现代技术下的木结构建筑_郭白莉

木材作为建筑材料已有悠久的历史，从巢居、干阑式 建筑到斗拱、木桁架，木结构建筑走过了一段极其辉煌 的过程，留下了诸如山西佛光寺大殿、日本奈良的法隆 寺塔以及山西应县木塔等令人赞叹的经典之作。不但向 我们展示了古代悠久的历史和文化，而且验证了木结构 独特的美学价值、稳定的结构性能和优良的耐久性能。
但进入上世纪以来，现代建筑更追求工业化和速度，
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图 ６ 浦东机场航站楼屋面
图 ７ 上海铁路南站站屋屋面
ｈ ——位置 ２ 的几何高度（ｍ） ２
ξ ｈＦ ——液体从位置 １ 到位置 ２ 的能量变化（ｍ） 本工程屋面雨水设计重现期 Ｐ ＝ １０ 年，降雨历时 ５ ｍｉｎ 暴雨强度为０．０６１２ Ｌ／ｓ·ｍ２设计，有组织的将屋 面雨水汇集后排除。由于存在多种屋面形式，所以在 Ｎ１ 地块中设计了 ９个系统，共计 ４３个不锈钢压力雨水 斗，在 Ｎ２ 地块中设计了９ 个系统，共计 ４９个不锈钢压 力雨水斗，雨水管为 Ｈ Ｄ Ｐ Ｅ（高密度聚乙烯）管。 天沟是设置在屋面的排水沟。天沟的设置在雨水 排水系统中是一个重要的环节，直接影响到是否能迅 速将屋面雨水收集后由雨水斗排除雨水。实际运用 中，根据屋面的不同形式结合结构变形缝的设置，将 天沟设置在屋面的特定位置（图 ３￣５）。
也能灵活运用于木结构建筑中，创造更富创意、丰富 诺威世界博览会中心广场采用悬挑结构（图６），结构主
多样的空间形态。
体为 ２５ 座高２０ ｍ 的基柱，以及 ２０ ｍ × ２０ ｍ 的悬挑薄
网架结构是由杆件以一定规律组成的网状结构。 结构布置灵活，外观轻巧。在平面或节点外力作用下， 杆件主要受力形态为轴向拉压，充分发挥材料的自身 特性。同时杆件通过节点连接形成整体效应，具有面 外刚度，整体受弯，是大跨建筑的理想选择。如：日 本濑户大桥博览会建筑的开敞式穹顶结构（图７），采 用了非对称平面网架形式，是一个直径为４９ ｍ的不完 整圆形穹顶，形成带有曲线视觉感受的放射性图案。从 造型上看大断面木材的体量与特殊的图案效果相结合， 形成一种具有重量感又不失温和形象的结构造型。
图１ 大跨度木结构建筑
timber structural architecture and
然而，木结构建筑所不能代替的独特美学特性、自然
the trend under modern technical 质感和优良亲切的手感等，却是令人怀念和企望的。近
s up p or t . A ft e r a na ly z ing t he 几十年来，建筑师、工程师以及材料师默默努力制造出
３．２ 桁架结构
桁架结构是由杆件组成的一种格构式结构体系。 在外力作用下，桁架的杆件内力是轴向力（拉力或 压力），分布均匀，受力合理。如日本大馆树海体育 馆（图 ３），采用三维桁架结构，形成大跨度的曲面空 间，柔和的光线与木材质结合，有别于常见的钢结构 体育馆，形成一种温和的建筑形象。
木结构建筑具有自身的结构形式美感，同时在新 ３．３ 拱结构
现代技术下的木结构建筑
Wooden Structures under Modern Technology
郭 白 莉 刘 兴
Guo Baili Liu Xing
中图分类号 ＴＵ３６６．２
文献标识码 Ａ
文章编号 １００３－７３９Ｘ（２００６）０７－００７５－０３
技术的支持下，建筑师凭借个人的感性赋予建筑以现
拱结构是建筑形态与结构受力相融合的一种结
代的结构形象，使其在传统环境下更易于融合协调， 构形态。拱呈曲面形状，在外力的作用下，拱内弯
表现了对周围环境与传统文化独特的“亲和力”。如图 矩降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，应力
２ 所示，日本“花美人的故乡”是建于日本冈山县一 分布均匀，能充分利用材料强度。拱结构逐渐成为
关
article supplies the future of the 保等性能再次唤醒人们的重视。木结构建筑将迎来它的
专
timber structural architecture.
又一个新的春天。
项
Key Words Timber structure,
Laminated wood, Environmental ２ 朴素的木结构建筑的美感
３ 木结构建筑的结构形式
的抗拉强度。目前，悬索结构的木建筑多用于木桥中。 例如：瑞士西部到法国边界的地区，为保护高速公路
在当今技术的进步和支持下，木结构建筑在大跨 度、大体量方面都有很大突破。不仅广泛应用于住宅 中，还大量用于体育建筑、博览建筑等公共建筑中，随 之产生了许多继承和异于传统的结构形式，如框架、
郑州大学建筑学院 硕士研究生 副教授
邮 编 收稿日期
４５０００２ ２００６ ０１ ２５
图２ 日本冈山 县“花美人 的故乡”
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图４ 建筑师卡拉特拉瓦设计的具有重复韵律的拱结构
图８ 日本奈良丝绸之路博览会主展馆
图５ 瑞士悬索木桥
摘 要 该文通过一些重要案例，介绍了 １ 古老而年轻的木结构建筑
木结构建筑在现代技术支持下的不同以 往的表现形式和发展趋势。分析木结构 建筑特点之后， 阐述了现代木结构建筑 的结构形式和节点构造，最后提出了木 结构建筑的发展前景。 关 键 词 木结构 集成材 环保建筑 节 点 大跨结构
Abstract Through some important 再加上人口激增、木资源日渐匮乏，以及木结构材料与
c a s e , t he p a p e r int r o d uc e s 技术难以满足现代建筑的要求等原因，木结构渐渐退出
expre ssing form of the m odern 了建筑的中心舞台。
技
architecture, Joint, Large span structure
木材（ｓｏｌｉｄ ｗｏｏｄ）被称为会呼吸的材料，具有轻质、 较高抗压强度、易加工、环保等特性。同时具有储存二
Βιβλιοθήκη Baidu
巧 ·
氧化碳的功能和调节室内湿度的特性，此为其他建筑材
图３ 日本大馆树海体育馆
作者单位 第一作者 第二作者
木结构建筑节点按其位置又有：屋盖节点、屋身 支撑结构节点和基础节点之分。
木结构的屋盖一般由木基结构板材（结构胶合板和 定向刨花板）和屋盖支撑结构组成。屋身支撑结构节点 主要为竖向受力构件间的连接。屋盖和屋身部位构件间 的节点通常可用榫卯、钉或金属扣件进行连接。如图１１ 为法国里昂建筑学院的一间设计教室。（下转第 ８８ 面）
characteristics of the modern wood 性能更好的木质复合材料，并在木结构技术上也取得了
·
arc hitect ure, t he pa per shows 较多的突破，再加上目前全球环保意识增强，可持续发
有
structural form and joint. Finally the 展以及建立和谐社会的大众共识，木材那突出的自然环
４ 节点设计
节点是结构得以连贯的依据，造型得以塑造的基 础。节点设计在木建筑中更为重要，木结构建筑结构 系统的突破都与节点做法密不可分，同时木结构的节 点也更耐人寻味。节点按其材料和构造做法分为：榫 卯节点、金属节点和胶合节点。
榫卯连接是一种传统的节点处理方式，也是优秀 的结构手法。它巧妙地将各个方向的构件穿插起来， 保证了外观造型的完整性，接合部有一定的强度和变 形能力，但刚度较低。在现代木结构建筑中使用最为 普及的是金属节点，通常在节点处利用钢板或其他钢 构件与木材固定（图 ９）。它一方面造就了强度高的节 点；另一方面也丰富了木结构建筑的结构形态。常见 的球形节点以及形状自由的铸铁节点在有效传力的同 时，也利用雕塑式的造型设计将力的流动视觉化、艺 术化（图 １０）。胶合节点是利用高强度且防水性能良 好的胶合物进行节点连接。胶合节点虽可提供比其他 节点更高的强度，但无法容许节点在外力作用过程中 产生足够的位移。因此，胶合节点很少单独使用，需 与其他类型的节点配合运用。
结 语
压力流排水系统应用在大型屋面（指 ５ ０００ ｍ２以
上的屋面）或造型复杂的屋面比重力流排水系统具有 许多优越性，能够更好地满足建筑要求，更快捷地排 除屋面雨水，并能兼顾室内和室外的建筑空间效果。
两旁的林区而修建的人行天桥（图 ５）。天桥采用悬索 结构，材料选用圆木，并通过人工裂缝释放木材的干 缩能量，避免了难以控制的自然裂缝。桥面为倾斜状， 既配合地貌，也利于排除冬季融化的雪。
桁架、拱、悬索、网架、薄壳等结构。这些结构从广 ３．５ 悬挑结构 义上看都是空间结构，都需要在三维层次上满足存在
个著名的温泉地区，周围以小型木建筑为主，建筑师采 建筑美学的一种重要表现。如为建筑师卡拉特拉瓦
用了木结构以求得与周围环境的融合，建筑中大量使 （Ｃａｌａｔｒａｖａ ）设计的一拱结构建筑（图４）。建筑物的
用弯曲集成板材作为结构材料来表现花的主题。
空间尺度为１５．６５ ｍ×２０．０４ ｍ，由五个三铰拱组成，
３．７ 薄壳结构
薄壳结构通常包括球壳、筒壳、扁壳、扭壳等多 种形式，它们的共同特点在于呈空间受力状态，发挥 结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳 体面内的薄膜力，再传递给支座，承受较小的弯矩和 扭矩。
图８是１９８８年建于奈良的丝绸之路博览会主展馆， 采用了木造井字梁自由壳体结构。主馆为２ １００ ｍ２的 无柱空间，整个结构从平面到空间都是一种完全自由 的形态，自由的平面设计使得散布在会场中的树木得 以最大限度的保存。展馆的屋顶和墙体成为一体，为 一平缓的自由曲面，外面覆盖白色的纤维膜。建筑展 现出一种特殊的空间结构和一种新的设计概念。
的可能性；但从狭义上，我们可把结构形式分为平面
悬挑结构是将梁板、桁架等构件以支座处向外做远
结构形式（如：框架、平面桁架、拱、悬索、悬挑等） 距离延伸，构成一种无视线阻隔的空间。悬挑结构产生
和空间结构形式（如：网架、薄壳等）。以往广泛用于 倾覆力矩，这在一定程度上限制了悬挑跨度。悬挑结构
钢结构建筑和钢筋混凝土结构建筑中的结构形式如今 空间组合灵活，建筑造型轻盈活泼。如：２０００ 年德国汉
图１１ 法国里昂建筑学院教室室内柱支撑节 点构造
图１２ 木柱与混凝土基础的节点构造
料所难及之处。 木结构建筑除具有抗震性能好、设计布置灵活、环
保节能的特点外，其自身的美感也是丰富而独特的。
２．１ 结构美
木材在建筑工程中的运用最初多是直接表达结构 和构造上的要求，从中可以直接看出建构的逻辑性。 如今表达结构的逻辑性、创造性和追求细节的完美表 达已成为一种新的审美观。对材料的使用已不仅仅是 为了满足其所营造的空间，更将建筑物的本身作为表 现的主体。现代木结构建筑融入了更多建筑师的理 性，将结构作为建筑形式美的表现元素，加入到木结 构建筑的设计中创造了大量展示木建筑造型美感的设 计作品（图 １）。
２．３ 良好的视觉和触觉感
构成极具趣味性的棕榈叶形结构形态，同时又给予 人们愉悦的气氛。
木材的颜色给人以温暖感。木材表面属纤维切断 后表现出的细胞凹槽，反射的光泽有着丝绸表面的视 ３．４ 悬索结构
觉效果。纹理和节子是天然形成的图案，给人以亲切 流畅、井然轻松自如的感觉。
悬索结构主要是以索来跨越大空间的结构体系， 只承受轴向拉力，既无弯矩也无剪力，充分发挥材料
２．２ 亲和力
３．１ 框架结构
框架结构中梁为受弯构件，主要承受竖向荷载， 并将竖向荷载通过节点传递给柱，柱承受压力。框架 结构传力方式简洁明了，同时在视觉上给人以稳定的 感觉，空间宽敞、开窗通亮，增强空间的穿透性。现 代的轻质木框架结构广泛应用于住宅建筑中，在美国 ２０００ 年新建住宅中，采用轻质木框架结构占 ８７％。
图６ 德国汉诺威世界博览会中心广场
图７ 日本濑户大桥博览会建筑的开敞式穹顶 76 华 中 建 筑 第 ２４ 卷 07/2006
图９ 金属节点
图１０ 日本美秀美术馆铸钢节点
壳。悬挑薄壳上方覆以透光的薄膜，让阴影下的空间 除了能有效的阻绝紫外线外，也能充分提供充足的自 然采光。
３．６ 网架结构