美国多层木结构房屋的应用与设计

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（四）材料利用率高、投资省
木材加工过程中为了最大限度地利用原木，可用其不同长度、不同断面同时生产很多品种和规格的材料。

如去除边角后可以生产各种尺寸的“规格材”；由于材质的不均匀性，可以按材质好坏分不同等级。

轻型木结构能够用各种不同规格、等级的木材，从而提高材料利用率，减少材料浪费；轻型木结构还能利用“速生材”生产的“定向刨花板”作为其墙板、楼板，从而进一步降低结构造价。

随着木材工业的发展，充分利用木材资源生产出的工程木产品，为木结构的可持续发展奠定了基础。

根据研究，实木产品对于树木的利用率为６０％，而工程木产品可达９５％。

（五）木结构在美国的应用
木材是大自然赐于人类的天然、能耗低并且可再生的建筑材料。

由于木结构具有上述很多优点，加之北美森林资源丰富、林产工业发达，因此美国木结构房屋历史悠久，至今仍为人们住宅首选的主要结构之
一。

１９９７年美国新建单体别墅约１１３万８千栋，其中９０％采用木结构。

另外所建的３３万８千栋多层住宅中，绝大多数也采用木结构。

三、美国房屋木结构常见的结构形式与设计
（一）木结构体系的历史发展
在木结构建筑中，木结构形态的演进与自然资源的多寡、经济因素的考量及人类工艺技术进步等息息相关。

早期在森林资源丰富、人口稀少的北欧，出现过圆木井干式的传统建筑，此种构造方式目前在俄罗斯等国还存在；后来因为森林资源的减少，过渡到木筋墙结构，仍以木材为主要的支撑构架，其间以土石材料填充之，此类建筑形态的演进可以追溯到ｌＯ世纪左右。

在亚洲，木结构在建筑的空间尺度上，或是在节点的复杂性上，木建筑都展现了一种与西方不同的更高难度，更精致的构筑文化。

中国古代木建筑一般先在石头之类的基础上建立柱子，然后在柱子上架梁，再在梁上立数层瓜柱和梁，最上层立脊瓜柱，构成了一组木构架。

这种木结构体系一个最大的特点就是承重和围护结构分工明确，使建筑物上的重量都由柱子承受，而墙壁只起围护和分割的作用。

由此门窗的配置不授限制，具有“墙倒屋不塌”之妙，除此之外，这种结构还有其他优点，如便于适应不同韵气候条件（可随意安排房屋的高度、屋面的材料、窗户的变化）；减少地震危害的可能性（各接点有一定的收缩余地）；材料提供方便。

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图１我国传统木结构构造工业建筑２００６增刊
图２轻型木结构构造
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（二）轻型木结构体系
现代美国木结构住宅中的主要结构形式是“轻型木结构体系”。

轻型木结构体系，是将小截面构件按一定的间距等距离平行排列形成框架，然后在框架外根据受力需要，包上结构面板，形成建筑物的墙体、楼盖和屋盖等基本构件。

整个结构体系就是由这些墙体、楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。

作为一种高次超静定的结构体系，轻型木结构的结构强度通过主要结构构件（框架）和次要结构构件（墙面板、楼面板和屋面板）的共同作用形成。

当这种结构通过合理设计，部分结构体系能够承受和传递跨距较大的荷载时，也能用于其他大型的工业和民用建筑。

这种结构称之为“轻型木结构体系”，并不是说它自重轻、只能承受较小的荷载，而是因为它单个构件的断面较小。

（三）轻型木结构的材料【４］
（１）规格材
轻型木结构的框架，或者说骨架，包括楼盖搁栅，屋盖椽条，天棚搁栅以及墙体中的墙骨柱等，一般采用规格材。

所谓规格材是指按一定尺寸和模数制成的实心锯材。

轻型木结构框架最常用的是截面宽度为３８［ｎｌＴＩ的构件，长度一般为６００ＩｌｌｌＴＩ为进级单位。

（２）胶合木
胶合木是采用防水结构胶将锯材粘接在一起形成的一种工程木产品。

胶合木的截面尺寸包括定尺和非定尺尺寸，定尺的胶合木大部分用于住宅。

非定尺的胶合木主要用于商业和公共建筑中。

图３规格材构成的结构图４胶合木构成的梁柱
（３）结构复合木材
结构复合木材主要指两种产品，即单板层积材（也称旋切板胶合木）和旋切片胶合木。

单板层积材是将木材单板平行放置，热压成型。

而旋切片胶合木则将单板切成条状，然后采用结构胶沿构件长度方向粘接。

结构复合木材用的胶粘剂都是室外用防水胶。

结构复合材被广泛地用在轻型木结构中梁，柱，过梁以及重型木结构的构件中。

结构复合材在加工过程中，对原材料的缺陷进行了分离，提高了结构强度。

有数据显示，结构复合材的抗弯强度是标准强度等级的规格材的三倍，刚度提高高３０％。

（４）工字木搁栅
工字木搁栅是一种可以有效代替实木规格材搁栅的工程木产品。

工字木搁栅一般采用规格材或单板层积材作翼缘，结构胶合板或定向刨花板作腹板。

因为工字木搁栅采用了高强度的工程木材，所以与传统的
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实木规格材搁栅相比，它的应用跨度可以更大。

图５工字木搁栅
（５）轻型木桁架
轻型木桁架可用于轻型木结构的屋盖和楼盖，代替屋盖椽条和楼盖搁栅。

屋盖桁架根据屋面形状的不同，有不同的坡度。

而楼盖桁架为上下弦杆平行的桁架。

生产时，桁架的杆件一般采用截面宽度为３８ｍｍ的机械分等规格材。

杆件在节点处，采用金属镀锌齿板从桁架两侧压入，将所有杆件连接在一起。

（６）木基结构板材
木基结构板材包括结构胶合板和定向刨花板。

木基结构板材在轻型木结构中用作楼盖，屋盖和墙体的面板。

作为结构构件，面板除了承载竖向重力荷载外，更主要起到传递和承载由风和地震荷载引起的侧向荷载。

所以称作结构板材，以示与不承重的非结构板材的区别。

（四）轻型木结构的结构形式
目前，欧美采用比较普遍的轻型木结构形式主要为两种：全高框架和平台框架。

全高框架与平台框架的不同在于：用于外墙和某些内墙的墙骨是连续的，它们经过楼板一直支撑到屋顶框架的顶板处。

由于楼板搁栅和墙骨间的连接不适于预制，也不容易在工地安装，因此这种构造方法目前很少使用。

ａ．全高框架ｂ．平台框架
图６全高框架与平台框架
“平台式框架”轻型木结构是一种将小尺寸规格材以较小的中心间距（一般为４１０ｍｍ～６１０ｍｍ）密置而成的一种结构形式。

这些密置的骨架构件既是结构的主要受力体系，又是内、外墙面和楼屋面面层的支撑构架，此外还为安装保温隔热层、穿越各种管线提供了空间。

平台框架的主要优势在于独立于墙体而组装的楼板系统提供了一个平台或工作表面，人们可在其上组装及建造隔墙。

由于墙骨只有一层楼高，所以墙体可以很容易地在其它地方预制，或在楼面底板上装配。

墙体可一次一层楼地架设而无需使用笨重的提升设备。

作为墙体框架组成部分的底板和顶板在楼板及天花
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板处起到挡火条的作用，并且为墙覆面板和内部装修提供受钉支撑。

平台框架结构的主要组成部分为屋面结构、墙体结构和楼面结构。

（１）屋面结构
现在在美国，轻型木结构的屋面体系一般有两种，即传统的搁栅．椽条体系以及轻型桁架，而后者的应用现在越来越广泛。

对于搁栅．椽条体系，椽条一般一端支承在墙体的顶梁板上而另一端支承在屋脊板上。

为了减少椽条对墙体的推力，椽条之间在底部支座处用天棚搁橱连接。

而天棚搁栅同时与墙体的顶梁板连接。

屋面板常用材料为多层夹板或定向刨花板；屋脊板、椽条、．天棚搁橱一般为规格材。

屋架常由规格材工厂预制，现场就位、安装。

屋面结构主要支撑在承重墙体结构上。

图７搁栅一椽条体系屋面
（２）墙体结构
除了山墙，轻型木结构的外墙一般都是承重墙，承载楼盖和屋盖传来的荷载。

墙体的框架构件主要包括竖向的墙骨柱和其它水平向构件（包括顶梁板、底梁板以及门窗洞上的过梁等）。

墙体结构由顶梁板、底梁板、墙骨柱用钉连成一个整体框架，框架两侧钉墙面板。

墙面板为多层夹板、定向刨花板或石膏板；顶梁板、底梁板和墙骨柱一般都是规格材。

墙体有承重墙和非承重墙之分，承重墙中规格材的断面大些、墙骨柱的中心间距小些。

承重墙的顶梁板一般为双层；当项梁板上受到较大集中荷载时，该处墙体需加强，如用几根规格材并在一起形成一根“组合柱”，来传递顶梁板上方的集中荷载。

墙体直接支撑在楼面结构上时，上层承重墙必须保证荷载能够可靠传递到下层承重墙体或楼面梁上，并最后传递到基础上；非承重墙可搁置在楼面搁栅或楼面支撑上。

外墙面板材料一般采用木基结构板材。

和楼盖用作剪力横撑的道理一样，作为一种箱形结构，轻型木结构的墙体承担风力和地震力引起的剪力，并将这种剪力传至基础。

在轻型木结构中，并不是要求所有的墙体都起到传递蓟力的功能，对于具有传递剪力功能的墙体，我们称作加撑墙或剪力墙。

为了保证这些墙体本身的刚度用以传递剪力，墙体内部必须有支承。

而最常用和简单的支承办法就是利用墙面板，包括木基结构板材和石膏墙板。

（３）楼面结构
楼面板除了承担楼面竖向荷载外，还起到了横向支撑的作用，传递风荷载和地震荷载引起的剪力。

所以也称作剪力横撑。

楼面板为施工提供了工作平台，也是楼面其他装修材料的基层。

楼面主要由楼面搁栅和楼面板组成。

楼面搁栅为规格材或木“工字形”梁，当采用木“工字形”梁时，楼面承载能力较大、刚度较好；楼面板一般为多层夹板或定向刨花板，在施工时，根据不同位置的受潮湿程度的难易性，决定所用板材的暴露等级。

例如靠近水管部位的楼板等等。

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图８楼面结构
（五）轻型木结构的设计
木结构的安全性建立在用正确方法建造上。

在日本阪神地震中，现代木结构房屋基本完好无损，但是周围其他用更坚固材料建造的楼房都倒塌了。

作为北美小型住宅建筑的主要形式，“轻型木结构”具有较为成熟的设计方法。

在竖向荷载作用下，各构件按其所承受的荷载进行计算设计。

在水平荷载作用下，如果荷载、建筑规模满足规范限定的要求，水平荷载抵抗体系完全可按规范构造要求确定构件规格、间距和连接等，而不需另行进行分析计算，这叫“构造设计法”；但当荷载、规模超过规范限定时，整个水平荷载抵抗体系必须按计算确定，此谓“工程计算设计”。

工程计算设计时同其他结构设计一样，分承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计两部分。

而木结构计算的复杂之处在于这种材料性能的离散性较大，同时影响剪力墙刚度或承载能力的因素很多，如墙体框架木材的树种、等级和断面，框架两侧面板种类、厚度和铺设方向，面板与框架连接的方式等等。

所以，实际剪力墙在横向荷载作用下的承载能力为与上述诸多因素相关的一个函数式，这些因素在函数式中用参数体现，参数的取值基于大量试验确定。

四、结论
由于木材作为建材的本身的优点，加上轻型木结构是由构件断面较小的规格材、均匀密布连接组成的一种结构形式，具有经济、安全、结构布置灵活的特点，所以在北美大量用于住宅建筑中。

尽管这种结构尚不完美，但只要采取适当措施，也能保证其安全性能。

随着东西方文化、经济的交流，越来越多的人将会认识到这种结构型式的优越之处；对森林资源的有序开发、林产工业的持续发展等都会为我国轻型木结构住宅的发展提供可能。

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工业建筑２００６增刊１６３９
美国多层木结构房屋的应用与设计
作者：邢继胜， 王元清， 石永久， 陈宏
作者单位：邢继胜,王元清,石永久(清华大学土木工程系,北京,100084)， 陈宏(清华大学建筑设计研究院,北京,100084)
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