木材具有密度小、强度高、弹性好、色调丰富、纹理美观和加工容易等优点,是一种丰富的可再生资源,因此得到广泛使用。在受力性能方面,木材能有效地抗压、抗弯和抗拉,特别是抗压和抗弯具有很好的塑性,所以在建筑结构中的应用历数千年而不衰。
木结构对于承受瞬间冲击荷载和周期性荷载具有良好的韧性,受地震作用时,传统的木结构仍可保持结构的稳定和完整,不易倒塌。由于木材细胞组织可容留空气,因此木结构建筑具有良好的保温隔热性能。木结构建筑形式多样,布局灵活,根据需要,建筑内部的结构易作改变。因此,木结构建筑具有抗震性能好、安全节能、有益于人体健康、容易建造、便于维修等显著优点及典型的绿色生态化特点。
木节、变色及腐朽、虫蛀、斜纹和裂缝等天然缺陷对木材的力学性能有较大的影响。木材本身能燃烧,若长期在高温作用下木材会变质而使强度降低,大截面木材或制品耐火等级却较高。木材同时受含水率的影响,当含水率在纤维饱和点以下时,含水率越高则强度越低。因此在设计和施工中应采取有效措施克服木材的缺点,充分考虑上述因素的影响。
我国历代建造的木结构建筑由于地域自然条件不同,以及受到所属历史阶段以及民族文化的影响,其建造技术和建筑风格都有极大的差别。传统木结构建筑经数千年的发展,保留下来的建筑类型丰富,结构及构造做法也各有千秋。
我国木结构建筑历史悠久,在原始社会,人们为了居住需要,开始建筑浅穴木架并夯土筑墙形成木架结构,后发展成砖墙木质架。西周时期,即能够建造重檐大型木结构宫室。秦、汉时期,出现了规模庞大的木结构宫殿。唐代是木结构建筑的鼎盛时期,木结构建造技术载入了《唐六典》,而且还传播到国外。宋代制订了《营造法式》,促进了木结构建造技术发展。辽、金时期,建造了大量金碧辉煌的宫殿和富丽堂皇的园林。元朝建造了大都城。明代始建、清代重修的一些大型木结构建筑一直保留至今。清朝的工部颁布了《工程做法则例》,制订出了工程标准、统一了官式建筑的体制,规定了27种房屋的格局,使建造技术进一步规范化。我国地域辽阔,在建筑风格上也表现出南北的区别,逐渐形成北方之雄伟和南方之秀丽的特色。我国古代木结构建筑保存近千年的有应县木塔及五台山南禅寺、佛光寺、蓟县独乐寺等一批古寺,另外还有北京故宫古建筑群、曲阜三孔等一批古建筑,这些古建筑是中华民族历史文化遗产的重要组成部分,在国际上久享盛名,具有极高的历史、艺术和科学价值,并誉为东方建筑之瑰宝。
我国古代木结构建筑大致可归纳如下典型特征:
1、以木材作为主要建筑材料,创造出独特的斗拱结构形式。
2、以立柱和横梁枋组合成各种形式的梁柱构架,使建筑物上部荷载由梁柱构架传递到基础。墙壁只起围护、分隔作用,这种结构有“墙倒屋不塌”的特点。
3、宋《营造法式》将单体建筑的各部分标准化、定型化,并遵照礼制规定,这种定型化的建筑方法加快了施工进度、节省了成本。
4、在木结构建筑的木材表面运用色彩装饰手段,施加油漆等防腐措施,形成中国特有的建筑油饰、彩画,增加了建筑物的美感。
木结构在当代的应用已有很大的突破,它打破了传统梁柱的结构体系,使木材的各种力学性质优势得到充分发挥,应用范围也不断扩大。
20世纪中叶以来,由于我国建设需要,木结构除用于民用和公共建筑外,还大量应用于工业建筑。木材作为一种地方材料,取材容易,因此在不少地区,木结构建筑占有相当的比重。
1952年我国颁发了第一本工程建设规范《建筑物设计暂行标准》(内含木结构部分),随后,在1955年颁发第一本《木结构设计规范》(规结1-55),为正确地使用木材、安全地设计建筑物结构提供了基本条件。1964~1965年,因“三线”建设需要,木结构在大、中型建筑中的应用有所回升,但由于工程技术人员不熟悉当地木材性能,出了一些质量问题,为适应经济建设和编制规范的需要,在此期间集中进行了一次较大规模的科研工作,从基本计算理论到扩大树种利用,取得了丰硕成果。在这些成果的基础上,对“规结1-55”规范进行修订,1968年有了初稿,但由于种种原因,一直未能顺利完成,木结构的应用在当时基本上处于混乱状态,一直到1973年才完成修订工作,颁布《木结构设计规范》GBJ5-73。GBJ5-73规范为合理利用材料,将板、方材选材标准分开;另外,为加强木结构空间刚度、整体性和抗震能力,增加了支撑和锚固的内容。一套符合我国具体情况的木结构设计体系至此已基本形成。由于当时我国木材工业化水平不高,木结构的应用还仅限于采用方木或原木结构。
为了不受天然原木尺寸限制的束缚,胶合木结构逐渐在工程中得到采用,这也是合理和优化使用木材、发展现代木结构的重要方向。
胶合木结构具有下无列优点:
1、不受天然原木尺寸的限制。
2、可以剔除木节等缺陷,提高强度,也可以合理级配、量材使用。
3、由于板材易干燥,制成的胶合木结构无干裂、扭曲之虞。
4、可以扩大结构用材树种的利用。
5、可以减少原木、方木结构构件连接的削弱,整体刚度好。
6、大截面的层板胶合构件耐燃性较高。
7、可以工业化生产,提高生产效率和产品质量。
由于胶合木结构提高了木结构的质量,扩大了木结构的应用范围,并能节约木材,因此为积极推广应用,20世纪80年代修订的《木结构设计规范》GBJ5-88增加了胶合木结构内容。
另外,结合“建筑结构安全度及荷载组合”课题和《建筑结构设计统一标准》GBJ68-84,木结构领域亦对概率计算基本理论和计算参数、安全度校准等一系列课题进行了大规模研究,所有成果均用于《木结构设计规范》GBJ5-88。GBJ5-88规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法;全面校准了可靠度指标Beta值,改进了材料强度分级方法;修改了轴心受压构件稳定系数公式,稳定系数改用两条曲线;改进了压弯构件承载能力的计算公式;修改了齿连接计算系数V值;增加了木结构设计对施工质量要求的内容,以及完善了木结构防腐、防虫药剂和增加木结构防火措施等内容,本次规范修订使木结构整个设计体系变得更加全面也更加完善。
为保护森林资源,我国政府实施天然森林保护工程,从1998年开始大幅度调减木材砍伐总量,为了维持木材供需平衡,国家采取了一系列鼓励木材进口的措施,大量进口木材,规格材、工程木在工程建设中广泛使用,轻型木结构也相继在我国得到应用。所谓轻型木结构是指:由间距较密的规格材相互连接形成轻型框架,外覆盖墙面板,共同组合形成受力构件,以承担各种荷载的作用。轻型木结构具有施工简便、材料成本低、抗震性能好等优点。
为了吸收国外木结构的先进技术和成熟经验,2003年颁布的《木结构设计规范》GB50005-2003增加了轻型木结构的内容,增加了对进口木材和速生林材用于工程的若干规定,对轻型木结构所用的规格材分级作出了规定;木结构连接中增加了齿板连接;对胶合木结构作了修改和补充;另外补充了木结构防火和防护的内容。GB50005-2003规范以现代木结构观点,给出了木结构的使用条件,进一步扩大了木结构的适用范围。
木结构能有效地用于宿舍、学校、办公楼、仓库、食堂、影剧院、市场、体育馆及展览馆等民用和公共建筑,以及温湿度正常的工业厂房。此外,木结构还用于塔架、桅杆、栈桥、桥梁及一些辅助性或临时性的建筑中。
为了保证木结构的耐久性,承重木结构宜在正常温度和温度环境下的房屋结构中使用。未经防火处理的木结构不应用于极易引起火灾的建筑中;未经防潮、防腐处理的木结构不应用于经常受潮且不易通风的场所。
我国传统木结构在长期发展演变过程中,总结出了一套适应当地气候、地形、资源等自然条件的建设经验,积累了丰富的技术手段,随着对国外先进技术和成熟经验的进一步吸收,我国木结构步入了一个新的发展时期。