轻型木结构房屋的材料及其性能

梁恩虎

1 概述

纵观建筑历史,木结构因其结构性能及美学价值,留下了许多不朽之作,我国古代建筑更以木结构为主体,形成了风格独特的建筑体系。近年,我国由于森林管理不善,滥砍滥伐,以致材源枯竭被限制使用,几乎不再建造木结构房屋,从而在这方面是个盲点。中国的木结构停顿了20年,而这正是国际上木结构发展最快的时期,从实木、原木结构到胶合木结构,再到复合木结构,直至更新型的木质材料,木结构已不是大家传统概念上的木结构,在建筑上已经达到可以替代钢材的程度。在欧美发达国家,已经实现了森林资源利用的良性循环,实现了科学采伐。

2 材料特性

轻型木结构的主要组成部分是规格锯材。它构成了封闭及分割房屋空间的结构外壳,同时也为装修材料提供了内衬。除锯材以外,其他木制品也经常用于建造结构外壳,以及内部和外部的装修。所有这些产品都有其特定的用途,并且是按特定的标准生产。框架通常用的是规格锯材,此外还有支承板、木板及装饰锯材等木材分类,分述如下。

2.1 规格材

规格材是按轻型木结构设计的要求,木材截面的宽度和高度按规定尺寸加工的规格化锯材,轻型木结构用规格材的材质等级分为七级(见表1)。

当采用进口规格材时,进口规格材应有中文标识,认证等级应附有说明,并应符合我国商检规定,进口的热带木材,还应附有无活虫虫孔的证书,并按国别、等级、规格分批堆放,不得混淆,储存期间应防止木材霉变、腐朽。

表1 材质等级

2.2 工程木制品

除了规格材以外,各种工程木制品也被用于木结构房屋建筑中。这些产品的性能一般等同于或优于规格材,而且生产中所用的木材(来自生长迅速的小径级木材)较少。工程木制品有多种,它包括工字形木格栅和结构复合材等产品。

工字形木格栅是用结构复合材作翼缘,木基结构板作腹板,用耐水胶将翼缘和腹板粘合生产出的具有已知工程特性的、尺寸稳定的轻型产品。此产品的刚度和强度都比较均匀,且重量轻,这些特征使它广泛地应用在住宅和商业建筑的大跨度的格栅和椽木中。

结构复合材可用于轻型木结构的楼盖主梁、屋脊梁,包括旋切板胶合木和旋切片胶合木。旋切板胶合木(LVL)是将旋切的厚单板(厚度2.5 mm～6.4 mm)顺木纹层叠胶合热压而成。旋切片胶合木是由旋切木片(厚度2.5 mm～6.4 mm,长度至少为厚度的150倍)顺木纹胶合热压而成,它包括两种性能类同的产品:平行木片胶合木(PSL)和层叠木片胶合木(LSL)。

由于跨度大且房屋服务性强,工程木制品为设计带来了巨大的灵活性。此外,当用于屋顶结构时,这些产品能容纳更高的保温程度。

2.3 木基结构板

木基结构板是以木材为原料(旋切材、木片、木屑等)通过胶合压制成的承重板材,包括结构胶合板和定向木片板。

结构胶合板是按相邻层纤维方向互相垂直组坯胶合而成的板材,组成胶合板的单板通常为奇数层。胶合板按加工后胶合板上可见的材质缺陷和加工缺陷分成四个等级:特等、一等、二等、三等。结构胶合板厚度小,但强度、硬度较高,耐冲击性、耐久性较好,垂直于板面的握钉力较高,便于各种加工,因此用途广泛。

定向木片板(OSB)是将长度不小于30 mm的薄木片施胶分层定向铺装加压制成的木片板,定向木片板中的木片以机械方式定向,外层薄木片的定向与板的长度方向平行、内层薄木片则随机铺设或相互交叉。定向木片板主要用于屋顶或墙覆面、楼面底板、护墙板以及木制工字格栅腹板。

用作屋面板、楼面板和墙面板的木基结构板材应满足GB 50206-2002木结构工程施工质量验收规范以及相关产品标准的规定,进口木基结构板材上应有经过认可的认证标识、板材厚度以及板材的使用条件等说明。

3 轻型木结构住宅的性能

3.1 抗震性能

作为一种结构材料,木材在地震性能表现上明显优于其他材料,木材质硬且最轻,因而地面加速度在木建筑物上所产生的能量没有其他建筑物大。木框架系统的另外一个额外优势是其柔韧性优于其他材料,可以吸收并消散能量。

轻型木结构开始于100多年前的北美。长期以来,无论在建筑物性能表现上还是在装配它的行业技艺上,其业绩已得到公认。北美各地的许多20世纪初建造的木结构便是这种系统可靠性的有力证明。这种北美系统在其他地区也证明有同样好的表现。毁坏性最大的近代地震之一是1995年的日本神户地震。这场里氏6.8级,财产损失超过1 000亿美元的地震对所有受到严重的横向和竖向地震力的建筑物来说都是一次残酷的考验。在这场地震中,以传统日本式梁柱风格建造的较旧房屋都被摧毁。以北美抗震标准建造的新房屋则几乎未受影响。

调查报告表明在地震中倒塌的北美式木建筑非常少。观察到的为数不多的几处倒塌一般是由于多层建筑中一楼脆弱所致。许多现代房屋在其一层外墙上有很大的洞口(如大窗户、露台门、车库门),无论是什么样的建筑,洞口都会削弱这些墙的强度。

抗震设计时应注意以下几个方面:1)解决一层脆弱问题。2)在稳定的地基上建造牢固的基础。3)墙体与基础需紧密结合。4)其他木部件与墙骨间需恰当钉合。

3.2 防火性能

建筑物防火规范规定了不同类型的建筑物可以使用不同的防火安全材料。一种材料可能有防火性,但在火灾中却仍可能有很大问题。

在防火方面,生活在木结构房屋中与生活在其他材料建造的房屋中是一样安全的。通过利用建筑物特点分离建筑物部件,可以使火和烟雾隔间化。依据建筑物的用途,规范已明确了墙体、地板和天花板能抵抗火灾的时间长短。挡火板是为封锁这些孔隙作为输送路线而设置的建筑材料,火与烟雾也可以穿过向整个建筑物提供空气的管道设施,建筑物内的火警被触发,防火挡板就会在管道中各就其位,阻挡火与烟雾的蔓延。

轻型木结构建筑的防火设计,应遵照GB 50016建筑设计防火规范和GB 50005-2003木结构设计规范中相关章节的规定执行。轻型木结构房屋剖面如图1所示。

3.3 防潮性能

人们通常认为水是木材的敌人,其实不然。在多雨或潮湿地方的木造建筑物可以有极好的性能表现。关键在于在设计和建造以木材为基础的建筑产品时需懂得如何处理水分。

事实上,与其他常用建筑材料相比,如熟石膏板、干墙、非木质地板覆盖材料、吸声天花板、瓷砖及室内陈设,木材更不容易偶尔浸湿而受到永久损坏。一般来说,一栋建筑物中唯一需要完全防潮的部分是建筑物外壳,特别是屋顶薄膜——它应尽可能排水,但在蓄水时需保持防水性能。如果建筑物面层可以很好地排水,那么建筑物中的其他建筑部件则不一定需要防水。在建筑物外壳完好无损的建筑物中,木材可能遇到唯一一种潮湿是水蒸气。这种无色无味的气体总是少量地存在于空气之中,对木材来说这并不是问题。只是当木材接触到液体水时,危险才会出现。但即使在这种情况下,木材仍可以吸收大量的水分,而不会达到维持腐蚀菌生存的含水率。

3.4 防蚁性能

白蚁是噬食纤维素的体小色淡的昆虫:它们的食物包括任何由木材、纸张或纤维造成的东西。白蚁在百万年前就存在了,它的历史比人类长,当然也比人类的建筑物长。然而,虽然白蚁在数字上有优势,但人类却有大脑优势。我们不必将白蚁从地球上灭绝;只要采取预防措施,就可以智胜它们。

传统对付白蚁的方法主要是依赖土壤化学品——在建筑物周围的一圈地上撒满对白蚁有长期毒性的物质。但是,随着管理环境的不断改变,“化学隔离”已不再是防白蚁的首选策略。当今,可以结合其他方法对建筑物进行防白蚁保护工作。物理屏障已取代过去的化学屏障。有两种选择:一种是称作 Termi-Mesh(TM)的纤细的不锈钢网眼,另一种是成为屏障砂粒的纤细的像砾石一样的材料。夏威夷和澳大利亚等白蚁活跃地区都在使用这两种技术。屏障砂粒的大小为1.7 mm～2.4 mm,大的使白蚁无法推开而小的又使白蚁无法挤身而过。

[1]CMHC.加拿大木框架房屋建筑[M].北京:加拿大木业协会,1995.

[2]CMHC.房屋建筑术语汇编[G].北京:加拿大木业协会,1997.

[3]GB 50005-2003,木结构设计规范[S].

[4]GB/T 50329-2002,木结构试验方法标准[S].

[5]GBJ 16-87,建筑设计防火规范[S].

[6]GB 50206-2002,木结构工程施工质量验收规范[S].

[7]靳百川,黎 钟.轻型房屋钢结构构造图集[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[8]樊承谋.木结构工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

[9]中国建筑西南建筑设计院.木结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[10]中华人民共和国国家标准,木结构设计规范[S].