韓振華 陳 玲

木結(jié)構(gòu)建筑在世界范圍內(nèi)廣受青睞，不僅因為木材是當今三大建筑材料（鋼材、水泥、木材）中唯一可再生的天然資源，更因為木結(jié)構(gòu)建筑本身有著設計靈活、抗震性強、生態(tài)環(huán)保等諸多優(yōu)點。美國的住宅建筑中，90%以上是木結(jié)構(gòu)，芬蘭郊外98%的房屋和90%的單戶住宅均采用木結(jié)構(gòu)，而日本民眾一直對木結(jié)構(gòu)情有獨鐘，近年來，中國也積極開拓木結(jié)構(gòu)建筑市場[1-2]。

與此同時，全球建筑業(yè)正提倡綠色、節(jié)能及智慧建造，其中重點突出建筑工業(yè)化即“像生產(chǎn)汽車一樣造房子”。具體的建筑工業(yè)化指用機械化方式生產(chǎn)房屋的構(gòu)配件或整個房屋來加快施工速度、降低人力資源耗用，從而降低成本。建筑工業(yè)化的前提是建筑標準化，根據(jù)建筑模數(shù)制，預制出具有統(tǒng)一性、通用性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。木結(jié)構(gòu)建筑的工業(yè)化發(fā)展，同鋼筋混凝土建筑一樣，是建筑模數(shù)制與預制裝配技術(shù)的綜合應用。

預制裝配式木結(jié)構(gòu)建筑的特點有：

1）建造速度快，房屋質(zhì)量好。構(gòu)配件為輕便的木質(zhì)規(guī)格材，且在工廠提前預制，縮短施工過程，節(jié)省人工成本，提高生產(chǎn)效率，安裝方便有序，更確保了工程質(zhì)量。

2）設計靈活、空間多樣。施工時可按需調(diào)整和更改房間布局、門窗位置等，甚至在使用過程中也可輕易地擴建和更新升級。

3）節(jié)能環(huán)保、舒適安全。采用安全無毒害、防水、防潮、防白蟻處理過的現(xiàn)代木質(zhì)規(guī)格材，自重輕，荷載分布合理，抗震抗風性能優(yōu)越，以及抗外界噪聲干擾的同時，還能提高墻體和門窗的密封功能，節(jié)能效果明顯，全面提高了住宅的舒適性和安全性。

4）良好的抗震表現(xiàn)。木材自重輕，具有較高的強重比，震后傷害小。木結(jié)構(gòu)建筑多采用釘連接，結(jié)構(gòu)體系有很好的柔性，能夠在地震中吸收和耗散能量；同時為地震力提供了附加的傳力路徑。經(jīng)工程設計建造的木框架建筑, 具有很好的抗側(cè)向力性能。

1 建筑模數(shù)制的發(fā)展

模數(shù)制是建筑營造技術(shù)中的重要內(nèi)容，源于古希臘，當時是將模數(shù)作為統(tǒng)一構(gòu)件尺寸的最小單位[3]。模數(shù)制在歷史上經(jīng)歷了幾次重大發(fā)展，第一次為第二次世界大戰(zhàn)期間，愛爾奈斯塔·伊范塔爾在西德“八分制”的基礎上提出的尺寸協(xié)調(diào)體系，即一個基本模數(shù)為12.5 cm或1/8 m的體系；隨后，瑞典和美國基本建立起以10 cm為基本模數(shù)的協(xié)調(diào)體系；日本的模數(shù)標準以1與2、3、5、7的倍數(shù)值自成系列，最小單位為5mm[4]。模數(shù)制的一系列尺寸構(gòu)成模數(shù)數(shù)列，是建筑物及構(gòu)配件尺寸設計的基準。模數(shù)數(shù)列向空間化發(fā)展形成了模數(shù)網(wǎng)格設計，國際標準化組織ISO規(guī)定了以基本模數(shù)1M，擴大模數(shù)3M、6M、12M為模數(shù)網(wǎng)格尺寸，在這一基礎上，日本等國均對模數(shù)制中不符合ISO標準規(guī)定的部分進行了修訂。

2 模數(shù)制下的預制裝配式木結(jié)構(gòu)

預制化技術(shù)在木結(jié)構(gòu)中是相對的概念，古代木結(jié)構(gòu)中，梁和柱等主要構(gòu)件也是預先加工，再進行現(xiàn)場搭建，實際也是一種預制加工技術(shù)?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中，由于可進行框架的整體預制及剪力墻等大片板式構(gòu)件的預制等，提高了預制率，加之機械化加工技術(shù)的發(fā)展，提高了木結(jié)構(gòu)建筑的工業(yè)化水平，因此出現(xiàn)了預制裝配式木結(jié)構(gòu)的說法。木結(jié)構(gòu)建筑主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式，每種結(jié)構(gòu)形式下均可有不同程度的預制裝配技術(shù)的運用。

2.1 框架式

框架式木結(jié)構(gòu)即傳統(tǒng)的梁柱式結(jié)構(gòu)，以中國古代梁柱式木結(jié)構(gòu)為例，其在營造技術(shù)上遵循科學的模數(shù)制度。宋《營造法式》中材分模數(shù)制度由“材、分、契”三級數(shù)量關系構(gòu)成，規(guī)定斷面高度為基本模數(shù)單位，并確定3∶2的高寬比。清《工程做法》中斗口模數(shù)制度以斗口寬作為建筑各部構(gòu)件的度量單位，較宋有所簡化。宋材分模數(shù)制度下，構(gòu)件的預制存在著明顯的數(shù)量級差，“材”是模數(shù)的基本單位，可進一步細分為“分”，分是材高的1/15，材寬的1/10，房屋的規(guī)模，各部分的比例，構(gòu)件的長短，外觀形貌等全部是用分的倍數(shù)規(guī)定的。所以分就是古代的一種基本模數(shù)。從材和分派生出“契”和“足材”，“契”高6分，寬4分，1材加1契，共高21分，稱“足材”。隨著模數(shù)制度的發(fā)展，各數(shù)量級之間的換算關系逐漸簡化，至清時，確立了斗口模數(shù)制度。中國古代的木結(jié)構(gòu)建筑正是運用這些模數(shù)制度來進行梁、斗栱等建筑構(gòu)件的預制，如《營造法式》卷五《柱》中規(guī)定了柱的材分，柱徑為廳堂柱兩材一契（36分），殿間柱兩材兩契至三材（42～45分），其他的柱徑在一契至兩材（21～30分）之間，對柱高僅作了最大限制，經(jīng)考究[5]，實際柱徑與柱高之比在1/7～1/10左右，大多在1/8～1/9左右。而卷五《椽》中則包含了椽每架的長度、椽徑及椽子排列的間距三項內(nèi)容。關于鋪作部件栱、斗、昂、枋等在《營造法式》中均有其相應材分模數(shù)規(guī)定?，F(xiàn)在我國的建筑模數(shù)以國家制定的GBJ 2—1986《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標準》的規(guī)定為標準，以100 mm為基本模數(shù)數(shù)值，定位M，即1M=100 mm，根據(jù)基本模數(shù)，得到相應的擴大模數(shù)3M、6M、12M、30M、60M等和分模數(shù)1/2M、1/5M、1/10M、1/20M、1/50M、1/100M等，在這一模數(shù)制下，要求現(xiàn)代梁柱式木結(jié)構(gòu)中柱的間距至少在600 mm以上，實際一般在1.2 m以上，方木梁還要求高寬比不宜大于4。日本現(xiàn)代梁柱式木結(jié)構(gòu)中，根據(jù)建筑標準法，梁和柱子及桁主要使用正方材，橫截面尺寸一般為105 mm或120 mm，布置間距一般為900 mm的整數(shù)倍?？梢哉f，在框架式木結(jié)構(gòu)當中，無論是古代梁柱式結(jié)構(gòu)還是現(xiàn)代梁柱式結(jié)構(gòu)，預制構(gòu)件的尺寸、構(gòu)件間間距均按一定的模數(shù)制進行設計制作。

2.2 剪力墻式（“2×4”）

剪力墻式木結(jié)構(gòu)是用規(guī)格材和木質(zhì)結(jié)構(gòu)板材，借助釘子組合搭建起墻體承重部分，再配以木擱柵構(gòu)件及屋架構(gòu)件等的一種結(jié)構(gòu)形式。這種木結(jié)構(gòu)形式流行于北美，在材料使用上主要是所謂的“規(guī)格材”，因此也稱“2×4”結(jié)構(gòu)，其特點是使用了標準模數(shù)規(guī)格的木材構(gòu)件，北美“2×4”結(jié)構(gòu)中規(guī)格材斷面尺寸列于表1。

剪力墻式木結(jié)構(gòu)的預制主要是在規(guī)格材的基礎上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)墻體及樓蓋、屋蓋等的預制。剪力墻結(jié)構(gòu)中，考慮到板材規(guī)格因素，一般以410～610 mm的間距布置規(guī)格材來形成墻體的骨架構(gòu)件，再覆以結(jié)構(gòu)膠合板或定向刨花板（OSB），同時注意預留門、窗洞口。樓蓋構(gòu)件的主要部件包括樓蓋擱柵、樓面板及頂棚等。擱柵一般采用規(guī)格材或工字梁，布置間距北美一般為16英寸，約合406 mm，我國按擴大模數(shù)通常為300、400、500 mm或600 mm，實際GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》 中注明，考慮到板材規(guī)格因素，構(gòu)件間距為305、406、490 mm與610 mm與上述模數(shù)間距等同使用。屋蓋主要包括屋面板和屋架，其中屋架通常工廠預制，保證安裝間距小于610 mm。

表1 北美規(guī)格材斷面尺寸Fig.1 Cross-section dimension of North American lumber

2.3 框架剪力墻式

建筑上，框架剪力墻式結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)的基礎上，間或布置一定數(shù)量的剪力墻組成的復合結(jié)構(gòu)，可以同時保證建筑物的尺寸設計靈活性和側(cè)向剛度。日本這一結(jié)構(gòu)體系下，梁柱的布置按照現(xiàn)代梁柱式進行，即以900 mm的整數(shù)倍布置，截面按照建筑標準主要有表2中的一些尺寸。 帶“Ο”的為通用截面尺寸，目前梁柱構(gòu)法中多采用105 mm×105 mm的方木。剪力墻部分的預制則與北美“2×4”結(jié)構(gòu)相似，一般采用2×4（38 mm×89 mm）和2×6（38 mm×140 mm）的規(guī)格材構(gòu)建承重墻系統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)框架，布置間距為400 mm或600 mm，隨后用OSB結(jié)構(gòu)板和膠合板包覆以增強結(jié)構(gòu)的整體剛性。

表2 木材截面尺寸分類Fig.2 Classification of timber section size

相對來說，上述三種木結(jié)構(gòu)建筑形式中，后兩者的預制化程度較高，隨著預制化技術(shù)和建筑工業(yè)化的高度發(fā)展，出現(xiàn)了木質(zhì)盒子建筑，其在設計過程中要求建筑的長、寬、高及細部尺寸都必須符合模數(shù)設計原則，再按照整體要求使用標準化構(gòu)件進行組合。中國的木質(zhì)盒子建筑的主體框架由50 mm×100 mm的規(guī)格材或復合木材（LVL或PSL）及膠合木按500 mm的模數(shù)間距布置構(gòu)成，因此木質(zhì)盒子每邊的長度都是以500 mm為模數(shù)的，即每個木盒子的平面都是以500 mm×500 mm為模數(shù)。木質(zhì)盒子建筑并非一種新型建筑形式，只是在這一結(jié)構(gòu)形式下，預制化程度由構(gòu)件模塊水平上升到了空間模塊水平。

3 結(jié)語

膠合木、復合木材等的出現(xiàn)使得木結(jié)構(gòu)建筑不再受木材天然尺寸的限制，而人工林木材的培育和改性等又為木結(jié)構(gòu)建筑提供了原料保障，基于這些原因，木結(jié)構(gòu)建筑在世界范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展，許多發(fā)達國家的木結(jié)構(gòu)建筑用量相當驚人。隨著工業(yè)化建筑體系的不斷完善，越來越多的建筑設計納入標準化與體系化，構(gòu)配件生產(chǎn)則實行工廠化。在這一形式下，預制裝配式木結(jié)構(gòu)應運而生，而要真正實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑的工業(yè)化，必須使其構(gòu)配件設計遵循一定的建筑模數(shù)，并按建筑統(tǒng)一標準進行工廠化預制生產(chǎn)。

[1] 費本華, 周海賓. 現(xiàn)代框架式木結(jié)構(gòu)住宅[J]. 世界林業(yè)研究, 2006,19(2):51-54.

[2] 劉愛霞, 周靜海. 持續(xù)發(fā)展的芬蘭木結(jié)構(gòu)建筑[J]. 沈陽建筑大學學報, 2006, 8(4):322-326.

[3] 裴琳娟, 林源. 淺析中西方建筑模數(shù)制度的差異[J]. 中外建筑,2013(7):75-76.

[4] 趙睿. 住宅產(chǎn)業(yè)化中的標準化研究[D]. 天津:天津大學, 2007.

[5] 潘谷西, 何建中.《營造法式》解讀[M]. 南京:東南大學出版社,2005.