木結構建筑防火抗震設計

1、木結構建筑防火抗震設計一個多世紀以來，多高層建筑主要采用混凝土和鋼材建造， 這兩種材料是結構材 料的首選并將繼續(xù)成為未來建筑的重要材料。 盡管如此，氣候變化、城鎮(zhèn)化建設、 可持續(xù)發(fā)展及世界宜居需求為選擇木材作為結構材料提供了契機。隨著城鎮(zhèn)化進程加快，制定和實施各種規(guī)模的低碳建筑解決方案十分必要。多高 層木結構建筑不僅可以減少溫室氣體排放，還能滿足城市密集人口對住房的需求，是城市開發(fā)的重要策略之一。高層木結構建筑并非全新的建筑形式。實際上，高層木結構建筑已經(jīng)存在幾個世 紀了。應縣木塔建于公元1056年左右，高67米，被認為是世界上現(xiàn)存的最高 木結構建筑之一。從19世紀中期到20世紀中期，在北美和

2、其他地區(qū)也有許多 采用高層磚石混合結構，即所謂的“磚梁”建筑建造廠房和倉庫。這些磚石結構 通常由沒有加強的磚砌外墻和支撐內(nèi)部結構的重木梁柱組成。這些建筑可高達九 層，大概已有100多年歷史應縣木塔近十年來，由于最新的工程木產(chǎn)品和系統(tǒng)不斷發(fā)展和進步，以及以基于目標和性能要求的建筑規(guī)范的制定，建成了許多814層的高層居住及公共木結構建筑。 此外，消防安全和防護工程、建筑科學和結構工程分析的進步也促進了多高層木 結構建筑的發(fā)展。環(huán)境效益與其他主要建筑材料相比，木材的環(huán)境優(yōu)勢是巨大的：首選木材作為主要結構材 料有助于解決三個關鍵的環(huán)境問題：碳排放、固碳和可持續(xù)性發(fā)展。與鋼材和混凝土等材料相比，木材產(chǎn)品

3、具有更小的內(nèi)含能(Embodied Energy)內(nèi)含能是指建筑材料在原材料生產(chǎn)， 加工，運輸中所消耗的能耗。加拿大木材委 員會(Canada Wood Council )早前發(fā)布的一份報告顯示，鋼材和混凝土產(chǎn)品 的內(nèi)含能分別比木材產(chǎn)品高 26%和57% ,多排放34%和81%的溫室氣體，造 成的水污染分別高出400%和350% 。種建筑系統(tǒng)叩反本圖就相同的典型寫字樓的三種版本給出內(nèi)涵生命周期 評怙結果.各版本用不同的結構系統(tǒng)來設計。沖木材產(chǎn)品時，碳也被固定到木材產(chǎn)品中就木結構建筑來說，在其整個生命周期樹木本身具有儲存二氧化碳的特性，從而減少溫室氣體。當木材被采伐并加工成 中，碳都是被存儲下來

4、的；如果木材被回收和再加工成其他產(chǎn)品， 那么碳的存儲 時間更長。加工木材產(chǎn)品比加工鋼材和混凝土的能耗要少得多?？沙掷m(xù)的森林管理確保森林的合法砍伐和經(jīng)營，以滿足長期需求。嚴格的再造林 要求促使每年森林的凈增長量超過年度砍伐量，從而維持或增加森林碳儲存。隨 著森林的成熟，其儲碳能力下降并最終達到最大限度， 若此時任由樹木腐爛或者 山火發(fā)生，儲存的碳將被釋放回大氣。因此通過采伐成熟的樹木，碳可以保留在 木材纖維中，并從樹木轉移到建筑中并更長久的保存。價格競爭力在北美，多層輕型木結構建筑使用規(guī)格材、木基結構板（OSB）及工程木產(chǎn)品建 造，與輕鋼結構和混凝土結構相比具有價格競爭力。北美多層輕型木結構重木

5、結構，即采用大型預制木構件，如正交膠合木（CLT）、旋切木片膠合木（LVL） 和木片層積材（LSL）作為墻體、樓板和屋蓋，采用膠合木作為梁柱，從成本上 來看，競爭不過大多數(shù)低多層輕型木結構建筑。 但是，因其高強度和穩(wěn)定的工程 性能，在輕型木結構建筑無法實現(xiàn)的高層建筑和公共建筑領域，重型木結構卻能與鋼筋和混凝土建筑一較高下。根據(jù)美國 CLT手冊，CLT在高層建筑或大體量 建筑中越來越具有競爭力。此外，重木結構建筑的安裝比鋼結構和混凝土結構更加迅速，因此業(yè)主和開發(fā)商 將節(jié)約更多成本。舉例來說，Lend Lease開發(fā)公司估計，澳大利亞墨爾本的10層Forte公寓因為采用預制構件而節(jié)省 30%的時間

6、。工廠預制可以加快安裝從而節(jié)約成本，實現(xiàn)盡早入住。木結構建筑比其他建筑更輕，這降低了對基礎的要 求，從而降低成本。這一特性在土質差、基礎成本高的區(qū)域尤顯重要，F(xiàn)orte公寓項目就是這種情況。澳大利亞Forte十層木結構公寓項目消防剛頒布的國家標準多高層木結構建筑技術標準GB/T 51226-2017 (2017年 10月1日生效)規(guī)定，當墻體、樓板和屋蓋等結構構件滿足規(guī)范要求的耐火極 限時，木結構最高允許建造5層。超過5層的木結構建筑，需要進行專項論證*iit7 * n 吏#Ml- blGB中年人民第匐候鳥 W 歲田年中華人民共和檢號檢口第0 事一對于輕型木結構建筑，通常通過安裝石膏板等耐火材

7、料使構件達到1小時和2小時的耐火極限實現(xiàn)。重木結構建筑由于木材截面炭化層的作用， 構件具有更長 的耐火極限。炭化層一旦形成，因為木材本身的低導熱性，使木材內(nèi)部溫度不會 驟然提高，因此保證了結構整體性，防止結構強度下降。止匕外，重木結構體系與混凝土結構和膠合木結構體系相似， 可以控制燃燒的密閉空間。實木板本身也形 成具有耐火極限的防火分隔，控制火災向其它區(qū)域蔓延?；馂陌l(fā)生后的輕型木結構墻體，在耐火時間范圍內(nèi)，木框架保持了結構完整性重木結構的被動防火設計有兩種方法。一是“包覆石膏板”用于提高重木結構構 件的耐火極限，二是考慮木構件的炭化時間，達到木結構的防火性能要求，第二 種方法在世界范圍內(nèi)正越來

8、越多地被視為一種保證木結構防火安全的有效途徑?！鞍彩喟濉币桓鶕?jù)規(guī)范對構件耐火極限的要求，在樓板下方和整棟建筑包覆 1-2層耐火石膏板，以滿足防火要求。這個方法與在可燃或不可燃建筑中，建造 有耐火要求的樓板、屋蓋和墻體構件的方法類似?！疤炕币灰恢啬窘Y構的實木構件在火災中會形成炭化層，這個炭化層將外界熱氣與內(nèi)部木材隔離。大尺寸構件的耐火極限可以根據(jù)構件的最小厚度和炭化層厚度計算得出。通過結合現(xiàn)代消防系統(tǒng)和建筑防火分隔措施， 可以不通過“包覆” 手段，而采用“炭化”計算方法，就能滿足結構防火要求。這樣就不需要石膏板， 減少建筑重量和成本，同時可以呈現(xiàn)木材的自然美。重型木結構構件燃燒后形成的碳化

9、層結構性能/抗震性能木結構的強度重量比大于鋼結構和混凝土結構， 因此在地震中結構內(nèi)力更小。輕型木結構建筑中，墻體數(shù)量多，為風載和地震荷載提供傳力路徑， 增加安全冗余度。止匕外，輕型木結構建筑使用大量釘子，提供了良好的延性和耗能能力。以往的地震觀測和測試顯示，木框架建筑抗震性能良好。舉例來說，在日本世界上最大的振動臺試驗中，6層輕型木結構抵抗住了 2500年一遇的地震，只造成很小的損害。這個試驗證實只要精心設計和保證施工質量， 六層輕型木結構建筑的地震風險能保證在可接受范圍內(nèi)。圖：在日本神戶三木市進行的一項六層輕型木結構振動臺試驗 重木構件，如CLT、LVL和LSL,強度和剛度都很好，形成有效的

10、抗側力體系。大量的抗震試驗發(fā)現(xiàn)這些板材在多層建筑中表現(xiàn)良好，沒有殘余變形。測試建筑具有良好的延性和耗能能力，主要受益于連接節(jié)點。比如，在一項研究中，研究 者在日本三木市世界上最大振動臺測試了一棟7層CLT建筑，即使在14次連續(xù)地震后，建筑僅受到較小的結構損壞。假使實際建筑受到相同的地震作用，震后 修復也非常容易。在日本三木市振動臺上進行的一個七層 CLT足尺寸建筑試驗除了純木結構，木混合結構也擴大了木結構的應用范圍。最常見的木混合結構是 由混凝土核心筒承擔橫向荷載、木結構承擔豎向荷載。使用這種方法，木結構建 筑的很多優(yōu)點都能得以實現(xiàn)。加拿大不列顛哥侖比亞大學校內(nèi)18層的Brock Common

11、s 學生公寓就是一個混 凝土核心筒木混合結構的典型例子， 這個建筑的樓梯和電梯用混凝土建造， 其余 結構由CLT、膠合木和LVL建造加拿大UBC大學Brock Commons18 層木結構學生公寓項目能源效率木材導熱性低，因此木構件本身具有比鋼結構、混凝土和磚石構件更好的熱阻和 更低的熱橋效應。木結構墻骨之間的空腔可以填充保溫材料，通常是纖維保溫棉。這些保溫材料通常比用于混凝土、輕鋼和磚石結構的剛性或半剛性保溫板更便宜。木結構構件的保溫性能好，因此可以減少墻體厚度從而增大室內(nèi)空間， 尤其 是在土地價格高的城市地區(qū)，具有更高的性價比。例如在瑞典，木框架外墻比普通磚石墻體薄 50% ,卻能達到相同

12、的保溫性能， 對于典型的多戶式住宅可以增加 3%的室內(nèi)面積。木框架外墻也成為歐洲建造被 動式建筑的首選。重木結構建筑的獨特特征使其成為節(jié)能建筑。木材的保溫性能由R值（熱阻值）決定，熱阻值與板材厚度有關。厚板的 R值高，隔熱效果好，使用的保溫材料 少。由于重木構件是實心的，因此重木結構建筑中幾乎沒有空氣流動的可能因此建筑物的保溫性能得以提高。生產(chǎn)CLT、LVL和LSL可以使用數(shù)字化控制（CNC） 設備精確控制誤差，使板與板的連接更加緊密，更加提高保溫節(jié)能性能。90%。一項研究顯示，一棟CLT結構建筑的運行能耗僅為普通建筑物的 1/3。奧地利科 瑞公司（Cree GmbH ）建造的8層生命周期一號

13、塔（LCT ONE）,是根據(jù)被動 式房屋標準設計的，其碳排放比按現(xiàn)行規(guī)范建造的建筑減少30 JJ JTTIUHLILJLIlI：!LLULUUU LLULU LIU奧地利生命周期一號塔項目建造木結構非常適用于預制加工。木產(chǎn)品，比如規(guī)格材和結構用板材，可以加工成標 準尺寸，并且很容易實現(xiàn)預制墻體、樓板和屋蓋構件。木材產(chǎn)品易于鋸切和鉆孔， 適合使用金屬緊固件固定。木材與鋼筋混凝土相比非常輕，因此運輸成本低，安 裝設備要求低。在北美，多層輕型木結構和重木結構預制生產(chǎn)已成為通用方法。一般來說，預制生產(chǎn)包括構件預制、板式組件預制和單元模塊預制重型木結構建造已廣泛采用預制構件，預制板、梁、柱等根據(jù)設計要求在工廠內(nèi)加工、鋸切，運輸?shù)绞┕がF(xiàn) 場，然后組裝到位。預制構件在輕型木結構建筑中應用也很廣泛。到目前為止，大多數(shù)生產(chǎn)商生產(chǎn)的是開放式墻體組件。隨著對建筑節(jié)能和建筑組件的質量要求越來越高，封