重型木結構結構方案大全

在加拿大，甚至在整個北美、歐洲范圍內，有一種既古老又新興的建筑材料正在流行，那就是工程木產品。工程木產品除了有用來搭建輕型木結構骨架的鋸材，還有利用現代工程技術將小尺寸規格木材通過膠合、加壓、機械加工來形成更大尺寸構件的工程木產品。而使用工程木產品建造的結構稱為重型木結構（Mass Heavy Timber Structure）。先進的技術賦予重型木結構建筑能夠實現更大的結構跨度，更高的建筑高度以及靈活的結構布置，使木結構建筑的建造在當代具有新的機遇并快速發展。

與鋼筋混凝土材料相仿，重型木結構工程木產品也具有詳細的分類。膠合木可制作成平直的構件也可通過層板的彎折形成曲面的構件。多元的重型木構件不僅為結構提供穩定性，在符合使用需求的基礎上也不失為設計增加亮點。

重型木構件產品種類眾多，其構件的組合方式也多種多樣，但總體來說一般用層板膠合木（Glulam）作為框架梁和柱，正交膠合木 （CLT）、層板釘接木（NLT或Nail-Lam）和層板銷接木（DLT）作為樓板、墻板和屋面板。目前最主流的結構系統有以下幾種：

1.膠合木框架結構

重型木結構中最常見的結構系統非“膠合木框架”結構莫屬。位于加拿大多倫多市Atlantic大街80號的“第一個商業木結構項目”用的正是此類結構。

80 Atlantic Fabricator Timber Systems公司的總裁Gary Williams先生認為，“樓、屋面結構板的造價越低，整個結構的造價就越低?！睂τ谥匦湍窘Y構來說，框架梁的成本僅占整個結構的一小部分，而樓、屋面板的成本是決定項目整體造價高低的關鍵。所以，為了減少樓板的建造成本，可以通過縮小樓板的跨度，并增加更多的框架梁來實現。由于框架梁數量的增加，使得每個區隔分配的受荷面積得以減少，相應的單塊樓面板的跨度和荷載均得以相應減少，最終達到減少樓面板厚度的目的。整個結構的總造價也得以降低。

需要注意的是，當采用此結構系統時，推薦如圖1所示，把框架梁的長邊垂直于與單片樓面板的短邊布置。當然，由于框架梁的跨度變長，它的截面高度也會相應增加，所以并不推薦層高較低的建筑選用圖1結構布置。在層高受限的情況下，框架梁和樓面板的長短邊朝向需要互換，如圖1.1所示：框架梁跨度變小，相應的截面高度也減小，樓板的厚度也會有所減小。這種結構布置能夠減少膠合木封邊梁對玻璃幕墻采光的不利影響。

2.單向主梁+次梁

主梁和次梁的組合確保了結構造價的最小化，因為樓板的厚度將會被縮減到滿足結構強度的最小厚度。樓板的跨度被次梁分隔，次梁承載來自樓板的荷載，并將此荷載傳遞至主梁，最終由主梁將荷載傳遞到框架柱上。

雖然這個結構布置可能是造價最低的選項，但是由于主次梁根數較多，單個房間內的層高會由于布置了次梁而減少。并且由于雙向均布置了膠合木梁，設備管線的布置會受到一定的影響。

3.雙向主梁+大塊樓面板

在兩方向柱距相同的情況下，在兩個方向布置截面高度相同的主梁。樓面板相鄰兩跨交錯布置，使得每根膠合木框架梁上受力情況類似。由于兩個方向布置有膠合木主梁，使得采用該結構布置的建筑的整體性更好。

此結構無次梁，并且主梁尺寸相對較小，可以滿足把構件暴露在外的需求，增加單個房間內的樓層凈高，以滿足對內部空間感的體現和對內部空間功能的靈活劃分。

4.CLT樓板-立柱點支承結構

雙向、點支承的正交膠合木板（CLT板）結構體系具有較高的抗扭轉和抗壓性能，能夠大大減小所需樓板的厚度，因此在多高層和大跨度樓、屋面板已經剪力墻的應用中，性價比尤其高。

但是CLT面板也有自身的局限。從構造上來說，CLT板通常采用三層、五層或七層規格材或結構復合材正交組胚粘結而成。CLT產品的力學性能分主（強度）方向和次（強度）方向兩個方面。主方向指平行于表層材料紋理的方向，一般是CLT產品的長度方向;次方向是垂直于表層材料紋理的方向，一般是CLT產品的寬度方向。

CLT的強度方向

CLT面板的尺寸通常受運輸條件的限制，寬度范圍在2.4—3m之間。防火性能也比較有挑戰性，以5層基層板的CLT面板為例：兩層板在1.5h左右會被燃盡，剩下的三層板可能達不到殘余強度的要求。一般情況下，通過增加木板的厚度或層數，或是在CLT面板迎火面包裹石膏板，以達到防火目的。

5.寬扁橫梁-樓板-立柱

當建筑對室內凈高有嚴格要求時，我們可以選擇用膠合木（Glulam）或者正交膠合木（CLT）作為寬扁梁構件。其受彎承載力的大小與橫梁的寬度成正比，但是與同樣截面積的常規框架梁相比，抗彎承載力低且撓度明顯變大。因此若承擔同樣的樓面荷載，運用寬扁橫梁的結構布置的性價比較低。

此外，使用寬扁梁時，如果橫梁恰好只有一邊邊緣受力，整個連接結構會產生不平衡彎矩而造成結構失穩，因此，相連接的樓板接縫要位于橫梁的中心線上。

寬扁梁的結構分為兩種： 1）如上圖圖5所示，橫梁位于樓板之下;2）如上圖圖5.1所示，橫梁位于樓板之上，該種連接需要設計特殊的連接掛件，連接做法較為復雜，但是在相同層高下可以增大樓層凈高。樓面保溫隔音棉和部分水電管線可以在兩根扁梁之間的凹槽內架設，并在此上做建筑地面使得樓板上下表面均為平整的完成面。另外，在美觀角度上，其大面積平整的天花板和較大的柱距大大增加了室內空間感和自然采光的效率。

6.寬扁梁-樓板-寬扁立柱

如果同時有層高和建造成本的限制，可以選用寬扁橫梁和寬扁立柱的結構。此結構的樓板嵌于寬扁橫梁之間，縮短了樓板構件的單位寬度，減小了構件成本。并且樓板與橫梁上端齊平，至少減少了一半的結構厚度，大大增加了樓層凈高。

然而，由于橫梁和樓板的結構存在著很大的承載穩定性問題 ——在橫梁受力不均的情況下，樓板容易坍塌，所以立柱的寬度必須增加到橫梁寬度，以此來解決橫梁力矩不平衡的問題。此外，還需注意的是，此結構在設計上也有很大的挑戰性，特別是在樓面板懸挑部分的抗傾覆設計。目前，并沒有體系完整的文獻和論證來支持此結構的設計。

7.橫梁 – 交錯樓板 – 立柱

交錯樓板的結構旨在用最少的建筑材料實現大跨度。此結構已被Michael Green建筑事務所使用，并且Equilibrium Consulting顧問事務所對該結構類型進行了改進升級。

此結構通常用兩層平行的樓板交錯，并在上下層樓板邊緣處有小尺寸的相疊，疊加處用斜向螺絲固定以抵抗疊合處的剪力。其好處在于樓板可以盡可能的薄，原理與波紋鋼板類似。

8.箱型梁 – 箱型樓板 – 立柱

箱型木構件在工廠就已預制完成，通常用正交膠合木（CLT）作為上、下翼板，用重型木板材（大多為膠合木glulam）作為腹板。其尺寸和重量被優化在吊車吊裝能力范圍之內，意在減少吊裝和裝配次數，以此來加快建造速度。

箱型木構件中部貫通的空間一般不會被封堵，以用來提供給各種設備、管線架設的空間。但有時會根據消防設計的要求對空腔進行防火封堵。

9.應力蒙皮橫梁和樓板格架 – 立柱

在“應力蒙皮”的木結構系統中，樓板不僅僅負責將荷載傳遞到梁上，而且還增大了梁與樓板形成的組合截面的抵抗矩，及抵抗彎矩的能力。

應力蒙皮格架利用雙向承載的系統來更好的增加抗彎強度，如上圖所示，木色樓板和橫梁為一組，藍色橫梁和天花板一組，各自形成空腹桁架，并共同組成格狀結構抵抗兩個方向的彎矩效應。

10.奈爾維橫梁 – 立柱

意大利結構工程師奈爾維（Pier Luigi Nervi）諸多作品中的結構構件都極其優雅地表現了荷載的分解和傳導。在過去材料成本大于勞動力成本的時代，奈爾維發明了一種混凝土梁板結構，能夠最充分地利用各種材料性能同時最大程度減少材料的自重。

目前，重型木結構項目有著類似的情況：重型木結構的結構構件成本較高，而隨著數控機床（CNC）技術的大規模使用，各種復雜的結構構件也可以通過CNC加工來實現而無需投入過多勞動力。因此所有結構構件加工完畢之后，結構的裝配過程將會更加經濟化。所以奈爾維結構很適合被運用到重型木結構項目里。

圖10是奈爾維結構的一個演繹，把其在都靈勞動宮（Palace of Labour in Turin ）項目中使用的混凝土結構轉換成重型木結構。放射狀的弧梁系統架設在立柱之上，有效抵抗了板面傳來的彎矩，而環狀橫梁對弧梁提供了側向支撐，有效地防止了弧梁的失穩。

11.空腹混凝土樓板-重型木樓板復合結構 （VCTC）

空腹混凝土-重型木樓板是混凝土、木復合構件的一種。木結構樓板上方鋪設的一層與木樓板近似厚度的混凝土樓板，其朝向與木材纖維垂直，功能相當于寬扁橫梁。

VCTC的優勢之一在于它不需要框架梁構件，并且能滿足對大跨度柱網的需求。因此能夠更靈活的分隔室內空間。此結構系統可以根據建筑對空間的需求（比如無柱大會議廳），隨意調整構件的組合，而不改變樓板結構厚度。

VCTC的另一個優勢是高防火性能，這點在木結構建筑中尤為重要。樓板結構中混凝土部分完全覆蓋了木材，使樓板達到更高防火性能。

佩克公司的梯形截面梁結構尤其適用于大跨度和薄樓板的情況。梯形截面的鋼梁頂面與樓板齊平，鋼梁由一個梯型的箱型梁和一片鋼下翼緣板。梯形梁的兩側腹板開灌漿孔，使樓板上方灌注的混凝土能夠填充其中。這種復合樓板結構能夠增加抗彎強度和剛度，同時，如果在錐型梁中布置縱向鋼筋以形成鋼筋混凝土梁，且該混凝土梁在火災工況下能獨立承擔上部傳來的荷載，那么下翼緣鋼板就不需要做額外的防火處理。

目前，此結構系統已被應用在由BNKC建筑事務所和Blackwell結構事務所合作設計的一棟8層辦公樓上，項目位于加拿大多倫多Wade大街77號。

加拿大多倫多Wade大街77號7層木結構辦公大樓 | Canadian Architect

12.Rhomberg結構事務所設計的Cree結構

Rhomberg結構事務所設計了Cree結構，此結構在歐洲有一定的影響力。它是一種木材-混凝土-鋼材復合構件，旨在達到對各種材料的最大利用率。

在箱型鋼材主梁和木材次梁之上，預制的混凝土樓板寬度在2.5m到3m之間，長度可跨一個開間，其在室外的部分融入木次梁形成邊梁，可按具體情況選擇用立柱或隔墻支承。

13.Zollinger 薄板-菱形橫梁格架-立柱

德國建筑工程師Friederich Zollinger在19世紀20年代為了緩解一戰中建筑材料匱乏的問題，發明了薄片屋面板。此結構屬于互承結構的一種，緊密的菱形格架系統使橫梁的尺寸大大減小，也使屋面板縮減到最大可能的薄度。同時，屋頂面板的朝向與菱形格相垂直，形成非常結實的結構，能承載很強的風力荷載和地震引起的荷載。

14.三層橫梁-樓板-立柱

三層橫梁能夠被應用于純木結構的建筑里，通常用于對膠合木梁的高度有很高要求的情況。其中間的橫梁在柱位置被打斷，膠合木柱在樓層間位置連續。這種構造能夠防止樓面板橫紋承壓的問題以減少各個樓層累積的豎向變形。而且，兩邊的連續橫梁置于立柱之上，能夠有效地增加構件的硬度和剛度。

當然，在結構荷載需要的情況下，工程師也可以把多層橫梁組裝在一起，寬度能夠超出膠合木（glulam）的最大寬度365mm。雖然這種多層橫梁結構相對于正常橫梁其支撐作用有所下降，但是在防火性能上有著很大的提高。因為相比于體積，多層橫梁結構裸露的面積相對更小，而且，位于外部的橫梁在意外火險中能夠保護中部橫梁不易被點燃。

值得注意的是，橫梁結構厚度的減小，在越來越高的木結構建筑中有著舉足輕重的意義：在相同高度的建筑里，結構越薄，意味著層數越多。

重型木結構的研發日新月異，其建筑強度通?？膳c混凝土和鋼結構相媲美，結構專家們也在不斷嘗試著更優化的結構系統。也許筆者在寫此文的結語時，又有新的材料及結構被研發設計出來。位于洛杉磯的Perkins+Will建筑技術實驗室主任Andrew Tsay Jacobs去年在接受采訪時感慨道：“我認為在未來5年甚至更短的時間內，開發商在開發大型商業樓宇項目的時候會這么提問：“我們是否應該考慮采用重型木結構（Mass Timber）？”

參考資料：

1.https：//www.canadianarchitect.com/mass-timber-primer/

2.https：//www.archdaily.cn/cn/923782/cltjiao-cha-ceng-ya-mu-ban-hui-zai-wei-lai-qu-dai-hun-ning-tu-ma

3.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1646085201754747013&wfr=spider&for=pc

4.http：//www.awhouse.art/reciprocal-structure

5.https：//baike.baidu.com/item/%E5%BA%94%E5%8A%9B%E8%92%99%E7%9A%AE%E7%BB%93%E6%9E%84/22268484

6.http：//blog.sina.com.cn/s/blog_5509545f0100wrfh.html

7.https：//www.sohu.com/a/215321301_761796