膠合木的特性與現(xiàn)代應用

1、10建筑3班 陳祥 代淼 董永欣 馮家旺 冷靜 劉寶琪 龍丹 許源建筑構(gòu)造膠合材從材料應用到材料特性的研究發(fā)現(xiàn)材料的基本應用木材在古建筑中的應用木建筑經(jīng)過幾千年的發(fā)展，在東方和西方都形成了獨具特色完整建筑體系。中國現(xiàn)存木建筑 應縣木塔優(yōu)點優(yōu)點：木材因其具有多孔性和彈性的物質(zhì)特性,故有隔熱、調(diào)濕、吸收紫外線、吸光、吸音、吸振等顯著的優(yōu)點,且具有良好的觸覺和視覺效果,因而在古代，木材在我國的建筑中得到了大量的應用。木材取代的原因到了近代，隨著科技的發(fā)展，鋼材與混凝土逐漸取代木材成為主要的建筑材料。缺陷缺陷：節(jié)疤、開裂等自然缺陷；彎曲、空心等生長缺陷,個體差異性較大，木構(gòu)件尺寸受樹木自然特性限制；易

2、燃，易腐，耐久性差，受彎易斷膠合木木材在建筑中的新契機進步材料的現(xiàn)代應用新技術膠合木的出現(xiàn)典型的、應用普遍的深加工木材是層板膠合木，它是由 20 50 mm厚的木板經(jīng)干燥、順紋膠合而成，中間過程包括表面處理、端部拼接等生產(chǎn)工藝制作而成。膠合木的優(yōu)勢 第一、構(gòu)成膠合木的層板剔除了節(jié)疤、開裂等木材的自然缺陷剔除了節(jié)疤、開裂等木材的自然缺陷，層板與層板依據(jù)其不同方向的受力特性，經(jīng)過合理配置層疊而成，使膠合木避免了自然木材無法控制的個體偏差，具有均勻的結(jié)構(gòu)強度避免了自然木材無法控制的個體偏差，具有均勻的結(jié)構(gòu)強度。 現(xiàn)在的木材加工技術已經(jīng)可以將膠合木制成長達50米的木梁。其典型用途從簡單的桁條、脊梁、地

3、板梁和懸臂梁，直到完整的商用屋頂系統(tǒng)。膠合木桁架也可以做成許多種形式，包括簡單的瀝青桁架、復雜的剪形結(jié)構(gòu)和帶有上折弦的大跨度弓弦桁架。當作為空間框架設計時，膠合木桁架系統(tǒng)可以產(chǎn)生很大的凈跨度，適用于禮堂、體育館和其他需要大面積開闊地面的建筑。 第二、由于膠合木在加工過程中進行了充分的干燥和一系列化學處理，保證了施工后構(gòu)件尺寸和形狀的穩(wěn)定并具有良好的防腐、防火的功能保證了施工后構(gòu)件尺寸和形狀的穩(wěn)定并具有良好的防腐、防火的功能。大大地拓展了木材在特條件下的使用范圍。 經(jīng)過處理的木材可以自由地暴露在自然環(huán)境之中，展示其材料的迷人特性。這種暴露式的用途包括電線桿、碼頭、船塢以及其他水邊建筑和橋梁。用膠

4、合木建造的木橋安全耐久，與自然環(huán)境結(jié)合完美。 第三，膠合木的尺寸和形狀不再受樹木自然特性的限制，完全可以根據(jù)設計的需要制造出大斷面和各種形狀的結(jié)構(gòu)用材，這給木造建筑的木造建筑的結(jié)構(gòu)設計帶來很大的自由度結(jié)構(gòu)設計帶來很大的自由度，使得大跨度木結(jié)構(gòu)建筑和各種富有創(chuàng)意的造型設計成為可能。除了矩型材外，膠合梁還可以被制成各種錐形結(jié)構(gòu)，比如單錐脊、雙錐脊和偏心脊。此外，還可做成各種拱形，從簡單的曲梁，到斜錐形曲梁，再到復雜的拱形結(jié)構(gòu)。正是由于新技術和膠合木的出現(xiàn)，才為木材重新回歸建筑中重要地位提供了新契機 傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)常用于住宅等小型建筑中，近年來隨著材料科學的發(fā)展，木材在大跨度建筑中的應用也更為廣泛，無論

5、是在結(jié)構(gòu)還是維護體系中。大跨建筑中的木結(jié)構(gòu)材料以膠合木結(jié)構(gòu)為主，一般采用單板層積材和木質(zhì)集成材。使用木材的大跨度建筑能充分展現(xiàn)木材的結(jié)構(gòu)美學和柔性美，是人類使用自然材料創(chuàng)造極限空間和極限建筑的充分展示。使用木材及木結(jié)構(gòu)的大跨度建筑也有很多豐富多彩的結(jié)構(gòu)形式，如：框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、懸挑結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)等。現(xiàn)代應用大跨建筑中的應用桁架結(jié)構(gòu) 薄殼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)懸挑結(jié)構(gòu)大跨度類型的木結(jié)構(gòu)建筑除了在結(jié)構(gòu)上的應用，由于現(xiàn)代木材在聲學、熱工以及視覺等方面的優(yōu)勢，除了在結(jié)構(gòu)上的應用，還被廣泛應用在維護和裝飾體系中。木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)用木材按照加工方式的不同，可將其主要分為三種 原木 鋸材

6、膠合材應用分析實木與膠合木的應用對比原木在建筑中的運用原木在建筑中的運用：（1）規(guī)格材在建筑中主要用途是在框架和維護兩方面，具體為屋頂、地板、剪力墻、橫隔墻和承重墻。（2）木板一般作裝飾性材料。（3）肋材一般用作梁和柱。做梁時，寬度大于50mm并大于厚度，主要用作彎曲的構(gòu)件；做柱時，寬度小于51mm但大于厚度，主要做受壓構(gòu)件。膠合木在建筑中的運用：膠合木在建筑中的運用：（1）無支撐物的大跨度和宏偉的高空拱（2）（為體育館、教育和娛樂場館、室內(nèi)游泳池、禮堂和購物中心等大型寬敞場所提供有效的圍欄（3）用在橋梁和水邊建筑中實際應用 無支撐物的大跨度和宏偉的高空拱 為體育館、教育和娛樂場館、室內(nèi)游泳池

7、、禮堂和購物中心等大型寬敞場所提供有效的圍欄 橋梁和水邊建筑應用舉例四川江油電廠干煤棚弧形膠合板拱屋蓋1989年建成，跨度年建成，跨度88m，拱高，拱高27m，拱腳支撐在約拱腳支撐在約6m高高的鋼筋混泥土支墩的鋼筋混泥土支墩上。上。應用舉例上海歡樂谷 谷木游龍 過山車中國目前第一架木質(zhì)過山車，以被譽為超級結(jié)構(gòu)用材的美國南方松木為主材，總共有幾萬根木頭，沿湖堤搭建，帶給游客超過10次的太空零重力感受，挑戰(zhàn)生命不能承受之輕。應用展望 由于我國目前的森林資源不足，森林覆蓋率僅為20.36%，只有全球平均水平的2/3，排在世界第139 位。人均森林面積0.145公頃，不足世界人均占有量的1/4。我國現(xiàn)

8、代木結(jié)構(gòu)剛剛起步，發(fā)展膠合木對解決我國木材資源短缺的問題有很大作用。 目前在北京、上海、成都等許多城市，許多膠合木結(jié)構(gòu)建筑相繼建起，我國發(fā)展木結(jié)構(gòu)潛力很大、前景誘人。應用展望蘇州胥江河上將建單跨80米國內(nèi)第一木結(jié)構(gòu)仿古橋梁基于大量的大跨度建筑應用木材（膠合木）的案例，回歸本質(zhì)，對木材的材料特性做出探討環(huán)保安全親和1、物理性能2、力學性能1、保溫隔熱2、降低溫室效應3、生命周期低能耗4、可再生經(jīng)濟材料特性材料特性木材的某些固有特性使得其在建筑中被廣泛應用。與其他材料相比，具有一定的優(yōu)越性關鍵詞：環(huán)保、安全、經(jīng)濟、親和環(huán)保與其他材料相比，木材具有良好的生態(tài)性能，對環(huán)境的影響極小?，F(xiàn)代大跨木結(jié)構(gòu)建筑

9、具有良好的生態(tài)性能。人工木材導熱系數(shù)較小，具有良好的保溫隔熱性能。有研究表明：若達到同樣的保溫效果，木材需要的厚度是混凝土的115，是鋼材的1400；在同樣厚度的條件下，木材的隔熱值比標準的混凝土高16倍，比鋼材高400倍，比鋁材高1600倍1。在冬天室外溫度完全相同的條件下，木結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)溫度比混凝土建筑要高6攝氏度，夏天正好相反。木結(jié)構(gòu)建筑就像一座天然的空氣調(diào)節(jié)器，作到了真正的“冬暖夏涼”。1、保溫隔熱2、降低溫室效應 使用現(xiàn)代木材料在建筑中的應用有利于降低溫室效應。早期對樹木的研究表明：隨著二氧化碳濃度的增加，樹木的總生長量也在增加。二氧化碳濃度的增加目植物有“施肥效應”，非常有利于生物

10、圈對大氣中二氧化碳的吸收。通過光合作用，每生長it木材可吸收147t二氧化碳，產(chǎn)生107t氧氣.將碳元素固定在樹木中形成纖維材料。因此，現(xiàn)代大跨木建筑中所使用的木材在生長的過程中可以固碳造氧，從而能更好地維持生態(tài)平衡，降低溫室效應。3、生命周期低能耗木材在開采、制造、運輸、施工等過程中所消耗的能量較低。相比之下，鋼、銅等金屬材料由于在牛產(chǎn)過程中卻要消耗大量能量，其材料本身內(nèi)含能量要比木材高的多。生產(chǎn)一噸木材所消耗的電量為453kw，而生產(chǎn)1噸鋼材則需耗費3780kw。因此木材是低內(nèi)含能量的建筑材料。根據(jù)可再生能源協(xié)會2004年的研究，在美國，水材占所有工業(yè)原材料的47，但消耗的能源僅占所有工業(yè)

11、原料的41。因此，木材是低能耗材料。木材加工木基復合材水泥廠鋼材冶煉4、可再生性木材具有可再生性?，F(xiàn)在普遍人工林資源替代天然林資源。通過人工林的定向培育，其成熟期將縮短，易于工業(yè)業(yè)化利用，可以永續(xù)利用，是可持續(xù)發(fā)展的一個重要方面。據(jù)統(tǒng)計，我國每年建房需生產(chǎn)粘土磚7 000億塊，損毀耕地6 667兆平方米以上，每年燒磚用煤約7 000萬噸。而木材是可再生資源，只要保持生長量大于采伐量，森林資源就可持續(xù)利用，循環(huán)利用。小材uT以回收再利用。原木加工過程中會產(chǎn)生大量的碎料、刨花、木屑等廢料，這些廢料經(jīng)過破碎，浸泡，研磨咸水漿，再熱壓成型可以變廢為寶制成各種建筑板材，廣泛用于室內(nèi)裝修與家具生產(chǎn)。 膠合

12、材是以木材作為主要原料膠合壓制成矩形材和板材。這一類木產(chǎn)品是由碎料膠合而成,各種木材的邊角料和太小的木料以及原本不適合用作建筑材料的樹種均可以作為原料,這樣就大大的提高了森林資源的利用效率,降低成本。木 術材還具有易降解性，使用后易于分解成可以再次進入自然界循環(huán)的材料，從中可以減少不可分解物對環(huán)境的污染?，F(xiàn)在城市里很多建筑垃圾很難循環(huán)利用甚至很難降解，只能通過深挖掩埋的方法來處理，而這些做法有可能造成地下水的污染，因此，使用易降解的木材作為建筑材料的現(xiàn)代大跨小結(jié)構(gòu)對環(huán)境的負面影響較小。鋼 鋼材冶煉需要燃燒大量煤，而且會排放污染氣體，開采礦石也會破壞環(huán)境，因此鋼結(jié)構(gòu)不如木結(jié)構(gòu)環(huán)保。 水泥 原料的

13、開采會破壞環(huán)境，煅燒會排放污染氣體，施工過程中產(chǎn)生很多建筑垃圾。5、污染小經(jīng)濟 它結(jié)構(gòu)自重輕，可降低基礎造價，在軟土地區(qū)優(yōu)勢尤其明顯；它的材料自重輕，建筑材料綜合運輸費用低。這一優(yōu)勢在大型公共建筑項目當中體現(xiàn)得尤為明顯。以美國華盛頓州塔科馬市多功能體育館為例，最終建成的木結(jié)構(gòu)穹頂造價為302億美元，與之相比，建設相同規(guī)模的體育館，采用充氣穹頂?shù)脑靸r為355億美元，而采用混凝上穹頂則需花費438億美元1。位于瑞士的建國700周年紀念館由于采用木結(jié)構(gòu)，造價僅為鋼結(jié)構(gòu)的15，混凝土結(jié)構(gòu)的132可見，采用在大跨建筑領域采用木結(jié)構(gòu)可以降低建筑的造價。1、自重輕2、工期短它采用干式施工，施工速度快，工期短

14、，可以減少施工造價；1、力學性能-彈性與塑性結(jié)構(gòu)膠合材與鋼一樣，可根據(jù)需要制成任意斷面尺寸、任意曲率的材料,并能預先計算撓度。但是與工字鋼和鋼筋混凝土制品相比,可大幅度減輕重量。彎曲鋼構(gòu)件彎曲木構(gòu)件梅斯蓬皮杜中心屋頂局部良好的安全性能低溫促使鋼材斷裂韌度下降，特別是低于-20度的環(huán)境條件下服役的鋼構(gòu)件，脆性斷裂的趨勢更明顯。止裂實驗證明：低碳鋼板厚由50mm增加到125mm時，止裂溫度值約升高0.4e/mm，即鋼構(gòu)件越厚，低溫條件下脆性傾向越強脆性變形前塑性變形很小，破壞突然發(fā)生，無法及時察覺采取補救措施，而且個別構(gòu)建斷裂會一起整體結(jié)構(gòu)坍塌，后果嚴重。止裂實驗鋼脆性斷裂斷裂面2、力學性能-脆性

15、和韌性木材的脆性脆溫度下降趨勢上升沒有鋼材突出，因此在極寒地區(qū)，因此木比鋼更適合在極寒地區(qū)使用。北歐木建筑加拿大木建筑日本木建筑木質(zhì)材料韌性較大，對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力，地震產(chǎn)生時吸收震波小，抗震效果好，因此也多用于多震地區(qū)。美國華盛頓州塔科馬市多功能體育館直徑162米，頂部距地面457m，最多可容納26000名觀眾。大量重復的三角形木構(gòu)架交織成個巨大的弧形穹頂，能夠承載相當大的荷載。2001年發(fā)生的68級地震沒有對豐要的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)牛絲毫損傷。這個例子說明結(jié)構(gòu)膠合材具有良好的結(jié)構(gòu)安全性能。3、物理性能-耐火性能好在美國,木結(jié)構(gòu)防火是由防火理念轉(zhuǎn)為耐火理念。木材雖然為可

16、燃材料,但它在燃燒時表面會產(chǎn)生一層炭化層,能延緩燃燒的過程。如按照1小時的耐火極限進行防火設計,當木材燃燒1小時時,炭化層厚度為1.8英寸,這時候如構(gòu)件的殘留截面,仍能承受當時實際的荷載而不倒塌,就認為它已滿足了1小時的耐火要求。目前,國內(nèi)消防相關機構(gòu)也已經(jīng)逐步接受這一理念。結(jié)合不同樹種的木材在受火焰作用時的炭化速度,根據(jù)規(guī)范提供的計算公式得出構(gòu)件的尺寸,經(jīng)過計算得出構(gòu)件在火災后一般能保持原構(gòu)件設計強度的85% 90%。同時,可以對重型木構(gòu)件本身進行阻燃處理,即采用木結(jié)構(gòu)防火涂料加壓浸泡或涂刷,這樣處理的結(jié)果能降低木構(gòu)件表面火焰燃燒速度,相應提高構(gòu)件的耐火極限,改變其燃燒性能。比較一下金屬結(jié)構(gòu)

17、的防火性能,未經(jīng)強化防火處理的金屬構(gòu)件遇高溫時容易降低強度,會使建筑物突然坍塌。鋼結(jié)構(gòu)在超過1 50攝氏度時，強度會明顯下降，到500至600度時強度幾乎為零。發(fā)生火災時，鋼結(jié)構(gòu)耐火時間短，會發(fā)生突然坍塌，大跨鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件遇高溫易發(fā)生突然破壞，耐火極限較低；大跨木結(jié)構(gòu)遇高溫后構(gòu)件表面會形成阻燃的碳化層，耐火極限較高，甚至能夠用來建造圖書館等有特殊要求的建筑。對比現(xiàn)代大跨木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的耐腐蝕性，在建造游泳館和溜冰場時具有不可比擬的優(yōu)勢。由于游泳館中水汽蒸發(fā)很嚴重，特別是池水中的消毒成分蒸發(fā)后，會嚴重腐蝕館內(nèi)的金屬材料。如果游泳館采用鋼結(jié)構(gòu)，勢必會影響整個場館的結(jié)構(gòu)安全性。相反，木結(jié)構(gòu)材料

18、經(jīng)過處理后，可以很好地抵御水蒸汽的侵蝕。建筑師蓋依爾設計的位于瑞士的木薄殼結(jié)構(gòu)游泳館就是為了避免鋼結(jié)構(gòu)在游泳館的使用過程中因水汽發(fā)生銹蝕而選用了木結(jié)構(gòu)。耐腐蝕良好的吸聲性能木材是多孔性材料，具有良好的吸聲功能。據(jù)居室內(nèi)談話清晰程度的研究表明，在由木質(zhì)材料裝修的室內(nèi)與混凝土造居室內(nèi)聲音的回響時間不同，在混凝上造居室內(nèi)聲音的回響時間約為 0.40.6 秒，而在木造居室內(nèi)約為 0.20.4 秒。如果有兩組以上的人在同一居室內(nèi)談話，則在混凝土造居室內(nèi)談話易被干擾的程度大于木造居室。這是因為木質(zhì)材料具有良好的吸音性，而聲波遇到堅硬的混凝土墻會發(fā)生反射導致回響，因而引起居室內(nèi)不同聲音的混雜，形成噪聲影響人們的聽覺感受。塔科馬穹頂體育館La Rive野營 木質(zhì)材質(zhì)的天然隔音效果使體育館擁有相當音樂廳一級的音響效果。 室內(nèi)表面的 2 6 面板被聲學絕緣板覆蓋。這些絕緣措施加上穹頂?shù)男螤睿瑸楸荣悎鎏峁┝藙≡阂糍|(zhì)搬的音響效果。自這一體育館建成使用以來，主要的音樂會放棄了諸如西雅圖國王體育館這樣的場地而在塔科馬穹頂體育館舉行，使得這一體育館成為各類活動如交響樂會、搖滾演唱會、西方牛仔競賽、怪物競賽等的集中場所。大跨鋼結(jié)構(gòu)建筑使用外