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世界最高的木結構摩天樓將達80層,但它怎么防火?

來源:網易新聞  作者:清華大學土木工程博士須臾千秋  日期:2018-1-15
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  建國伊始,中國的鋼鐵產量極低,在建筑中使用鋼筋是一件非常奢侈的事。而木材既能就地取材,又易于加工,因此應用頗多。但到了80年代,隨著結構用木材的采伐殆盡和中國鋼鐵、水泥產量的一路飆升,鋼筋混凝土已經取代木結構,成為了建筑的主流。木結構建筑在中國低迷了二十多年,直到最近才重新繁榮了起來。那么,既然鋼筋混凝土結實又易得,為什么還要重新使用這種古老的木結構呢?

  本篇文章內容由[中國幕墻網]編輯部整理發布:

  人類使用木材(詞條“木材”由行業大百科提供)修建遮風擋雨的場所已有上萬年的歷史了。可如今一提到建筑,大家想到的都是鋼筋混凝土的森林。

  從幾百米高的寫字樓,到普通的公寓住宅,無一不是厚重的鋼筋混凝土,就連新修的雷峰塔,其內部的承重結構也是鋼筋混凝土。

修葺一新的雷峰塔,表面看似是木結構,實則是徹底的鋼筋混凝土

  建國伊始,中國的鋼鐵產量極低,在建筑中使用鋼筋是一件非常奢侈的事。而木材既能就地取材,又易于加工,因此應用頗多。但到了80年代,隨著結構用木材的采伐殆盡和中國鋼鐵、水泥產量的一路飆升,鋼筋混凝土已經取代木結構,成為了建筑的主流。木結構建筑在中國低迷了二十多年,直到最近才重新繁榮了起來。

  那么,既然鋼筋混凝土結實又易得,為什么還要重新使用這種古老的木結構呢?

  英國正在設計一座80 層、300 米高的摩天大樓,名為 Oakwood Tower,如果能夠成功建造,它將成為倫敦第二高樓

  (一)鋼鐵水泥搞不定的,木材都能搞定

  其實,鋼筋混凝土也并不像我們想的那么萬能,比如大家最關心的抗震性能就是鋼筋混凝土的弱項。

  地震對結構的破壞,本質上來自建筑本身的慣性,而慣性則與重量有關。鋼筋混凝土的密度很大,你把它做得越粗、越結實,它的重量也就越大,遭受地震時受到的破壞力也就越大。

  因此,抗震始終是鋼筋混凝土結構中很令人頭疼的事情。尤其中國西南地區正好處于喜馬拉雅--地中海火山地震帶上,地震給當地鋼筋混凝土建筑造成的破壞之慘烈有目共睹。

  然而木結構就不存在這個問題。

  木材的密度只有鋼筋混凝土的五分之一,受到的地震破壞很小。加之木結構構件之間相互搭接留有一定裕度,可以輕松地消解掉地震力。因此在地震頻發的國家如日本、新西蘭等,都廣泛地采用了輕盈安全的木結構。

日本的木結構建筑

  此外,中國近年來植樹造林的成果非常顯著,大量成熟的速生林品種得到了廣泛的推廣,平均每公頃速生林每天就可以生產30公斤木材。適當的開發木材不僅不會破壞環境,而且還能創造經濟效益,幫助山區扶貧。而且,中國每年還從俄羅斯、日本等森林覆蓋率高的國家進口大量原木,木材的供給不成問題。

  而另一方面,鋼鐵、水泥和砂石則完全是不可再生的資源。它們的大量生產正在造成日益嚴重的山體破壞和空氣污染。

  由于無計劃的采砂采石,許多河道和山體已經面目全非。鋼筋混凝土正在成為越來越不環保的建筑材料。經計算,使用木材建造的工業廠房,其建造能耗只有鋼筋混凝土廠房的55%,鋼結構廠房的23%。

  由于木材的中空性質,它的保溫能力也遠遠優于鋼筋混凝土,可以降低使用能耗30%。在人類對綠色發展認識越來越深刻的今天,用木結構代替一部分鋼筋混凝土的需求越來越緊迫了。

被采石破壞的山體與茂密的速生林

  (二)新型木結構不是簡單仿古,而是高科技

  如今復興木結構,并不是單純地進行仿古,而是使用全新的木材和全新的建造工藝,建造現代化的木結構建筑,靠現代化的科技來最大化地利用木結構。

  對于傳統木結構建筑的缺點,現代木結構都進行了很好的彌補,揚長避短。

  木材是一種不勻質的材料。它主要由管狀細胞組成的纖維素相互貼合而成,這使得木材具有顯著的各向異性:沿纖維的方向,也就是樹木生長的縱向強度很高,而橫向強度則很低。

  這種各向異性還往往不規律,且天然的木材中經常有埋入樹干的枝杈形成木節,它與周圍木材的力學性能都不一樣,很容易形成應力集中,發生松動甚至斷開。

  因此,絕大多數的普通木材都無法用作關鍵構件(詞條“構件”由行業大百科提供),傳統木結構建筑必須對木材精挑細選,為了處理掉受力的薄弱區會去除大量木材,造成嚴重的浪費。

  這也就是"棟梁之材"一詞的來源。能做成棟梁的木材非常難得,價格也極其昂貴。

  不過現代木結構建筑可沒有那么挑食。

  現在的結構木材通常是復合木材,是采用旋切單板耐水合成樹脂粘結,熱壓成型的,專用來承重。它消除了鋸末和刨花,使木材的出材率提高了20%,并且完全不挑食。

  其中最為常用的旋切板,是將圓木旋轉切開成板材,再膠結熱壓成木材。用這種方式生產的結構木材,型號、強度以及體積變形都是可控的,安全上萬無一失,不再像傳統木材那樣,性能聽天由命。

  作為一種天然材料,木材會成為許多霉菌、蛀蟲的食物。腐爛、蟲蛀的木材強度會嚴重受損,進而威脅建筑安全。對于古代人來說,木結構建筑的防腐防蛀是一個非常令人頭疼的問題。

  因此,他們也會使用桐油、熏烤等方式來進行防腐防蛀。但傳統的防腐方式效果不夠好,而且很容易隨時間逐漸失效。

  不過在現代化學的加持下,采用水性丙烯酸酯改性聚氨酯脂肪族交聯型樹脂(詞條“樹脂”由行業大百科提供)與納米粉體復合的防腐材料,既能幫助木材抵抗腐蝕,又能提高耐磨性能及對抗極端氣候條件的耐候性

  因此,新型建筑材料(詞條“新型建筑材料”由行業大百科提供)通常會展現出富有光澤的外觀,與表面斑駁的傳統木結構差別很大。

蟲蛀過的木材

  此外,傳統木結構建筑最大的缺陷莫過于防火了。

  相比起西方,中國古建筑之所以留存較少,就是因為西方古建筑多以石材作為材料,而中國則多用木材。

  不過,防火對于現代木結構建筑來說并不困難。

  經過阻燃劑(詞條“阻燃劑”由行業大百科提供)化學改性的結構木材極其難燃,通常在受火面還會再覆蓋一層防火石膏。此外,對于較大的木結構建筑,還會使用防火材料(詞條“防火材料”由行業大百科提供)建造一些擋火構件,以阻止火苗、煙氣的流動。

  經過多種防火措施的加持,現代木結構建筑抵抗火災的能力甚至優于受熱后強度急劇下降的鋼結構建筑。

  (三)汶川地震讓木結構在中國重新興起,但推廣還需時日

  2008年,汶川地震造成的巨大破壞為人所熟知。痛定思痛,中國建筑師們對木結構迅速重視了起來。在人口壓力不大,同時處于地震帶的一些地區,逐漸興建了一批抗震性能優秀的木結構建筑。

  2009年8月開始,河北省開始推廣現代木結構建筑技術,四川受災地區的災后重建工作也大量使用了木結構。

  都江堰市有一座向峨小學,在汶川大地震中被全部震毀,師生傷亡360余人。2009年9月,向峨小學進行了重建,全校共計三棟單體:宿舍樓、餐廳和教學綜合樓。除廚房采用了部分鋼筋混凝土結構外,其余單體均為輕木結構體系建筑,是全國第一所全木結構校舍。

  這座小學打破了人們對于木結構"小打小鬧,只能蓋些鄉村別墅"的刻板印象。

  它的設計規模為12個班,可以容納540名學生,住宿300名學生。它占地面積21744平米,建筑面積5390平米,抗震設防烈度高達9度,是一般建筑中最高的設防烈度。在這座小學里上學的孩子再也不用擔心相同的悲劇重演了。

  相似的建筑還有北川擂鼓鎮中心敬老院。

  在這些抗震性能超一流的木結構建筑保護下,地震已經不再是什么難以克服的困難了。

  這九年來,中國的木結構建筑發展突飛猛進。木結構設計規范與木結構施工規范已于2012年相繼出臺,清華大學等重點高校的土木系也陸續開設了木結構課程,一些專門進行木結構房屋設計和建造的公司不斷涌現。木結構從原來的建筑小品,開始登堂入室,向大型、多層的方向發展。

  在未來,木結構的學校、公寓、醫院,乃至高層建筑會越來越多。

  (某木結構設計公司在國內設計的木屋別墅群)

木結構多層建筑

  木結構在中國大有可為,然而它的推廣不會一帆風順。

  目前,國內對于木結構仍然有很多偏見,覺得它蓋不高,密閉性不好,破壞森林,甚至認為它簡陋。

  事實上這完全是一種誤解,這些問題早已被現代木結構克服了。不過人的觀念轉變需要時間,相信隨著優秀的木結構建筑在中國越來越多,人們也會逐漸將木結構當作一個新的風尚。

  結語

  在未來的十年里,中國預計將要為新近城鎮化的3億人口提供約7500套住宅,老城區與農村的住房也面臨升級換代。

  而那個時候,擁擠逼仄的鋼筋混凝土森林將會逐漸被密度適中、規劃合理的有機社區逐漸替代,現代化木結構建筑正好為中國巨大的建筑市場需求提供既安全,又宜居的解決方案。

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