人類使用木材(詞條“木材”由行業(yè)大百科提供)修建遮風擋雨的場所已有上萬年的歷史了??扇缃褚惶岬浇ㄖ?,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(chǎn)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(chǎn)量的一路飆升,鋼筋混凝土已經(jīng)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,比如大家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(qū)正好處于喜馬拉雅--地中?;鹕降卣饚?,地震給當?shù)劁摻罨炷两ㄖ斐傻钠茐闹畱K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(fā)的國家如日本、新西蘭等,都廣泛地采用了輕盈的木結構。
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(chǎn)30公斤木材。適當?shù)拈_發(fā)木材不僅不會破壞環(huán)境,而且還能創(chuàng)造經(jīng)濟效益,幫助山區(qū)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(chǎn)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(jīng)面目全非。鋼筋混凝土正在成為越來越不環(huán)保的建筑材料。經(jīng)計算,使用木材建造的工業(yè)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(yōu)于鋼筋混凝土,可以降低使用能耗30%。在人類對綠色發(fā)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(xiàn)代化的木結構建筑,靠現(xiàn)代化的科技來化地利用木結構。
對于傳統(tǒng)木結構建筑的缺點,現(xiàn)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(guī)律,且天然的木材中經(jīng)常有埋入樹干的枝杈形成木節(jié),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(fā)生松動甚至斷開。
因此,絕大多數(shù)的普通木材都無法用作關鍵構件(詞條“構件”由行業(yè)大百科提供),傳統(tǒng)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(qū)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(xiàn)代木結構建筑可沒有那么挑食。
現(xiàn)在的結構木材通常是復合木材,是采用旋切單板或耐水的合成樹脂粘結,熱壓成型的,專門用來承重。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(chǎn)的結構木材,型號、強度以及體積變形都是可控的,上萬無一失,不再像傳統(tǒng)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。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(tǒng)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(xiàn)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(lián)型樹脂(詞條“樹脂”由行業(yè)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(yè)大百科提供)通常會展現(xiàn)出富有光澤的外觀,與表面斑駁的傳統(tǒng)木結構差別很大。
蟲蛀過的木材
此外,傳統(tǒng)木結構建筑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(xiàn)代木結構建筑來說并不困難。
經(jīng)過阻燃劑(詞條“阻燃劑”由行業(yè)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(yè)大百科提供)建造一些擋火構件,以阻止火苗、煙氣的流動。
經(jīng)過多種防火措施的加持,現(xiàn)代木結構建筑抵抗火災的能力甚至優(yōu)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(qū),逐漸興建了一批抗震性能的木結構建筑。
2009年8月開始,河北省開始推廣現(xiàn)代木結構建筑技術,四川受災地區(qū)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(xiāng)村別墅"的刻板印象。
它的設計規(guī)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(zhèn)中心敬老院。
在這些抗震性能超的木結構建筑保護下,地震已經(jīng)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(fā)展突飛猛進。木結構設計規(guī)范與木結構施工規(guī)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(xù)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(xiàn)。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(fā)展。
在未來,木結構的學校、公寓、醫(yī)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(xiàn)代木結構克服了。不過人的觀念轉變需要時間,相信隨著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(zhèn)化的3億人口提供約7500套住宅,老城區(qū)與農(nóng)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(guī)劃合理的有機社區(qū)逐漸替代,現(xiàn)代化木結構建筑正好為中國巨大的建筑市場需求提供既,又宜居的解決方案。