传统做法木结构建筑的设计与应用

传统做法木结构建筑的设计与应用

潘超

（上海中宜汇浦房地产开发有限公司 201700）

摘要：木结构建筑是单纯由木材或主要由木材承受荷载的结构,通过各种金属连接件或榫卯手段进行连接和固定。在中国古典园林中,木结构建筑多见于亭、堂、厅堂、廊、阁、榭和舫等[1]。在现代建筑中,木结构在世界各地被广泛使用,可单家独户,又可以形成多层多户的公寓楼,底层商业建筑和公共建筑,如茶室、棋牌室、餐馆、学校、教堂、商店、办公楼和园林景观等。因此,本文就亲身参与的华泾公园江南汇项目，对传统做法木结构建筑的设计与应用，以及木结构的构件连接方式等内容进行探讨。

关键词：木结构建筑；传统做法；构件连接

1 项目概况

华泾公园江南汇项目项目整体用地性质为公共绿地G1，总用地面积17565.40m2，其中建筑面积1690.1m2，除卫生间、设备用房采用混凝土结构外，其余建筑采用木结构形式。本项目的意义在于传承中式传统营造工艺，弘扬大江南的传统文化，丰富市民的游园体验和文化生活。并且，还能展现江南特色、传统特征的江南园林、同时满足关于传统建筑文化的展示功能以及公园的附属接待功能。根据交通和游览需求，公园被划分为东园、中园、西园三个区域进行分区布局，本人负责其中东园部分的结构设计工作。

图1 华泾公园方案效果图

2 木材建筑的主要特色

在中国的传统建筑体系中，其中最具有其特色的就是木结构建筑。从普通的民居场所到帝王的宫殿，从亭台以及楼阁到朝堂 的庙宇，在地域的跨度上面以及历史的广度上面，木结构建筑一直都是占据着中国传统的建筑主要位置。经过千年的传承，木结构建筑的梁柱体制、连接的方式、承托的形式以及装饰的相关构件越加完善，《营造法式》当中对于“材”的标准化释义越加清晰，这些都能看出中国的木结构建筑在一步步的随着时代进行创新以及发展壮大，所产生的影响非常深远，已经遍及到了整个的亚洲地区。

3 木结构建筑的发展历程

中国是最早应用木结构的国家之一, 在唐朝时已形成一套严整的制作方法[2]。近代木结构是在产业革命以后,随着房屋和桥梁的建设而发展起来的。木材作为一种永恒的建材,古老而又现代,木结构建筑应用在园林生态景观中,彰显人文特点[3]。对于中国甚至是世界的历史来说，木建筑是最为悠久的一项传统型建筑，同样也是建筑史上面最为璀璨的一个篇章。对于木材的建筑材料来说，其特性是许多的现代合成建筑材料所无法相比的。作为唯一的一种具有相应的架构特性的木材来说，其是一种可再生的自然资源，与此同时也是在建筑当中唯一一个比较活跃的元素。在现阶段，全世界的木材种有30000种左右，其中可以用于商业开采的大约只有2000种。下面就对于木材在建筑当中的主要特色进行简要的说明。

3.1 机械强度

和现代的建筑材料相比，木材的内部结构是非均质的，在方向性上面有着较强的显性。对于其强度特征来说，有着较为良好的强度与重量的比值，与混凝土相比，其强度重量比是其3倍，对于钢材则是3~4倍。除此之外，因为木材所具有的纤维结构以及其非均质的特色，可以使之在较短的时间内对于强张力的承受能力有着较好的作用，所以，在抗震的环节上面，木建材对于外力的抵抗性的有效性是比较优秀的。

3.2 耐火性

对于木质材料来说，其防火的等级一般都是比较低的，但是在高温以及高热的状态之下，木材的表现是相对稳定的，这样就显得其可测性。一方面来说，高温高热会使得木材种的水分发生流失，这样就会产生相应的收缩，而这个对于木材在火中所遭受的膨胀进行了抵消，另一方面来说，对于木结构建筑来说，其特有的构造形式使得其在火灾中有着相对缓慢的传导性，这样对于结构突发性的崩塌有着一定的抵消作用。

3.3 声学的特性

对于木材来讲，其特有的的纤维性可以对于噪音有着良好的吸收作用。

4 本项目的结构设计方案

江南汇项目木结构建筑木构件采用的木材主要为杉木，其新材料的强度等级取为TC11A。选用旧木材作为承重构件或旧木结构构件，在验算时应视其材质、材种、材性和使用条件、部位、年限等情况综合分析，强度设计值折减系数可取0.6~0.8，弹性模量折减系数Ψ可取0.6~0.9。项目的结构做法主要参考了《营造法原》，结构设计时是整体建模进行设计，分为正常使用时木柱木梁的受力和荷载要求，以及极限状态下木柱木梁的受力和荷载要求，其中抗震设计荷载为极限状态下木柱木梁需满足的受力要求。如木柱送检主要按极限荷载、截面积和稳定系数以规范计算的抗压承载力来加载，梁和木桁条统一采用三分点对称加载，跨中最大弯矩按极限荷载和实际截面计算。抗震要求为结构模型计算的规范要求之一。而地勘及木材送检数据、或木材树种为模型提供计算条件。

表1 方木、原木等木材的强度设计值和弹性模量（N/mm2）

5 木结构建筑应用中的一些问题及解决方法

5.1 老木材裂缝问题

由于建筑物的材料相当一部分采用迁建的老木材已经开裂，需要进行加固，《木结构设计标准》中《承重结构木材材质标准》规定：Ⅱ等材的原木受压构件或次要受弯构件的裂缝深度（有对面裂缝时用两者之和）不得大于直径的一半。Ⅰ等材的方木受弯构件或压弯构件的裂缝深度不得大于材宽的1/4，次要受弯构件裂缝深度亦不得大于材宽的1/3。当木构件的裂缝深度不能满足上述要求时，须进行更换。

5.2 木结构材料如何进行性能检测

木结构材料在使用前需进行木结构材料性能检测，内容包含密度、含水率、弹性模量、强度等；另外还需进项缺陷检测、损伤检测，其修复要求得按古建木结构规范执行。据现场反馈，现场共有三种不同的树种，因此共计9根构件，27个试件。每个试件长度不小于400mm，直径不小于200～300mm。检测要求按《古建筑木结构检测技术标准》TCECS 714-2020第6.1.1条：木构件材料性能检测宜包括木材的密度、含水率、抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度和横纹抗压强度等物理力学性能检测。

6 木结构构件的连接方式

6.1 柱与柱础的连接

柱础又称磉盘，是中国古建筑的构件之一，埋设于台基中磉墩之上，上置柱架。柱与柱础的连接多为浮摆式平面接触[4]，或带有管脚榫(小式木构)插入到柱顶石中“海眼”内，或将柱顶石做成“套顶”形式。柱础式样多种，本项目选用的是其中的鼓凳形式-柱础的上端成鼓形石墩，其弧形的侧面上，有时还浅浅地雕刻有花草纹样，这样的鼓形石墩称之为“鼓蹬”，柱与鼓凳之间通过规格为60x60的管脚榫用于固定柱根，防止水平移动；榫端头收溜(端部略小)。木构古建筑柱平摆浮搁于柱础上，因摩擦滑移而具隔震耗能特性，在一定程度上减弱了地震激励对上部构架体系的破坏程度[5]。

图2 柱础节点详图

6.2 柱础与地面的连接

将鼓蹬下方的芝麻灰花岗岩磉石钻孔穿透,鼓蹬底部钻孔深度100mm,孔口直径32mm。浇筑混凝土时预埋25mm的钢筋,放下磉石后用Ⅲ类灌浆料灌孔,安装鼓蹬时,先在鼓蹬内灌植筋胶,在磉石上抹粘结剂之后,将鼓蹬落于磉石之上。钢筋需预埋,预埋时需与梁柱内箍筋绑牢,防止施工振捣时,钢筋偏位,导致磉石和鼓磴偏位。

6.3 梁柱部分的连接

梁柱连接部位要增加销钉。木结构虽然冗余度还是比较大的，但上下都是铰接，是机构，出问题的概率比较大，销钉达不到刚接的效果，但是销钉的作用是防止构件拔出来。

7 结语

随着我国木结构建筑发展的相关政策不断落实，设计标准规范不断推广，木结构建筑市场将进一步完善，木结构建筑将在建筑行业中占据较大份额。随着人们对景观公园以及旅游休闲的需求的增加，木结构建筑不仅能够更好地融入自然风景中、木材独有的色泽与质感也会给居民和游客带来愉悦感，而且其对周边环境的生态破坏也会降低，因此采用传统做法的木结构建筑在生活中的应用将在我国建筑设计发展中有着不可估量的前景。

参考文献:

[1] 郝春荣.木结构建筑在中国[J].新建筑, 2005,5:4～7.

[2] 潘谷西.中国建筑史[M].中国建筑工业出版社,2003.

[3] 攀承谋.木结构在我国建筑中应用的前景[J].木材工业,2003. 

[4] Jianguo W, Shisheng F. State space solution of non-axisymmetric Biot consolidation problem for multilayered porous media [J]. International Journal of Engineering Science, 2003, 41(15): 1799~1813.

[5] 姚侃, & 赵鸿铁. (2006). 木构古建筑柱与柱础的摩擦滑移隔震机理研究. 工程力学, 23(8).