北美规格材目测分等概述

北美规格材目测分等概述郭伟任海青殷亚方江京辉龙超摘要：目测分等方法是北美一种很重要的锯材分等体系，即依据目测分等规则通过肉眼观测方式测定木材的缺陷状况进而确定规格材的材质等级。因此，对木材缺陷与材质等级之间关系的正确把握以及对分等规则的正确应用，是对规格材进行科学、正确分等的基本要求。合理地依据目测分等规则划分规格材等级，不仅可以使规格材生产厂家的经济效益最大化，而且有利于规格材产品使用性能的充分、合理发挥。经过目测分等的规格材具有客观的力学性质以及外观质量等级，可以为其作为结构用材使用时提供科学的依据。直到今天，目测分等方法依然是北美进行规格材分等的主要分等方法和基础。文中介绍了北美目测分等方法的发展、原理、意义以及世界上其他一些国家和地区的目测分等标准，并对中国目测分等标准与北美目测分等规则进行了比较，希望对完善我国的目测分等规则有所启示。关键词：规格材，目测分等，缺陷SummaryofVisualGradingonStructuralLumberinNorthAmericaGuoWeiRenHaiqingYinYafangJiangJinghuiLongChaoAbstract：LumbervisualgradingisoneofthemostimportantlumbergradingsystemsinNorthAmerica，whichfinisheslumbergradingbywatchingandmeasuringthelumbersuperficialqualityorcharacterisficsSothefeatureofgradingmethodrequiresthegradersmasterthegradingrulesandgradethelumberasquicklyaspossible，asthepreconditionofsuficientuse.Visualgradingnotonlypromotestheprofitsofthegradedlumberproduction，butalsoexertsthelumber~value.Sofar，visualgradingisstillthebasicandmaingradingmethodinNorthAmerica.Thispaperintroducessomebasicinformationaboutvisualgradingsuchasthehistory，principleandsignificanceofthevisualgradingoflumberinNorthAmerica，andintroducessomeotherstandardsaboutvisualgradingintheworld，thenmakeacomparisonbetweenChineseCodeandNLGATheauthorshopeitcanavaildomesticvisualgradingrulesaboutstructurallumberproducts.Keywords：structurallumber，visualgrading，characteristics规格材(dimensionlumber)在我国相关标准中的定义是指按轻型木结构设计的需要，木材截面的宽度和高度按照规定尺寸加工的规格化木材［5］在北美分等体系中，''结构用锯材”是按照板材、横梁和纵梁、柱和方材、规格材4种使用功能进行分等。在''结构用锯材''中，规格材根据其最终用途又可以划分为4个类别，分别是：结构用轻型框架、轻型框架、搁栅和厚板、墙骨。目测分等方法(也称目测分级，Visualgrad.ing)是指用肉眼观测方式对木材强度划分等级，主要是通过对规格材表面的各种影响强度或相关性能的缺陷进行评估实现的。采用北美目测收稿分等方法划分等级的规格材的弹性模量变异系数最高为25%。随着锯材生产的发展，目测分等方法也在不断完善和调整，因此，直到今天，目测分等方法仍然是北美地区锯材生产的主要分等方法和基础。目测分等方法的发展可以在一定程度上通过目测分等标准、规则的不断修正和完善体现来。在北美，与目测分等方法有关的标准、规则和相关资料主要有：加拿大的NLGA（NationalLumberGradesAuth0rity 国家锯材分等委员会标准）和CLGM（CanadianLumberGradingMan—ual 加拿大锯材分等手册），美国的PS20—99（AmericanSoftwoodLumberstandard美国针叶材锯材标准）和美国材料实验协会（AmericaSocietyforTestingMaterials）的ASTMD245以及适用于整个北美地区的NGR（NationalGradingRules国家分等规则）。其中，CLGM是培训手册，是对分等规则进行培训用的资料，它对分等规则的阐释直观、简明，很多从事分等工作的人员都翻阅或学习过该手册。其最早版本是1972年11月，2001年2月最新版本出版，其间曾经再版8次。CLGM与NLGA的区别在于：CLGM主要对分等工作起辅助作用，帮助分等员准确理解和把握分等规则。因此，该培训手册并不一一定涉及到分等规则的所有条款；NLGA是规格材供求双方共同认可的规格材质量评估标准。因此，在进行锯材分等时以NLGA为划分规格材等级的依据。NLGA分等规则的条款适用于所有加拿大生产的针叶材树种，同时也适用于阔叶材。CLGM主要包括11部分正文内容和2个附件。第一部分：北美锯材分等规则的发展历史；第二部分：分等的重要性；第三部分：树种描述；第四部分：树木生长及木材构造；第五部分：天然生长特征（生长特征通常称''缺陷”）；第六部分：加工缺陷；第七部分：干燥缺陷；第八部分：含水率关系；第九部分：分等总则；第十部分：其他分等规则；第十一部分：出口规章；附件1：锯材在北美站台及柱、梁轻型框架中的最终用途；附件2：锯材在日本传统房屋建筑中的最终用途。美国的PS20—99也是规格材分等标准，与加拿大的NLGA分等规则所涉及的分等条款基本相同。ASTMD245为美国材料试验协会颁布的有关目测分等方法的基本原理及基本分等知识，是制定目测分等规则的理论依据。NGR是在20世纪后期建立的适用于整个北美锯材分等的分等规则。它是北美各国制定锯材分等规则的基本框架和要求。1目测分等规则的发展在19世纪早期，由于加拿大东部美国白松贸易以及房屋建造市场的发展，应产品供求双方的要求，锯材分等应运而生。最早的、应用最广泛的，但非正式出版的分等规则是美国缅因州的''缅因检测”和加拿大东部的''魁北克分选"。总的来说北美的锯材分等规则源于这2个系统。''检测"一词最早来源于19世纪70年代的'Albany检测"体系，是19世纪80年代广泛应用于美国密执根州的松树分等的前身，该分等规则建立了6个不同的锯材等级。到19世纪90年代初，密西西比河流域锯材协会在此基础上制定了区分明确的4个等级分等规则。随着锯材使用量的不断增加，锯材分等规则也在不断调整以求更准确合理地描述锯材的质量。经过对实践的不断总结，对分等规则的不断完善，在北美有一些早期的分等方法至今沿用，如早期西海岸的花旗松分等方法就是采用等级描述的方法进行分等的；同时，也有一些分等方法由于自身存在不足，应用不够广泛而未能长久，如不列颠哥伦比亚沿海地区在19世纪90年代才开始正式采用的分等规则，存在着等级类别较少、等级名称少、可以依据的分等条目比较有限以及相邻等级锯材品质重叠现象严重等缺陷。第一次世界大战后，美国林产品实验室的科学家在研究不同树种不同部位木材性质变异性情况后发现，除强度存在变异，其他木材性质并没有不同，因而发展了采用无疵试样强度值，结合节子和斜纹等因子对强度的影响，评估不同树种和等级的锯材强度的方法。ASTMD245［2］的目测分等规则就是在“1918年美国林产品实验室研究报告”和''1923年美国农业部295号通知一—规格材基本分等规则【7］基础上产生、发展起来的。1934年美国农业部185号综合性著作一一《规格材分等及工作应力确定指导》［们也是ASTMD245拟定时的重要参考文献。现在的ASTMD245以及NLGA关于节子等很多缺陷的限定方法以及规则都源于1923年的美国农业部295公告，以及1934年美国农业部185综合著作。对比今天的NLGA只是有些条款内容丰富了，但总的思路及分等框架基本没有改变，已经近83年了。ASTMD245最早版本为1926年，最新版本为2002年。第二次世界大战后，持续载荷与含水率也成为设计标准的一部分，即载荷与含水率成为目测分等规则评估锯材材质的2项指标。随着科研的深人，到20世纪60年代，北美开始集中对木材密度和生长变异区域进行深人探究和测试，为目测分等规则修改和完善提供科学的依据。最早的通用锯材分等标准是1970年美国商业部颁布的非官方产品标准：PS一20—70(现在是PS一20—99)，并在此基础上建立了适用于整个北美锯材分等的国家分等规则(NGR)。与此同时，加拿大也筹建了国家锯材分等委员会(NLGA)，制定了适用于整个加拿大的分等规则，并将其与NGR合并，从而保证加拿大锯材同时可以获得美国建筑规范的认可。至此，目测分等方法已经基本发展成熟，主要体现在分等规则的不断完善和应用可靠性的不断提高2个方面。后来全面开始于20世纪70年代后期的分级测试，对北美锯材目测分等方法产生了巨大的推动作用，为ASTM标准提供了进一步发展的依据。20世纪90年代锯材设计值的公布标志着美国和加拿大分级测试的结束，其重要意义在于，提高了英国、欧盟、日本、澳大利亚和世界其他贸易地区等的《结构用针叶锯材标准》接受加拿大锯材的可靠性。此外，此次分等测试的结果可以很容易地并人基于可靠性基础设计(RBD)的现代设计规范中，从而使锯材产品可以与钢材、水泥等其他建筑材料互换使用⑴，促进锯材产品的发展2目测分等的重要性目测分等方法主要依据锯材的质量和最终用途划分等级，采用检查或/和无损检测的方法实现。由于被划分为同一等级的锯材材质质量以及力学性质也可能各不相同，因此，目测分等规则中各个条款对不同缺陷所限定的要求也仅仅是在锯材分等时锯材所需要满足的最低要求。于是同一目测分等规则中不同等级问或不同目测分等规则的锯材质量有可能发生重叠，简言之，2根属于不同目测分等等级的锯材的实际力学性质可能相差甚微。这也是一直以来，制定目测分等规则时需要特别考虑的问题，等级规则制定得合理与否，关系到分等结果的可靠性及满意程度，关系到锯材使用性能是否可以合理、充分地发挥，关系到锯材工厂的实际经济效益。目测分等规则需要不断实践，不断修正和完善。目测分等方法既可以从树木生长缺陷的层面上对锯材的强度进行限定，也可以对锯材的外观质量进行约束。同时，分等员快速准确分等对工厂生产的经济效益具有重要的意义。分等员可能为了确保安全，把本应该是更高等级的锯材分人低等级，结果每天会有许多块锯材降等。由于不同等级的价格差异显著，就很可能造成每个生产日实际的经济损失。如果分等员将低等级的锯材划分到较高等级中，势必造成消费者对材的质量和外观产生不满。对锯材进行正确分等，分等员需要：（1）了解锯材各种缺陷对其强度、外观及使用的影响；（2）熟练识别锯材的不同类别和类型；（3）了解不同等级的限制要求及市场限制；（4）分等时适当使用等效方法和常识，将锯材缺陷尺寸与锯材的宽度和/或厚度做比较；（5）掌握迅速判断不同等级缺陷的技能，保证分等的速度和准确性；（5）定期检查锯材的尺寸；（6）锯材标记应清晰和整齐；（7）了解不同的分等规则，全面掌握所用的分等规则；（8）不断试件和积累经验。3目测分等方法的原理目测分等方法是长期生产实践以及大量实验的产物。为了制定目测分等规则中锯材各个缺陷因子对锯材强度及外观的影响程度，即分等规则，通常是先对测试锯材的无疵试样进行静力学性能测试，然后对大尺寸（即锯材实际尺寸）的试件进行静力学测试，再将各个缺陷因子作为大小尺寸试件力学性质的折算因子进行科学折合，从而制定出分等规则。事实上，规格材尺寸较大，不可能保证像无疵试样那样材质均匀没有瑕疵，多少带有不同类型的节子或不同程度的开裂或钝棱等其他缺陷，这些都是制约木材力学性能的因素，致使规格材的力学性能较之无庇试件必然会低些，因此需要依据缺陷对木材力学性能影响的不同程度做适当的折减，这个折减比率称为''强度比”。比如北美通常所说的''特等规格材”就是以无疵试样力学强度的65%作为特征强度的，''一等材''是53%，''二等材''是45%。这种强度的折算比例完全是根据应用及具体实际情况确定的。确定了强度比之后，需要通过试验找出各种缺陷对锯材强度影响程度的量化结果，从而制定出目测分等各个等级对各种缺陷的限制规定。如一个边节会对木材的强度削弱多少，一个心节会对木材的强度削弱多少等等。表1为北美国家分等规则（NationalGradingRule）规定的规格材分等产品各个等级的强度比。表1NGR规定的规格材各等级强度比序修名称R寸誓求目测分等侬弟——强度比分等等级名称1轻型框架2~4讪厚2-4低宽34%结桐等级19% -底推等或9%实用等级2结枸用轻型掩架2-4m.宽^7%SS1 55%阳I45%Mo.226%No.33墙骨」云-4初,厚^2in.®26%牌骨4靖构用鞠栅和原板2、4in.惴必im宽65%SS55%阪.145%Nq26%国心.3其中主要涉及到的缺陷有[3]:节子是指树枝或枝条被锯断后出现在木材中的部分。节子通常根据其性状、尺寸、质量和分布来分类。节子尺寸是经常用于决定锯材等级的缺陷参数。锯材中的节子类型很多，锯解时原木放置的方位决定了节子的类型。各个等级所允许节子的尺寸规定仅仅适用于以下几种类型的节子：边节、中线节和节孑L、松动节、非健全节。钝棱指锯材边角木材的缺失，可以为树皮，也可以为木材损失。轮裂指发生在活立木木质部中的纵向开裂，一般位于生长轮之问或穿过生长轮。轮裂所需要考虑的2个最重要的因素是轮裂长度和轮裂是否贯通。腐朽指由于木材腐朽菌的活动而引起的木材物质的降解，一般也被称为''腐烂”，包括白斑和蜂窝腐。白斑是指木材中出现的呈白色或棕色的小孑L或小斑点，主要由纺锤菌引起，孑L内部分或全部充满白色纤维状物质，它仅发生在活立木中，而且在后续的木材使用中不会进一步加重。蜂窝腐与白斑类似，但比白斑面积更大，数量更多，分布更加密集。发生蜂窝腐的木材比未发生蜂窝腐的木材更不易腐朽。斜纹理指木纤维偏离平行于锯材侧边的直线，通常用一个比率来表示，即斜纹理的增加量与跨度之比。虫眼指孔径比针孔虫眼大、且对强度影响更严重的虫孔。大虫眼一般由蛀孑L虫类引起，横断面呈圆形或椭圆，多出现于采伐后长期暴露在外的木材中，有时会深入到心材中，也会出现在活立木和过火木。大虫眼很容易通过孔里充满了类似细锯末的蛀虫排泄物粉末来识别。劈裂指位于锯材断头沿长度方向上的木纤维之间的分离。劈裂长度在相对的两面分别测量，其平均值用于锯材分等。干裂在外观上与轮裂相似，但主要是由于木材干燥所引起的。评估干裂的方法与轮裂相似。翘曲指锯材失去本来或原来有的平面。翘曲包括弓弯、边弯、横弯和扭曲或者多种弯曲组合。多种翘曲组合则通过组合作用原则来决定翘曲度。漏刨指锯材刨光时表面未刨到的部分，分为全漏刨和点漏刨。加工伤孔指机械加工过程中出现在锯材上的空洞和破坏。在NLGA中SS和No.1锯材不允许有锯口，对于允许有锯口存在的等级，锯口的等效尺寸不能超过允许边节尺寸的1/2。此外，关于将''密度''因子作为分等规则一部分进行考虑的历史渊源是：在北美，对花旗松与南方黄松按密度分等最早是林务局发明的（应该在1923年以前就有了），后来被ASTM采用。按密度分等即采用肉眼观察木材断面纹理，尤其是晚材率的分等方法。因为至1923年还没有更为快速、准确、简便的确定木材密度的方法。所以，一般将花旗松及南方黄松分为3等，而其他树种仅分为2等。这种根据密度分等的思路一直沿用至今。4其他分等规则有时采用适当的分等规则会获得较大的产量，生产者为了使锯材满足某种特定的使用要求，购买者或销售者为了多种选择或调整的需要，有时也会同时采用多种分等规则。加拿大目测分等规则对国际上一些常用的目测分等规则做了简单的介绍：美国的目测分等规则J：美国有8家经ALS认证的分等规则起草机构，所起草的分等规则就应力分等规格材产品而言，全部采用NGR分等规则。因此，其他非应力分等规则经常反映出截然不同的地域性用途和树种陷。英国哥伦比亚目测分等规则(R一系列)：广泛用于英国哥伦比亚沿岸地区绝大多数粗加工锯材。与NLGA比较，许多等级的最终产品差异较小，具有相当大的可比性。但其他等级，尤其是建筑材料等级存在显著的差异。英国标准BS4978⑶：在1973年以前，英国试图建立自己的目测应力等级。英国标准4978于1973年颁布，基本上是仿照BCLMA(1970年前产生的分等规则)应力等级。此后不久，其他欧盟国家都依照此规则建立了独立的分等体系，但这些体系除等级名称不同外，其余均与英国标准BS4978相似。英国标准列出2种目测分等应力等级：特殊结构(SS)和普通结构(GS)，其中特殊结构(SS)类似于NLGA中的SS，普通结构(GS)类似于NLGA中的NO.2。考虑的缺陷有：节子及节孔、轮裂、干裂和劈裂、囊状开口、钝棱、虫洞、生长速度(SS：4个年轮/mm；GS：2.5个年轮/mm)和尺寸公差(类似于NLGA中的漏刨)。澳大利亚标准AS2858l3J：澳大利亚标准AS2858在某种程度上与英国标准BS4978相似。所有节子都是采用''节子面积比率”(KAR)进行评估，分为NO.1结构材、NO.2结构材、NO.3结构材、NO.4结构材和NO.5结构材。该标准考虑了边缘面积、含水率、尺寸公差等因素。此外，还有：日本农业标准JAS143：结构用针叶材分等(structuralsoftwoodlumber)。韩国标准KSF2151:针叶材结构锯材的外观分等(visualgradingforsoftwoodstructurallumber)。北欧分等规则INSTAl42：北欧木材外观应力分等规则(nordicvisualstressgradingrulesfortimber)。比利时BS4978:针叶材外观强度分等规范(specificationforvisualstrengthgradingofsoftwood)。在中国GB50005-2003《木结构设计规范》［5］中，有关目测分级进151规格材强度设计指标是通过对北美规格材目测分等等级值进行换算得来的。目前没有适合中国国内树种的锯材目测分等规则。从表2可以看出，中国、北美的规格材目测分等标准中都没有特别考虑人工林材性特点。由于人工林木材与天然林木材表现出的力学性质具有很大的差异4,因此研究应用于人工林杉木规格材的目测分等方法，直观、简捷、准确地评估其力学性能对规格材生产及应用具有指示作用。表2NLGA与GB5fMK>5-2003木结构设计规范中分等方法的比较GBMWS-2003NLCA牌楮材的定义主要用途等级名称规裕材的定义等级审祢主要用途强度比按轻瑕木结构设计的衍塾，木材臧血的宽度和高度按舰庞尺寸如「的规格化木材 JIJ十对强度、棚度翱外观在胶高要求的构件1C指名更JM度为3in,.宛既大F籍于2in.的艮宥睇形横截 SS姑构用饪型枢架,结构用搁棚和川板DeNo.l55%3用F对弥度而度村较高要求而封外现只右一般要求的构件No.245%4用F对拖度、刚度仃较高娈求而对外观无姿求的构件阪No.326%Jl川于墙骨柱膺骨墙骨26%除上述川途Vi