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云南木结构,世界最高的木结构摩天楼将达80层,但它怎么防火?

来源:/news/80.html       发布时间:2018-08-21

人类使用木材修建遮风挡雨的场所已有上万年的历史了。可如今一提到建筑,大家想到的都是钢筋混凝土的森林。

从几百米高的写字楼,到普通的公寓住宅,无一不是厚重的钢筋混凝土,就连新修的雷峰塔,其内部的承重结构也是钢筋混凝土。

建国伊始,中国的钢铁产量极低,在建筑中使用钢筋是一件非常奢侈的事。而木材既能就地取材,又易于加工,因此应用颇多。但到了80年代,随着结构用木材的采伐殆尽和中国钢铁、水泥产量的一路飙升,钢筋混凝土已经取代木结构,成为了建筑的主流。木结构建筑在中国低迷了二十多年,直到最近才重新繁荣了起来。

那么,既然钢筋混凝土结实又易得,为什么还要重新使用这种古老的木结构呢?

(英国正在设计一座80 层、300 米高的摩天大楼,名为 Oakwood Tower,如果能够成功建造,它将成为伦敦第二高楼)

(一)钢铁水泥搞不定的,木材都能搞定

其实,钢筋混凝土也并不像我们想的那么万能,比如大家最关心的抗震性能就是钢筋混凝土的弱项。

地震对结构的破坏,本质上来自建筑本身的惯性,而惯性则与重量有关。钢筋混凝土的密度很大,你把它做得越粗、越结实,它的重量也就越大,遭受地震时受到的破坏力也就越大。

因此,抗震始终是钢筋混凝土结构中很令人头疼的事情。尤其中国西南地区正好处于喜马拉雅——地中海火山地震带上,地震给当地钢筋混凝土建筑造成的破坏之惨烈有目共睹。

然而木结构就不存在这个问题。

木材的密度只有钢筋混凝土的五分之一,受到的地震破坏很小。加之木结构构件之间相互搭接留有一定裕度,可以轻松地消解掉地震力。因此在地震频发的国家如日本、新西兰等,都广泛地采用了轻盈安全的木结构。

此外,中国近年来植树造林的成果非常显著,大量成熟的速生林品种得到了广泛的推广,平均每公顷速生林每天就可以生产30公斤木材。适当的开发木材不仅不会破坏环境,而且还能创造经济效益,帮助山区扶贫。而且,中国每年还从俄罗斯、日本等森林覆盖率高的国家进口大量原木,木材的供给不成问题。

而另一方面,钢铁、水泥和砂石则完全是不可再生的资源。它们的大量生产正在造成日益严重的山体破坏和空气污染。

由于无计划的采砂采石,许多河道和山体已经面目全非。钢筋混凝土正在成为越来越不环保的建筑材料。经计算,使用木材建造的工业厂房,其建造能耗只有钢筋混凝土厂房的55%,钢结构厂房的23%。

由于木材的中空性质,它的保温能力也远远优于钢筋混凝土,可以降低使用能耗30%。在人类对绿色发展认识越来越深刻的今天,用木结构代替一部分钢筋混凝土的需求越来越紧迫了。

(二)新型木结构不是简单仿古,而是高科技

如今复兴木结构,并不是单纯地进行仿古,而是使用全新的木材和全新的建造工艺,建造现代化的木结构建筑,靠现代化的科技来最大化地利用木结构。

对于传统木结构建筑的缺点,现代木结构都进行了很好的弥补,扬长避短。

木材是一种不匀质的材料。它主要由管状细胞组成的纤维素相互贴合而成,这使得木材具有显著的各向异性:沿纤维的方向,也就是树木生长的纵向强度很高,而横向强度则很低。

这种各向异性还往往不规律,且天然的木材中经常有埋入树干的枝杈形成木节,它与周围木材的力学性能都不一样,很容易形成应力集中,发生松动甚至断开。

因此,绝大多数的普通木材都无法用作关键构件,传统木结构建筑必须对木材精挑细选,为了处理掉受力的薄弱区会去除大量木材,造成严重的浪费。

这也就是“栋梁之材”一词的来源。能做成栋梁的木材非常难得,价格也极其昂贵。

不过现代木结构建筑可没有那么挑食。

现在的结构木材通常是复合木材,是采用旋切单板或耐水的合成树脂粘结,热压成型的,专门用来承重。它消除了锯末和刨花,使木材的出材率提高了20%,并且完全不挑食。

其中最为常用的旋切板,是将圆木旋转切开成板材,再胶结热压成木材。用这种方式生产的结构木材,型号、强度以及体积变形都是可控的,安全上万无一失,不再像传统木材那样,性能听天由命。

作为一种天然材料,木材会成为许多霉菌、蛀虫的食物。腐烂、虫蛀的木材强度会严重受损,进而威胁建筑安全。对于古代人来说,木结构建筑的防腐防蛀是一个非常令人头疼的问题。

因此,他们也会使用桐油、熏烤等方式来进行防腐防蛀。但传统的防腐方式效果不够好,而且很容易随时间逐渐失效。

不过在现代化学的加持下,采用水性丙烯酸酯改性聚氨酯脂肪族交联型树脂与纳米粉体复合的防腐材料,既能帮助木材抵抗腐蚀,又能提高耐磨性能及对抗极端气候条件的耐候性。

因此,新型建筑材料通常会展现出富有光泽的外观,与表面斑驳的传统木结构差别很大。

此外,传统木结构建筑最大的缺陷莫过于防火了。

相比起西方,中国古建筑之所以留存较少,就是因为西方古建筑多以石材作为材料,而中国则多用木材。

不过,防火对于现代木结构建筑来说并不困难。

经过阻燃剂化学改性的结构木材极其难燃,通常在受火面还会再覆盖一层防火石膏。此外,对于较大的木结构建筑,还会使用防火材料建造一些挡火构件,以阻止火苗、烟气的流动。

经过多种防火措施的加持,现代木结构建筑抵抗火灾的能力甚至优于受热后强度急剧下降的钢结构建筑。

(三)汶川地震让木结构在中国重新兴起,但推广还需时日

2008年,汶川地震造成的巨大破坏为人所熟知。痛定思痛,中国建筑师们对木结构迅速重视了起来。在人口压力不大,同时处于地震带的一些地区,逐渐兴建了一批抗震性能优秀的木结构建筑。

2009年8月开始,河北省开始推广现代木结构建筑技术,四川受灾地区的灾后重建工作也大量使用了木结构。

都江堰市有一座向峨小学,在汶川大地震中被全部震毁,师生伤亡360余人。2009年9月,向峨小学进行了重建,全校共计三栋单体:宿舍楼、餐厅和教学综合楼。除厨房采用了部分钢筋混凝土结构外,其余单体均为轻木结构体系建筑,是全国第一所全木结构校舍。

这座小学打破了人们对于木结构“小打小闹,只能盖些乡村别墅”的刻板印象。

它的设计规模为12个班,可以容纳540名学生,住宿300名学生。它占地面积21744平米,建筑面积5390平米,抗震设防烈度高达9度,是一般建筑中最高的设防烈度。在这座小学里上学的孩子再也不用担心相同的悲剧重演了。

相似的建筑还有北川擂鼓镇中心敬老院。

在这些抗震性能超一流的木结构建筑保护下,地震已经不再是什么难以克服的困难了。

这九年来,中国的木结构建筑发展突飞猛进。木结构设计规范与木结构施工规范已于2012年相继出台,清华大学等重点高校的土木系也陆续开设了木结构课程,一些专门进行木结构房屋设计和建造的公司不断涌现。木结构从原来的建筑小品,开始登堂入室,向大型、多层的方向发展。

在未来,木结构的学校、公寓、医院,乃至高层建筑会越来越多。

木结构在中国大有可为,然而它的推广不会一帆风顺。

目前,国内对于木结构仍然有很多偏见,觉得它盖不高,密闭性不好,破坏森林,甚至认为它简陋。

事实上这完全是一种误解,这些问题早已被现代木结构克服了。不过人的观念转变需要时间,相信随着优秀的木结构建筑在中国越来越多,人们也会逐渐将木结构当作一个新的风尚。

结语

在未来的十年里,中国预计将要为新近城镇化的3亿人口提供约7500万套住宅,老城区与农村的住房也面临升级换代。

而那个时候,拥挤逼仄的钢筋混凝土森林将会逐渐被密度适中、规划合理的有机社区逐渐替代,现代化木结构建筑正好为中国巨大的建筑市场需求提供既安全,又宜居的解决方案。

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