木结构建筑已经建造了 4,000 多年——自从青铜时代的人开发出能够锻造锋利工具的技术以来,这些工具可以将树木砍成方形木材并制作榫眼和榫头。木结构是欧洲、亚洲和北美的主要建筑类型,直到 1850 年气球框架木结构开始取代木结构。到 20世纪 ,木结构建筑几乎绝迹,铁结构建筑在大型结构中变得司空见惯。
二战后,胶合木结构在教堂屋顶等大跨度和建筑外露的应用中变得流行起来。当时,如果您想要一个看起来像木材的结构,胶合木结构是您唯一的选择。这不再是真的。
在 1970 年代,传统的木结构建筑经历了复兴。一小群核心木材工匠,主要位于新英格兰北部,重新发现并掌握了制作具有复杂接头的木结构的失传艺术。到 1990 年代,木结构建筑重新进入主流建筑领域,并正在取代胶合木建筑用于建筑外露结构。
胶合木板是新的材料——交叉层压木材(CLT)和销钉层压木材(DLT)。自 1990 年代以来,CLT 已在欧洲使用,但仅在北美使用了十多年。如今,北美有五家主要的 CLT 制造商和一家 DLT 生产商。 木板的可用性激发了建筑界对用大量木材建造的兴趣和兴奋。
现代大型木结构通常由支持 CLT 或 DLT 地板和屋顶板的胶合木框架组成,通常带有 CLT 剪力墙。这种类型的结构非常通用,适用于大型和小型结构——任何需要建筑外露结构的地方。 用木材建造然后用石膏板和吊顶覆盖它没有多大意义。 顺便说一句,行业专家继续表示,大规模木结构建筑也非常可持续、固碳且具有成本效益。
交叉层压木材经常被描述为类固醇胶合板。它由交替的尺寸木材层组成,这些尺寸木材的厚度约为 1 3⁄8 英寸。与胶合板一样,每一层都垂直于其相邻层。 常见的 CLT 叠层有 3 层(41⁄8 英寸)、5 层(6 7⁄8 英寸)和 7 层(9 5⁄8 英寸)。CLT 面板通常宽 8 英尺或 10 英尺,最长可达 60 英尺。
CLT 面板的结构设计包含在国家木结构 。
钉层压木 (NLT) 面板由并排铺设的规格木材(通常为 2x6s)组成,并用钉子钉在一起。NLT 并不是一个新事物,一个多世纪以来一直很少使用。NLT 建造的优势在于它不需要专门的制造设备来制造,甚至可以在现场建造。 缺点是 NLT 面板需要大量的钉子,安装这些钉子需要劳动密集型,并且在没有嵌入钉子破坏刀头的情况下,无法使用计算机数控 (CNC) 设备切割面板。
销钉层压木板是最新的替代品。DLT 类似于 NLT,不同之处在于它不包含钉子。使用横向硬木销钉代替钉子来粘合面板。与 NLT 不同,DLT 面板适合 CNC 制造。
长期以来,高层建筑一直是结构钢和钢筋混凝土的专属领域,但这种情况正在开始改变。大型木材现在是高层建筑市场的参与者。温哥华的 Brock Commons 目前是北美最高的大型木结构建筑,最高 18 层。 在高层建筑的世界里,18 层楼可能听起来并不那么令人印象深刻,但对于木结构建筑来说,这是一件大事。
大型木材不太可能完全取代高层建筑的结构钢和钢筋混凝土,但我们会看到更多高大的大型木材项目,并且可能会看到更多的大型木材和结构钢混合体,尤其是在预期的情况下2021 IBC 即将发生的变化。2021 年 IBC 将允许高达 18 层的建筑物由大量木材建造。
木材工程是关于连接的。调整木材和面板的尺寸是容易的部分。设计木材连接是具有挑战性的部分。有人说,结构本质上是由梁和柱隔开的连接组件,尤其是木结构。
许多对木材工程缺乏经验的工程师会尝试以类似于结构钢结构的方式连接木材,使用笨重的侧板和大量螺栓。虽然这种方法有时会奏效,但它很少是进行木材连接的最实用或最有效的方法,而且对于裸露结构来说,它很少是最美观的解决方案。
配置连接和连接硬件更加智能,以便结构载荷主要在轴承中传递,而螺栓仅用于抵抗偶发载荷。
木材是一种有机材料,会随着湿度的变化而季节性收缩和膨胀。在设计连接时未考虑与水分含量相关的木材尺寸变化可能会导致令人失望(或危险)的结果。钢节点板可以抑制导致木材分裂的尺寸变化运动。
大块木材与其他结构材料配合得很好。通常,一个项目的正确结构解决方案不是纯木结构,而是混合解决方案。带有胶合木托梁、结构钢梁和立柱以及混凝土顶板的 CLT 地板和屋顶板通常构成非常有效的结构。 结构钢元件通常需要膨胀涂层以实现与木材元件相当的耐火性。
对于 18 层的 Brock Commons 项目,钢筋混凝土剪力墙可以抵抗风荷载和地震荷载。大型木材剪力墙可以完成这项工作,但由于各种原因,使用混凝土更有意义。不做纯粹主义者并没有什么可耻的。
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