木材具有密度小、強度高、彈性好、色調豐富、紋理美觀和加工容易等優(yōu)點,是一種豐富的可再生資源,因此得到廣泛使用。在受力性能方面,木材能有效地抗壓、抗彎和抗拉,特別是抗壓和抗彎具有很好的塑性,所以在建筑結構中的應用歷數(shù)千年而不衰。
木結構對于承受瞬間沖擊荷載和周期性荷載具有良好的韌性,受地震作用時,傳統(tǒng)的木結構仍可保持結構的穩(wěn)定和完整,不易倒塌。由于木材細胞組織可容留空氣,因此木結構建筑具有良好的保溫隔熱性能。木結構建筑形式多樣,布局靈活,根據(jù)需要,建筑內部的結構易作改變。因此,木結構建筑具有抗震性能好、安全節(jié)能、有益于人體健康、容易建造、便于維修等顯著優(yōu)點及典型的綠色生態(tài)化特點。
木節(jié)、變色及腐朽、蟲蛀、斜紋和裂縫等天然缺陷對木材的力學性能有較大的影響。木材本身能燃燒,若長期在高溫作用下木材會變質而使強度降低,大截面木材或制品耐火等級卻較高。木材同時受含水率的影響,當含水率在纖維飽和點以下時,含水率越高則強度越低。因此在設計和施工中應采取有效措施克服木材的缺點,充分考慮上述因素的影響。
我國歷代建造的木結構建筑由于地域自然條件不同,以及受到所屬歷史階段以及民族文化的影響,其建造技術和建筑風格都有極大的差別。傳統(tǒng)木結構建筑經(jīng)數(shù)千年的發(fā)展,保留下來的建筑類型豐富,結構及構造做法也各有千秋。
我國木結構建筑歷史悠久,在原始社會,人們?yōu)榱司幼⌒枰_始建筑淺穴木架并夯土筑墻形成木架結構,后發(fā)展成磚墻木質架。西周時期,即能夠建造重檐大型木結構宮室。秦、漢時期,出現(xiàn)了規(guī)模龐大的木結構宮殿。唐代是木結構建筑的鼎盛時期,木結構建造技術載入了《唐六典》,而且還傳播到國外。宋代制訂了《營造法式》,促進了木結構建造技術發(fā)展。遼、金時期,建造了大量金碧輝煌的宮殿和富麗堂皇的園林。元朝建造了大都城。明代始建、清代重修的一些大型木結構建筑一直保留至今。清朝的工部頒布了《工程做法則例》,制訂出了工程標準、統(tǒng)一了官式建筑的體制,規(guī)定了27種房屋的格局,使建造技術進一步規(guī)范化。我國地域遼闊,在建筑風格上也表現(xiàn)出南北的區(qū)別,逐漸形成北方之雄偉和南方之秀麗的特色。我國古代木結構建筑保存近千年的有應縣木塔及五臺山南禪寺、佛光寺、薊縣獨樂寺等一批古寺,另外還有北京故宮古建筑群、曲阜三孔等一批古建筑,這些古建筑是中華民族歷史文化遺產的重要組成部分,在國際上久享盛名,具有極高的歷史、藝術和科學價值,并譽為東方建筑之瑰寶。
我國古代木結構建筑大致可歸納如下典型特征:
1、以木材作為主要建筑材料,創(chuàng)造出獨特的斗拱結構形式。
2、以立柱和橫梁枋組合成各種形式的梁柱構架,使建筑物上部荷載由梁柱構架傳遞到基礎。墻壁只起圍護、分隔作用,這種結構有“墻倒屋不塌”的特點。
3、宋《營造法式》將單體建筑的各部分標準化、定型化,并遵照禮制規(guī)定,這種定型化的建筑方法加快了施工進度、節(jié)省了成本。
4、在木結構建筑的木材表面運用色彩裝飾手段,施加油漆等防腐措施,形成中國特有的建筑油飾、彩畫,增加了建筑物的美感。
木結構在當代的應用已有很大的突破,它打破了傳統(tǒng)梁柱的結構體系,使木材的各種力學性質優(yōu)勢得到充分發(fā)揮,應用范圍也不斷擴大。
20世紀中葉以來,由于我國建設需要,木結構除用于民用和公共建筑外,還大量應用于工業(yè)建筑。木材作為一種地方材料,取材容易,因此在不少地區(qū),木結構建筑占有相當?shù)谋戎亍?/P>
1952年我國頒發(fā)了第一本工程建設規(guī)范《建筑物設計暫行標準》(內含木結構部分),隨后,在1955年頒發(fā)第一本《木結構設計規(guī)范》(規(guī)結1-55),為正確地使用木材、安全地設計建筑物結構提供了基本條件。1964~1965年,因“三線”建設需要,木結構在大、中型建筑中的應用有所回升,但由于工程技術人員不熟悉當?shù)啬静男阅埽隽艘恍┵|量問題,為適應經(jīng)濟建設和編制規(guī)范的需要,在此期間集中進行了一次較大規(guī)模的科研工作,從基本計算理論到擴大樹種利用,取得了豐碩成果。在這些成果的基礎上,對“規(guī)結1-55”規(guī)范進行修訂,1968年有了初稿,但由于種種原因,一直未能順利完成,木結構的應用在當時基本上處于混亂狀態(tài),一直到1973年才完成修訂工作,頒布《木結構設計規(guī)范》GBJ5-73。GBJ5-73規(guī)范為合理利用材料,將板、方材選材標準分開;另外,為加強木結構空間剛度、整體性和抗震能力,增加了支撐和錨固的內容。一套符合我國具體情況的木結構設計體系至此已基本形成。由于當時我國木材工業(yè)化水平不高,木結構的應用還僅限于采用方木或原木結構。
為了不受天然原木尺寸限制的束縛,膠合木結構逐漸在工程中得到采用,這也是合理和優(yōu)化使用木材、發(fā)展現(xiàn)代木結構的重要方向。
膠合木結構具有下無列優(yōu)點:
1、不受天然原木尺寸的限制。
2、可以剔除木節(jié)等缺陷,提高強度,也可以合理級配、量材使用。
3、由于板材易干燥,制成的膠合木結構無干裂、扭曲之虞。
4、可以擴大結構用材樹種的利用。
5、可以減少原木、方木結構構件連接的削弱,整體剛度好。
6、大截面的層板膠合構件耐燃性較高。
7、可以工業(yè)化生產,提高生產效率和產品質量。
由于膠合木結構提高了木結構的質量,擴大了木結構的應用范圍,并能節(jié)約木材,因此為積極推廣應用,20世紀80年代修訂的《木結構設計規(guī)范》GBJ5-88增加了膠合木結構內容。
另外,結合“建筑結構安全度及荷載組合”課題和《建筑結構設計統(tǒng)一標準》GBJ68-84,木結構領域亦對概率計算基本理論和計算參數(shù)、安全度校準等一系列課題進行了大規(guī)模研究,所有成果均用于《木結構設計規(guī)范》GBJ5-88。GBJ5-88規(guī)范采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法;全面校準了可靠度指標Beta值,改進了材料強度分級方法;修改了軸心受壓構件穩(wěn)定系數(shù)公式,穩(wěn)定系數(shù)改用兩條曲線;改進了壓彎構件承載能力的計算公式;修改了齒連接計算系數(shù)V值;增加了木結構設計對施工質量要求的內容,以及完善了木結構防腐、防蟲藥劑和增加木結構防火措施等內容,本次規(guī)范修訂使木結構整個設計體系變得更加全面也更加完善。
為保護森林資源,我國政府實施天然森林保護工程,從1998年開始大幅度調減木材砍伐總量,為了維持木材供需平衡,國家采取了一系列鼓勵木材進口的措施,大量進口木材,規(guī)格材、工程木在工程建設中廣泛使用,輕型木結構也相繼在我國得到應用。所謂輕型木結構是指:由間距較密的規(guī)格材相互連接形成輕型框架,外覆蓋墻面板,共同組合形成受力構件,以承擔各種荷載的作用。輕型木結構具有施工簡便、材料成本低、抗震性能好等優(yōu)點。
為了吸收國外木結構的先進技術和成熟經(jīng)驗,2003年頒布的《木結構設計規(guī)范》GB50005-2003增加了輕型木結構的內容,增加了對進口木材和速生林材用于工程的若干規(guī)定,對輕型木結構所用的規(guī)格材分級作出了規(guī)定;木結構連接中增加了齒板連接;對膠合木結構作了修改和補充;另外補充了木結構防火和防護的內容。GB50005-2003規(guī)范以現(xiàn)代木結構觀點,給出了木結構的使用條件,進一步擴大了木結構的適用范圍。
木結構能有效地用于宿舍、學校、辦公樓、倉庫、食堂、影劇院、市場、體育館及展覽館等民用和公共建筑,以及溫濕度正常的工業(yè)廠房。此外,木結構還用于塔架、桅桿、棧橋、橋梁及一些輔助性或臨時性的建筑中。
為了保證木結構的耐久性,承重木結構宜在正常溫度和溫度環(huán)境下的房屋結構中使用。未經(jīng)防火處理的木結構不應用于極易引起火災的建筑中;未經(jīng)防潮、防腐處理的木結構不應用于經(jīng)常受潮且不易通風的場所。
我國傳統(tǒng)木結構在長期發(fā)展演變過程中,總結出了一套適應當?shù)貧夂颉⒌匦?、資源等自然條件的建設經(jīng)驗,積累了豐富的技術手段,隨著對國外先進技術和成熟經(jīng)驗的進一步吸收,我國木結構步入了一個新的發(fā)展時期。