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木框架剪力墙结构的起源和变迁
日本木材出口协会 | 568 view(s) | 2022/02/09

  日本木框架剪力墙结构建筑的起源,最早可追溯到1400多年前,由中国途经朝鲜半岛传入日本的寺院木结构建筑。这种建筑(如图1)是直接在柱础上放置大木柱的木结构建筑。随着历史的变迁,寺院木结构建筑逐渐演变形成了现在大量采用的木框架剪力墙结构体系。在日本的禅宗寺院中,发现了大约900年前(南宋时期)从中国传入的在大木柱上设置方形孔,并通过横木(横架梁)将柱子相连接的木排架结构,用来抵抗风压和地震(如图2)。


图1  飞鸟寺(在柱础上放置柱子的方法建造的木结构建筑)


图2  木构架(横木)示意图

  这些传统技术的主要特征是:构件节点或接头大多采用榫卯连接,基本不用金属连接件。通常人们认为不用金属连接件是因为考虑到耐久性的要求,但事实上能够大量生产铁件是在20世纪之后,且当时铁的生产量也不足以满足普通建筑的使用。

  传统的木结构是在大木柱上穿插大木梁的一种近似刚性的木构架,穿过横木的木构架也作为墙体的主要支撑框架,并在墙体支撑框架上再制作夹筋土墙。夹筋土墙是在木构架的柱与柱之间固定板材,并安装木制小板条后,涂抹上掺和了稻草或麦秆等纤维的泥浆制作而来。目前,中国南方地区仍在大量使用同样构造的木结构建筑。

  日本每年都会遭受大型台风的侵袭,也时常发生地震,偶尔还会遭受百年一遇的大地震。因此,我们可以推测,在古代没有建筑用的铁件时期,当时的工匠师傅们为了建造能够抵御台风和地震的木结构建筑是一项非常困难的工程。传统木结构的整体刚度虽然没有现代结构的整体刚度好,材料强度也没有现代结构的材料强度高,但是,传统木结构在即使出现很大变形的状况下,仍能继续保持整体结构的稳定性。在使用当时的建筑材料条件下,抗变形能力强的传统木结构已是最好的抗风和抗震的建筑结构体系。

  一般认为,当时的木构架中不使用斜撑的原因,是因为在建筑文化上难以接受斜撑的设置。但事实是,当设置了斜撑,却不去加强斜撑端部或木柱与横木的节点,反而会把力传递到节点位置处,容易造成脆性破坏。因此,我们要充分考虑到斜撑的作用,从而进行合理的设置和使用。

  进入20世纪后,随着从欧美地区引入的以桁架为主的木结构体系的出现,日本用于加强结构抗台风和抗地震作用的斜撑也开始在传统的梁柱结构中应用。同时,随着钢铁工业的大力发展,生产出了大量的金属连接件,以及使用了钉、扒钉、螺栓等金属紧固件。这些巨大的变化促进了日本传统梁柱结构不断演变为木框架剪力墙结构的进化历程。

  在第二次世界大战后,日本制定了建筑标准法,要求必须确实保证建筑物的抗震性能。从此之后,日本在住宅建造中使用斜撑构件成为必备的构造措施。由于斜撑构件能够确保并且能够提高结构抗台风和抗地震的性能,在住宅建造中就不再需要使用大木柱和大木梁的组合。随后,在木框架剪力墙结构的建造过程中柱子的截面尺寸逐步得到统一。目前,通常采用的柱子截面标准尺寸为105mm×105mm或120mm×120mm,梁截面标准宽度是105mm或120mm,梁的截面高度随着跨度的增大而增大,增大的模数为30mm的倍数。

  20世纪70年代,日本引进了北美的轻型木结构。之后,由于胶合板与木框架连接后结构具有较高的抗台风和抗地震能力,在木框架剪力墙结构中,采用胶合板作为墙体、楼板、屋面的覆面板的结构形式成为主流。

  木框架剪力墙结构的另一个主要特征是施工方法。一般而言,所有木构件及节点应先在工厂进行加工制作,然后将构件运到施工现场,并应在数天内完成结构主体的建造。在多雨的日本,为了避免木材、木构件被雨淋湿受潮,人们想出了尽早建造好屋顶的施工办法。为了在短时间内建造完成木结构建筑,采用了将所有的节点利用构件自重,由节点上方放入连接处,然后在连接处将楔子或榫头敲打进去的方式,卡紧并锚固连接节点。

  这种施工方法虽然具有出色的优点,但其缺点也是明显的。因为其建造的速度和效率完全取决于安装工匠人数。建筑公司若欲扩大建造规模,就需要雇用大量的工匠,这样公司事业的发展势必受到制约。同时,在使用普通工具就能完成建造的轻型木结构建筑的应用越来越多的影响下,使用传统施工方法愈发显出不利于木框架剪力墙结构的发展。

  在20世纪80年代中期,随着预制加工机械的出现,彻底改变了木框架剪力墙结构的发展进程。虽然木结构建筑现场的安装仍然是依靠工匠个人的技能,但是机械加工的优点是,节点的加工精准度高,节点的性能能够得到保障。预制加工机械逐渐改良后,通过与采用计算机控制的CAM,以及与采用计算机设计的CAD进行联动,就可形成一套自动加工的系统。这极大地促进了建筑公司的大规模化发展和资本集中,加速了技术革新。

  目前,为了增强木结构抗风抗震能力,建造均采用金属连接件来加强由预制加工机械所加工的节点。但是,金属连接件的基本形状,还是传承了安装性能优良的传统榫卯连接方式。其后又发明了不使用传统的榫卯连接方式而使用金属连接件进行连接的方法。在节点上利用构件自重放入连接处,再利用将楔子或榫头敲打进连接处的方式卡紧并锚固节点的这种施工方式以及采用的机械装置,亦都传承了传统木结构的营造技艺。

  由于预制加工机械的发明及使用,木结构建筑采用的木材以及建造工期发生了巨大的变化。过去采用的方法基本上是将木结构建筑建造完成后再继续放置一段时间,让木材进行充分干燥,并让木材尺寸变化基本稳定,再采用横撑等线性材料进行内外部的装饰。而现在采用的方法是,使用充分干燥过的锯材、胶合木(结构用集成材)或旋切板胶合木(简称为LVL的单板层积材)等结构材进行建造。在结构材上直接安装内外部装修材料,建成的木结构建筑不需要再空置一段时间,而可以直接使用,因此,大大缩短了建造工期。现在,日本的相关标准对木结构建筑的施工工期一般要求在地基基础施工完成后,3至4个月内完成全部建设。

  使用人工干燥锯材或胶合木制作构件,能够提高节点的加工精度。如果将具有弯曲变形等尺寸精度不高的木材使用预制加工机械进行加工,加工完成后节点位置的精确度降低,在现场安装时连接节点会出现无法接合的施工困难,影响施工进度。随着木结构建筑应用的增加,虽然人工干燥锯材的生产量也在不断增加,但与胶合木相比,锯材供给能力仍处于较低水平,也很难在木结构建造高峰期稳定供给。因此,将建造锯材改换成胶合木的建筑公司不断增加。在日本,木框架剪力墙结构大多数采用工程木建造,其中包括胶合木(结构用集成材)、结构用LVL、结构用胶合板等工程木(EW:Engineered Wood)。

  在日本,随着采用胶合木构件建造木结构的公司的增多,木框架剪力墙结构体系在工程实践应用中不断得到改进和完善。在历史发展过程中木框架剪力墙结构的变迁已经基本完成,但仍在持续不断的优化中。

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