建筑设计·理论 2021年12月第18卷总第411期
Urbanism and Architecture
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杨 瑛，胡昭宇，谭翰韬，张 阳
（长沙理工大学建筑学院，湖南长沙 410076）
摘要：材料技术的飞速发展及绿建筑的客观要求带来了现代木结构的高速发展，而胶合木框架结构建筑因其装配速度快、形态创新多等优势获得人们的青睐，在较大体量的现代单层或多层木建筑中具有极大的发展潜力。文章结合已建成的现代木结构建筑案例及笔者的设计实践，从材料、结构体系、节点等关键元素出发，系统地剖析了现代胶合木框架体系建筑的结构特征，以期启发设计师对木建筑的设计思考。关键词：胶合木；框架结构；节点
［中图分类号］TU366.2 ［文献标识码］A DOI ：10.19892/jki.csjz.2021.34.26
The Structural Characteristics of Glulam-Framed Buildings
Yang Ying, Hu Zhaoyu, Tan Hantao, Zhang Yang
(College of Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410076, China)
Abstract: The rapid development of material technology and the objective requirements of green buildings have brought about the rapid development of modern timber structures. Glulam-framed buildings have been favored by the people due to their advantages of fast assembly speed and more innovative shapes. There is great potential for development in single and multi-storey wooden buildings. Combining the cases of the completed modern timber structure buildings and the author’s design practice, this paper systematically analyzes the structural characteristics of modern glulam timber frame system buildings from key elements such as materials, structural systems, and nodes, in order to inspire the designers to think about the design of timber buildings. Key words: glulam; frame structure; node
近年来，随着全球基础设施建设的高速发展，经济发展与环境保护的矛盾越来越突出，建筑行业也身陷其中，建筑业的可持续发展成为全球关心的重要问题。现代木建筑由于其低碳环保、可再生的优点，
成为解决建筑业可持续发展问题的最佳方式之一。
胶合木框架结构是指承重构件主要采用层板胶合木（GLT）制作而成的单层或多层建筑结构，墙体一般采用轻型木结构、玻璃幕墙、砌体墙等形式，楼板采用木格栅楼板或正交胶合木（CLT）等楼板，各构件之间主要通过螺栓、销钉、剪板及各种金属连接件进行连接。建筑竖向荷载由胶合木梁柱承担，水平荷载通过支撑或者木剪力墙来承担，因其结构形式简单、传力明确、空间布局灵活，成为单层工业木建筑和大中型公共木建筑中最主要的应用形式，如大空间、大跨度的体育场馆、音乐厅和展览场馆等[1]。
胶合木框架结构与混凝土框架、钢框架结构等在力学性能、防火防护等方面均有较大的区别，许多木结构建筑只是对建筑材料进行简单置换，对木结构理解不够深刻，基于此，本研究从材料、结构体系、节点等方面概述现代胶合木框架结构的特征，为木建筑的设计实践提供参考。
1胶合木材料的现代化
材料是建筑艺术性与科学性的结合点，现代建筑的发展很大程度上是随着材料科学的发展来进行更新的。一方
面，材料的肌理、泽、质地真切地影响着建筑室内外空
稹的读音间的效果展现；另一方面，材料的力学特性决定了建筑适用的结构类型、建筑体量、建造方式等。
现代胶合木框架结构中，胶合木一般指的是层板胶合木，用20~45 mm 厚的锯材胶合形成的层板作为胶合单元，沿顺纹方向叠合，并通过结构胶黏结。锯材既可以是同一树种，也可以是不同树种，依据构件实际受力的要求进行加工选择。通过现代工艺处理的木材，既破除了天然木材的尺度局限，改善了原木木节多，质地不均，防虫、防腐性能差等缺陷，又保留了木材的自然特性。目前，国内常用的胶合木树种多依赖于进口，虽然近年来以国内木材为原材料的胶合木的研究日益增多，但离产业化还有较长的路要走。现阶段，胶合木常用树种有加拿大花旗松、欧洲云杉、欧洲赤松等。
花旗松是一种被广泛使用的结构木材，属于软木的一种，泽丰富，具有良好的机械加工性能，对钉子和螺丝有较强的咬合力，胶合性能出，经过国外多年的发展研究，花旗松胶合木的制备工艺已经相当成熟，在胶合木建筑中应用广泛。云杉属于针叶树的一类，质地较软，材料强度略低于花旗松，颜较浅，易加工，常用作规格材和胶合木树种。赤松在亚洲和欧洲均有分布，颜淡黄，容易吸湿胀大，一般需进行人工处理，以达到强度要求，赤松纹理较深，有助于表现木材肌理。
不同树种的物理特性（见表1）都有着大大小小的差
作者简介：杨瑛（1964-），男，博士，高级工程师、教授。研究方向：建筑设计及其理论。
通讯作者：胡昭宇（1994-），男，硕士研究生在读。研究方向：现代木结构建筑设计。邮箱：*******************。
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异，材料的泽与质地影响着建筑效果，材料的强度影响
着结构体系的布置，进而影响功能布局。因此，胶合木框架建筑的树种材料影响着整个建筑的方方面面，充分了解各树种的物理性质，选择最合适的树种材料，以最大限度地发挥木材优势是胶合木建筑设计实践中重要的前提条件。
2 结构体系的多样化
人类对木框架结构的使用由来已久，早在新石器时代就有最早的木框架，将树干作为梁柱，用绳索进行绑扎，
构成建筑的主体结构。现代结构计算理论的发展使得木框架结构在结构形态上有了更多的变化，结构形态作为新的美学元素，丰富了建筑的效果表达方式。2.1 竖向承重体系
胶合木框架结构主要荷载为竖向的结构自重和其他活载，梁柱构件是主要的承重构件，荷载由梁传到柱，再由柱传到基础。目前，常见的木框架类型可根据梁柱交接形式大致分为以下两类。2.1.1 正交梁柱框架
正交梁柱框架是木框架结构最为常见的形式，其梁水平布置，柱垂直布置，梁柱空间位置交接方式为正交。此类结构平面布局规整，利于建筑功能的划分，梁跨度较大，
可获得较大的室内空间，也使得结构形态规则[2]。
此类结构中，结构构件有序布置，空间韵律感强烈，常应用于学校、办公楼、纪念馆等公共建筑。如湖南道县的陈树湘生平事迹陈列室（见图1），主体采用胶合木框架结构，梁跨距为6 m，层高6.5 m，以满足展厅的建筑空间需求，梁柱整齐布置，富有韵律感，并采用木构架形式，将传统木结构元素融入现代木结构，真切展示木结构之美。2.1.2 异形梁柱框架
异形梁柱框架实际上是正交梁柱框架所衍生出的一种结构体系，从力学逻辑来看，是通过不同空间位置上力的分解与合成来达到传递竖向力的目的，此类结构形态更加丰富，有助于营造开敞通透的空间。例如，树形支撑结构（见图2）就是将不同方向的梁连接到柱上，如同一棵棵树围合形成建筑空间，具有极大的空间张力[3，4]。2.2 横向支撑体系
结构的抗侧性能对抗震设计影响很大，在胶合木框架结构中，纯木框架结构的抗侧性能有限，一般需要加入抗侧力构件。目前，主要应用的抗侧力构件可大致分为两类，一类是刚度较大的剪力墙，另一类是斜撑。2.2.1 剪力墙
胶合木框架结构中，剪力墙既作为抗侧力构件，服务于结构安全，又能作为建筑外墙和分隔墙，围合形成建筑空间，在建筑功能分区较多的建筑中应用广泛，如宿舍楼等。剪力墙材料主要有轻型木结构剪力墙与CLT 剪力墙，轻型木结构剪力墙是指用规格材作为龙骨，内外覆OSB 覆面板，形成剪力墙；CLT 剪力墙指用正交胶合木板作为剪力墙，从材料性能上看，CLT 剪力墙抗侧性能上限更高。但在胶合木框架结构建筑的实际应用中，轻型木结构剪力墙应用较多，主要优势有：轻型木结构剪力墙一般能满足木框架结构抗侧性能的要求，而且可以拆成小构件在施工现场装配；而CLT 剪力墙须整面墙运至施工现场吊装，大尺寸的板运输较为不便。另外，采用轻型木结构剪力墙的建造成本更低。2.2.2 斜撑
斜撑也是抗侧加强体系的重要构件，主要形式有交叉斜撑、人字撑、隅撑等。对于建筑效果而言，斜撑的建构效果更加强烈，与杆系结构有较好的呼应。另外，斜撑有助于增加室内的通透性，尤其是当建筑外墙采用玻璃幕墙，使用斜撑可获得良好的光感效果，在餐厅、办公楼、售楼
表1 不同树种的物理特性
树种
树种级别
同等组合强度
颜
游戏厂商花旗松SZ1
TCT40、TCT36、
TCT32
淡黄、淡红、红、暗红
等
云杉SZ2
TCT36、TCT32、
TCT28
白、淡黄褐等
赤松SZ3
TCT32、TCT28、
TCT24
红褐、
淡红黄等
图2 树状结构图（图片来源：参考文献[4]）数学建模论文模板
贾雨岚图1 道县陈树湘生平事迹陈列室（图片来源：
作者自摄）
（a）建筑外部（b）建筑内部
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部等类型的建筑中应用较广。
3结构性节点的设计逻辑
著名建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦（Sontiago
Calatrawa）将建筑结构类比为“复杂的自然有机体”，建筑就像一个身体结构，节点就相当于是肢体的关节，其重要性不言而喻。胶合木框架结构是一种典型的截面作用结构体系，梁柱等杆系构件是最重要的结构构件，连接节点也因此有着自身的独特性。3.1力学逻辑
节点的设计必须遵循力学原则，并强化力学特征和受力传递，节点形式的逻辑首先是力学逻辑。从力学的角度看，节点可根据转动刚度分为刚接、铰接以及半刚性连接。铰接节点不承担弯矩，容易形成点连接的视觉形象，显得更加轻盈，而刚节点承担弯矩，节点体量则呈现扩大的视觉特征。从连接方式看，节点又可分为销连接、钉连接、胶连接等，胶合木框架结构节点主要采用销连接，在胶合木构件上开槽，将钢片置于槽内，通过螺栓连接起来。比如用于梁—柱节点、柱—基础节点的钢填板连接（见图3）、钢夹板连接，用于隅撑节点的销连接等，此类节点的连接一般会布置多排螺栓，节点实
际受力状态其实是半刚性连接，但在工程设计实践中，由于半刚性连接刚度难以确定，一般将其视为铰接，即不承担弯矩，一方面方便结构计算，另一方面也留足了结构安全储备，使整个结构更加安全。3.2造型手法
现代木结构的发展越来越注重结构与造型的联合表达，节点作为一种新的艺术元素加入进来，反映了新的美学倾向[5]。胶合木框架结构建筑的节点造型主要分为两类，一类为展现细部美的节点造型手法，将节点展现出来，通过光影、泽等因素，引导人们注重细节的艺术表达；另一类为展现结构美的节点造型手法，将节点隐藏起来，使各个构件保持连贯性，让人们清晰地感知结构的美学魅力[6]
。
图3 钢填板节点图（图片来源：作者自绘） 3.3建造逻辑
在工业化时代，生产与安装是节点设计必须要考虑的问题。现代胶合木框架建筑是装配式建筑的重要组成部分，构件和连接件在工厂加工，运输至现场安装，极大地提高了施工速度[7]。从建造逻辑上看，节点的标准化和精细化是装配式建筑的显著特征，这也与结构经济合理性要求相统一，节点的标准化有利于保证批量化生产安装，而节点的精细化则是引入数字技术，为节点的个性化设计提供助力。然而，标准化的节点限制了建筑师对自由塑型的追求，对于多数节点采用标准化节点，少数节点采用个性化节点是目前胶合木框架结构中常用的处理方法。值得注意的是，个性化的节点设计需要充
分考虑到厂商的生产水平，确保建筑效果能充分展示。
对于两个构件交接的节点，一般设计得较为简洁，采用销钉或螺栓作为紧固件让施工安装更加方便，但对于连接多方向构件的节点而言，复杂的螺栓布置会给节点的安装带来很大的不便。因此，这类节点的设置均应提前考虑好施工界面，确保安装精度及施工的便捷性。
4 结语
现代胶合木建筑具有装配速度快，绿环保的客观优势，加之国家政策的扶持，使近些年木建筑行业飞速发展。胶合木框架建筑的承重构件多暴露在外，既作为结构构件又作为装饰构件，这就要求建筑师具备较好的结构意识。笔者通过对既有建成木建筑案例进行归纳总结及实践，系统地分析了不同树种材料、结构形式、节点的区别及特点，指出从材料、结构体系、节点三类关键元素出发，可以较好地把握胶合木框架建筑整体设计。本文细化了胶合木框架建筑的一般性结构特征，以期深化建筑师对木结构的了解，使未来出现更多优秀的木建筑，推动现代木构建筑在国内的发展。
参考文献
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