1、75第 24 卷 07/2006华中 建筑1 古老而年轻的木结构建筑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，再加上人口激增、 木资源日渐匮乏， 以及木结构材料与技术难以满足现代建筑的要求等原因， 木结构渐渐退出了建筑的中心舞台。然而， 木结构建筑所不能代替的独特美学特性、 自然质感和优
2、良亲切的手感等， 却是令人怀念和企望的。 近几十年来， 建筑师、 工程师以及材料师默默努力制造出性能更好的木质复合材料， 并在木结构技术上也取得了较多的突破， 再加上目前全球环保意识增强， 可持续发展以及建立和谐社会的大众共识， 木材那突出的自然环保等性能再次唤醒人们的重视。 木结构建筑将迎来它的又一个新的春天。2 朴素的木结构建筑的美感木材 （ 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。 同时具有储存二氧化碳的功能和调节室内湿度的特性， 此为其他建筑材现代技术下的木结构建筑Wooden Structures under Modern Te
3、chnology郭 白 莉刘 兴Guo BailiLiu Xing中图分类号 TU366.2 文献标识码 A 文章编号 1003-739X （ 2006 ） 07-0075-03摘 要 该文通过一些重要案例 , 介绍了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 importantcase, t he paper int roducesexpressing form of the mod
4、erntimber structural architecture andthe trend under modern technicalsupport. After analyzing thecharacteristics of the modern woodarchitecture, the paper showsstructural form and joint. Finally thearticle supplies the future of thetimber structural architecture.Key Words Timber structure,Laminated
5、wood, Environmentalarchitecture, Joint, Large spanstructure作者单位第一作者第二作者邮 编收稿日期郑州大学建筑学院硕士研究生副教授4500022006 01 25图 1 大跨度木结构建筑图 2 日本冈山县 “花美人的故乡”图 3 日本大馆树海体育馆有关专项技巧76 第 24 卷 07/2006华中 建筑图 4 建筑师卡拉特拉瓦设计的具有重复韵律的拱结构图 5 瑞士悬索木桥图 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图 8 日本奈良丝绸之路博览会主展馆图 9 金属节点 图 10 日本美秀美术馆铸钢节点77
6、第 24 卷 07/2006华中 建筑料所难及之处。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 ）。2.2 亲和力木结构建筑具有自身的结构形
7、式美感， 同时在新技术的支持下， 建筑师凭借个人的感性赋予建筑以现代的结构形象， 使其在传统环境下更易于融合协调，表现了对周围环境与传统文化独特的 “亲和力”。 如图2 所示， 日本 “花美人的故乡” 是建于日本冈山县一个著名的温泉地区 , 周围以小型木建筑为主 , 建筑师采用了木结构以求得与周围环境的融合， 建筑中大量使用弯曲集成板材作为结构材料来表现花的主题。2.3 良好的视觉和触觉感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。3 木结构建筑的结构形式在当今技术的进
8、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、桁架、 拱、 悬索、 网架、 薄壳等结构。 这些结构从广义上看都是空间结构， 都需要在三维层次上满足存在的可能性 ； 但从狭义上， 我们可把结构形式分为平面结构形式 （如 ： 框架、 平面桁架、 拱、 悬索、 悬挑等）和空间结构形式 （如 ： 网架、 薄壳等）。 以往广泛用于钢结构建筑和钢筋混凝土结构建筑中的结构形式如今也能灵活运用于木结构建筑中， 创造更富创意、 丰富多样的空间形态。3.1 框架结构框架结构中梁为
9、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% 。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。3.3 拱结
10、构拱结构是建筑形态与结构受力相融合的一种结构形态。 拱呈曲面形状， 在外力的作用下， 拱内弯矩降低到最小限度， 主要内力变为轴向压力， 应力分布均匀， 能充分利用材料强度。 拱结构逐渐成为建筑美学的一种重要表现。 如为建筑师卡拉特拉瓦（ Calatrava ） 设计的一拱结构建筑 （图 4 ）。 建筑物的空间尺度为 15.65 m 20.04 m ， 由五个三铰拱组成，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。3.4 悬索结构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， 充分发挥材料的抗拉强度。 目前， 悬索结构的木建筑多用于木桥中。例如
11、： 瑞士西部到法国边界的地区， 为保护高速公路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。3.5 悬挑结构悬挑结构是将梁板、 桁架等构件以支座处向外做远距离延伸， 构成一种无视线阻隔的空间。 悬挑结构产生倾覆力矩， 这在一定程度上限制了悬挑跨度。 悬挑结构空间组合灵活， 建筑造型轻盈活泼。 如 ： 2000 年德国汉诺威世界博览会中心广场采用悬挑结构 （图 6 ）， 结构主体为 25 座高 20 m 的基柱， 以及 20 m 20 m 的悬挑薄
12、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
13、又不失温和形象的结构造型。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 m 2 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。
14、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
15、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。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
16、筑学院的一间设计教室。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（下转第 88 面）88 第 24 卷 07/2006华中 建筑h 2 位置 2 的几何高度 （ m ） h F 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 m 2 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 HDP
17、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 35 ）。结 语压力流排水系统应用在大型屋面 （指 5 000 m 2 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。压力流排水系统不是采用了压力流雨水斗便可实现压力流雨水系统， 它是一个完整的系统， 以高差即位能作为动力， 每一个组成部分都必须合理布
18、置和精心设计计算， 才能迅速地形成单相满管流， 以排除屋面雨水， 由于负压抽吸和被压缩的空气泡体积和压力的变化， 水流动时管道会有振动， 因而压力流对管材承压要求高。 管道必须保证完全的密封性和完备的防火措施， 并做到尽可能降低噪声， 吸收震动和抗击冲击力。 最大程度满足温度变化引起的形变。 一旦出现空气渗漏， 可能引起整个系统的崩溃。 此外， 溢流口的设置也非常重要。（虹吸） 流排水系统经历了 30 多年的发展， 其技术已相当成熟， 在世界上已广泛使用， 近年来在国内也逐步推广使用， 在上海南站、 浦东国际机场和中央电视台演播大厅等项目上都使用了虹吸雨排水系统，并取得了很好的效果 （图 67
19、 ）。综上所述， 虹吸雨水排水系统有着广阔的发展前景和空间， 通过结合其他的新技术和新材料， 为设计师有效解决大型公共建筑的屋面和地面排水提供了一种新的思路。 参考文献1 泰宁科创科技有限公司提供的相关技术数据和资料 .2 陈耀宗 . 建筑给水排水设计手册 . 北京 ： 中国建筑工业出版社， 1992.12.图 6 浦东机场航站楼屋面 图 7 上海铁路南站站屋屋面教室内无承重墙体， 仅以工业板材框架组成教室的空间， 框架中每一端点都是由铰接的金属节点构成， 乳白色 的板材和金属节点的细部设计充分展示了现代感。木结构建筑通常采用混凝土基础。 因木材本身具有易腐蚀的弱点， 所以基础与其上的木构件连
20、接处的节点设计成为关键。 当木构件直接置于混凝土基础上时， 需对木构件进行防腐处理。 未经防腐处理的木材，须采用防潮层将木材与混凝土分开， 同时构件端部预留槽内留出空隙， 防止木构件和混凝土接触， 并保持空气的流动， 空隙内不填充保温或防潮材料。 在木柱承重的房屋中， 木柱的柱脚应采用螺栓及预埋扁钢锚固在基础上 （图 12 ）。5 木结构建筑的前景当今木结构建筑发达的国家利用自然木材进行加工， 剔出板材中木结、 裂纹等影响材料强度的部分， 在充分干燥后通过粘结、 加压等方式将小尺寸板材进行组合加工， 形成尺寸和形状相对自由的结构用材， 称为 “集成材”。 集成材技术的发展使自然木材在作为结构用
21、材时存在的问题得到一定程度的解决， 从而使木结构建筑在世界许多国家得以普遍应用。 在北美， 木结构住宅处于市场的主导地位 ； 在加拿大， 木材工业是国家的支柱产业之一， 木结构住宅的工业化、 标准化和配套安装技术非常成熟 ； 在日本大量使用集成板材， 新建的住宅多半以上是木结构。 除大量的住宅建筑外， 由于集成材技术的支持， 木结构建筑还广泛用于厂房、 宾馆、 体育馆等大跨度、 大体量的公共建筑中。 如今对生态和可持续发展的要求以及人类回归自然的倾向和木结构建筑优越的环境协调性， 都促使木结构建筑必将迎来广阔的发展前景。 参考文献1 王静 . 日本现代空间与材料表现 . 南京 ： 东南大学出版
22、社， 2005.2 陈启人， 张纹韶 . 认识现代木建筑 . 天津 ： 天津大学出版社， 2005.3 美 麻省理工学院 . 圣地亚哥 卡拉特拉瓦与学生的对话 . 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2003.4 王环宇 . 力与美的建构 . 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2005.5 陈强， 付娜 . 结构的表情 . 建筑师， 2004 （ 6 ）6 张仲强， Kevin C K Cheung. 木结构建筑 . 世界建筑， 2002 （ 9 ）7 刘雁， 张建新 等 . 现代木结构建筑及其在中国的发展前景初探 . 江苏建筑， 2005 （ 3 ）8 木结构设计规范 （ GB50005-2003 ） . 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2003.（上接第 77 面）
