1. 木材基本性能 Fundamentals

木材性能由树木生物特征所决定。细胞组织方式和生长方式决定了木材力学特性、断面纹理,以及干缩湿胀等特点。

图片来源: Forest Products Laboratory, Forest Service, USDA.

1.1 从树说起

树皮

树干上覆盖着一层死树皮作为保护层。死皮内部是一层活皮,由中空的纵向细胞组成,这些细胞将营养物质从叶子向下输送到树根和树的其他部分。

形成层

活树皮的内部有一层非常薄的形成层,形成层在树干的外部产生新的树皮细胞,在树干的内部产生新的木材细胞。

髓心

在树干的正中央,被心材环绕着的是树的髓心,这是树在第一年长成的一小块松软的区域。

春材与夏材

形成层在春季形成新细胞,此时条件适宜,快速生长。在夏季炎热缺水的时候,生长速度变慢。因此,春材细胞与夏材相比,细胞大、颜色浅、密度低。由春材和夏材组成的同心圆带构成树干上的年轮。春材与夏材的相对比例直接关系到木材的结构性能,因为夏材比春材更强、更硬。

心材与边材

形成层内活木细胞的厚层为边材。在树木的这一区域,营养物质被储存起来,树液从根部向上泵到叶子,并在树干中横向分布。在这个区域的内边缘,边材逐渐死亡,成为心材。在许多树种中,心材的颜色较深,很容易与边材区分开。心材不再参与树的生命过程,而是继续为树的结构强度做出贡献。

1.2 软木与硬木

软木来自针叶树,硬木来自阔叶树。正如名字所暗示的那样,软木通常比硬木密度小、柔软。但也有例外。例如,花旗松和长叶松的密度和一些硬木一样。

在显微镜下观察一小块木头,发现它主要由管状细胞组成,管胞的长轴平行于树干的长轴。细胞由坚韧的纤维素构成,并由一种叫做木质素的较软的胶结物质结合在一起。

软木

软木结构相对简单,主要由较大的纵向细胞(管胞)和少量的径向细胞(髓线)组成。垂直的管胞(TR)支配着软木的结构,髓线(WR)从树的中心向外辐射的细胞。年轮(AR)由一层较小的夏材细胞(SM)和一层较大的春材细胞(S)组成。树脂存储在垂直和水平树脂管道(VRD+HRD)中,水平管道以梭形髓线(FRW)为中心。细胞洞(BP+SP)允许输液在细胞之间转移。

软木的结构
图片来源: Forest Products Laboratory, Forest Service, USDA.

软木纹理平顺,用于建筑结构框架的木材大部分来自软木,这是相对丰富和便宜的,且便于加工,干缩湿胀率小。

硬木

硬木的结构较为复杂,髓线的比例较大,纵向细胞有两种不同类型:小直径纤维和大直径空隙。髓线(WR) 构成了硬木的很大一部分,并在很大程度上影响着木纹的肌理。垂直细胞结构比软木更复杂,有大的孔隙(P)来运输树液,更小的木材纤维(F)来赋予树木结构强度。一些硬木品种的孔隙以横杆(SC)结束,有的品种的孔隙则完全开放。洞口(K)将树液从一个空隙传递到另一个空隙。

硬木的结构
图片来源: Forest Products Laboratory, Forest Service, USDA.


硬木显示出更细腻、丰富图案的。具有更好的外观和耐磨性。对于家具、细木工、地板和其他精细的木制品,通常选用硬木。但是容易变形和开裂。

1.3 干缩湿胀

这是木材作为建筑材料最需要重视的一个特点。干缩湿胀是木材本身生物特性所决定,是不可避免的,但是可以预测并用设计策略来应对。

含水率:是指木材中水分的重量占干木材重量的百分比。木材的水分含量可以从30%左右变化到200%或更多。

纤维饱和点:变形的临界点

树木被砍伐后。首先离开的是游离水,储存在细胞腔内的水。游离水的蒸发除了减轻木材的重量,对木材的物理性质几乎没有影响。

当游离水消失时,只剩下结合水,即细胞壁的纤维素中更紧密的水。这种含水率状态被称为木材的纤维饱和点,平均为30%左右。纤维饱和点以下含水率的变化对木材的力学性能有显著的影响,使其干缩湿胀。

木材平衡含水率

木材的含水量达到了与周围环境的平衡,这种水分状态称为木材的平衡含水率。

木材在安装到建筑中时,应该调整到接近其运营时平衡含水率。这样,由随后的湿度与温度变化引起的变形或移动就会被最小化。

平衡含水率与空气湿度、温度的关系

制作构件时,木材含水率应符合下列规定:

1 板材、规格材和工厂加工的方木不应大于19%。

2 方木、原木受拉构件的连接板不应大于18%。

3 作为连接件,不应大于15%。

4 胶合木层板和正交胶合木层板应为8%~15%,且同一构件各层木板间的含水率差别不应大于5%。

5 井干式木结构构件采用原木制作时不应大于25%;采用方木制作时不应大于20%;采用胶合原木木材制作时不应大于18%。

 《木结构设计标准 GB50005-2017》

不均匀的干缩湿胀

在实际应用中,沿着原木长度的收缩(纵向收缩)可以忽略不计。弦向收缩率比径向收缩率大一半以上。

不同方向的收缩比例
图片来源: Architectural graphic standards: student edition, 11th edition.

不均匀的收缩会导致木材的翘曲,翘曲的方向取决于木材在树上的位置。这种变形在弦切木材中最为明显。这一特性将影响到原木的切分和加工。 原木在干燥时会产生很高的内应力,不可避免地会有径向裂缝。

干缩的预测
图片来源:Forest Products Laboratory, Forest Service, USDA.


湿度差为20%时,不同木材和木制产品的变形量
图片来源: Eigenschaften und Kenngrössen von Holzarten, Zurich-Dietikon, 1987

预测与积极应对

在设计开始时,就必须考虑木材的干缩湿胀问题。在木材部件和相邻表面之间提供足够的间隙。大截面木材可以通过开槽,以避免不受控制的劈裂。重型实木结构可以通过构件的交接方式来减少材料变形对结构的影响。

©Kathrin Draeger

2. 从树木到建筑材料 Products

原木可以直接切分加工成建材,一般需要进行处理来解决木材本身的缺陷。还可以再加工成复合产品,以提高木材性能和利用率,且不受树木大小的限制。

2.1 原木作为建材

原木下锯法

下锯法指锯子相对于原木的位置和切割顺序。下锯法将影响原木的利用率,以及木材的性能和纹理。

弦切材下锯法 PLAIN SAWING

使用弦切材下锯法,在锯的过程中需要最小的重新定位的原木,经济、废料少。因此,大多数结构木材都是弦切材下锯法。切割出来的木材表面的纹理不规则,有大面积的春材暴露在表面。

径切材下锯法 QUARTER SAWING

使用径切材下锯法 ,锯木过程繁琐,废料多。但这也让板纹理和质地更均匀稳定。表面耐磨损,因为没有大面积的软春材暴露在表面。

原木的处理与防护

阻燃处理(FRT):通过将木材放入容器中,并在压力下浸渍一定的化学盐,以大大降低其燃烧性能。经过阻燃处理的木材价格昂贵。轻型木结构可以通过石膏板饰面来提高建筑防火性能。

防腐处理:部分木材具有天然耐腐蚀性能。人工处理有碳化和药剂处理。碳化分表层碳化(作用与油漆类似)和深层碳化。药剂处理主要有CCA(使用铬酸铜,有毒)和QCA(芬兰木,使用高浓度的铜溶液,普通钢和铝不能接触 )。

2.2 木材的再加工:工程木

主要工艺:锯切、旋切、破碎、纤维分离;指节、胶合。

结构复合木材(工程木)Structural Composite Lumber

采用木质的单板、单板条或木片等,沿构件长度方向排列组坯,并采用结构用胶粘剂叠层胶合而成,专门用于承重结构的复合材料。包括旋切板胶合木Laminated veneer lumber (LVL)、平行木片胶合木、层叠木片胶合木Laminated strand lumber (LSL)和定向木片胶合oriented strand lumber(OSL),以及其他具有类似特征的复合木产品。

层板胶合木 Glued Laminated Timber

以厚度不大于45mm的木层板(通常30-40mm),沿顺纹方向叠层胶合而成的木制品。也称胶合木或结构用集成材。

应用于重型木结构和大跨度组件。规格:宽60-300mm,高100-3000mm,最长可达60米。

U型胶合木梁的制作
图片来源:Forest Products Laboratory, Forest Service, USDA.

正交层板胶合木 Cross Laminated Timber

以厚度为15mm~45mm的层板相互叠层正交组坯后胶合而成的木制品。也称正交胶合木。 CLT胶合木具有很好的尺寸稳定性。

正交层板胶合木
图片来源: Structurlam Inc.

工字形木搁栅 wood I-joist

采用规格材或结构用复合材作翼缘,木基结构板材作腹板,并采用结构胶粘剂胶结而组成的工字形截面的受弯构件。

2.3 木材的再加工:板材

板材形式的木材在许多建筑应用中都很有用。面板尺寸通常为4×8英尺(1220×2440毫米)。胶合板常规厚度六种:3mm、5mm、9mm、12mm、15mm、18mm。 
大芯板常规厚度三种,分别是:12mm、15mm、18mm。

层板胶合板Plywood

包括胶合多层板(层数为奇数)和实木夹芯板(细木工板、夹层芯板)。多层板可用于承重的面板,夹芯板用于非承重的面板。

定向刨花板, 欧松板 Oriented strand board (OSB)

木材利用率高且具有较好的力学性能,可作为工字木的腹板。

中密度纤维板Medium-density Fiberboard (MDF)

性质均匀。一般用于室内和家具。

2.4 其他工艺与复合产品

塑木 Wood-Plastic Composites

木塑复合材料(WPC)产品由塑料与木材或农业纤维混合制成,通常比例大致相同。可以添加少量的紫外线稳定剂、色素、润滑剂和杀菌剂。将混合物加热、压制、挤压或注射成型。

木皮工艺 WOOD VENEERS

3. 木材作为结构 Structures

3.1 各向异性

木材的强度有顺纹强度(作用力平行于木纤维方向)和横纹强度(作用力垂直于木纤维方向)之分。顺纹强度比其横纹强度要大得多,横纹各项强度都在顺纹的30%以下,建筑中均充分利用木材的顺纹强度。

强度(顺纹)

  • 抗压强度30-70 MPa
  • 抗拉强度=顺纹抗压的2-3倍
  • 抗弯强度=顺纹抗压的1-2倍
  • 抗剪强度=顺纹抗压的15%-30%(弱)
树种抗压抗弯抗剪
湖杉39 MPa64 MPa4 MPa

1 Mpa = 1 N/mm² = 100 N/cm²

密度

  • 烘干密度:纯细胞壁物质1.5 g/cm³。
  • 表干密度:0.5 g/cm³= 500 kg/m³

木构件重量估算

40 × 90 mm 3 m
6 kg
40 × 235 mm 4 m
19 kg
120 × 120 mm3 m
22 kg
60 × 200 mm 4 m30 kg

3.2 重型木结构

重型木结构通常结构暴露,需要考虑消防与设备隐蔽的问题。

柱子估算

7.2.2 矩形木柱截面尺寸不宜小于100mm×100mm,且不应小于柱支承的构件截面宽度。

《木结构设计标准 GB50005-2017》
承托面积(楼面+屋盖)柱子截面估算
24 ㎡120 mm
36 ㎡140 mm
90 ㎡180 mm
140 ㎡240 mm

梁截面估算

梁宽:40-120 mm

梁高估算表 Source: M. Dietrich,Burgdorf School of Engineering, 1990
梁类型常用跨度高跨比
井格梁8-20 m1/10-1/15
主梁6-16 m1/12-1/18
檩条、次梁4-12 m1/15-1/24
椽子小于8 m1/18-1/30

3.3 轻型木结构

规格材截面尺寸

宽(mm):40、65、90

高(mm):40、65、90、115、140、185、235、285

《木结构设计标准 GB50005-2017》

墙骨与搁栅间距

通常是410 mm (16英寸)或者 610 mm(24英寸)。

墙骨柱截面估算

非承重墙体

最小截面最大层高
40×40@4102400
40×90@4103600

仅承受屋盖

最小截面最大层高
40×65@4102400
40×90@6103000

承受屋盖+1

最小截面最大层高
40×90@4103000
40×140@6103000

承受屋盖+2

最小截面最大层高
40×90@3103000
65×90@4103000

受弯构件截面估算

一级构件1/18(楼地面托梁、檩条)

40 × 1402.5 m
40 × 1853 m
40 × 2354 m
40 × 2855 m

二级构件1/21(搁栅、椽子)

40 × 902 m
40 × 1403 m
40 × 1854 m
40 × 2355 m

4. 木构件的连接

4.1 构件关系

构件之间的交叠关系与优先级,是建构逻辑最直接的表达。构件的相对位置与让位关系,不仅决定了荷载的传递方式和连接方式的选择,也决定了节点对建筑最终形式与氛围的影响。

侧夹式

所有构件各自独立,各自保持完整。 可以避免加工对木材结构性能的破坏。垂直荷载传递依靠连接件,因此需要较多的连接件。交错的构成形成丰富的层次, 围护结构复杂。 可设定柱子或者主梁为优先级高的构件,采用双剪销接, 低一级的构件需要成对出现。 相互独立的构件还降低木材收缩对结构的破坏。

交汇式

梁柱交汇构造复杂,需要借助连接件或者榫卯结构。最终呈现出简单的抽象形态。结构所占据的空间少,围护结构简单。无法设置悬臂梁。 单构件开槽,或者各自开槽。确定优先级要考虑形式构成和开槽对构件性能的影响。榫卯用现代机械可以精确地制作,缺点是构件的强度明显减弱,造成严重的剪切和偏心效应。

4.2 金属件连接

金属件不但起到连接作用,还可以改变荷载的传递方向,让受力面与荷载方向垂直,减少销紧固件的受剪。金属件的形式主要考虑荷载的传递与节点的外部形式。

T型:木包铁

节点显得轻巧,木构件需要开槽,对性能有一定的破坏。

U型:铁包木

节点显得厚重,金属板开孔较多,木构件只需要开孔,不需要开槽。

4.3 构造设计

木梁托链接

在承重连接中,梁以允许通过木对木轴承安全转移荷载的量嵌入柱内;螺栓的作用只是把梁固定在凹处。承重块允许更多的螺栓插入到一个连接处,而不是通过梁,而且承重块中的每个螺栓可以承受的载荷是通过梁的几倍,因为它与木材的纹理平行,而不是垂直。

通常情况下,在没有轴承座的情况下,在梁柱连接处放置足够的螺栓来成功地传递荷载是不可能的,除非使用分裂环。

柱子的落地方式

芯柱式、U型套、T型板

4.4 紧固方式

销连接 Dowel-type Fasteners

是采用销轴类紧固件将被连接的构件连成一体的连接方式。销连接也称为销轴类连接。销轴类紧固件包括螺栓、销、六角头木螺钉、圆钉和螺纹钉。

6.2.1 销轴类紧固件的端距、边距、间距和行距最小尺寸应符合规定。当采用螺栓、销或六角头木螺钉作为紧固件时,其直径不应小于6mm

l为紧固件长度,d为紧固件的直径。当钉连接不预钻孔时,其端距、边距、间距和行距应为表中数值的2倍。

《木结构设计标准 GB50005-2017》
销轴类紧固件的端距、边距、间距和行距的最小值尺寸 

齿板链接 Truss plate Fasteners

经表面镀锌处理的钢板冲压成多齿的连接件,用于轻型木桁架节点的连接或受拉杆件的接长。

参考文献 Reference

  1. Timber Construction Manual
  2. 构造材料手册
  3. Construction Materials Manual
  4. Fundamentals of building construction
  5. 建筑材料 第4版
  6. Facade Construction Manual
  7. 建构建筑手册:材料 过程 结构
  8. Constructing Architecture: Materials, Processes, Structures
  9. 立面构造手册
  10. 建筑师材料语言:木材
  11. 设计师的材料清单
  12. 建筑外立面速查手册
  13. Architectural graphic standards

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