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木结构房屋的主要结构知识

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木桁架


加拿大作为一个全球林业及等级结构木材产品的领导者投入了大量精力研发现代木结构建筑系统。这一优异的建筑系统广受北美、南美、欧洲及亚洲等各个国家的青睐。现代木结构建筑的应用及其广泛,它可以用来建造整个房屋建筑、部分房屋部件、屋顶的平改坡工程以及在现有房屋上加盖木结构屋顶等。


木结构屋架的基本组成构件是木桁架。其主要部分是用镀锌钢连接板(屋架齿板)连接而成的三角形结构木材框架。木桁架强度高重量轻的特性使其适用于大跨度的屋面,给屋面平面设计提供了很大的灵活性。屋架可设计成几乎所有形状和尺寸,因此适用于独特的结构和屋顶形状设计。木屋架正被广泛用于各种商业和公共建筑以及几乎所有的住宅建筑形式中。制作木桁架所用的结构木材严格符合国家建筑设计标准,多年反复严格的测试保证了其强度能满足建筑结构设计的需要。



今天,加拿大及美国大部分的住宅屋顶都采用了木桁架屋顶系统建造。木桁架屋顶也盛行于欧洲、日本和韩国等国家。在中国,开发商比如北京首创集团也将木桁架屋顶这一快速、经济、设计灵活的建筑系统运用到混凝土别墅的屋顶。而加拿大的木结构建筑专家和中国开发商建造商合作开发的在上海、青岛等地的木桁架平改坡项目也证明了木桁架屋架系统在市政旧房改造平改坡项目中运用前景广泛且优势明显。



木桁架的另一个广泛应用便是市政平改坡工程项目。1999年,上海市政府率先展开了大规模市政旧房屋顶改造项目,通过在平顶的旧公房上加盖斜坡屋顶以改善原有房屋的漏水问题,同时美观建筑并提升其节能性能。自此之后,北京、青岛、天津等各大城市都相继开始了旧房平改坡工程,同时各地政府也在积极探索一种新型更优异的屋架系统来完善现有的轻钢平改坡体系。


老式的平改坡采用了传统的钢结构设计建造。现在,一个新型的加拿大木桁架平改坡系统已经被反复试验论证成为平改坡工程另一个更佳选择。木桁架屋架结构重量轻,对地基承载小,短短10天即可完成屋架现场安装建造,施工期间对居民打扰极小,这些无与伦比的优势都吸引着各地政府和开发商的目光。而近期在上海和青岛完工的一系列平改坡试点项目更证明了木桁架平改坡是政府和开发商进行平改坡工程的明智选择。



屋顶的建筑应用


木材作为一种建筑材料在多种屋顶造型上应用是功不可没的。在住宅建筑中,屋顶可由椽子的每一端由梁和承重墙支撑,也可由系杆椽子搭在有支撑墙体侧限的外部墙上。



桁架


木桁架广泛地运用在单体或多单元住宅中,机关建筑,农业和工业建筑中。桁架是由梁腹和弦杆组成的三角形的结构框架用来将荷载传递到反作用力点。这种结构可增加强度重量比,能使传统的框架的跨度增长,还可给地板平面布置图提供更大的灵活性。 它们几乎上可以设计成任何形状和尺寸,仅仅受生产能力,运输条件和处理因素的限制而已。木桁架是通过镀锌钢齿板压制到事先锯好的且装有夹具的木构件中预制而成的。


在加拿大,大多数新房子都采用木桁架。 难怪人们会考虑到以下因素:


1、强度: 桁架提供了坚实有效结构的木质系统,特别是针对每一个应用进行工程计算。


2、经济: 通过有效地使用木材,用事半倍功的效率组装传统的木框架的系统。木桁架提供了经济的框架解决方案。


3、多功能性: 复杂的形状和非同一般的设计易于用木桁架来实现。


4、环保: 木材是一种唯一可更新利用的框架材料,通过优化使用可达到具体的用途。


5、无中间支撑的长跨度产生大而开阔的空间,建筑师和设计者们可以完全不受限制地使用。在无需调整建筑物结构完整性的前提下,隔墙就可以移动。 和传统的椽子基础系统相比较,用木桁架制作成屋面需要一半的时间。 再者,灵活性和经济


实用性的木桁架使人们有下列理由来使用它:


1、木桁架的形状几乎有无限多的种类,因此可容许考虑具有鲜明特色的屋顶形状。


2、很多餐厅的连锁店都选择把自己企业标识用预制的金属板和房屋的木桁架连接在显而易见的地方。


3、用金属板连接的桁架可以创造出所有类型的拱形结构。


4、用于如农业和工业建筑中的木桁架提供的跨度超过25米(80英尺)。


5、作为其强度的一个证据,木桁架用于混凝土模板工程,脚手板和工业项目中的脚手架。


6、屋面的空腹构造和地面的桁架使水管,电气, 机械以及卫生设施都容易安装。


7、拱形吊顶容易制作。坡顶桁架的下弦可以有坡度或者平行弦杆坡顶桁架可以坐落在不同高度的支撑上。顶部桁架的设计目的是在屋面空间内可以提供居住区。


8、木桁架具有多功能性和其它结构的产品相兼容的特性。可以和其它的桁架相连接(如:主梁桁架)或者与其它的部件连接,如:胶合木,单层板压材, 平行纤维材及钢梁。 在北美,木制桁架通常坐落在混凝土或砖石墙上,仅把屋面和墙体连接即可。


9、带铰链的齿板用在单坡桁架上使组合式房屋用传统的斜面屋顶安装,大大地增强了其美观性。

形状


下面是一些最常见的桁架形状及其术语:



屋顶设计


设计轻型木结构屋顶时,规格材椽木和屋顶搁栅通常用于普通负载和跨度,预制木制工字型搁栅或桁架则适用于更大的跨度和负重。指接搁栅和椽木制造时最长不超过12m (40Õ)。


覆层除了和这些承重构件一起支撑屋顶所承受的重力之外,还提高了这些承重构件的负重能力。轻型框架屋顶可以设计具有隔板作用,抵制风力和地震力产生的横向负重所带来的毁灭性影响。有了其他一些材料的辅助,轻木架屋顶可以是斜的或平的。如,平顶上的桁架可以预制成方便排水的恰当斜度。


横椽和搁栅


横椽和搁栅除了必须在垂直支撑之上接合之外应该是延续的。两边的开口处比两倍横椽或搁栅间距还宽,因此所用的横椽和搁栅数量应该加倍以应付额外强度。


屋顶桁架


屋顶桁架必须限制挠度。这对平顶尤为重要,因为平顶的挠度会导致积水,并进一步导致负重增加。一些北美建筑规范中列出了住宅类建筑中所用的一些更为普通的木桁架构件的跨度和尺寸。总的来说,这些表格仅适用于跨度为12m (40’),中心间距为600mm (2’) 的屋顶桁架。对更大的跨度和负重要进行特别的工程分析。


屋顶覆层


屋顶覆层可以支撑屋面,增加其刚性。屋顶覆层可以用锯材,胶合板或定向刨花板。下表中列出了初步规划中对于间距和材料厚度的大致要求。具体尺寸要根据实际情况中的雪载荷加以调整。


屋顶的典型横椽或桁架间距和覆层厚度:



备注: 覆层厚度和支撑间距随实际中的建筑规范有所变化。该信息仅为一般性参考标准,请参照具体的实际建筑规范 锯材覆层应搁栅或椽木垂直,各边皆有支撑且边沿的搁栅交错排列。锯材覆层应一直延续到沥青瓦和吊顶,但是其间距应和木瓦屋顶中的瓦片大小相同。分隔开的瓦片使得空气可以在覆层之下自由流通,以防水气集结。 安装覆层板(胶合板和定向刨花板)时,将表面纹理垂直于搁栅,椽木和桁架。在相连的板之间留下6mm (1/4")的空隙以防板面扩张。如果将金属H夹,舌榫,缝,或至少38x 38mm (2" x2" nom.)的支承牢牢钉入框架中,支撑起椽木之间的板面,则可以相对减少覆层板的最小厚度。 覆层之上的屋顶材料很多屋顶材料在不同的服务条件下都是可以适用于轻型木结构屋顶的。斜顶最常用的材料是西部红柏木瓦片,沥青瓦和瓷砖。平顶或低斜度屋顶则通常采用组合屋面。


木桁架屋架系统优势


木楼板


木结构地板


一、地板框架


木地板框架通常主要由木搁栅,I型龙骨或者平行弦杆桁架沿着地基墙体周长由室内的梁和柱来支撑的结构(见图),承重的墙骨还有砖石墙或混凝土墙也可以用于结构内部地板搁栅的支撑。



二、地板设计


木框架结构建筑是由规格材或工程木制品和结构木护墙板快捷地制作成大面积坚实的墙体,地板和屋面。墙体,地板和屋面组合结实,易连接且容易保温。木框架结构是一种成熟的建筑技术已在加拿大和美国数以百万计次地应用。事实上,在北美,每年就要建造约一百万间木制房子。


在地基上连接基木板, 开始一层地板平台的安装基木板的尺寸是38 x 89mm (2" x 4" nom.), 或大的板材平放在地基上。它是结构的基础,连接基础和上部结构。对于住宅建筑,紧固件通常是12.7mm (1/2")直径的锚栓,打入基础中心距为22.4m (8’)或更小,可以使基木板稳固。


对于大的建筑, 向下的装置应进行工程计算来抵抗由于刮风和地震产生的向上和剪切力。锚栓要浇注到混凝土基础里,或者在混凝土浇注后安装紧抓类锚栓不推荐在混凝土初凝开始后插入锚栓,因为对锚栓的握力不确定。


如果在浇注后安装,基木板可以在沙浆上放置水平。如果基础是水平的,不需要沙浆,基础和基木板的连接用填缝剂防止空气和水气的进入。否则,在混凝土和基木板之间使用垫圈。在北美的一些地区,基木板一定要进行防腐处理,防止白蚁的侵蚀。


三、横梁


在托梁无法在墙体间充分伸展的情况下,横梁能够为地板和屋顶托梁提供中间支持。桁条可以是实心木、组合板材、胶合层积材、平行积成材(PSL),单板层积材(LVL),或者是其他各种能满足工程需要的建筑材料。


在地平面或地平面以下的混凝土或砖石结构中的木梁至少应在各垂直表面上留有12mm的空间,以便于空气流通。为了保持下部干燥的需要,如果在木梁和地面之间有最小空隙,那么木梁在构筑时应使用聚乙烯、垫圈或类似材料同混凝土隔离开。


四、搁栅


搁栅最常用的是规格材和预制木制工字型搁栅。平行弦轻架桁架、平行积成材(PSL)、单板层积材(LVL)和胶合层积材(glulam)也可以使用。如果对强度有特别的要求,例如在开孔周围,这些材料特别有效。


挠度是一项搁栅的重要的设计标准。挠度关系到用户接受度,在计算搁栅的跨度表时也需要考虑挠度。下列几种方法可以提高搁栅的负载分配,并由此降低挠度。捆扎住搁栅的下缘、或者支撑、交叉支撑住搁栅以提供侧面支持。这些一般都安装在搁栅的跨距中部或三分之一处。使用粘合剂和扣件将地板覆层和搁栅连接起来,由此提高覆层和搁栅之间的混合作用。


搁栅间距和覆层厚度如下表所示为典型的搁栅间距和覆层厚度:



备注: 覆层厚度和支撑间距随实际中的建筑规范有所变化。该信息仅为一般性参考标准,请参照具体的实际建筑规范。


五、其他材料


在某些居所中,在木地板上可以加装一层混凝土或石膏质壳以增强声响效果。经常使用的是38mm(1-1/2")厚度,而且必须设计所有顶部以下的材料,以适应额外附加的混凝土静负载。


六、孔洞与槽口


可能需要在搁栅上钻洞或切出槽口,以铺设电线、管道和其他服务设施。设计师应根据合适的建筑规范设计孔洞的大小。如果孔洞的大小受限,而且位于搁栅的深度中心附近-这里弯曲应力最小-那么打孔取出的材料不能影响到板材的强度。所有在预制木制工字型搁栅中的开孔,都应参照制造厂家提供的信息,其中应明确说明可允许的孔洞大小和位置。


七、悬挑


地面搁栅可以建成悬臂式向外延伸,以支撑窗台或额外的地面面积。向外延伸的悬臂部分不能支持其他楼层的地面负载,除非通过计算证明并没有超过悬臂搁栅的设计承载压力。


木墙体


木结构墙体


一、木结构墙体建筑应用


轻型框架墙体是由垂直构件组成,垂直构件也叫墙骨。 附着在水平板的顶部和底部,由外墙板材料把此框架连接起来。


墙体可以是非承重墙(如:隔墙),也可以是承重墙(如:外墙和内部承重墙)。设计框架墙体是为了抵制侧面的荷载,称为剪力墙。剪力墙用来抵御风荷载和地震载荷对建筑产生的影响。


木搁栅常用于住宅建筑和工业建筑中对规格材的跨度长度有限制的时候。当跨度和荷载需要使用预制木搁栅或桁架用于地面或屋面时,地面墙体和屋面墙体的连接基本上和规格材的木搁栅一致。内部承重墙应该直接建在梁或墙上,但也可能建在桁条或者是其它特意设计的荷载支撑上。


非承重墙垂直于地面搁栅,可以建在任何地方,但若平行于地面搁栅,则墙体必须由搁栅下部来支撑,或者使用大木块填塞在搁栅间。衬板通常置于门槛板底下,在墙框架和地基间起着辅助拉杆的作用。有风或地震发生时而产生升力,当拔出力产生时,由于穿透搁栅区域斜钉的作用有限,因而使连接处机械拉力很有必要。



二、墙体设计


轻架墙包括称为墙骨的垂直构件,附在墙的顶部和底部到水平板,以及附属于这一结构的一层覆材。墙可以是非承重墙(隔断墙)或承重墙(外墙和内部承重墙)。如果某构造墙体被设计为承受侧面负载,那么这就是一面剪力墙。剪力墙用于承受墙体受到的风力或地震力。木搁栅往往被用于那些跨度达到规格材长度极限的居民住宅和商用建筑。即使跨度和承载方面的要求决定了预制木制工字型搁栅,或地板、屋顶桁架的使用,但是墙体与地板、墙体与屋顶的连接部分仍基本保持与使用规格材搁栅时一致。


内部承重墙应直接位于梁或墙体之上,但是也可以处在其他任何地方,只要搁栅和其他支撑物经过特别设计能够承受负载。与地面搁栅垂直的非承重墙可以安在任何地方,但是如果同地面搁栅平行安置,那么墙体必须有搁栅在其下方支撑,或者由搁栅间的支撑物支持。覆层一般从基木板开始建造,以在墙结构和地基之间形成一个额外的夹层。考虑到风力和地震的向上影响,有必要建造一个穿透搁栅的机械拉力连接装置。因为墙基受制于回撤力的影响,功能有限。


三、墙板


墙板用于墙骨的顶部和底部,用以产生一大片承重区来分配于墙骨之间的垂直负载。墙板一般与墙骨宽度相同,都是38mm厚。由于墙骨没有延续到地板和平台结构之间,因此大型建筑可能需要机械性的牵制设备,以便提供牵制保护,免于侧面压力引起的上浮力影响。


这是保护墙体与地板连接的三项可选方案:


1、展开的地板结构的胶合板和定向刨花板,由钉子或扒钉联结在地板结构上。这种情况下,干木材应用于制作搁栅和顶梁,以避免木材收缩可能导致的覆层弯曲。


2、根据标准要求大小的电镀金属条,可以钉在地板上下的垂直构件上,以提供拴系力。


3、在产生大力的时候可以使用螺钉和托架。下面是总原则:


墙顶板要有至少38mm厚。如果在非承重隔断墙中以及承重墙中,只要集中负载力在50mm厚的支持墙骨范围内发生,那么顶墙板可以只有一面。若不满足该条件,那么顶墙板要加倍。交叉墙应通过重叠的墙板或者金属板联结起来。加倍的墙板应用钉子联结,至少每隔一墙板筋交叉排列。


四、墙骨


目前住宅建筑中的一个趋势是:由于额外增加的保温空间,最小墙骨大小由过去的38 x 89mm(2" x 4" nom.)提高到38 x 140mm(2" x 6" nom.)。对于重型建筑来说,墙骨还必须考虑到适应轴心力和弯曲力的需要。根据长和重,商用建筑的墙骨可以为38 x 184, 235或286mm (2" x 8", 10", or 12" nom.)。墙骨分级中不包括该规格的垂直构件。2级材应当加以明确说明。对于高墙来说,预制木制工字型搁栅有时被作为墙骨垂直使用。除了开孔之外,墙骨应延伸到整个楼层高度,以支持强度。下表中是中型应用中的墙骨间距和覆层厚度,作为一项总原则可以为初步规划布局提供参考。


墙体的典型墙骨间距和覆层厚度:



备注: 覆层厚度和支撑间距随实际中的建筑规范有所变化。该信息仅为一般性参考规范,请参照具体的实际建筑规范。 五、过梁 过梁是窗户、门和其他开孔上水平放置的梁,用来将开孔上方的垂直负载压力传递到周围的墙骨上。 在承重墙中,过梁可以是同墙骨等宽的实木,或者是两条以上的38mm(2" nom.)厚的木材。木材放置在边缘或用隔离物隔开,使得过梁同墙骨等宽。 对于大型开口和负载来说,平行积成材、胶合层积材,单板层积材是理想的材料,因为它们高的强度和尺寸比。

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