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生活中处处可见的木头,你真的了解它吗?

生活中处处可见的木头,你真的了解它吗?

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△ 图片来自ricespeir


有一种材料,它很环保,给人温暖而舒适的感觉;同时它耐久性好,使用年限可达百年甚至千年,它既可以做成一张薄纸又可以用以建造庞大的建筑体,它,就是木头。


地球上约有一兆英吨的木材,且每年约增加一千万吨。木材的蕴藏量大,是碳中性的、可再生材料,是当下最受关注的可再生能源之一。那么,生活中处处可见的木头,你真的了解它吗?


关于树种


树木主要分为针叶木和阔叶木这两类,也就是我们常说的软木和硬木。


软木来自常绿的针叶林,如左图的松树,树叶细长如针,包括雪松,柏树,冷杉,和云杉等。硬木如右图橡树这类阔叶树,它的叶子具有扁平、较宽阔的叶片,还包括白蜡树,柚木和胡桃木等。


硬木和软木主要由于各个树种、及其生长的环境、土壤、地理气候的不同,导致其木材质地和纹路的变化。


硬木,比如榆木,胡桃木,橡木等,通常这类树种树干通直部分较短,但是树木材质坚硬,比较适合制作家具。木材合适的含水率对木材家具制作有着很大的影响,一般需要控制在15%以下。


而软木大多高大笔直,纹理清晰,容易加工,是建造木屋别墅的主要材料。相对硬木,不易胀缩变形,而且更耐腐蚀。特别是木屋原产地——北美地区的SPF,是常见的用于木屋建造的结构材料。


关于木材的强度


木材的特性包含各种因素,因此需要根据用途进行选择。主要的两个因素为木材的外观和强度,其中强度是建材的首要考虑因素。


具体来说,木材的密度越高,强度越高。其他因素如干燥程度也会影响强度,一般我们可以通过人眼观察和机器辅助来帮助辨别强度。


其它材料如金属、塑料和陶瓷往往具有相当均匀的内部结构,在某一点的各个方向上力学性能是相同的。而木材不同,因其年轮和内部结构的不同,沿着纤维和垂直纤维方向一般都会有巨大的性质差。如果你曾经用斧头砍过木头就会知道,顺延着木纹砍就很容易劈开,直接垂直对着木纹劈就要困难的多。


因此,木材是各向异性材料,这意味着一块木材在不同的方向上具有不同的特性。木材强度基本取决于纹理方向,正确的使用其强度并不比钢材弱。


同理建造木结构建筑也要考虑到木材的力学性能。传统的木结构,会使用较大的木柱,使传递荷载的路径平行于木纹方向,当受力方向与木纹方向一致时,木材具有较高的抗压强度。当压力方向与木纹方向垂直时,其抗压强度就要弱得多,通常需要增加支撑来阻止弯曲和折断。


随着对木材研究的不断深入以及科技水平的提高,木材也在不断的在打破以往人们对它的认知,创造了越来越多的可能性。


△ 超强木材的制备示意图和机械性能。图片来自 Nature


根据美国马里兰大学的最新研究成果,原生木材直接处理成为一种超强超韧的高性能结构材料,强度甚至媲美钢材,实验方法主要通过热压法能够最大程度压缩木材,使木材达到最大致密化,同时消除了原生木材中的结构缺陷,且保留纤维素的有序排列,从而大幅度提高木材的多方面强度指标。


木材的性能


因为木材具有其他材料无法比拟的环境学特性,知道木头的特性之后,才能更好的使用它。


绿色,可再生


只要合理种植、砍伐树木,相对于其他建筑材料如砖石、混凝土和钢材等,木材最易再生产,速生材一般周期为10~50年。


对分别以木材、钢材和混凝土为主要结构材料,面积约2000平方米的不同住宅建筑进行比较,结果表明:木结构建筑消耗的能量是混凝土建筑的45%、是钢结构建筑的66%;木结构建筑排放的等效二氧化碳是混凝土建筑的66%、是钢结构建筑的81%;木结构建筑的空气污染指数是混凝土建筑的46%、是钢结构建筑的57%;木结构建筑的水污染指数是混凝土建筑的47%、是钢结构建筑的29%。因此,综合考虑能耗、等效二氧化排放、空气污染、水污染、生态资源耗用和固体废弃物排放等因素,木材最为绿色环保。


越来越多的建筑师主张回归木结构建筑,并身体力行地推动他们的主张。木材如果是取自可持续管理的森林,实际上是有助于碳的储存,因为树木在生长过程中,会从大气中吸收二氧化碳,释放氧气。每立方米木材能吸收大约一吨的二氧化碳,相当于350升汽油。至于实际存储多少,则取决于树木的种类。



具有保温隔热性能


由于木材本身构造的特点,细胞内有空腔,形成了天然的中空材料,使得热传导速度慢,保温、热性能好,所以木结构有冬暖夏凉的特点。


木材是优良的隔热材料,其热阻值是钢材的400 倍,是混凝土或砖的10倍。木结构建筑结构体系的中空墙体设计内能填充保温材料,进一步提升了建筑围护结构的整体保温隔热性能。这意味着钢材、混凝土或砖石结构建筑如要达到与木结构相同水平的节能性能,必须使用更多的保温材料或加厚墙体。



建筑重量较轻


木材密度比传统建筑材料都小。木材的强度与荷载作用方式、荷载与木纹的方向等因素有关,但只要设计合理,木材的抗压、抗强度是完全能达到建筑标准的。


施工便利


木材易加工,可切成各种形状。木结构构件相对轻巧,运输和安装都较容易,尤其对于轻型木结构建筑安装无需大型设备,3~4个月就能完成一独立别的建造。


抗震性能良好


结构物上的地震作用与结构质量有关,木结构质量轻,产生的地震作用小;木结构的整体结构体系一般具有较好的塑性、韧性,因此在国内外历次强震中木结构都表现出较好的抗震性能。


2009年在日本神户三木市,世界最大的振动台对一栋足尺寸的六层轻型木结构进行了模拟1995年阪神地震强度的测试,试验证明了中高层木结构对地震具有很好的耐受力。


△ 图片来自 NEEDwood JAPAN 2009 KOBE



预制化程度高


现代木结构建筑一般采用工厂预制构件的生产和建造方式。与其它建筑形式相比,木结构的现场施工周期能缩短2/3左右 。工厂预制、批量生产、现场安装、可最大限度控制质量、加快施工速度、节约成本。木材十分轻巧,易于在现场施工且木材在运输过程中消耗的能源也较少。木结构建筑自重轻,基础施工用材也少。


加拿大目前国家建筑规范已经允许纯木建筑最高建造到6层,下一版的修订正在考虑将层数拓展到12层。而中国最新颁布的GB/T 51226-2017《多高层木结构建筑技术标准》也允许木结构建造到5层。这将为未来木建筑的发展带来更多可能性。


建造多层木结构不仅成本更为经济,同时会带来更好的环境效益,而且也更适合中国的现实国情。


(责任编辑:何雯丽)




延伸阅读:

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