胶合木的特性与现代应用

10建筑3班陈祥代淼董永欣冯家旺冷静刘宝琪龙丹许源 建筑构造 胶合材 从材料应用到材料特性的研究 发现 材料的基本应用 木材在古建筑中的应用 木建筑经过几千年的发展 在东方和西方都形成了独具特色完整建筑体系 中国现存木建筑应县木塔 优点 木材因其具有多孔性和弹性的物质特性 故有隔热 调湿 吸收紫外线 吸光 吸音 吸振等显著的优点 且具有良好的触觉和视觉效果 因而在古代 木材在我国的建筑中得到了大量的应用 木材取代的原因 到了近代 随着科技的发展 钢材与混凝土逐渐取代木材成为主要的建筑材料 缺陷 节疤 开裂等自然缺陷 弯曲 空心等生长缺陷 个体差异性较大 木构件尺寸受树木自然特性限制 易燃 易腐 耐久性差 受弯易断 胶合木 木材在建筑中的新契机 进步 材料的现代应用 新技术 胶合木的出现 典型的 应用普遍的深加工木材是层板胶合木 它是由20 50mm厚的木板经干燥 顺纹胶合而成 中间过程包括表面处理 端部拼接等生产工艺制作而成 胶合木的优势 第一 构成胶合木的层板剔除了节疤 开裂等木材的自然缺陷 层板与层板依据其不同方向的受力特性 经过合理配置层叠而成 使胶合木避免了自然木材无法控制的个体偏差 具有均匀的结构强度 现在的木材加工技术已经可以将胶合木制成长达50米的木梁 其典型用途从简单的桁条 脊梁 地板梁和悬臂梁 直到完整的商用屋顶系统 胶合木桁架也可以做成许多种形式 包括简单的沥青桁架 复杂的剪形结构和带有上折弦的大跨度弓弦桁架 当作为空间框架设计时 胶合木桁架系统可以产生很大的净跨度 适用于礼堂 体育馆和其他需要大面积开阔地面的建筑 第二 由于胶合木在加工过程中进行了充分的干燥和一系列化学处理 保证了施工后构件尺寸和形状的稳定并具有良好的防腐 防火的功能 大大地拓展了木材在特条件下的使用范围 经过处理的木材可以自由地暴露在自然环境之中 展示其材料的迷人特性 这种暴露式的用途包括电线杆 码头 船坞以及其他水边建筑和桥梁 用胶合木建造的木桥安全耐久 与自然环境结合完美 第三 胶合木的尺寸和形状不再受树木自然特性的限制 完全可以根据设计的需要制造出大断面和各种形状的结构用材 这给木造建筑的结构设计带来很大的自由度 使得大跨度木结构建筑和各种富有创意的造型设计成为可能 除了矩型材外 胶合梁还可以被制成各种锥形结构 比如单锥脊 双锥脊和偏心脊 此外 还可做成各种拱形 从简单的曲梁 到斜锥形曲梁 再到复杂的拱形结构 正是由于新技术和胶合木的出现 才为木材重新回归建筑中重要地位提供了新契机 传统木结构常用于住宅等小型建筑中 近年来随着材料科学的发展 木材在大跨度建筑中的应用也更为广泛 无论是在结构还是维护体系中 大跨建筑中的木结构材料以胶合木结构为主 一般采用单板层积材和木质集成材 使用木材的大跨度建筑能充分展现木材的结构美学和柔性美 是人类使用自然材料创造极限空间和极限建筑的充分展示 使用木材及木结构的大跨度建筑也有很多丰富多彩的结构形式 如 框架结构 桁架结构 拱结构 悬索结构 悬挑结构 网架结构 薄壳结构等 现代应用 大跨建筑中的应用 桁架结构 薄壳结构 网架结构 悬挑结构 大跨度类型的木结构建筑 除了在结构上的应用 由于现代木材在声学 热工以及视觉等方面的优势 除了在结构上的应用 还被广泛应用在维护和装饰体系中 木结构的结构用木材按照加工方式的不同 可将其主要分为三种原木锯材胶合材 应用分析 实木与胶合木的应用对比 原木在建筑中的运用 1 规格材在建筑中主要用途是在框架和维护两方面 具体为屋顶 地板 剪力墙 横隔墙和承重墙 2 木板一般作装饰性材料 3 肋材一般用作梁和柱 做梁时 宽度大于50mm并大于厚度 主要用作弯曲的构件 做柱时 宽度小于51mm但大于厚度 主要做受压构件 胶合木在建筑中的运用 1 无支撑物的大跨度和宏伟的高空拱 2 为体育馆 教育和娱乐场馆 室内游泳池 礼堂和购物中心等大型宽敞场所提供有效的围栏 3 用在桥梁和水边建筑中 实际应用无支撑物的大跨度和宏伟的高空拱为体育馆 教育和娱乐场馆 室内游泳池 礼堂和购物中心等大型宽敞场所提供有效的围栏桥梁和水边建筑 应用举例 四川江油电厂干煤棚弧形胶合板拱屋盖 1989年建成 跨度88m 拱高27m 拱脚支撑在约6m高的钢筋混泥土支墩上 应用举例 上海欢乐谷谷木游龙过山车 中国目前第一架木质过山车 以被誉为超级结构用材的美国南方松木为主材 总共有几万根木头 沿湖堤搭建 带给游客超过10次的太空零重力感受 挑战生命不能承受之轻 应用展望 由于我国目前的森林资源不足 森林覆盖率仅为20 36 只有全球平均水平的2 3 排在世界第139位 人均森林面积0 145公顷 不足世界人均占有量的1 4 我国现代木结构刚刚起步 发展胶合木对解决我国木材资源短缺的问题有很大作用 目前在北京 上海 成都等许多城市 许多胶合木结构建筑相继建起 我国发展木结构潜力很大 前景诱人 应用展望 苏州胥江河上将建单跨80米国内第一木结构仿古桥梁 基于大量的大跨度建筑应用木材 胶合木 的案例 回归本质 对木材的材料特性做出探讨 环保 安全 亲和 1 物理性能 2 力学性能 1 保温隔热 2 降低温室效应 3 生命周期低能耗 4 可再生 经济 材料特性 材料特性 木材的某些固有特性使得其在建筑中被广泛应用 与其他材料相比 具有一定的优越性 关键词 环保 安全 经济 亲和 环保 与其他材料相比 木材具有良好的生态性能 对环境的影响极小 现代大跨木结构建筑具有良好的生态性能 人工木材导热系数较小 具有良好的保温隔热性能 有研究表明 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 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1 在冬天室外温度完全相同的条件下 木结构建筑室内温度比混凝土建筑要高6摄氏度 夏天正好相反 木结构建筑就像一座天然的空气调节器 作到了真正的 冬暖夏凉 1 保温隔热 2 降低温室效应 使用现代木材料在建筑中的应用有利于降低温室效应 早期对树木的研究表明 随着二氧化碳浓度的增加 树木的总生长量也在增加 二氧化碳浓度的增加目植物有 施肥效应 非常有利于生物圈对大气中二氧化碳的吸收 通过光合作用 每生长it木材可吸收1 47t二氧化碳 产生1 07t氧气 将碳元素固定在树木中形成纤维材料 因此 现代大跨木建筑中所使用的木材在生长的过程中可以固碳造氧 从而能更好地维持生态平衡 降低温室效应 3 生命周期低能耗 木材在开采 制造 运输 施工等过程中所消耗的能量较低 相比之下 钢 铜等金属材料由于在牛产过程中却要消耗大量能量 其材料本身内含能量要比木材高的多 生产一吨木材所消耗的电量为453kw 而生产1吨钢材则需耗费3780kw 因此木材是低内含能量的建筑材料 根据可再生能源协会2004年的研究 在美国 水材占所有工业原材料的47 但消耗的能源仅占所有工业原料的4 1 因此 木材是低能耗材料 木材加工 木基复合材 水泥厂 钢材冶炼 4 可再生性 木材具有可再生性 现在普遍人工林资源替代天然林资源 通过人工林的定向培育 其成熟期将缩短 易于工业业化利用 可以永续利用 是可持续发展的一个重要方面 据统计 我国每年建房需生产粘土砖7000亿块 损毁耕地6667兆平方米以上 每年烧砖用煤约7000万吨 而木材是可再生资源 只要保持生长量大于采伐量 森林资源就可持续利用 循环利用 小材uT以回收再利用 原木加工过程中会产生大量的碎料 刨花 木屑等废料 这些废料经过破碎 浸泡 研磨咸水浆 再热压成型可以变废为宝制成各种建筑板材 广泛用于室内装修与家具生产 胶合材是以木材作为主要原料胶合压制成矩形材和板材 这一类木产品是由碎料胶合而成 各种木材的边角料和太小的木料以及原本不适合用作建筑材料的树种均可以作为原料 这样就大大的提高了森林资源的利用效率 降低成本 木术材还具有易降解性 使用后易于分解成可以再次进入自然界循环的材料 从中可以减少不可分解物对环境的污染 现在城市里很多建筑垃圾很难循环利用甚至很难降解 只能通过深挖掩埋的方法来处理 而这些做法有可能造成地下水的污染 因此 使用易降解的木材作为建筑材料的现代大跨小结构对环境的负面影响较小 钢钢材冶炼需要燃烧大量煤 而且会排放污染气体 开采矿石也会破坏环境 因此钢结构不如木结构环保 水泥原料的开采会破坏环境 煅烧会排放污染气体 施工过程中产生很多建筑垃圾 5 污染小 经济 它结构自重轻 可降低基础造价 在软土地区优势尤其明显 它的材料自重轻 建筑材料综合运输费用低 这一优势在大型公共建筑项目当中体现得尤为明显 以美国华盛顿州塔科马市多功能体育馆为例 最终建成的木结构穹顶造价为3 02亿美元 与之相比 建设相同规模的体育馆 采用充气穹顶的造价为3 55亿美元 而采用混凝上穹顶则需花费4 38亿美元1 位于瑞士的建国700周年纪念馆由于采用木结构 造价仅为钢结构的1 5 混凝土结构的1 32可见 采用在大跨建筑领域采用木结构可以降低建筑的造价 1 自重轻 2 工期短 它采用干式施工 施工速度快 工期短 可以减少施工造价 1 力学性能 弹性与塑性 结构胶合材与钢一样 可根据需要制成任意断面尺寸 任意曲率的材料 并能预先计算挠度 但是与工字钢和钢筋混凝土制品相比 可大幅度减轻重量 弯曲钢构件 弯曲木构件 梅斯蓬皮杜中心屋顶局部 良好的安全性能 低温促使钢材断裂韧度下降 特别是低于 20度的环境条件下服役的钢构件 脆性断裂的趋势更明显 止裂实验证明 低碳钢板厚由50mm增加到125mm时 止裂温度值约升高0 4e mm 即钢构件越厚 低温条件下脆性倾向越强脆性变形前塑性变形很小 破坏突然发生 无法及时察觉采取补救措施 而且个别构建断裂会一起整体结构坍塌 后果严重 止裂实验 钢脆性断裂断裂面 2 力学性能 脆性和韧性 木材的脆性脆温度下降趋势上升没有钢材突出 因此在极寒地区 因此木比钢更适合在极寒地区使用 北欧木建筑 加拿大木建筑 日本木建筑 木质材料韧性较大 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 因此也多用于多震地区 美国华盛顿州塔科马市多功能体育馆直径162米 顶部距地面45 7m 最多可容纳26000名观众 大量重复的三角形木构架交织成 个巨大的弧形穹顶 能够承载相当大的荷载 2001年发生的6 8级地震没有对丰要的建筑结构产牛丝毫损伤 这个例子说明结构胶合材具有良好的结构安全性能 3 物理性能 耐火性能好 在美国 木结构防火是由防火理念转为耐火理念 木材虽然为可燃材料 但它在燃烧时表面会产生一层炭化层 能延缓燃烧的过程 如按照1小时的耐火极限进行防火设计 当木材燃烧1小时时 炭化层厚度为1 8英寸 这时候如构件的残留截面 仍能承受当时实际的荷载而不倒塌 就认为它已满足了1小时的耐火要求 目前 国内消防相关机构也已经逐步接受这一理念 结合不同树种的木材在受火焰作用时的炭化速度 根据规范提供的计算公式得出构件的尺寸 经过计算得出构件在火灾后一般能保持原构件设计强度的85 90 同时 可以对重型木构件本身进行阻燃处理 即采用木结构防火涂料加压浸泡或涂刷 这样处理的结果能降低木构件表面火焰燃烧速度 相应提高构件的耐火极限 改变其燃烧性能 比较一下金属结构的防火性能 未经强化防火处理的金属构件遇高温时容易降低强度 会使建筑物突然坍塌 钢结构在超过150摄氏度时 强度会明显下降 到500至600度时强度几乎为零 发生火灾时 钢结构耐火时间短 会发生突然坍塌 大跨钢结构建筑构件遇高温易发生突然破坏 耐火极限较低 大跨木结构遇高温后构件表面会形成阻燃的碳化层 耐火极限较高 甚至能够用来建造图书馆等有特殊要求的建筑 对比 现代大跨木结构建筑具有良好的耐腐蚀性 在建造游泳馆和溜冰场时具有不可比拟的优势 由于游泳馆中水汽蒸发很严重 特别是池水中的消毒成分蒸发后 会严重腐蚀馆内的金属材料 如果游泳馆采用钢结构 势必会影响整个场馆的结构安全性 相反 木结构材料经过处理后 可以很好地抵御水蒸汽的侵蚀 建筑师盖依尔设计的位于瑞士的木薄壳结构游泳馆就是为了避免钢结构在游泳馆的使用过程中因水汽发生锈蚀而选用了木结构 耐腐蚀 良好的吸声性能 木材是多孔性材料 具有良好的吸声功能 据居室内谈话清晰程度的研究表明 在由木质材料装修的室内与混凝土造居室内声音的回响时间不同 在混凝上造居室内声音的回响时间约为0 4 0 6秒 而在木造居室内约为0 2 0 4秒 如果有两组以上的人在同一居室内谈话 则在混凝土造居室内谈话易被干扰的程度大于木造居室 这是因为木质材料具有良好的吸音性 而声波遇到坚硬的混凝土墙会发生反射导致回响 因而引起居室内不同声音的混杂 形成噪声影响人们的听觉感受 塔科马穹顶体育馆 LaRive野营 木质材质的天然隔音效果使体育馆拥有相当音乐厅一级的音响效果 室内表面的2 6面板被声学绝缘板覆盖 这些绝缘措施加上穹顶的形状 为比赛场提供了剧院音质搬的音响效果 自这一体育馆建成使用以来 主要的音乐会放弃了诸如西雅图国王体育馆这样的场地而在塔科马穹顶体育馆举行 使得这一体育馆成为各类活动如交响乐会 摇滚演唱会 西方牛仔竞赛 怪物竞赛等的集中场所 大跨钢结构建筑使用外表冷峻的钢材