△ 重型木结构建筑施工过程
在加拿大，甚至在整个北美、欧洲范围内，有一种既古老又新兴的建筑材料正在流行，那就是木产品。
木产品除了有用来搭建轻型木结构骨架的锯材，还有利用现代工程技术将小尺寸规格木材通过胶合、加压、机械加工来形成更大尺寸构件的工程木产品。而使用工程木产品建造的结构称为重型木结构（Mass Heavy Timber Structure）。先进的技术赋予重型木结构建筑能够实现更大的结构跨度，更高的建筑高度以及灵活的结构布置，使木结构建筑的建造在当代具有新的机遇和快速发展。
与钢筋混凝土材料相仿，重型木结构也具有详细的分类。胶合木可制作成平直的构件也可通过层板的弯折形成曲面的构件。根据胶合木工厂不同的生产能力，单根胶合木构件长度。多元的重型木构件不仅为结构提供稳定性，在符合使用需求的基础上也不失为设计增加亮点。
重型木构件产品种类众多，使其构件的组合方式变化也多样。但总体来说一般用层板胶合木（Glulam）作为框架梁和柱，正交胶合木 （CLT）、层板钉接木（NLT或Nail-Lam）和层板销接木（DLT）作为楼板、墙板和屋面板。目前最主流的结构系统有以下几种：
图1：胶合木框架梁、柱-窄板重型木结构
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图1.1：胶合木框架梁、柱-宽板的重型木结构
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胶合木框架结构
重型木结构中最常见的结构系统非“胶合木框架”结构莫属。位于加拿大多伦多市Atlantic大街80号的“第一个商业木结构项目”用的正是此类结构。
△ 80 Atlantic
Fabricator Timber Systems公司的总裁Gary Williams先生认为，“楼、屋面结构板的造价越低，整个结构的造价就越低。”对于重型木结构来说，框架梁的成本仅占整个结构的一小部分，而楼、屋面板的成本是决定项目整体造价高低的关键。
为了减少楼板的建造成本，可以通过缩小楼板的跨度，并增加更多的框架梁。由于框架梁数量的增加，使得每个区隔分配的受荷面积得以减少，相应的单块楼面板的跨度和荷载均得以相应减少，最终达到减少楼面板厚度的目的。整个结构的总造价也得以降低。
需要注意的是，当采用此结构系统时，推荐如图1所示，把框架梁的长边垂直于与单片楼面板的短边布置。当然，由于框架梁的跨度变长，它的截面高度也会相应增加，所以并不推荐层高较低的建筑选用图1结构布置。在层高受限的情况下，框架梁和楼面板的长短边朝向需要互换，如图1.1所示：框架梁跨度变小，相应的截面高度也减小，楼板的厚度也会有所减小。这种结构布置能够减少胶合木封边梁对玻璃幕墙采光的不利影响。
单向主梁+次梁
主梁和次梁的组合确保了结构造价的最小化，因为楼板的厚度将会被缩减到满足结构强度的最小厚度。楼板的跨度被次梁分隔，次梁承载来自楼板的荷载，并将此荷载传递至主梁，最终由主梁将荷载传递到框架柱上。
图2：带次梁的的重型胶合木框架结构
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虽然这个结构布置可能是造价最低的选项，但是由于主次梁根数较多，单个房间内的层高会由于布置了次梁而减少。并且由于双向均布置了胶合木梁，设备管线的布置会受到一定的影响。
双向主梁+大块楼面板
在两方向柱距相同的情况下，在两个方向布置截面高度相同的主梁。楼面板相邻两跨交错布置，使得每根胶合木框架梁上受力情况类似。由于两个方向布置有胶合木主梁，使得采用该结构布置的建筑的整体性更好。
图3：双向布置主梁+大块结构板重型木结构
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此结构无次梁，并且主梁尺寸相对较小，可以满足把构件暴露在外的需求，增加单个房间内的楼层净高，以满足对内部空间感的体现和对内部空间功能的灵活划分。
CLT楼板-立柱点支承结构
双向、点支承的正交胶合木板（CLT板）结构体系具有较高的抗扭转和抗压性能，能够大大减小所需楼板的厚度，因此在多高层和大跨度楼、屋面板已经剪力墙的应用中，性价比尤其高。
图4：CLT楼板-立柱重型木点支承结构
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但是CLT面板也有自身的局限。从构造上来说，CLT板通常采用三层、五层或七层规格材或结构复合材正交组胚粘结而成。CLT产品的力学性能分主（强度）方向和次（强度）方向两个方面。
主方向指平行于表层材料纹理的方向，一般是CLT产品的长度方向;次方向是垂直于表层材料纹理的方向，一般是CLT产品的宽度方向。
△ CLT的强度方向
CLT面板的尺寸通常受运输条件的限制，宽度范围在2.4-3米之间。防火性能上也比较有挑战性，以5层基层板的CLT面板为例：两层板在1.5小时左右会被燃尽，剩下的三层板可能达不到残余强度的要求。一般情况下，通过增加木板的厚度或层数，或是在CLT面板迎火面包裹石膏板，以达到防火目的。
宽扁横梁-楼板-立柱
当建筑对室内净高有严格要求时，我们可以选择用胶合木（Glulam）或者正交胶合木（CLT）作为宽扁梁构件。其受弯承载力的大小与横梁的宽度成正比，但是与同样截面积的常规框架梁相比，抗弯承载力低且挠度明显变大。因此若承担同样的楼面荷载，运用宽扁横梁的结构布置的性价比较低。
图:5：宽扁横梁-楼板-立柱重型木结构
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图5.1：宽扁横梁-楼板-立柱重型木结构
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此外，使用宽扁梁时，如果横梁恰好只有一边边缘受力，整个连接结构会产生不平衡弯矩而造成结构失稳，因此，相连接的楼板接缝要位于横梁的中心线上。
宽扁梁的结构分为两种：
1）如上图图5所示，横梁位于楼板之下；
2）如上图图5.1所示，横梁位于楼板之上，该种连接需要设计特殊的连接挂件，连接做法较为复杂，但是在相同层高下可以增大楼层净高。楼面保温隔音棉和部分水电管线可以在两根扁梁之间的凹槽内架设，并在此上做建筑地面使得楼板上下表面均为平整的完成面。另外，在美观角度上，其大面积平整的天花板和较大的柱距大大增加了室内空间感和自然采光的效率。
宽扁梁-楼板-宽扁立柱
如果同时有层高和建造成本的限制，可以选用宽扁横梁和宽扁立柱的结构。此结构的楼板嵌于宽扁横梁之间，缩短了楼板构件的单位宽度，减小了构件成本。并且楼板与横梁上端齐平，至少减少了一半的结构厚度，大大增加了楼层净高。
图6：宽扁横梁-楼板-宽扁立柱重型木结构
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然而，由于横梁和楼板的结构存在着很大的承载稳定性问题 – 在横梁受力不均的情况下，楼板容易坍塌，所以立柱的宽度必须增加到横梁宽度，以此来解决横梁力矩不平衡的问题。此外，还需注意的是，此结构在设计上也有很大的挑战性，特别是在楼面板悬挑部分的抗倾覆设计。目前，并没有体系完整的文献和论证来支持此结构的设计。
横梁 – 交错楼板 – 立柱
交错楼板的结构旨在用最少的建筑材料实现大跨度。此结构已被Michael Green建筑事务所使用，并且Equilibrium Consulting顾问事务所对该结构类型进行了改进升级。
图7：横梁-交错楼板-立柱重型木结构
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此结构通常用两层平行的楼板交错，并在上下层楼板边缘处有小尺寸的相叠，叠加处用斜向螺丝固定来以抵抗叠合处的剪力。其好处在于楼板可以尽可能的薄，原理与波纹钢板类似。
箱型梁 – 箱型楼板 – 立柱
箱型木构件在工厂就已预制完成，通常用正交胶合木(CLT)作为上、下翼板，用重型木板材（大多为胶合木glulam）作为腹板。其尺寸和重量被优化在吊车吊装能力范围之内，意在减少吊装和装配次数，以此来加快建造速度。
图8：箱型梁-箱型楼板-立柱重型木结构
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箱型木构件中部贯通的空间一般不会被封堵，以用来提供给各种设备、管线架设的空间。但有时会根据消防设计的要求对空腔进行防火封堵。
应力蒙皮横梁和楼板格架 – 立柱
在“应力蒙皮”的木结构系统中，楼板不仅仅负责将荷载传递到梁上，而且还增大了梁与楼板形成的组合截面的抵抗矩，及抵抗弯矩的能力。
图9：应力蒙皮-立柱重型木结构
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应力蒙皮格架利用双向承载的系统来更好的增加抗弯强度，如上图所示，木色楼板和横梁为一组，蓝色横梁和天花板一组，各自形成空腹桁架，并共同组成格状结构抵抗两个方向的弯矩效应。
奈尔维横梁 – 立柱
意大利结构工程师奈尔维（Pier Luigi Nervi）诸多作品中的结构构件都极其优雅地表现了荷载的分解和传导。在过去材料成本大于劳动力成本的时代，奈尔维发明了一种混凝土梁板结构，能够最充分地利用各种材料性能同时最大程度减少材料的自重。
图10：奈尔维结构-立柱重型木结构
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目前，重型木结构项目有着类似的情况：重型木结构的结构构件成本较高，而随着数控机床（CNC）技术的大规模使用，各种复杂的结构构件也可以通过CNC加工来实现而无需投入过多劳动力。因此所有结构构件加工完毕之后，结构的装配过程将会更加经济化。所以奈尔维结构很适合被运用到重型木结构项目里。
上图中结构是奈尔维结构的一个演绎，把其在都灵劳动宫（Palace of Labour in Turin ）项目中使用的混凝土结构转换成重型木结构。放射状的弧梁系统架设在立柱之上，有效抵抗了板面传来的弯矩，而环状横梁对弧梁提供了侧向支撑，有效地防止了弧梁的失稳。
空腹混凝土楼板-重型木楼板复合结构 （VCTC）
空腹混凝土-重型木楼板是混凝土、木复合构件的一种。木结构楼板上方铺设的一层与木楼板近似厚度的混凝土楼板，其朝向与木材纤维垂直，功能相当于宽扁横梁。
图11：空腹混凝土楼板-重型木楼板-立柱重型木结构Canadian Architect
VCTC的优势之一在于它不需要框架梁构件，并且能满足对大跨度柱网的需求。因此能够更灵活的分隔室内空间。此结构系统可以根据建筑对空间的需求（比如无柱大会议厅），随意调整构件的组合，而不改变楼板结构厚度。
VCTC的另一个优势是高防火性能，这点在木结构建筑中尤为重要。楼板结构中混凝土部分完全覆盖了木材，使楼板达到更高防火性能。
梯形截面梁佩克公司的:梯形截面梁结构尤其适用于大跨度和薄楼板的情况。梯形截面的钢梁顶面与楼板齐平，钢梁由一个梯型的箱型梁和一片钢下翼缘板。提型梁的两侧腹板开灌浆孔，使楼板上方灌注的混凝土能够填充其中。这种复合楼板结构能够增加抗弯强度和刚度，同时，如果在锥型梁中布置纵向钢筋以形成钢筋混凝土梁，且该混凝土梁在火灾工况下能独立承担上部传来的荷载，那么下翼缘钢板就不需要做额外的防火处理。
图12：DELTABEAM-立柱重型木结构
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目前，此结构系统已被应用在由BNKC建筑事务所和Blackwell结构事务所合作设计的一栋8层办公楼上，项目位于加拿大多伦多Wade大街77号。
加拿大多伦多Wade大街77号7层木结构办公大楼
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Rhomberg结构事务所设计的Cree结构
Rhomberg结构事务所设计了Cree结构，此结构在欧洲有一定的影响力。它是一种木材-混凝土-钢材复合构件，旨在达到对各种材料的最大利用率。
图13：Rhomberg Cree横梁-立柱重型木结构
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在箱型钢材主梁和木材次梁之上，预制的混凝土楼板宽度在2.5米到3米之间，长度可跨一个开间，其在室外的部分融入木次梁形成边梁，可按具体情况选择用立柱或隔墙支承与否。
Zollinger 薄板-菱形横梁格架-立柱
德国建筑工程师Friederich Zollinger在19世纪20年代为了响应一战中建筑材料的匮乏，发明了薄片屋面板。此结构属于互承结构的一种，紧密的菱形格架系统使横梁的尺寸大大减小，也使屋面板缩减到最大可能的薄度。同时，屋顶面板的朝向与菱形格相垂直，形成非常结实的结构，能承载很强的风力荷载和地震作用。
图14：薄片屋面板-菱形横梁格架-立柱重型木结构
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三层横梁-楼板-立柱
三层横梁能够被应用于纯木结构的建筑里，通常用于对胶合木梁的高度有很高要求的情况下。其中间的横梁在柱位置被打断，胶合木柱在楼层间位置连续。这种构造能够防止楼面板横纹承压的问题以减少各个楼层累积的竖向变形。而且，两边的连续横梁置于立柱之上，能够有效地增加构件的硬度和刚度。
图15：三层横梁-楼板-立柱重型木结构
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当然，在结构荷载需要的情况下，工程师也可以把多层横梁组装在一起，宽度能够超出胶合木（glulam）的最大宽度365毫米。虽然这种多层横梁结构相对于正常横梁，支撑作用有所下降，但是在防火性能上有着很大的提高。因为相比于体积，多层横梁结构裸露的面积相对更小，而且，位于外部的横梁在火险意外中能够保护中部横梁不易被点燃。
值得注意的是，横梁结构厚度的减小，在越来越高的木结构建筑中有着举足轻重的意义：在相同高度的建筑里，结构越薄，意味着层数越多。
重型木结构的研究发展日新月异，其建筑强度通常可与混凝土和钢结构相媲美，结构专家们也在不断尝试着更优化的结构系统。也许在笔者为此文收尾之时，又有新的材料及结构被设计出来。
位于洛杉矶的Perkins+Will建筑技术实验室主任Andrew Tsay Jacobs去年在接受采访时感慨道：“我认为在未来五年甚至更短的时间内，开发商在开发大型商业楼宇项目的时候会这么提问：'我们是否应该考虑采用重型木结构（Mass Timber）？’”
参考资料：
https://www.canadianarchitect.com/mass-timber-primer
https://www.archdaily.cn/cn/923782/cltjiao-cha-ceng-ya-mu-ban-hui-zai-wei-lai-qu-dai-hun-ning-tu-ma
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1646085201754747013&wfr=spider&for=pc
http://www.awhouse.art/reciprocal-structure
https://baike.baidu.com/item/%E5%BA%94%E5%8A%9B%E8%92%99%E7%9A%AE%E7%BB%93%E6%9E%84/22268484
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5509545f0100wrfh.html
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