历史。是世界上最大的私有林拥有者,近5万多员工一直从事种树和伐树的工作,每年销售林产品价值1000多亿人民币。

2.2、中国:我国正在大幅度缩减国有林的木材采伐量,这是一个正确和必要的措施。我国重点的国有林区,如黑龙江、内蒙古、吉林、福建和四川等地,森林正在健康成长,但主要是中幼龄林,大多树木的树龄都在20年到30年,还需15到25年才能成熟砍伐,所以需要保护。

    由于上述原因我国限制了木材的使用,表面上看这是合乎逻辑的,实际上由于我们限制了木材的使用,国家和人民植树造林的经济驱动力就丧失了,合理开发和利用森林的经济效益也丧失了。木材是天然的建筑材料,植树造林对环境保护有益无害,特别是当这些木材从有着良好管理的,可持续发展的森林中采伐的。所以我国在鼓励全民植树的同时,应加强国有和私有林区的建设,制定长远的法规,经过几代人、几十年的努力,形成有种有伐、良性发展的局面。

2.3、其他国家:值得庆幸的是,在世界上许多地区,温带雨林正得到良好的发展。美国和加拿大现在的木材产量比50年代增长25%;北欧一些国家,如瑞典、挪威、芬兰等国家森林资源丰富,3个国家的原木及木材产品每年出口4500万m3,去年原木在中国的销售额以达到400万美元。1998年我国住宅面积超过4.1亿m3,而瑞典只有几百万平方米,对北欧的木材生产国来说,我国是一个巨大的木材消费市场,他们一直探索向我国出口及帮助我国发展森林种植业的途径。新西兰、澳大利亚、南非、智利和其它国家,可持续发展经营模式下的温带森林,正在提供不断增长的木材资源。我们可以从那些地区进口具有价格竞争力的优质木材产品。以促进我国木结构技术的更新,带动木材产业和相关产品的发展

3、环境效益

    我们现在已经认识到,尽管用钢筋混凝土建造的现代建筑给亿万人的生活带来方便,但也造成不少连带的问题,其中之一就是环境问题,国际上认可的对环境影响的评估称为“生命周期分析”,其过程是对伴随该材料的产生对环境的直接和间接的负担的评估。“生命周期分析”对产品寿命中的各个阶段的能源、材料消耗、气体和液体的排放,固体废物的产生进行量化,这些阶段包括:资源提取、生产过程、建设、服务、用后处置。这个办法被认为是最佳评估办法。

3.1、对水的污染:木材是天然材料,将圆木加工锯成材耗用的水很少,对水体质量的影响是微乎其微的。水泥造成的水污染是木材的1.9倍。由于钢材生产过程使用大量的水,它对水的污染比木材大120倍。


3.2、能耗:是指在提取、生产、建设、运输过程中使用的各种燃料的综合计算得到能源的消耗量。水泥耗用的能源比木材多1.5倍,钢材比木材多1.9倍。这些数字是这些材料所消耗的能源,不包括建筑物投入使用后每年需要取暖用的能源消耗,建成后,木结构房屋耗用的能源,远远小于混凝土和钢材,可以节余大量的能源。

3.3、温室效应:不断增加的能源消耗,导致温室效应,木材导致温室效应最少,钢材是木材的1.47倍,混凝土是木材的1.88倍。

3.4、空气污染:虽然混凝土结构比钢结构使用的能源少,但在生产水泥的过程中,会产生大量的CO2,空气污染指数与温室效应相差不多,但树木在生长过程中吸收CO2,放出氧气,起到了净化空气的作用。由于CO2是温室效应的直接原因,科学家们提议为了减少空气中的CO2,我们应当多种植树木。年轻的,正在迅速成长的森林是吸收CO2的主体,可持续发展的林业所提供的永不枯竭的森林的资源,可以使空气的质量更加清新。

3.5、固体废物:固体废物是生产过程中的副产品或残余物。这些废物必须有储存的场地,通常是作为填地材料或将其解体,但是解体的过程会耗用更多的能源并产生空气污染。钢材和水泥不能用作燃料,无法进行生物降解,要回收使用还要耗费大量的能源。但木材的生产只生产很少的废物。锯材生产的废料通常被用来制造纸浆、刨花板或作为燃料。木材同时又是100%可降解。如果不作处理,它可很简单的解体融入土壤,并使土壤肥沃。木材从土里长出,自我更新,然后又回归大地,完全是一个自然的过程。在人类历史上,树木每时每刻都在成长和更新,但形成化石和矿藏需要多少时间呢?

3.6、粘土砖的危害:很可惜,“雅典计划”未考察粘土砖,但这恰恰是我国最广泛使用的建筑材料,尤其在广大的农村。粘土砖生产对环境的危害是众所周知的。过去我国每年约生产7000亿块实心粘土砖。据说这些砖的总长度可绕地球1600圈。每年制砖耗用的粘土侵吞10万亩以上的耕地。每年烧砖用煤约7000万吨,这些煤被称为“粗煤”,其燃烧生产的废气造成空气污染和酸雨。由于砖的产生给我国带来极大的危害,政府已下令禁止生产,并寻找代替粘土砖的新型建筑材料,但由于各地区发展的差异,粘土砖的使用在某些地方仍是有禁不止。为了改善住宅的能效,1986年我国政府规定新建住宅能效提高30%。1993年又规定要提高50%。但有些人对这一有利于节约能耗的法规认识不足,再加上建筑保温材料的匮乏和保温作法施工繁琐,有些地方没有认真执行,每年仍有大量的采暖或制冷能源被浪费,我国建筑物取暖能源比美国高出2倍,但室内温度仍然偏低。

4、建造技术

    美国用于住宅的木结构有几种形式,用得最多、经验最成熟的一种叫轻型木结构,也叫普通木结构。木结构房屋可在现场建造,也可在工厂预制构件,然后在工地装配。

4.1、建造过程:先浇筑混凝土地基,在地基上安装基础衬垫和经特殊处理的底木,以防止白蚁的侵蚀和水分渗透到木结构中,然后建造房屋的框。通常用50㎝×10㎝的方子做楼面梁,吊顶梁,,屋面掾子及墙体龙骨,这些构件中心间距一般为40㎝。楼面板及墙面板均参与结构作用。这些铺板可采用结构胶合板及实木板,梁和椽子的构件尺寸由跨度和荷载条件决定。


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