加拿大轻型木结构在装配式建筑中的应用.pdf

以加拿大轻型木材结构住宅的建设和发展为例,来阐述轻型木结构在装配式建筑中的应用,以期为我国装配式建筑中轻型木结构的应用提供参考。关键词:轻型木结构;木材;装配式建筑;加拿大中图分类号:TU 366.2 文献标识码:A引言中华民族是一个对木材有很深亲近感的民族,在培育、种植、砍伐和利用各类木材方面有着很长的历史和渊源。纵观国内,仍然保留有众多的木建筑文化遗产,如应县木塔和佛光寺大殿等1-2,无不散发着木建筑和传统建筑艺术的魅力,而其中的斗拱技术更是体现了中华民族的“装配式建筑”智慧3。同时,木材是具有轻质、高强、环保和可再生等特点的天然材料。我国作为世界上最大的碳排放与工业门类最为齐全的国家,正处在城镇化快速发展阶段,面临着经济转型、环境保护和应对气候变化等多重挑战4。2016 年以来,国务院及住建部等部门出台了一系列政策,其中中共中央国务院关于加强城市规划建设管理工作的若干意见中提出,要大力推广装配式建筑5,从而发展现代木结构建筑便是重要组成部分6。现代木结构建筑体系主要分为轻型木结构、胶合木结构、原木结构和木结构组合体系等7。其中轻型木结构(Light-Frame Wood Structures)是广泛应用的一种形式,具有经济、安全和结构布置灵活的特点。因其规格材的特点,轻型木结构具有诸多装配式建筑的优势及特征,应用前景广泛。加拿大的装配式轻型木结构建筑从工业化和生态化角度着手,为转型下的建筑行业发展提供了一个新的思路,下文将对其应用进行深入探讨。1 轻型木结构的结构形式及优点1.1 轻型木结构的结构形式轻型木结构是由规格材、木基结构板材或石膏板制作的木构架墙体、楼板和屋面系统组合构成,均匀密布连接组成单层或多层结构形式,由主要结构构件(结构骨架)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)共同作用、承受各种荷载,最后将荷载传递到基础。在加拿大大量住宅建筑中使用轻型木结构,这种结构通过合理的结构设计和材料优化,可以在工业厂房、体育馆等大型工业和民用建筑中使用。轻型木结构的单个构件断面较小,构件为通过工厂57建材技术与应用 4/2023机械化作业,将原木切割加工组合而形成,具有统一的参数标准,这本质上是一种标准模数化生产形式,如图 1 和图 2 所示。图 1 轻型木结构住宅规格材断面尺寸图 2 原木加工锯材示意图1.1.1 屋屋面面结结构构 轻型木结构体系屋面结构的组成包括屋面面板、横梁、椽架、格栅和拉杆组成,椽架间距一般为410610 mm,最大1 200 mm。在必要的情况下,还有一些其他的支撑构件,如椽连杆等,以保证屋架结构系统的横向稳定。屋面结构主要支撑为承重墙体结构,与现代建筑的框架结构体系一致。房屋面板常用的材料为多层夹板或定向刨花板(OSB),而房脊板、椽和天格栅等则直接采用规格材,专业工厂预制好屋架的每一个构筑物后运送到现场,并完成施工安装。1.1.2 墙墙体体结结构构 轻型木结构体系的墙体结构组成包括顶梁板、底梁板、墙骨柱和侧墙面板。墙体按照承重方式分为承重墙和非承重墙。承重墙的顶梁板通常为双层,当顶梁板上受到较大集中荷载时,该处墙体需加强,如选用较大规格的规格材,或是用几根规格材拼成一根“组合柱”,类似于我国古建筑中的“拼合柱”做法。墙体直接支撑在楼面结构上,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。非承重墙可布置于楼面格栅或楼面支撑上。墙面板常用材料为多层夹板、定向刨花板(OSB)和石膏板,顶梁板、底梁板和墙骨柱则通常直接采用规格材。墙体骨柱的间距一般为 600 mm,墙体骨柱内侧为石膏板,外侧为定向刨花板(OSB)、胶合板、外挂板或其他饰面材料,在墙体各立柱之间填充保温材料,同时墙体需要满足建筑防火要求。各个构件之间通过钉、螺栓、铰链和齿板等形式连接。1.1.3 楼楼面面结结构构 轻型木结构体系的楼面结构组成包括楼面格栅和楼面板。楼面格栅为规格材或木“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;楼面板一般选用多层夹板或定向刨花板(OSB)。1.2 轻型木结构的优点轻型木结构房屋以其诸多优点在加拿大得到了广泛的应用,几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋8。其主要优势表现在:(1)材料为规格材,标准化及利用率高。标准是推动技术进步和产业升级的重要基础,也是创新成果转化为生产力的重要桥梁9。木材加工过程中使用标准化思路,同时原木资源得到最大程度利用。可用其不同长度和不同断面生产多种不同品种和规格的材料。如墙骨柱框架使用的标准尺寸为5.08 cm(2 英寸)宽,深度可为 7.62 cm(3 英寸)、10.16 cm(4 英寸)、15.24 cm(6 英寸)、20.32 cm(8 英寸)、25.40 cm(10 英寸)和 30.48 cm(12 英寸)等,楼面板及胶合板也均采用标准尺寸。(2)施工安装便捷快速。加拿大目前普遍采用的“平台式框架结构”轻型木结构是逐层建造的,已经安装的下层结构提供了一个可直接操作的平台,用于上层结构的建造。单块墙板均为单层高,尺寸不大、质量轻,施工简单。同时由于材料均是工厂标准化生产完成,已考虑施工现场组装的便捷性,因而施工过程中不需用大型机械设备,节约成本,提升效率。(3)设计灵活,便于敷设设备专业管线。墙骨柱、楼梁、椽、木屋架和各种面板等轻型木结构的各种构件均考虑设备管线的铺设问题,同时由于材料装配的灵活性,施工现场可以根据设计或存在问题进行调整,既灵活又方便。工程的施工作业面可以允许多工种和多界面同步开展施工,施工迅速。2 装配式建筑的特点装配式建筑早在 20 世纪 60 年代即有相关的研67Research&Application of Building Materials究成果和实践案例,其将传统建筑生产建造模式改变,将一部分现场作业转移至工厂内完成,并将生产出的构件与配件(如预制楼梯、预制楼板、预制隔墙等)经由现场机械装配,建造出完整的建筑。其主要特点如下:(1)设计过程标准化。装配式建筑的基础是建立一套完整的标准化模型,这需要在设计前期完成标准化动作,以达到下一阶段的构件生产工业化的需求。随着计算机技术和 BIM 建筑信息模型技术的应用,信息化设计在建筑设计阶段得到了广泛应用,这些设计技术的进步对于预制施工的精确性和整体性更有帮助,并且便于后期多专业协同作业。(2)构件生产工业化。装配式建筑的产品内容即为各部品构件,因而构件生产的工业化尤为关键,构件生产的精确度和效率直接影响建筑的完成度和准确度。现阶段通过计算机辅助设计手段,工厂生产时采用传统工业的预制模具等方式,进行批量生产,大大提升构件的质量。随着建筑要求的提升,预制构件可结合业主或项目需求进行定制,如特殊功能的玻璃、具有耐火隔热要求的墙体等,都可以批量化的快速生产。(3)现场施工机械化。构件在工厂生产后,通过运输、吊装、拼接和成型等一系列机械操作,完成原先通过人力完成的建筑施工过程,这种施工机械化模式大大简化了施工过程,施工作业更快速,施工流程更环保,施工结果更精确。(4)过程管理信息化。在传统的建筑施工中,各个环节的配合往往会出现纰漏或信息不对称等问题,造成施工质量差和工期拖延等问题,而基于全过程的计算机辅助设计和信息化管理模式的装配式建筑,让每个环节的技术人员共用一套全数据共享的系统,从而保证装配式建筑的高效、精细和完整。3 加拿大装配式轻型木结构建筑建设从 20 世纪 20 年代加拿大开始推广轻型木结构建筑,在加拿大 95%以上的低层住宅采用轻型木结构,一般中小型公共建筑大多也采用轻型或其他木结构形式。在日本、新西兰和智利等地震多发的国家,其木结构的比例也是相当高的。3.1 装配式轻型木结构的政策支持加拿大的林业资源丰富,政府层面也极力推广轻型木结构住宅,如成立加拿大木业组织、颁布相关规范法规和建立木材施工制度等,政府主导、法规颁布及政策支持促进了加拿大轻型木结构住宅的不断发展。加拿大早期颁布了 AF&PA1991木材结构国家设计规范,为木结构建筑设计和木材产品研发提供参考标准。在加拿大从事预制房屋生产的企业和产品需通过第三方认证,预制房屋工厂由加拿大标准协会(Canadian Standards Association)依据 CSA-A277建筑的工厂认证程序标准(Procedure for Factory Certification of Buildings)和 CSA-Z240预制房屋标准(Manufactured Homes)进行认证10。完善的质量体系保证了轻型木结构装配式住宅产业的良性发展。3.2 装配式轻型木结构的预制与施工加拿大的木结构预制构件公司遍布全国各地,已为木结构住宅建设提供预制材料超过 35 年。装配式轻型木结构建筑根据组件的预制装配化程度,通常可分为单个组件结构、板式组件结构和模块化组件结构等组件结构,如图 3 所示。图 3 装配式轻型木结构的构件预制示意图 单个构件预制是预制方案中最灵活的一种,运输方面限制较少,但现场拼装构件需要大量的现场作业才能完成。如屋顶桁架、楼面桁架和预制工字型格栅等。板式构件的预制化程度较高,但在运输上存在局限性。加拿大一些地区的城市公路和乡村公路会限制超宽平板货车的通行。与单个构件相比,板式构件可以更快地竖立和组装,所需的现场劳力减少。该类型包括墙板、楼面板和屋顶等。墙板有开放式和封闭式两种基本型式。敞开式墙板通常包括规格材料的墙体骨柱与覆盖板两部分,但开放式的墙板后期可以增加更多的构件,如窗户、门和隔热材等,77建材技术与应用 4/2023都可以进行拼装和使用。封闭墙体除用于开放式墙板构造外,还包括内部覆盖板、保温棉、隔气层、电线和管道等内部墙身空腔内部填充材料。模块化预制是三维的建筑体系,预制件包括了楼面、墙体、天花板或屋面。因为大部分的建筑工作是在预制装配工厂里完成的,因而这是装配式最完整的一种型式。大部分工作如隔热、管道、电线、门窗、橱柜和大部分的室内装饰,甚至部分室外装饰都可以在工厂内完成。这种预制型式的现场作业量最少,施工最快,但运输是其设计中需考虑的重要事项。3.3 装配式轻型木结构住宅的发展时至今日,加拿大装配式轻型木结构发展已非常成熟。针对新的问题和挑战也有了较为系统的解决方案,具体如下:(1)装配式建筑的精度问题。加拿大采用设计生产一体化模式,即通过统一应用 BIM 和 CAD/CAM 工具,在 BIM 模型中输入所有部件的空间和材料等信息,进行模拟拼装和碰撞分析,从而在设计和预制阶段避免问题的发生,最大限度降低施工中的无效成本和往复作业。(2)木结构装配技术更新问题。加拿大业内认识到装配式木结构建筑的技术和经济信息还不尽完善,缺乏更为详尽的技术指南或手册。相关专家提出加强研究开发和鼓励工程示范等思路,并强调各区域要综合考虑外部因素的影响,如构件运输设备、施工机械条件和人力资源情况等,综合评估后确定最优的装配式木结构方案。(3)特定装配式轻型木结构项目高速度建设需求问题,如政府紧急项目和救援项目等。加拿大采用的是装配式建筑产业链整合模式,即设计研发至施工管理,其中整合了关键部分的概念设计、方案设计、施工图纸、施工招投标、施工管理、施工和后期维护等,提供一站式服务,最快的项目从立项至房屋交付为 30 d。4 结语轻型木结构因其优异的性能及装配式建筑的便捷快速,广泛应用于加拿大小型住宅建设之中,加拿大总结了一整套完善的理论和实践经验。结合当前国内大力发展装配式建筑的现状以及双碳目标下的城市建设,大力推广装配式建筑是我国建筑业向工业化、信息化和生态化产业升级的必由之路,轻型木结构住宅建设具有着非常重要的现实意义。参考文献:1 梁思成.营造法式注释M.卷上.北京:清华大学出版社,1983.2 刘敦桢.中国古代建筑史M.北京:中国建筑工业出版社,1984.3 梁思成.清工部工程做法则例图解M.北京:清华大学出版社,2006.4 张希良,黄晓丹,张达,等.碳中和目标下的能源经济转型路径与政策研究J.管理世界,2022,38(1):35-66.5 雷波.供应链视角下装配式建筑 PC 构件质量控制研究D.南京:南京农业大学,2018.6 2016SSZN-HNT,装配式建筑系列标准应用实施指南 装配式混凝土结构建筑S.北京:中国计划出版社,2016.7 谢启芳,吕西林,熊海贝.轻型木结构房屋的结构特点与改进J.建筑结构学报,2010,31(S2):350-354.8 范云翠,汤晓琪,夏苗.加拿大装配式木结构项目发展经验与启示研究J.智能建筑与智慧城市,2021(3):24-25,28.9 何晓康,钱雨桐,周顺发,等.我国建筑外墙保温节能材料现状分析及标准化研究J.质量探索,2020,17(3):22-29.10 Kharrazi M H K,Eldeib S,Prion H G L.Experimental evaluation of an orthotropic,monolithic,modular wooden-dome structural systemJ.Canadian Journal of Civil Engineering,2008(35):1163-1176.Application of Canadian Light Wood Structure in Prefabricated BuildingsZHENG Sheng1,ZHONG Ling-fang2(1.Fuzhou Technology and Business University,Fuzhou,Fujian,350715,China;2.Fuzhou University of International Studies and Trade,Fuzhou,Fujian,350202,China)Abstract:Using the construction and development of light timber structure houses in Canada as a case study,this paper elucidates the utilization of light timber structures in prefabricated buildings to provide insights for their application in our country.Key words:light wood frame construction;wood;prefabricated building;Canada作者简介:郑生(1988-),男,福建连江人,工程师,硕士,2015 年 6 月硕士研究生毕业于重庆大学建筑学专业,现从事乡土建筑设计和城市设计方面的教学和研究工作。通讯作者:钟灵芳(1989-),女,福建武平人,助教,硕士,2017 年 6 月硕士研究生毕业于华侨大学建筑学专业,现从事历史建筑和建筑设计方面的教学和研究工作。收稿日期:2023-03-28(编辑 李江华)87Research&Application of Building Materials