用木材製成的結構。木材是一種取材容易,加工簡便的結構材料。木結構自重較輕,木構件便於運輸、裝拆,能多次使用,故廣泛地用於房屋建築中,也還用於橋樑和塔架。近代膠合木結構的出現,更擴大瞭木結構的應用範圍。

  木材受拉和受剪皆是脆性破壞,其強度受木節、斜紋及裂縫等天然缺陷的影響很大;但在受壓和受彎時具有一定的塑性。木材處於潮濕狀態時,將受木腐菌侵蝕而腐朽;在空氣溫度、濕度較高的地區,白蟻、蛀蟲、傢天牛等對木材危害頗大。木材能著火火燃燒,但有一定的耐火性能。因此木結構應采取防腐、防蟲、防火措施,以保證其耐久性(見木結構的防腐防蟲和防火)。

  沿革 中國是最早應用木結構的國傢之一。根據實踐經驗采用梁、柱式的木構架,揚木材受壓和受彎之長,避受拉和受剪之短,並具有良好的抗震性能;建於遼朝(1056年)的山西省應縣木塔(見彩圖),充分體現瞭結構自重輕、能建造高聳結構的特點。在木結構的細部制作方面,采用幹燥的木材制作結構,並使結構的關鍵部位外露於空氣之中,可防潮而免遭腐朽;在木柱下面設置礎石,既避免木柱與地面接觸受潮,又防止白蟻順木柱上爬為害結構;在木材表面用較厚的油灰打底,然後油漆,除美化環境外,兼有防腐、防蟲和防火的功能。

佛宮寺釋迦塔(應縣木塔),是中國古代木結構,位於山西應縣,建於1056年

  中國的木結構建築在唐朝已形成一套嚴整的制作方法,但見諸文獻的是北宋李誡主編的《營造法式》,是中國也是世界上第一部木結構房屋建築的設計、施工、材料以及工料定額的法規。對房屋設計規定“凡構屋之制,皆以材為祖。材有八等,度屋之大小,因而用之”。即將構件截面分為八種,根據跨度的大小選用。經按材料力學原理核算,當時木構件截面與跨度的關系符合等強度原則,說明中國宋代已能通過比例關系選材,體現出梁抗彎強度的原理。與梁、柱式的木構架溶為一體的中國木結構建築藝術別具一格,並在宮殿和園林建築的亭、臺、廊、榭中得到進一步發揚,是中華民族燦爛文化的組成部分。

  近代木結構是在產業革命以後,隨著房屋和橋梁的建設而發展起來。

  分類 木結構按連接方式和截面形狀分為齒連接的原木或方木結構,裂環、齒板或釘連接的板材結構和膠合木結構。

  齒連接的原木或方木結構 以手工操作為主的工地制造的結構。加工簡便,發展最早,應用也最廣。在中國應用最多的也是這種結構形式(見木桁架)。

  原木或帶髓心的方木在幹燥過程中,多發生順紋開裂。當裂縫與桁架受拉下弦連接處受剪面重合時,將降低木結構的安全度,甚至導致破壞。故在采用原木或方木結構時,應采取可靠措施,盡量減少裂縫對結構的不利影響。

  原木和方木截面較大,幹燥費時,所以制作時隻能采用截面內外平均含水率不大於25%的半幹材。半幹材在安裝後逐漸幹燥到與空氣中的相對濕度平衡時,將產生橫紋幹縮,並在節點處產生的橫紋或斜紋承壓變形偏大,再由於齒連接手工操作的偏差,致使原木或方木結構的變形較大。

  原木或方木桁架的下弦除瞭開裂的影響之外,還常因所供應的木材質量偏低,難以選得符合受拉構件材質標準的木材。為瞭保證原木或方木結構的安全可靠,在中國大量推廣應用鋼材作下弦和拉桿的鋼木桁架。以保證結構的安全可靠,並在一定程度上提高瞭結構的剛度,減小瞭變形。

  裂環、齒板或釘連接的板材結構 由厚度在10厘米以內的木板組成的結構。木板厚度小,能在短期內幹燥,結構的變形較小,且木板又無完整的年輪,在幹燥過程中切向和徑向收縮率不一致所引起的翹曲可用加壓的方法控制;幹燥不均勻引起的內應力很小,即使產生裂縫,因開裂程度輕微,不影響結構的安全。裂環、齒板的構造見木結構的連接。

  ① 裂環連接的板材結構。裂環能傳遞較大的內力,既能用於節點連接,又能用於接頭的連接;裂環能標準化生產,環槽可用機具開鑿,可使木結構的制作進入工業化生產。

  裂環通過環槽承壓和連接靠木材受剪傳力,其安全度受脆性破壞的木材抗剪強度控制。裂環安裝後處於隱蔽狀態,不易檢查。因此被齒板逐漸取代。

  ② 齒板連接的板材結構。沖壓而成的齒板用油壓機直接壓入木材,制造簡便,與裂環連接相比,具有較高的緊密性,減小瞭結構的變形,且便於檢查。齒板通過眾多的齒分散承壓傳力,有很好的韌性,比裂環連接可靠。近年來國外多將齒板應用於桁架節點和接頭的連接。

  ③ 釘連接的板材結構。多在工地制造,由於加工方便,可以制成弧形桁架等合理的結構形式,在蘇聯應用較多。中國曾用於體育館、倉庫等跨度較大的屋蓋結構。由於釘連接的後期變形較大,應用受到一定的限制。

  膠合木結構 包括層板膠合結構和膠合板結構。由於膠合木結構能較好地利用木材的優點和克服其缺點,使木材在結構中的應用更為合理,所以在一些技術發達的國傢得到較大的發展,而成為木結構的主要形式。多用於大跨度的房屋。近年來,美國相繼建成直徑為153米、162米及208米的膠合木圓頂。

  此外,將木材旋切成3~10毫米厚的單板,木紋相互平行層疊熱壓膠合成30~50毫米厚的板材稱為密層膠合木,可用以制成各種構件或結構。密層膠合木的問世使膠合木結構的應用達到新的高度。如建於1976年跨度為122米的密層膠合木筒拱,用於美國愛達荷州立大學足球場的屋蓋,上、下翼緣采用由16層單板膠合厚度為45毫米的密層膠合木。圖為在吊裝筒拱。

吊裝筒拱圖

  展望 木材是一種再生的天然資源,且人類習慣使用木材已有悠久歷史,在對木材的防腐、防蟲、防火措施日臻完善的條件下,充分發揮木材自重輕、制作方便的優點,做到次材優用,小材大用,提高木材的利用率,除繼續用於一般建築外,在大跨度建築屋蓋結構方面有其一定的前途。

  

參考書目

 哈爾濱建築工程學院等編:《木結構》,中國建築工業出版社,北京,1981。

 《木結構設計手冊》編寫組編寫:《木結構設計手冊》,中國建築工業出版社,北京,1981。