重木连接设计—优选指南

全球的业主、开发商、建筑师和承包商越来越认可重木结构这种创新建筑类型，重木结构在环境效益、建筑美学和施工效率等方面具有显著的优势，重木结构房屋在全世界的认可度持续上升。

随着建造重木结构房屋数量的增加，人们更加希望对成本因素进行详细分析。木构件的用量越大成本也随之增加，因此，尽可能地减少构件尺寸是很重要的。重木结构中的连接件的费用也会大大影响整个项目的成本。然而，由于重木的连接设计涉及广泛，不仅要考虑结构设计，还要考虑美学、防火要求、可施工性、对收缩和膨胀的适应性以及防潮等因素，因此寻找最佳的解决方案极具挑战性。

我们把结构连接方式分为三类，这三种连接方式都是从成本、可施工性和防火等级方面的属性进行分类。如下图所示，从左到右分别是class1、class2、class3。

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重木构件连接的设计应基于公认的结构力学原理，其最低要求和操作指南应该标准化，满足但不限于以下规范标准：

连接件的承载能力取决于材料强度、承载面积、紧固件类型、尺寸和长度以及其他因素。虽然连接件的承载能力也是成本的考虑因素，但它不是唯一的因素。因此，本文提供了各种连接选项，最终选择将取决于结构计算要求，以及与可施工性和性能相关等要求。

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除了连接的结构能力之外，在重木连接设计中还必须考虑其他几个重要的因素，包括美观、施工公差、施工便利性、防水和木材收缩的问题、防火等级和检查要求以及成本。以下部分将详细讨论这些注意事项。

重木结构建筑亮点是暴露在外的木结构部分，重木结构的连接设计在美学上也是考量的因素，不同项目的建筑师和业主对美学的理解会有所不同，项目有时需要提供无缝外观的连接，隐藏连接件，但在一般情况下，显示连接结构组件仍是首选，如此，金属五金件的表面处理也是美观的重要因素。

例如，下图显示了两种梁与柱的连接方式，一根在隐蔽安装中使用现代螺钉（下图左），另一种使用20世纪早期磨坊建筑中常见的外露铸造金属连接件（下图右）。在大多数情况下，两种连接方式皆可，但是视觉上的差别明显。

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重木的制造通常对构件的尺寸和孔、槽口的位置具有非常严格的公差要求，其公差控制在1.5mm范围内。这种公差虽然在重木构件相互连接时非常有利，但将重木元件连接到其他准允更大公差的材料时却遇到了挑战。为了最大限度地提高施工可行性，必须在设计期间考虑这些不同材料的公差。

例如，下表中显示了三种混凝土和木材之间在不同准许公差下的解决方案（允许不同材料的构件之间存在间隙）；现场浇筑作为调整高度的一种手段，提供内置可调节性连接方案。在设计阶段调整公差相对简单，但在现场修复时更为复杂、且耗时成本高昂。

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重木建筑的木构件在可以在工厂完成预制，在设计时要考虑不同的预制件的公差，因为它将对安装的便利性产生重大影响，这就要求在施工之前，承包商和重木预构件生产商进行前期沟通商定。

基于之前对重木结构的经验， 不同的承包商都有各自首选的供应商的排序，及擅长的重木连接方式和紧固件类型方案。承包商商对项目的熟悉度会影响他们对风险控制的能力，从而对成本产生直接影响。

承包商和供应商的偏好会对施工进度和整体项目成本产生很大影响。由于供应商或承包商的专业介入，看起来更昂贵的重木结构实际上可能是项目的最优经济选择。

木材本质上是一种多孔材料，因此容易受到自然环境和场地的水分波动的影响。当木材中的水分含量增加时，构件会膨胀。当水分含量减少时，它会收缩。膨胀和收缩都是木材结构的自然表现，但如果在设计中没有适当解决，两者都可能对整体结构产生损坏。

例如，在下左图所示的“横梁与面板”连接中，木板的膨胀可能会导致螺钉头部向上拉伸，从而使螺钉承受意想不到的潜在的巨大的拉力。如果木板收缩，螺丝头可能会暴露在面板顶部上方，可能会绊倒或损坏面板上方的饰面，以上问题可以通过仔细选择螺钉头、埋头孔深度和螺纹长度以及现场的水分管理来解决。

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在上右图“混凝土柱与梁”连接中，将木构件用螺栓连接到混凝土柱，钢板起到了紧固的作用。如果木梁收缩，由于多个螺栓限制了构件的垂直运动，梁的层间可能会出现分层和开裂。如果横梁膨胀，可能会在底板处多个螺栓孔之间对横梁造成挤压损坏。考虑到梁的收缩和膨胀，最好使用尽可能靠近底板的单个螺栓，或者将梁上的孔垂直开槽或加大尺寸，以允许螺栓和木头在两者之间移动。

水分渗透会使木材直接变色，水分与未受保护的金属连接部件接触，这对于暴露在外的构件是及其不利的。木构件的末端特别容易受潮气渗入，应适当保护。混凝土本身也可能是水分的来源，因此将木构件与混凝土构件脱开或隔开是比较稳妥的设计。

如IBC中所述，重木结构可能需要满足基于建筑类型的耐火等级要求。由于在火灾中重木构件形成保护性的碳化层，从而达到防火要求，更多信息，参考以下资料：

实木的固有耐火性按照NDS第16章计算。如果需要防火等级，则构件和连接都必须是防火等级的。IBC和NDS都要求重木连接在整个耐火等级时间内产生保护。NDS允许使用木材、石膏或其他经批准的材料。

作为耐火等级组件的一部分进行测试的连接不需要额外的防火保护。根据IBC中定义的建筑类型防火组件列表可在WoodWorks的耐火测试重木材组件和清单中找到。建议与当地管辖部门合作，会对项目产生重大的成本影响。

如下图所示，Class1连接（仅需要木构件和紧固件），防火性要求取决于它们的尺寸和负载需求。Class2级连接（包含定制钢结构元件）通常需要额外的保护以满足防火要求，而 Class3级连接（定制连接件）通常根据建筑规范和材料规定获得批准。有许多可用的防火性能测试数据可供参考。

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成本也是选择连接方式考量的重要因素。影响成本的因素有很多，可以优化重木连接方式以节省成本。其中早期沟通很关键，包括与建筑师和业主沟通，用于了解业主对最终建筑方案愿景，或与当地管辖部门沟通以了解对防火和检查要求的解释，以及与承包商和供应商沟通以考虑施工和制造方面相关问题。

紧固件的选择对重木连接成本有很大影响。根据连接，紧固件可以是钉子、螺纹螺钉、全螺纹螺钉、螺栓或销钉。甚至一些木材连接根本不需要金属部件。一般来说重木连接的成本，钉子，特别是射钉枪钉，是最便宜的紧固件，其次是排列螺钉、部分螺纹螺钉、全螺纹螺钉，最后是螺栓。在安装方面，钉枪通常也是最快和最容易安装的，而螺栓通常更复杂且耗时。

重木建筑在连接不同的材料就变的更为昂贵。例如，将重木元件连接到钢、混凝土或砖石元件时可能会增加成本。在大多数重木结构项目中，特别是使用其他材料时，仔细考虑连接的数量和细节有助于降低成本。

虽然Class1类连接通常是最便宜的并且最易安装。但根据客户其他要求，例如美观、防火等级或在项目中多次使用同一重木连接，可能首选Class2或Class3级连接，有助于降低总体成本。

基于所需的重木连接和标准力学，重木结构连接的设计相对简单。然而，选择合适重木结构连接并不那么简单，需要考虑美观、湿度、防火等级、检查要求、成本和项目的其他方面，应该根据项目需求选择最佳的连接方式。