东北大学院环境科学研究科--使用大学杉木组成的装配式框架结构
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为了可以全面、有效地利用长度和截面尺寸有
1建筑外观 2入口大厅 3平面图 4剖面图
5组合式木结构门式框架结构设计过程 6组合式框架结构的施工 7施工完成后的组合式木结构门式框架结构 8施工中的“掘立柱” 9基础完成之后的“掘立柱”
il
入口册 nocr vod \ioj 、■
_层
不加腋
加腋+双粱
加敲+双梁 +半刚接柱脚
本案中可供使用的本地木材尺寸比标 准要求的建筑流通木材规格尺寸稍大（截面 120mm x 360mm,长度约6m ）,截面尺寸可达 150mm x 390mm,长度约4 ~ 6m,最长可达8m左 右。为了将木材处理成“无垢”木材，需要对其进 行充分的干燥。因此在设计方案确定之后，将建造 木材分析、分类，请业主方提前分批采购处理。
6
3 不加腋
加腋+双梁
弯矩较大使形变过大
弯矩和形变缩小
地震荷 载应力
无抗侧力能力
貝备抗侧力能力
8
2
加腋+双梁 +半刚接柱脚 弯矩和形变更小
和形变较小 5
9
限的本地杉木木材，实现8m跨度的无柱无剪力墙 的开放空间，需要在结构设计上下一番功夫。按照 —般的方法思路，简单地将8m跨度的楼板架设在 主梁上，需要特别定制大截面的集成木材，而这样 的设计需要大量的剪力墙（构造用合板组成）。而 本案则巧妙地运用了 “立柱+双梁+加腋+半刚接柱 脚”等技术要素，采用常规的小尺寸木材制作“组 装式木结构框架”（图5） o
为了提高门式框架结构的抗侧力能力和整体刚 性，提高柱脚部的稳定性是非常有效的措施之一。 因此，设计考虑给木柱脚部“穿上鞋子”，做成嵌 入混凝土基础的“掘立柱”，以提高柱脚的稳定性 （图8, 9） o通过与上述加腋斜撑及门式框架的组 合，不仅能够大幅降低水平方向的应力及形变，而 且由于有效地减小了屈曲长度而提高了整体结构的 效率。
2结构设计难点 —层层高约4.2m,二层层高3.2m,作为木结
构建筑算是比较高的层高设计。中央大厅在设计上 被赋予了 “光和风的通道”概念，顶部可开启的天 窗集采光和通风换气功能于一体，比屋顶平面还高 出2.7m （图4）,正对入口中央大厅的方向设计了 标志性的悬梯以通往屋顶。
在整个建筑的结构设计过程中，有以下几个重 点需要特别注意：1 ） 8m跨度的楼板其恒载、活载 和水平方向荷载的抵抗能力；2）较大层高的相应 解决方案；3）建筑整体刚性的控制；4）水平构面 元素的表示；5）接合细部的设计与施工方式；6） 入口大厅上方的设计。 2.1 8m跨度的楼板其恒载、活载和水平方向荷载 的抵抗能力
6 AT 2019/04
1建筑概要
“Eco Lab”（生态实验室）是日本东北大学 为了推进“环境省生态住宅项目”，作为环境科 学研究科的标志性建筑而建造的木制建筑，建筑 面积约1 000^2,地上共2层，是集研究所、教育 等设施为一体的综合性建筑（图1, 2）。作为“地 产地消”的典范，本案利用东北大学自有农业生态 林中的杉木为主要结构木材，设计并实现了没有剪 力墙的开放空间建筑。
2.2较大层高的设计要素 随着层高以及建筑整体高度的增加，整个建筑
物水平方向的应力和形变都会逐渐增大，而相对细 长的立柱也更容易产生屈曲。外立面也由于风荷载 而更容易产生形变，很难设置尺寸较大的开口来提 高开放性。项目一层层高为4.2m,整个建筑水平方 向抗侧力、立柱屈曲，以及外立面抵抗风荷载都成 为了需要解决的重要课题"
首先，用双梁夹住位于区域边界线上的立柱， 形成门式框架结构的雏形。不过，因为主梁跨度 8m且整跨之间不希望出现连接构件，理论上需要 8m长的整根木材。另外，竖直方向的荷载会导致 主梁应力和形变都比较大，而且几乎无法抵抗水平 方向的侧力。因此，为了能利用木材制作出像钢 结构或混凝土结构那样有效的框架结构，团队决定 在框架的角部加入加腋斜撐。由此可有效减少垂直 方向荷载所产生的应力和形变，也能够在水平方向 起到抵抗侧力的作用。而且，即使在主梁整跨的中 间部分，从加腋的位置也可以有效地设置樺卯梁 头节点，这样就不需要使用8m长的特殊木材了。 另外，双主梁的设计可以简化主梁与柱子，以及 主梁与加腋斜撑的节点，尽可能减少对立柱截面 完整性的破坏，可以相对简单地连接连续主梁。 通过由南向北排列的2m框架梁轴线间隔，形成了 能够有效抵抗竖直、水平方向荷载的基本框架结 构。但是，由于这种加腋设计会对立柱产生较大 的局部弯矩和剪力，为了能够承受这个影响，决 定在柱材中使用平角材（长方形截面）而不是通常 的正角材（正方形截面），加腋梁连接立柱的长 （强）轴方向（图6, 7） o
建筑平面布局分为南北两个部分，其中南侧为
2层建筑，由教室和办公室等教学功能区组成，北 侧建筑为1层，主要是设备间（图3 ） o南侧主楼 平面是东西方向长约24m.南北长约18m的长方 形布局，东西两侧及南侧分别有突出的阳台和门 廊。东西方向24m由等分的三个区域构成（各8m 长），以挑高的中央大厅为中了 10间 教师办公室。
皿7
10
在抵抗外立面风荷载时，则巧妙利用建筑物外 侧长廊的木制屋顶。虽然长廊屋顶原本是从二层楼 板平面伸出，再由外围立柱支撑，但是由于长廊屋 顶的内侧直接与外立面相连，从而间接但有效地抑 制了外立面平面外的形变。虽然长廊原本只是为外 观及建筑周围环境服务的附属设施，但是通过这样 巧妙的设计，同时兼顾了外立面抵抗水平风荷载的 有效次级结构，使得在外立面原有基础上设计大开 口的出入口成为可能（图10）。 2.3刚度的控制
I 特稿•木结构 / Wooden Construction
东北大学院环境科学研究科
——使用大学杉木组成的装配式框架结构
Eco Lab
山田宪明陆洋（翻译）
Yamada Noriaki, LIJ Yang
山田宪明构造设计事务所
建设地点：日本宮城县仙台市 建筑设计：Seseki设计 结构设计：増田建筑构造事务所（山田宪明） 建筑面积：997.555 m 构造形式：木结构 建筑层数：主楼2层，副楼1层 建成时间：2010
在曰本，积极使用建筑所在地范围内的本地 木材来生产建造木结构建筑的“地产地消”的尝 试在各地被大力推行。因此，配合当地木材的自 身特点而采用的建造方式显得尤为重要。例如， 若所在地自产木材尺寸小于建筑使用木材标准， 则会给生产和建造环节带来不必要的麻烦；若大 于要求的标准建筑用材，则可以使建造和结构设 计更加合理和巧妙。
1建筑外观 2入口大厅 3平面图 4剖面图
5组合式木结构门式框架结构设计过程 6组合式框架结构的施工 7施工完成后的组合式木结构门式框架结构 8施工中的“掘立柱” 9基础完成之后的“掘立柱”
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入口册 nocr vod \ioj 、■
_层
不加腋
加腋+双粱
加敲+双梁 +半刚接柱脚
本案中可供使用的本地木材尺寸比标 准要求的建筑流通木材规格尺寸稍大（截面 120mm x 360mm,长度约6m ）,截面尺寸可达 150mm x 390mm,长度约4 ~ 6m,最长可达8m左 右。为了将木材处理成“无垢”木材，需要对其进 行充分的干燥。因此在设计方案确定之后，将建造 木材分析、分类，请业主方提前分批采购处理。
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3 不加腋
加腋+双梁
弯矩较大使形变过大
弯矩和形变缩小
地震荷 载应力
无抗侧力能力
貝备抗侧力能力
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加腋+双梁 +半刚接柱脚 弯矩和形变更小
和形变较小 5
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限的本地杉木木材，实现8m跨度的无柱无剪力墙 的开放空间，需要在结构设计上下一番功夫。按照 —般的方法思路，简单地将8m跨度的楼板架设在 主梁上，需要特别定制大截面的集成木材，而这样 的设计需要大量的剪力墙（构造用合板组成）。而 本案则巧妙地运用了 “立柱+双梁+加腋+半刚接柱 脚”等技术要素，采用常规的小尺寸木材制作“组 装式木结构框架”（图5） o
为了提高门式框架结构的抗侧力能力和整体刚 性，提高柱脚部的稳定性是非常有效的措施之一。 因此，设计考虑给木柱脚部“穿上鞋子”，做成嵌 入混凝土基础的“掘立柱”，以提高柱脚的稳定性 （图8, 9） o通过与上述加腋斜撑及门式框架的组 合，不仅能够大幅降低水平方向的应力及形变，而 且由于有效地减小了屈曲长度而提高了整体结构的 效率。
2结构设计难点 —层层高约4.2m,二层层高3.2m,作为木结
构建筑算是比较高的层高设计。中央大厅在设计上 被赋予了 “光和风的通道”概念，顶部可开启的天 窗集采光和通风换气功能于一体，比屋顶平面还高 出2.7m （图4）,正对入口中央大厅的方向设计了 标志性的悬梯以通往屋顶。
在整个建筑的结构设计过程中，有以下几个重 点需要特别注意：1 ） 8m跨度的楼板其恒载、活载 和水平方向荷载的抵抗能力；2）较大层高的相应 解决方案；3）建筑整体刚性的控制；4）水平构面 元素的表示；5）接合细部的设计与施工方式；6） 入口大厅上方的设计。 2.1 8m跨度的楼板其恒载、活载和水平方向荷载 的抵抗能力
6 AT 2019/04
1建筑概要
“Eco Lab”（生态实验室）是日本东北大学 为了推进“环境省生态住宅项目”，作为环境科 学研究科的标志性建筑而建造的木制建筑，建筑 面积约1 000^2,地上共2层，是集研究所、教育 等设施为一体的综合性建筑（图1, 2）。作为“地 产地消”的典范，本案利用东北大学自有农业生态 林中的杉木为主要结构木材，设计并实现了没有剪 力墙的开放空间建筑。
2.2较大层高的设计要素 随着层高以及建筑整体高度的增加，整个建筑
物水平方向的应力和形变都会逐渐增大，而相对细 长的立柱也更容易产生屈曲。外立面也由于风荷载 而更容易产生形变，很难设置尺寸较大的开口来提 高开放性。项目一层层高为4.2m,整个建筑水平方 向抗侧力、立柱屈曲，以及外立面抵抗风荷载都成 为了需要解决的重要课题"
首先，用双梁夹住位于区域边界线上的立柱， 形成门式框架结构的雏形。不过，因为主梁跨度 8m且整跨之间不希望出现连接构件，理论上需要 8m长的整根木材。另外，竖直方向的荷载会导致 主梁应力和形变都比较大，而且几乎无法抵抗水平 方向的侧力。因此，为了能利用木材制作出像钢 结构或混凝土结构那样有效的框架结构，团队决定 在框架的角部加入加腋斜撐。由此可有效减少垂直 方向荷载所产生的应力和形变，也能够在水平方向 起到抵抗侧力的作用。而且，即使在主梁整跨的中 间部分，从加腋的位置也可以有效地设置樺卯梁 头节点，这样就不需要使用8m长的特殊木材了。 另外，双主梁的设计可以简化主梁与柱子，以及 主梁与加腋斜撑的节点，尽可能减少对立柱截面 完整性的破坏，可以相对简单地连接连续主梁。 通过由南向北排列的2m框架梁轴线间隔，形成了 能够有效抵抗竖直、水平方向荷载的基本框架结 构。但是，由于这种加腋设计会对立柱产生较大 的局部弯矩和剪力，为了能够承受这个影响，决 定在柱材中使用平角材（长方形截面）而不是通常 的正角材（正方形截面），加腋梁连接立柱的长 （强）轴方向（图6, 7） o
建筑平面布局分为南北两个部分，其中南侧为
2层建筑，由教室和办公室等教学功能区组成，北 侧建筑为1层，主要是设备间（图3 ） o南侧主楼 平面是东西方向长约24m.南北长约18m的长方 形布局，东西两侧及南侧分别有突出的阳台和门 廊。东西方向24m由等分的三个区域构成（各8m 长），以挑高的中央大厅为中了 10间 教师办公室。
皿7
10
在抵抗外立面风荷载时，则巧妙利用建筑物外 侧长廊的木制屋顶。虽然长廊屋顶原本是从二层楼 板平面伸出，再由外围立柱支撑，但是由于长廊屋 顶的内侧直接与外立面相连，从而间接但有效地抑 制了外立面平面外的形变。虽然长廊原本只是为外 观及建筑周围环境服务的附属设施，但是通过这样 巧妙的设计，同时兼顾了外立面抵抗水平风荷载的 有效次级结构，使得在外立面原有基础上设计大开 口的出入口成为可能（图10）。 2.3刚度的控制
I 特稿•木结构 / Wooden Construction
东北大学院环境科学研究科
——使用大学杉木组成的装配式框架结构
Eco Lab
山田宪明陆洋（翻译）
Yamada Noriaki, LIJ Yang
山田宪明构造设计事务所
建设地点：日本宮城县仙台市 建筑设计：Seseki设计 结构设计：増田建筑构造事务所（山田宪明） 建筑面积：997.555 m 构造形式：木结构 建筑层数：主楼2层，副楼1层 建成时间：2010
在曰本，积极使用建筑所在地范围内的本地 木材来生产建造木结构建筑的“地产地消”的尝 试在各地被大力推行。因此，配合当地木材的自 身特点而采用的建造方式显得尤为重要。例如， 若所在地自产木材尺寸小于建筑使用木材标准， 则会给生产和建造环节带来不必要的麻烦；若大 于要求的标准建筑用材，则可以使建造和结构设 计更加合理和巧妙。