（林业工程专业论文）现代木结构房屋的设计探讨.pdf

摘要 现代木结构房屋已经进入中国的消费市场，虽然数量不多而且处在起步阶段，但 木结构房屋在中国建筑市场展现出的独特建筑风格，以及建设周期短、保温节能、防 火防潮、隔绝噪音、抗震抗风、持久耐用、地域不限、建造灵活可移动性强等特点已 经引起业内人士的关注。随着我国进入w t o ，与国外交流f | 渐频繁，高收入人群及 外商的增多，人们对木结构房屋的优点及功能指标更多的了解，生态旅游概念的普遍认 同和深化，木结构房屋市场必将走向国产化和商品化。 我国目前对现代木结构房屋研究不多，在材料的应用技术、设计技术和建筑技术 方面还存在许多空白点。本论文从中国传统木结构建筑和现代木结构建筑的认识和比 较，探讨不同结构类型的现代木结构房屋的功能设计问题，旨在为我国开发和推广现 代木结构房屋。 本论文主要包括：探讨中国传统木结构建筑的发展、现代木结构建筑和现代木结 构房屋的构造设计。在撰写论文过程中，由于经历、知识结构的原因，以及在实际操 作的局限，论文中难免出现纰漏，恳请各位予以指正。 关键词：木结构：房屋；设计；构造；节点 a b s t r c t m o d e r nw o o df r a m e w o r kh o u s eh a v ee n t e r e dc h i n e s em a r k e t sw i t has m a l la m o u n t ， a n ds h o w e di t su n i q u ea r c h i t e c t u r a lc h a r a c t e r si na r c h i t e c t u r em a r k e t si ni t ss t a r ts t a g eo f d e v e l o p m e n t t h em o d e r nw o o df r a m e w o r kh o u s eh a sd r e wt h ea r e n t i o no fp r o f e s s i o n a l a r c h i t e c t sw i t hi t so b v i o u sv i r t u e s ：c o n s e r v i n go fe n e r g y ，t e m p e r a t u r ea n dc o n s t r u c t i o n p e r i o d ，r e s i s t a n c eo f f i r e ，m o i s t u r e ，w i n da n ds h a k e ，a d a p t a t i o no f c o n s t r u c t i o ns p o t s ， f l e x i b i l i t yi nc o n s t r u c t i o na n dm o v i n g a f t e re n t e r i n gt h ew t o ，c h i n ah a v em o r ec h a n c e f o ri n t e r n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ， a n dm o r ea n dm o r ep e o p l er e a l i z e dt h ev i r t u e sa n d f u n c t i o n a ld a t ao fm o d e r nw o o df r a m e w o r kh o u s e a n dw i t ha c k n o w l e d g ea n dd e e p e n i n g o f t h ec o n c e p t i o no fe c o l o g yt o u rb ym o d e r np e o p l e ，i tw i l lb eam u s tf o rm o d e mw o o d f r a m e w o r kh o u s em a r k e tt om a k ep r o g r e s si nn a t i o n a lc o m m e r c i a lm a n u f a c t u r ei nt h en e a r f u t a r e a tp r e s e n t ，t h es t u d yo f m o d e mw o o df r a m e w o r kh o u s ei ss t i l lk e p tl i m i t e da n dt h e r ea r e s t i l lm a n yb l a n k si ni t sm a t e r i a la p p l i c a t i o n ，d e s i g nt e c h n i q u ea n dc o n s t r u c t i o ns k i l l s ，t h i s e s s a yc o m p a r e sc h i n e s et r a d i t i o n a lw o o df r a m e w o r kh o u s ea n dm o d e r nw o o df r a m e w o r k h o u s et os t u d yt h ef u n c t i o n a ld e s i g no fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lw o o df r a m e w o r kh o u s e sf o ri t s f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i o ni nc h i n a i ti n c l u d e st h r e ep a r t sa sf e l l o w ：d e v e l o p m e n t o fc h i n e s et r a d i t i o n a lw o o df r a m e w o r kh o u s e ，m o d e mw o o d 矗a m e w o r ka r c h i t e c t u r ea n d m o d e mw o o df f a m e w o r kh o u s es t r u c t u r a ln o d ed e s i g n b e c a u s eo ft h ew r i t e r sl i m i t a t i o no f e x p e r i e n c e ，k n o w l e d g ef r a m ea n dp r a c t i c a lo p e r a t i o n ，t h e r ea r es t i l lm a n ym i s t a k e si n t h i se s s a y y o u rc r i t i c i s ma n da d v i c ea r cw e l c o m e ! k e yw o r d s ：w o o df r a m e w o r k ；h o u s e ；d d e s i g n ； s t r u c m r e ；n o d e 现代木结构房屋的设计探讨 l 前言 近年来，国内社会经济水平的不断提高，人1 f 弼：保意识的增强，回归大自然的观念被越 来越多的人推崇。新型木质工程材料的迅速发展，使得木质工程材料在建材行业占有越来越 重要的地位。现代木结构房屋以其独特的环境协调性能和材料的环保性将会在我国得到难以 估量的发展。木结构房屋在我国的再度兴起充实和完善“绿色建筑体系，开拓新的建筑市场 及特有的林产品市场，具有巨大的社会、经济和生态意义。 二十一世纪将是生物材料和环境科学快速发展的时代。人类对生活的需求已经从基本的 生存及居住等生理层面，提升到养生f 果健与体验生活的精神界面。特别是提出了生活质量的 概念，要求有清新、优美、环保、自然的居住环境。随着木材加工利用新技术的不断发展， 出现了更新的木质工程材料和更加先进的加工工艺，为木结构房屋的设计提供了物质保证。 这不仅充实了设计的内容，给设计带来了新的形式和风恪，而且也促进了设计的新方法、新 功能和新概念。这些都为环境协调型产品一冕代木结构房屋的发展 黾供了契机。 二十世纪还是个以科学知识为基础，技术经济为杨心的知识经济时代。林业也和其 它行业样，比以往任何时代都更依赖知识的创新、延伸、拓展和新技术的应用。虽然术材 越来越珍贵，并且能够以塑代木、以钢代木等等，但由于消费者对木材的喜爱山理以及木材 的许多优良性能，不仅在很多消费领域无法取代而且几乎所有国家对木材的需要量有增无 减，这是摆在我们面前的事实。木质工程材料持续、高速发展的势头，成为现代木结构房屋 发展的物质基础，如何开发木结构房屋这特有的林木产品的市场，在国内外日益得到关注。 现代木质建筑是在二十世纪后期快速发展而来的，与中国传统的梁柱木构架建筑体系截 然不同。近几年来，现代木结构房屋在美国、加拿大、日本、西欧及我国台湾地区发展得尤 为迅速，而我国对这种现代木质建筑研究不多，在木结构房屋的材料应用技术、设计技术和 建筑技术方面还存在许多空白点。中国的木结构建筑虽然历史悠久，但由于受科学发展水平、 居住文化、经济条件及社会发展等诸多因素的制约，由传统经验型向科学化、标准化的现代 木质建筑转化存在很多的技术问题和操作困难。国内还没有专业的木结构房屋设计和旌工队 伍以及一系列与此有关的基础研究，尚没有木结构房屋的设计和建筑标准。本文主旨是在探 究删弋木结构房屋特征和传统本建筑的基础上，探讨现代木结构房屋主要构造的功能设计闯 题，以及木结构房屋的节点设计问题。 2 东北林业大学硕士学位论文 2 文献综述 近几年，随着我国的经济高速发展，大中城市社会消费水平的提高，进口木结构房屋已 经悄然进入中国的消费市场，虽然数量不多，又处在起步阶段，但其在中建筑市场展现出的 独特建筑b 懈，已经引起国内外业内人士的关注。美国、加拿大、日本和芬兰等国木结构建 筑房地产丌发商纷纷来华展示其产品，中外合资建造的木结构建筑产品已在北京、上海、深 圳、青岛、大连等地引起反响，国内的别墅区、生态旅游区以及景点出现了风格不相同的木 结构建筑。随着我国进入w t o ，与国外交流日渐频繁，高收入人群及外商的增多，国人对 术结构建筑的优点及功能指标有了更多的了解，生态旅游概念的普遍认同和深化，木结构房 屋市场的发展是指日可待的事。如何将从国外引进的木结构房屋转变成国产化，是实现商品 化的关键所在。 现代木结构房屋走进中国建筑市场已经受到关注。近几年在北京、上海、宁波、杭州、 西安、武汉和海南建造数量不大的木结构房屋小区。建在城乡结合处和海滨浴场居多。上海 木结构房屋建设高于其他城市。2 0 0 1 年以来，加拿大木结构房屋建筑公司借助新加坡开发商 在新加坡投资的苏州工业园区建造了4 2 幢木结构房屋：还和中国有关部门签订了合作建造 1 0 0 幢木结构房屋的协议，这是中国迄今首次与国外签订的最大一批木结构房屋协议，它的 成功合作将加快我国木结构房屋建造的步伐。此外，北京已经有多幢木结构房屋建成或正在 建。国家有关部门为保护我国的森林资源，8 0f f - - f 弋以来，一直提倡木材的节约代用，特别是 在建筑领域，木材更多的以钢材、铝合金、塑钢和塑料等代替，为此，发达国家普遍建造的 木结构房屋住宅在我国是一个盲点。1 9 8 7 年国家计委发布文件，禁止使用木材建造本结构房 屋，随着我国加入w t o ，这些文件已经废i 上。 木结构住宅在发达国家有近百年的发展历史，已形成持续发展，不断完善的模式，对我 国的建筑业和森林工业产业的发展都具有宝贵的借鉴作用。黑龙江省是林业大省，如何进一 步开拓人造板的应用范围，如何利用径级小于3 0 厘米的人工林和间伐林原木，如何满足我国 目前对于木结构住宅的需求，如何实现生态住宅并保护生态环境，如何利用现代设计技术和 施工技术建造木结构住宅，以及讵确而又快拖地引导潜在的市场需求，已经摆在从事林产工 业科研人员的面前。提高林产工业水平势必为术结构房屋的原料选择提供物质基础。 2 1 现代木结构房屋的先进性 2 1 1 工业化 由于木结构房屋的材料和结构特点，可使平面布局贰舌多变并易于实现风恪化和个性化 突出的空间。设计可采用单体菜单组合式哇蝴助设计，零部件由工厂专业化生产，配件及 现代木结构房屋的设计探讨 辅助材料均可达到标准化、系列化，便于运输，建筑与装修一次完成，使木结构建筑的建筑 周期比砖混结构的建筑周期短得多。 2 1 2 环保性 木材是绿色环保生物质材料，旌工中可以选用符合环保标准的辅助材料和涂料。木结构 建筑在建造过程中较钢筋混凝土建造过程中对水的污染、能源的消耗、产生的温室效应、对 空气的污染以及产生的固体废物等多项“生命周期分析”量化指标上都低得多。 2 1 3 宜人性 对于人类生理来说，房屋以木质材料建筑为最佳。因为人置于木质环境中，精神状态相 对良好，免疫力与生育能力易于进入最佳状态。木材的隔热保温、隔音性能好，可以调节空 气湿嚏。设计系统需考虑居住环境的综合眭因素，使居室格外温馨、安宁。考虑空调系统、 热水系统、净水系统和除尘系统等，使生活非常方便。 2 1 4 安全性 木材经防：j 处理可达到建筑的防火要求；燃烧后的逃逸时间比较长；合理的木建筑结构 可达到抗震的特点；新型的密封材料及木结构形式可大大提高建筑的密封性能。 2 1 5 舒适性 现代木建筑十分重视建筑内外环境的和谐与统一，注重设计按个性化的特点进行并系统 的考虑使用者的年龄、职业、民族、爱好、宗教、以及风格等心理特征。木结构房屋多把家 具作为建筑的一部分，可节省购买家具的费用。 2 2 木结构房屋在我国将迅速发展 2 2 1 顺应了现代住宅建筑理念 现代住宅建设着眼于人居环境循环系统的创造，注重现代化和个性化的同时，重视房屋 质量、能源消耗、生态环境等综合效益，注重将传统设计方法与现代先进技术的融合。而木 结构房屋的结构性能、美学特陛、个性特征、应用环保材料的特性，以及高科技含量与现代 建筑理念紧密呼应。 住宅产业是我国的支柱产业。据“中国别墅网”报道，到2 0 0 5 年，我国建筑业总产值 将达到2 6 7 0 0 亿元，年均增长达7 5 ，占国民生产总值的比例达到6 7 0 o 。可持续发展作为 2 1 世纪全球l 生的战略，要求住宅产业含理利用资源和保护资源，实现节能、节地、节水、节 材的目标。及时把生态理念引入到住宅设讨和建设中，按国情因地制宜，根据当地经济基础 和自然气候条件利用传统或高科技手段来8 4 造适合人们居住的、健康的住宅是当务之急。开 发木材以及木质材料作为建筑材料无疑是实现这一总目标的非常重要的选择。 2 2 2 独特的建筑风格和特点 木结构房屋与环境亲和、设计的人格化、居住舒适方便、建房方便快捷、即可以在工厂 4 东北转业大学硕士学位论文 里建造又可以在工地匕组装、成本低廉并施工期短。木结构因其所有的结构件和连接件都是 标准化生产的，因此，旌工安装速度远远快于混凝土结构和砖石结构，且经济有效。在美国 和加拿大，木结构房屋建筑多年来一直是普遍的住宅建筑形式。美国每年新建房屋有9 5 的 是木结构房屋，而在日本每年也有几十万幢的木结构房屋建成。自1 9 9 6 年以来，中国建筑房 屋竣工面积为世界第一，随着我国经济的快速发展，x , 9 1 - 开放的深化和加入w r o ，人们住 房理念的变革，将逐步打破我国建筑市场长期以来混凝土结构一统天下的局面，而形成混凝 土结构、砖混结构和木结构房n - w 分天g c 的格局。我国大部分地区与日本、北美和北欧的地 理纬度相近，可借鉴北欧现代木结构房屋百年发展的经验，结合我国的国情，相信木结构房 屋的建设将会快速发展，最终满足中国的消费者对于环保和舒适性的要求，并逐步向产业化、 半本地化和完全本地化方向迈进。 2 2 3 住房制度改革的深入 我国逐步取消福利分房，逐步出台减免税措施，银行住房贷款支持，住房二级市场的形 成。城区改造的加快，对人们的住房条件的改善提供了良好的宏观环境。告别陈旧、老式房 屋，走进拥有对代气息、多款式、更加舒适的住宅是人们越来越迫切的需要。而木结构房屋 提供的更多样、更生动的居住形式，将满足人们最为理想的住房的要求，丰富了消费者的选 择。市场初期，消费层次面对的是中外高档消费阶层的个人别墅。 国内居民收入的持续增加，是国 、对住宅的潜在需求转化为有效需求的重要保证，1 9 9 3 年全国年均收入超过5 万元的家庭有5 3 0 万户，而1 9 9 8 年大约已有3 0 0 0 万 进 该行列。 据中央电视台2 0 0 1 年报道，我国己有3 亿人步入小康之列，占全国人口的2 5 左右，可以 预计，越来越壮大的中高收入家庭将是住宅市场的主体，他们的收入和追求高生活质量的时 代消费观念将成为支撑中高档住宅市场有效需求的重要经济和文化力量。 2 2 4 森林生态保护区和森林公园的建立与发展 根据中国林业九五，计划和2 0 1 0 年远景目标纲要，当前和今后一个时期将以森林 公园建设和开展特色旅游为重点。根据国家旅游局统计，1 9 9 6 年，我国已建立森林公园3 1 3 处；1 9 9 7 年底，全国己建立9 3 2 个各种类型的自然保护区；到2 0 1 0 年，我国森林公园将发 展到2 0 0 0 处。可以预见，在2 1 世纪，国内生态旅游市场大有潜力，森林生态旅游是其中最 为可观的一项。黑龙江省森林覆盖率高达4 2 以上，有省级和国家级森林公园5 0 余个，今 后还将面临增加。生态旅游是当今世界旅游业发展的热点，据估算，生态旅游年均增长率为 2 0 2 5 。据介绍，生态旅游已成为当今世界旅游发展的潮流，给全球带来了至少2 0 0 亿美 元的年产值。从资料中可以看出，生态旅游无论是旅游人数，还是旅游收入都以超乎寻常的 速度发展。目前，中国的生态旅游在国际旅游业体系中所处的地位还不高，发展中国的生态 旅游势在必行。森林生态保护区和森林公园的建立，为社会提供了游览、观光、度假、健身、 现代木结构房屋的设计探讨 5 科学考察、探险等多种形式的森林旅游活动场所。开发世外桃源般的村舍田园和木结构住宅， 能使旅游区的环境接近自然有极大的潜力。国家从环保的角度要求保护区内不准大兴土木， 限制使用非本地建筑材料，提倡使用当地特色建筑材料和装饰材料，建造特色建筑。 由此可见，建立森林生态保护区和森林公园是大势所趋，而其中使用环保材料、建造特 色建筑是党务之急。 2 2 5 环境意识的增强 当前，环境问题已经由少数专家关心的技术问题转变为全人类共同关注的经济社会问 题，我们面临的重大挑战是如何使经济发展与环境保护有机的结合起来，从而促进建立一个 可持续发展的社会。可持续发展战略强调( 1 ) 人类享有追求健索而富有生产成果的生活权利， 但应该是和坚持自然和谐方式的统一，而不应该是凭借着人民手中的技术和投资，采取耗竭 资源、破坏生态和污染环境的方式来追求这种发展权利的实现：( 2 ) 当代 、在创造和追求今 世发展与消费的时候，应该承认并努力做到是自己的机会和后代人的机会相平等，不能允许 当代人一味地、片面地、自私地为了追求今世 、的发展与消费，而毫不留情地剥夺后代人本 应该享有的同等发展与消费的机会。因此，人们转变传统发展模式、实行可持续发展战略的 时候，必须纠正过去那种单纯靠增加投入和加大消耗实现发展的模式和以牺牲环境来增加产 出的错误作法，从而使经济发展更少的依赖与地球上有限的资源，更多地与地球的承载能力 达到有机的协调。可持续发展有技术、经济和生态三方面的指标。技术是解决环境问题的根 本方法和途径。经济效益和市场需求是技术进步的动力和目标，生态环境则是这一目标的结 束。绿色技术是以节约资源和能源为目标，以保护环境为准则。进入2 l 世纪，人类生活的需 要已经从基本的生存及居住等层面，提升到养生与体验生活的精神层面。特别是提出了生活 质量的概念，要求有清新、优美、环保、自然的居住环境。现代木结构房屋就是从环境保护 的角度，以可持续发展为目标，运用现代科学技术和绿色设计技术而产生的木质产品。 2 。2 6 建筑商和开发商对木结构房屋的建设非常关注 最近各大城市的旧房改造的步伐加快，尤其是北京在一些老城区，规划上不允许建造高 层建筑，仅允许建造2 - - 3 层楼，这为木结构房屋的建造提供了契机，特别是地域广阔、风景 宜人、地价低廉的远近郊区更是开发木结构房屋的良地。据了解，青岛、烟台和福建等地已 经成立了木结构房屋专业公司，积极开发木结构房屋市场。 2 3 建造现代木结构房屋的效益 2 3 1 经济效益和社会效益 木结构建筑主要是面向国内经济发达地区，面向生态旅游( 尤其是森林生态自筻游) 地区， 面向高收入人群和外商。木结构建筑的推广与应用具有直接经济效益和间接经济效益。在黑 龙江省目前建造木结构建筑的费用约为每平方米1 5 0 0 - 2 0 0 0 元，市场销售价约每平方米为 6东北林业大学硕士学位论文 3 0 0 0 - 4 0 0 0 元，保守估计每平方米利润约为1 5 ( x 元。根据资料，经济比较发达地区每年新建 住宅面积可观，如上海，在2 0 0 0 年住宅竣工面积为1 5 0 0 厅平方米，假设其中万分之一为木 结构住宅，则利润可达2 2 5 万元，假如全国有1 0 个经济发达地区均出现该种木结构建筑，则 利润将达到2 2 5 0 万元。 生态旅游在我国已经成为热门话题，生态旅游保护区将星罗棋布的分布于各地，在生态 旅游地区( 尤其是森林生态旅游区) 一定会出现木结构住宅，假如有5 0 个森林生态自趁涮区( 其 实远远大于该数) ，而每个森林生态旅游区建1 0 0 0 平方米的木结构建筑，则其经济效益将是 7 5 0 0 万元，数目十分可观。木结构房屋作为种新兴产业，对于人工林木材商品的利用，尤 其中小径原木的利用具有重要的开发意义：对于人工林培育的价值驱动有积极的作用：也将 拉动木质人造板工业并提高木材综合利用率及相关材料产业。 2 3 2 生态效益 2 3 2 1 结构建筑与混凝土建筑相比，在全过程中原材料( 木材和水泥) 的资源提取、生 产过程、建设、服务及用后处置等方面，对于水的污染指标水泥是木材的1 , 9 倍、能源消耗 指标水泥是木材的1 5 倍，钢材是木材的1 9 倍、产生的温室效应混凝土是术材的1 8 8 倍， 钢材是木材的1 4 7 倍。 2 3 2 2 构建筑如果处理得当，具有抗沉降、抗干、抗老化、抗震性能、寿命长、面十久的 特性。 2 3 2 3 木材作为有机碟储存的一种方式( 碳约占植物体干重的5 0 ) ，用于房屋建筑， 可使其贮存时间加长，从而减少因木材燃烧和大量生产水泥而释放到大气中的碳，这对于维 护全球碳平衡、缓解温室效应具有重要的生态学意义。 2 3 2 4 木结构建筑的调湿、保温、色泽以及芳香籽| = ；e ，是对人最为有益的建筑形式。 2 4 国内外同类技术的情况 国内现代的木结构建筑几乎是个空白，仍没有专业的木结构房屋设计和施工队伍以及一 系列与此有关的基础研究，尚没有木结构房屋的设计和建筑标准。只有极少数的木结构建筑 作为传统的技艺和文化遗产保留下来。由于国内近几年越来越多的入对木结构建筑的优点和 使用功能有了更多的了解：国内中高收入的人群正在扩大，来华长期工作和居住的外商人数 的增加；城市景观和生态旅游区的大量兴建；水泥和砖的限产以保护环境；人们追求自然、 i 自求绿色的心理越来越强烈，木结构建筑的出现立刻引起国人的极大关注，形成种很有发 展的潜在需求。加拿大、芬兰、美国和日本者阳菡准了中国的巨大市场，将其木结构建筑产品 销入中国市场。许多用于木结构住宅的材料在国内都可以买到，价格也可以接受，如石膏板、 保温材料、屋顶瓦、空调设备、硬木地板、厨房和卫浴设备等。但由于我i 雪木材加工技术与 北美、北欧等发达国家相比相距甚远，特别是爱含水率、胶料、放火性能、防腐、防虫、环 现代木结构房屋的设计探讨 7 抱漆料等加工技术方面以及人造板加工利用水平和工程木科技含量仍处于较低水平，很难与 国际标准接轨，为此，绝大多数建造木结构房屋的建筑材料仍依赖进口，从长远看，不符合 我国木结构房屋建造的产业化和本地化发展的方向。我国加入、o 之后，建筑和装饰装修 市场的蓬勃发展将敦促木材加工和人造板行业尽快与国际接轨。 木结构住宅在美国、加拿大、芬兰和f i 本非常普及，应用面很广。这些国家的建筑材料 以木材为主，尽管人们的经济能力可以选择f 何建筑材料的住宅和模式，但大多数人燃 本结构住宅。这些国家的木结构住宅均具有非常独特的) c 【格，其建筑外形、木框结构形式、 户形及房间丌问等均可根据用户的意愿。采用“菜单式”工! 【k 化的电脑设计、工厂靠4 作、现 场拼装施工。主要是采用天然木材原材料，通过先进加工工艺科学处理，并按建筑规范与建 设法规，通过设计、锖啦告、检测、旌工安装、竣工验收及售后服务整个全j 韭程给消费者提供 全面的服务。融汇现代高科技的加工工艺和措施，展示了馘住宅的真实概念，充分考虑 了居住者的健康、环保、能源效益，由于建筑材料均在工厂制作完成，建造拼装( 包括室内 外装p 咯装修) 套2 0 0 平方米的本卷蜗4 墅，现场施工时问仅仅两个月，其施工现场的扬尘、 噪声污染均大大低于砖混结构建筑工地。 美国有9 0 的住宅是木结构建筑，1 9 8 0 年以后发展得更快。1 9 9 7 年美国新建单层别墅 约l1 3 8 万幢，其中9 0 采用木结构。美用于住宅的木结构建筑有朋侈式，用得最多、经 验最成熟的是轻型结构( 普通木结构建筑) ，这种结构的建筑可以在工厂预制构件然后在工地 安装，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 鹭种 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，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 n 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。然而木构件本身的生产却是完全工厂化的。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 罩，幢住宅就能拔地而起，大大刚氐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。 8尔北林业大学硕士学位论文 3 中国传统木结构建筑 3 1 中国传统木结构建筑的演变 中国建筑、印度建筑和阿拉伯建筑系统同属东方建筑体系。中国建筑是三大东方建筑体 系中最显著的独立系统。我们的祖先从穴居、巢居开始，逐步掌握了房屋营造技术，并利用 了石材、木材等天然材料，创造了原始的木质建筑。这种原始木质建筑结构，奠定了我国古 代建筑在结构体系上的基本特征。 在公元前十一世纪，西周建造了重檐大型木结构的宫室勘t ( 图3 一i ) 。公元前七八世 纪，秦、汉建成了以阿房宫为代表的大量木结构建筑。公元七八世纪，唐代木结构建筑达 囤3 - 1 三礼图的周王城围 到鼎盛时期，山西佛光寺正殴和南禅寺大殿显示了木结构建筑的高超水平( 图3 - 2 ) 。公元十 十一世纪，工匠喻皓，著有木结构建筑技术书籍木经三卷( 现已遗失，北宋沈括“梦溪 笔谈”有摘录) 。公元十十二世纪，宋代除宫殿外，开始大规模修建木结构园林建筑，成 于宋哲宗元符三年( 公元1 1 0 0 年) 。李诚所著的营造法式的刊行，使后人更能够看到传 统木结构建筑的规范。其中大量篇幅条来自工匠长期流传的经验，另外还有许多是对历史文 献的总结修订。公元9 8 4 年，兴建的独乐寺观音阁：公元1 0 5 6 年兴建的山西应县佛宫寺内的 释迦木塔均几经地震的袭击，体现了古代木结构建筑技术的水平，充分显示了木结构建筑抗 震的能力。元、明、清以来，少数民唉大力发展汉文化，建造了大量宫廷木结构建筑，把中 现代术结构房屋的设计探讨 国传统建筑推向了最高峰。 9 图3 _ 2 山西五台县南禅寺剖面复原图 清雍正十二年( 公元1 7 3 4 年) 编辑了工程做法则例。全书7 4 卷，前2 7 卷为2 7 种 典型工程实例的大木设计及各部分的详细尺寸，后4 7 卷为大木作、装修作、石作、瓦4 l z 、泥 作、钢作、铁作、搭材作、油作、画作、裱作等1 1 个工种的用工用料定额规定。与宋代营 造法式相比较可以看出，宋代着重 殳计法式的原则规定；清代着重设计尺度的其体方法， 表明了清代建筑装饰工艺的发达与详细程度。 这些充分体现了我国古代建筑以木结构为主，它源于自然、利用自然、高于自然。它以 灵活的胍格、合理的布局、适宜的建筑体量和精巧的装修达到了高度的艺术成就。 3 2 中国传统木结构建筑 中国传统建筑主要包括以下四种体系：1 ) 构架体系：是指以天然杆件，如竹、木等为 构架承担建筑的上部荷载，依附于这个构架上的墙体等仅起围护分隔作用。2 ) 砌筑体系：是 指用土、土坯、石料等砌筑成柱、墙、拱券等，以承担上部荷载，承重结构与围护结构融为 一体。3 ) 开挖体系：它是指在土或石上开挖出建筑空间，如我国西北的窑洞和石窟。4 ) 张 拉体系：以绳索作为结构系统中的承重部分，上面覆以毡、布、皮等来造成人们的住所，如 游牧民族的帐篷。其中占主导地位的是构架体系。构架体系使用的材料主要是木材，所以称 其为木结构建筑或木质建筑。 中国古代木结构建筑体系大致有以下四种：1 ) 抬梁式：在我国应用很广，特别是北方。 优点是室内少柱或无柱，可获得较大的空间；缺点是梁柱等用材较大，消耗木材较多( 图3 - 3 ) 。 2 ) 穿斗式：这种结构在我国南方使用很普遍，属简易轻型结构。优点是用料较小，山面护风 性能好；但是室内柱密而空间不够开阔，因此它有时和抬梁式构架混合使用( 抬梁式用于中 跨，穿斗式用于山面) ( 图3 - 4 ) 。3 ) 井干式：由于它是用原木或半原木层层相叠作为墙壁， 实际是木结构承重墙，所以耗材量大，建筑的开间和进深又受木材长度限制，外观也较厚重， 客j 林业_ 入学硕士学位论文 因此仅在林区使用( 图3 - 5 ) 。4 ) 干栏式：由于它是下层架空，匕层铺木板作居庄用的建筑， 所以对防潮和通风极为有利。在我国炎热、潮湿地区应用较普通。如今云南边疆到处者f 可看 到底层架空的竹楼，这是古代干栏建筑的延续阳发展( 图3 - 6 ) 。 图3 - 3 抬梁式构桨构造示意图图3 - 4 穿斗式构架构造示意图 图3 _ 5 井干式住宅图3 - 6 干栏式住宅 中国传统木结构建筑的特色集中体现在三个方面：建筑尺度( 开问、柱商及进深等) 、 屋面做法( 屋面木基层、泥背、覆瓦及设置脊饰等) 和建筑装饰( 油漆彩绘、建筑雕刻等) 。 3 3 中国传统木结构建筑的优点 3 3 1 承重结构与围护部分分工明确 中国古代木构架与现代框架建筑有异曲同工之处，平面上都是用柱子形成矩形或方形柱 网，在柱与柱之间可按照使用要求稚置墙体或安装门窗、格扇、板壁等。由于墙体刁泺担屋 顶和楼面的重量，使得围护结构的形式和布置方式都具有很大的灵活性。这种结构方式还使 得建筑便于适应不同的气候条件，通过对房屋高度，墙壁与屋面材料的性质及薄厚处理、门 窗位置大小变化，便可在广泛的地域内使用。 3 3 2 较好的抗震性能 我国传统木质建筑采用梁、架、柱、檩、斗拱、雀替，并通过榫卯结合成柔性节点。由于榫 卵的节点不可能完全密实，加七淋身也有一定的弹性，使得建筑的各节点都有一定的伸 缩余地。这样的木结构建筑在抵抗水平推力方面也有一定的作用，使其能在一定范围内减少 地震对建筑造成的危害( 图3 7 ) 。 现代木结构房屋的设计探讨 3 3 3 实现了某种程度的预制装配 相对石构件而言，木材构件加工比较方便，木构件在运输过程中受损的危险性较小，利 于不同程度的预制装配的实现。另外。宋代的营造法式、清工部工程做法则例等，将 有代表性的建筑各部分比例关系做了明确规定，使得建筑构件预制和装配有了统一的尺度， 这样就有可能使用更多的工匠同时对一幢建筑开展工作。大大提高了建筑营造速度。 图3 - 7 中国建筑木结构 3 3 4 便于积累和储备材料 般百姓建造房屋都是经过长期准备的，其所需要木材往往是从种植树苗开始。用作梁 柱的树约二十年左右，用作椽子的树五年左右便可成材：门窗可以逐步制作备用；除了瓦需 合作烧带i 夕 ，农民可积累起全部建造房屋的材料。即使需要二、- - - i 珲z 久但在f 电f 门的经 济条件下，却是一个最方便、切实可行的办法。 3 3 5 易于拆迁、扩建 在必须转移居住地时，传统本构架房屋易于拆迁，除了付出劳动力外，其它损失很小。 许多宫殿曾大规模摘斑，东魏时拆迁洛阳宫殿到邺城，唐末也曾将长安宫殿迁至洛阳。 另外，木构架房屋平面为长方形，以间为单位，间是变化万千的木结构建筑的基本单元，间 数可以任意增加，前后左右增建的方式极为灵活多样，便于按经济力量及 口增加随时扩建。 3 4 中国传统木结构建筑的缺点 从建筑兄变和屋面做法两项来看中国传统木结构建筑的不足之处： 3 4 1 尺度匕造成材料的浪费 营造法式卷四大木作制度里规定了木材八个等级的截面尺寸及应用范围。阐明房屋 的大小决定使用的材等，将房屋大小和材等联系起来，并将材等与屋宇的高深( 包括了间广、 椽架平长和柱高) ，即房屋的长、宽、高三项基本尺度联系起来( 表3 - 1 ) 。从文献和考察报 告中发现，1 5 等材是主要用材，对大径级原木的需要量是相当可观的。房屋的长、宽、高 三项基本尺度是通过抬梁式、穿斗式两种结构完成的。抬梁式结构如同现代框架结构样在 1 2 东北林业大学硕士学位论文 平面匕形成方形或长方形柱网，墙壁不负担屋顶和楼面荷载，这就赋予了建筑极大灵活性， 但往子是木质的，一方面要满足较大开间的承重需要，另方面，又要一定的高度满足采光。 这样对材料质量也就有较高要求。另外，穿斗式构架的柱网问距较密，组成组组构架，对 材料的要求很高。 表b - i 材等及应用范围 材等截面( 寸)应用范围 一等材9 。0 0 6 o o殿身九间十一间 二等材 8 2 5 5 5 0 殿身五问七间 三等材7 5 0 5 0 0殿身三间五间，堂七间 四等材7 2 0 4 8 0殿三间，厅堂五问 五等材 6 6 0 4 4 0 殿小三问，厅堂大三间 六等材6 0 0 4 0 0 亭榭，小厅堂 七等材5 - 2 0 3 5 0 小殿，亭榭，营房屋 八等材4 5 0 3 0 0殿内藻井，小亭榭 3 4 2 屋面做法造成屋顶t 量过大 中国古代匠师在运用屋顶形式取得的艺术效果方面经验是丰富的，成为中国古代建筑突 出特征之一。屋顶主要由木基层、泥背、覆瓦三部分组成。木基层由椽子、望板、连檐、瓦 口等组成。由于古建筑屋面每步架举度不同，屋面上椽子分为若干段，每相邻两檩为一段， 在椽子上铺针望板，此木基层的折线变为瓦屋面的弧线，是通过泥背来完成的，这样泥背的 厚度是相当可观的，这是造成屋面较重原因之一。此外。覆瓦分为琉璃瓦和灰瓦。琉璃瓦自 重较大，灰瓦遇雨而渗水，造成泥背吸水重量增加，这是屋面过重的另一原因。按宋尺每尺 3 2 厘米，宋斤每斤0 6 公斤折算为：殿堂：4 0 0k 刚m 2 ；厅堂：2 8 0k m 2 ；余屋：2 0 0k 刮咿。 这样过重的屋顶已经不能适应现在的建筑了。 3 4 3 修缮困难 古代建筑是我国古代物质文明遗产中极其重要的部分，保护好古代木质建筑具有极其重 要的意义。古代木结构建筑给后人的修缮工作带来很大困难。问题集中表瑚在柱子、构造、 可替代材料三方面上： a 柱子常年与地面接触暴露室外，被风雨侵蚀容易腐朽；砌在墙体内的木柱因潮湿、通 风不良等原因更易腐朽。而柱子体量硕大，是承重梅件，发生腐朽音啦也不尽相同，所以是 修缮上的常见问题。 b 传统木结构建筑构造复杂，造成不易通风、易腐朽。如望板、椽子作木基础，直接与 现代木结构房屋的设计探讨 灰泥接触，年长日久屋面渗漏会造成橡望，特别是檐头部分椽望的糟朽腐烂。古建中的翼角 部分又是椽望中最薄弱的部分，更易渗漏腐朽，而更换檐头、椽望、翼角要拆除瞻步架的反 面，揭去望板，拆掉飞椽和糟朽的檐橡更换新件。这种复杂的结构使今天的修缮工作极 为困难( 图3 7 ) 。 圈3 - 7 柱头铺作安装程序及其榫卯示意图 4 东北林业大学硕士学位论文 c 传统木质建筑的修缮必然遇到运用现代材料的问题。首先是大径级国产红松较少，只 能进口，这样的造价是相当可观的。其次是在些不外露的部分大量运用拉筋，方面增加 强度，另外主要是刚氐造价。为了最大限度的替代木材，在修缮和复原时，用了大量的水泥， 而水泥与木材粘结性不好且易结露，对木材构件不利，这些都是需要解决的。 3 4 4 力q ：i 戳 l - 不理想 中国传统木结构建筑的主要形式是抬梁式及穿斗式，它们都是矩形构架，从结构力学观 点看是不十分理想的。另外榫卯结构虽然是柔性节点，对地震时水平力的破坏作用有一定抑 制，但受力构件的断面被削弱，不能充分发挥材料的有效的作用。梁的断面大，斗拱上斗口 小，耍把梁头插入斗口，只能削弱梁头，结果粱端剪力最大的部位断面反而削弱，很不理想。 3 4 5 材料限制了建筑造型 中国古代木构建筑受木材长度、径级、易燃等局限性，单体建筑的体量不可能做得很大， 因此只得利用高起的地势、巨大台基的烘托或建筑群体组合来取得宏伟壮观的艺术效果。 3 5 中国传统木结构建筑面临挑战 华夏建筑在漫长的封建社会中未曾受到外国文化的严重挑战。几千年来绵延不断地发展 着嬗变。可是华夏文化不是与世隔绝的，通过丝绸之路及海上的交通，华夏文化不断地吸收 外来文化的营养，丰富和壮大着自己。使自身呈现出多彩多姿的局面。正是因为如此，华夏 文化在一个相当广泛的地域内一直处于主导地位，在相当独立的生存和发展中，作为中国古 典文化的有机组成部分的建筑文化形成了迥然不同于西方建筑文化的体系。但中国木结构建 筑的发展，未能进入= 十世纪之门，它似乎永远留存在找们的文明史里或经典文库中了。而 古代西方木结构建筑文化追随东方，而后却不断发展着，在建筑观念、材料的选择与加工、 结构、构造、乃至建筑形象的处理各个方面，形成了较为完整的木质建筑体系，冲击着中国 的建筑市场，给找们带来了太多的反思。 现代术结构房屋的设计探讨 4 现代木结构建筑 1 5 4 1 现代木结构建筑的概念 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。 现代木结构房屋有下列优点： a 已经进入工业化体系，为了持续性发展，现代高科技已成为住宅产业发展新的支撑。 建造一座普通水泥住宅，在中国需要6 - 1 0 个月时问，投 大量的人力、水泥、砂石、钢筋等 材料，交付使用时大多还要再次装修。而木结构房屋只需2 4 个月的时间，施工周期短。大 量构件用机械自口工和预制件，交付使用的是装修好的成品房，为开发商提供最快的资金周转。 b 木质材料和木结构韧性较大，对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力， 地震产生时吸收震波小，抗震效果好。 c 从选材到建造过程均严格按科学方法进行，有效的防虫、防潮和防腐。 d 先期对木材进行阻燃、防火处理可有效阳ie ：j ( 焰继续曼延。按现代建筑的设计观念， 房屋设计要考虑着：火时人的逃生距离，每个房间之间都是有防火墙，可以有效的利用防火墙 而争取时间逃离住屋。 e 木材保温御寒性能均好，木结构房屋中的恒温效应比较明显，在寒冷的冬季，室温可 以保持在1 5 - 2 0 0 c 而在酷热的夏季，木屋可以抵挡炎热的阳光，室温可保持在2 8 0 c 左右。 可以为消费者节省空调的电费和煤气费。 f 木材是可再生资源，有效的使用木材资源可以促进生态环境平衡。 g 由于是工厂化生产建筑部件，在建筑工地就不必安排大型机械旅工，减少嘈杂施工声 音和湿作业绘环境代来的污染。 h 应用现代设计技术，可将内部结构灵活多变外部立面丰富多彩，以满足开发商和消费 者的个性需求； 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过程： 访问客户一向客户推荐住宅方案一到现场测量一做初步设计与客户详细沟 通设计方案一再做详细方案一制作预算书及合约文本一双方签约工厂安排生产 一工厂做组装件一包装检验一装运前编码一安排出货一装载及运输一工地保存 1 6 东北林业大学硕士学位论文 组件一生产的同时向客户推荐材料一做地基平整一做基础施工一将大件材料吊装 一开始立墙一一楼施工一架设二楼框架一施工封顶一室内装饰装修一建筑竣工 一景观配套一售后服务 现代木质建筑的种类比较多，建造形式丰富多样，集中起来主要为四类；壁式框架类型、 预制类型、原木类型和大跨度类型。 4 2 壁式框架类木结构房屋 4 2 1 壁式框架类木结构房屋的特征( 图4 - 1 ) a 材料的规格比较简单。是由5 0 1 0 0 珊，5 0 x1 5 0 衄，5 0 x 2 0 0 衄等方材构成，充当 框架隐藏在墙体内，属于暗处用料，所以对木材外观要求等级低，建造成本也我 氐。而传统 的术质建筑，柱体外露，既是结构材又充当装饰材，对木材纹理和色泽等要求严格，价格也 就相对较高。 现代木结构房屋的设计探讨 1 7 b 气密性、耐火陛、耐久| l 生较好。因为墙体是由细小断面木材组合成框架，外部用板材 封闭，所以内部可配置填充材料