木结构
木结构
科技名词定义
中文名称：
木结构
英文名称：
timber structure
定义：
全部或大部分用木材制成的工程结构。
所属学科：
水利科技（一级学科）；工程力学、工程结构、建筑材料（二级学科）；工程结构（水利）（三级学科）
本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
百科名片
木结构是单纯由木材或主要由木材承受荷载的结构，通过各种金属连接件或榫卯手段进行连接和固定。这种结构因为是由天然材料所组成，受着材料本身条件的限制，因而木结构多用在民用和中小型工业厂房的屋盖中。木屋盖结构包括木屋架、支撑系统、吊顶、挂瓦条及屋面板等。
目录
简介
发展
历史沿革
结构特点
保护措施
分类介绍
发展前景
简介
发展
历史沿革
结构特点
保护措施
分类介绍
发展前景
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编辑本段简介
木结构建筑
用木材制成的结构。木材是一种取材容易，加工简便的结构材料。木结构自重较轻，木构件便于运输、装拆，能多次使用，故广泛地用于房屋建筑中，也还用于桥梁和塔架。近代胶合木结构的出现，更扩大了木结构的应用范围。
木材受拉和受剪皆是脆性破坏，其强度受木节、斜纹及裂缝等天然缺陷的影响很大；但在受压和受弯时具有一定的塑性。木材处于潮湿状态时，将受木腐菌侵蚀而腐朽；在空气温度、湿度较高的地区，白蚁、蛀虫、家天牛等对木材危害颇大。木材能着火燃烧，但有一定的耐火性能。因此木结构应采取防腐、防虫、防火措施，以保证其耐久性（见木结构的防腐防虫和防火）。
编辑本段发展
木材作为一种永恒的建材，古老而又现代，木结构建筑在风格特性上与城市特点相呼应，彰显人文特点。天然材质使建筑具有一种特别的亲和力，消除建筑本身作为外来物的冰冷感觉，木结构建造的灵活性可以充分发挥个性化，人性化特点。木结构在园林景观中的应用更有利于结合中国文化特点，焕发历史神韵又不失现代气氛.木结构建筑将为中国建造的不仅是可供使用的建筑实体,更成为一座座人文景观。
在中国，随着“天保”工程的实施，大部分地区已严禁砍伐树林。从美国进口木材可填补由此造成的缺口。美国所有出口的木材产品均来源于经认证的美国于可持续开发的森林资源。结构用锯材和工程木产品强度高，模数体系齐全，以及完善的分等分级规定，能满足各种从单体住宅等小型建筑到体育馆和桥梁等大型建筑的多种需要。
编辑本段历史沿革
中国是最早应用木结构的国家之一。根据实践经验采用梁、柱式的木构架
木结构建
筑
，扬木材受压和受弯之长，避受拉和受剪之短，并具有良好的抗震性能；建于辽朝(1056年)的山西省应县木塔（见彩图），充分体现了结构自重轻、能建造高耸结构的特点。在木结构的细部制作方面，采用干燥的木材制作结构，并使结构的关键部位外露于空气之中，可防潮而免遭腐朽；在木柱下面设置础石，既避免木柱与地面接触受潮，又防止白蚁顺木柱上爬为害结构；在木材表面用较厚的油灰打底，然后油漆，除美化环境外，兼有防腐、防虫和防火的功能。
中国的木结构建筑在唐朝已形成一套严整的制作方法,但见诸文献的是北宋李诫主编的《营造法式》，是中国也是世界上第一部木结构房屋建筑的设计、施工、材料以及工料定额的法规。对房屋设计规定“凡构屋之制，皆以材为祖。材有八等，度屋之大小，因而用之”。即将构件截面分为八种，根据跨度的大小选用。经按材料力学原理核算，当时木构件截面与跨度的关系符合等强度原则，说明中国宋代已能通过比例关系选材，体现出梁抗弯强度的原理。与梁、柱式的木构架溶为一体的中国木结构建筑艺术别具一格，并在宫殿和园林建筑的亭、台、廊、榭中得到进一步发扬，是中华民族灿烂文化的组成部分。
近代木结构是在产业革命以后，随着房屋和桥梁的建设而发展起来。
编辑本段结构特点
得房率高
由于墙体厚度的差别，木结构建筑的实际得房率（实际使用面积）比普通砖混结构要高出5%---7%。
工期短
木结构采用装配式施工，这样施工对气候的适应能力较强，不会像混凝土工程一样需要很长的养护期，另外，木结构还适应低温作业，因此冬季施工不受限制。
节能
建筑物的能源效益是由构成该建筑物的结构体系和材料的保温特性决定的。木结构的墙体和屋架体系由木质规格材、木基结构覆面板和保温棉等组成，测试结果表明，150mm厚的木结构墙体，其保温能力相当于610mm厚的砖墙，木结构建筑相对混凝土结构，可节能50%---70%。
环保
木材是唯一可再生的主要建筑材料，在能耗、温室气体、空气和水污染以及生态资源开采方面，木结构的环保性远优于砖混结构和钢结构，是公认的绿色建筑。
舒适
由于木结构优异的保温特性，人们可以享受到木结构住宅的冬暖夏凉。另外，木材为天然材料，绿色无污染，不会对人体造成伤害，材料透气性好，易于保持室内空气清新及湿度均衡。
稳定性高
木材相对其它材料有极强的韧性，加上面板结构体系，使其对于冲击荷载及周期性疲劳破坏有很强的抵抗力，具有最佳的抗震性，木结构在各
种极端的符合条件下，均表现出优异的稳定性和结构的完整性，特别在易于受到飓风影响的热带地区以及受到破坏性地震袭击的地区，如日本和北美，其表现尤为突出。
防火性能
木结构体系的耐火能力比人们通常想象的要强的多，轻型木结构中石膏板对木构件的覆盖，以及重木结构中大尺寸木构件遇火形成的碳化层，均可以保护木构件，并保持其结构强度和完整性，按中国木结构设计规范设计建造的木结构建筑，完全能够满足有关防火要求。
隔声性能
基于木材的低密度和多孔结构，以及隔音墙体和楼板系统，使木结构也适用于有隔音要求的建筑物，创造静谧的生活，工作空间。另外，木结构建筑没有混凝土建筑常有的撞击性噪音传递问题。
耐久性
精心设计和建造的现代木结构建筑，能够面对各种挑战，是现代建筑形式中最经久耐用的结构形式之一，能历经数代而状态良好，包括在多雨、潮湿，以及白蚁高发地区。
编辑本段保护措施
保证木材耐久性的必要措施。
防腐
木材腐朽是受木腐菌侵害的结果。木腐菌体内的水解酶能将组成木材细胞壁的纤维素、木质素及细胞内含物分解作为养料，使木材的强度逐渐降低，直至失去全部承载能力。
木腐菌的生长必须同时具备下列三个条件：木材含水率高于18％；温度在 2～35°C的范围内；有氧气供应。如能去除其中之一，即可防止腐朽。中国有“千年不烂井底木”的古话，是说明木材在水中缺氧而不腐。木结构与人类生活分不开，温度和氧气无法排除，只能将木材含水率控制在18％以内，即使其处于干燥状态，防止木腐菌的侵蚀。因此，要求木结构各个部分，特别是支座节点等关键部位，要处于通风良好的条件下，即使一时受潮，也能及时风干。故在设计木结构时，首先要考虑结构的构造防腐措施：如设置隔温顶棚的木屋盖，必须将顶棚吊在木屋架下弦下面，并使下弦底面与隔温层保持一定距离，使整个屋架位于同一温度场内。如将隔温层置于木屋架下弦之上，则只好将屋架的支座节点砌在墙内，构成封闭的空间，以保证隔温层下面的正温度场的良好效果。但当屋檐稍有渗漏，就能浸湿支座节点，由于处于封闭状态，难以短期风干。木材只要在一定的时间内含水率高于18％,木腐菌就能生长,而木腐菌在繁殖过程中将要排出数倍于原来用以维持生长的水分，湿润毗邻的木材，产生恶性循环，使腐朽蔓延。过去不少木屋架的支座节点曾因此而严重腐朽毁坏，甚至引起整个屋盖的塌倒。
埋入土中的木电杆或木桩，在土层表面上、下一个区段内，被土
中的水分侵湿，又有氧气供应，所以遭致腐朽。深埋于土中的部分不腐的原因是缺氧。地表以上较高部分不腐的原因是缺水（即含水率低于18％）。因此，对于经常受潮或间歇受潮的木结构或构件，以及不得不封闭在墙内的木梁端头或木砖等，都必须用防腐剂处理以防木腐菌繁殖生长。
防腐剂是由具有一定毒性的化学品配制的，分水溶性、油溶性、油类及浆膏等几种。对于经常受潮的木构件,宜采用属于油类防腐剂的混合防腐油，也称蒽油,由煤杂酚油（即木材防腐油）和煤焦油配制，遇水不易流失，药效较长。沥青在外观上呈黑色粘滞状，与蒽油类似,常被误用作防腐剂。但沥青只能防水而不能防腐,用沥青涂在未经干燥的木材上，则适得其反，阻碍了木材的风干。
不同的树种木材，由于细胞的内含物不同其耐腐性也有差别。马尾松、桦木等即属于耐腐性差的树种。对于同一树种的木材，边材较心材易腐，所以边材所占比率较大的树种，其耐腐性也较差。当采用这些树种的木材制作木结构时，均应用防腐剂处理。
防虫
蛀蚀木材的昆虫主要有白蚁和甲虫。白蚁的危害较甲虫广泛而严重。
白蚁是一种活动隐蔽，过群体生活的昆虫。在世界上共有2000多种，在中国也有近百种之多，主要分布于长江流域和南方温暖潮湿地区。白蚁以木材为主要食料，也离不开水分，且其生活有畏光性，到巢外取食，都在泥土筑成的蚁路中行进。故常在有木构件或木制品而靠近水源的地方筑巢。因此厨房、浴室等处阴暗潮湿部位的木构件最易受白蚁蛀蚀。
在中国常见的危害木材的甲虫是家天牛、家茸天牛、粉蠹和长蠹。天牛以木材的纤维为食，幼虫在木材内蛀成坑道，老熟后在坑道末端成蛹，成虫羽化后向外咬一椭圆形孔飞出。主要危害木麻黄等阔叶树材。粉蠹及长蠹以木材的淀粉和醣类为食，故以危害阔叶树材的边材为主。成虫喜在木材表面的管孔中产卵。因此管孔较大的栎木、山核桃、刺槐等树种受害最烈。幼虫将木材内部蛀成粉末状，只剩下一层薄薄的外壳，表面上小虫眼密布，其周围常有粉末状蛀屑。
甲虫主要侵害含水率较低的干燥木材，而白蚁对潮湿的木材为害较烈。所以采取构造上的防潮措施，使木构件与水源隔断,对减小白蚁的危害,有一定的效果。但构造上的防潮对防虫仅是一种辅助措施，凡是有白蚁或甲虫的地区，木结构和木制品均应用防虫药剂处理。
楠木、紫檀、柚木等树种有较强的抗白蚁性，杉木、柳杉、樟木等也有一定的抗白蚁性，但多数树种木材皆易受白蚁危害，如马尾松最易受白蚁蛀蚀
。所以对于易受白蚁危害的树种木材制作的木结构或木制品，都要用防虫药剂处理。
为了保证木结构的耐久性，目前世界各国都采用既能防腐又能防虫的药剂。如用硼酸、硼砂和五氯酚钠配制的硼酚合剂，是一种水溶性的药剂，可将木构件浸泡在药剂的水溶液中，若每立方米木材能吸收4.5～6千克的药剂(干剂重量)，则能达到防腐防虫的目的。由于这种药剂遇水容易流失，故只宜用于不受潮的木构件。对易受潮的木构件，则应采用油溶性的五氯酚、林丹合剂。
防火
对木结构及其构件的防火主要是测定其耐火极限，并根据建筑物耐火等级的要求，采取提高木构件耐火极限的措施。木构件的耐火极限，是指某种构件在专门的炉中,按模拟火灾温度(700～1000°C)的火焰进行燃烧，从开始到失去其原有的功能（对承重构件就是失去承载能力）的时间。如用厚度为 5厘米的方木胶合的门扇，其耐火极限为 1小时；截面为17×17厘米的木梁，其应力达到10兆帕，耐火极限为40分钟；截面为15×15厘米，高3.5米，应力达到4兆帕的木柱，25分钟后才破坏；而截面为29×29厘米的木柱，应力达6 兆帕，50分钟后才破坏。由此可见，木构件是具有一定的耐火性能，特别是截面较大的构件。这是因为木材是由中空的细胞组成，热导率较小。并且木材在燃烧过程中，在表面形成一层木炭，而木炭也有良好的隔热性能，因而减慢了木材的热分解。
木构件在火灾作用下，前2分钟是着火燃烧,在此后的8分钟内的炭化速率约为每分钟0.8毫米，由于形成木炭层,在这以后炭化速率减慢到每分钟0.6毫米。不同树种的炭化速率有一定的差别。木构件的耐火极限，除试验测定外，还可以根据已掌握的不同树种的炭化速率进行估算。
对于无保护层的木构件来说，应尽量采用截面尺寸较大的整体木构件,以提高耐火极限。试验证明,层板胶合构件的耐火性能与整体截面的木构件相似。所以采用截面大的层板胶合木结构，有利于防火。提高木结构的耐火极限有两个途径,一是加抹灰层或石膏板,如30×30厘米的木柱加2.5厘米的钢丝网抹灰层,其耐火极限可提高到1.5小时,另一是采用防火药剂浸注或涂防火漆，如丙烯酸乳胶防火漆，在100～200°C的温度下能分解出磷酸使木材脱水炭化,减少可燃气体的形成，在250°C左右能膨胀起泡，形成蜂窝状的防火隔热层，做到小火不燃，以防止初期火灾的扩展，一经离开火焰即能自行熄灭。
编辑本段分类介绍
木结构按连接方式和截面形状分为齿连接的原木或方木结构，裂环、齿板或钉连接的板材结构和胶合木结构。
齿连接的原木或方
木结构
以手工操作为主的工地制造的结构。加工简便，发展最早，应用也最广。在中国应用最多的也是这种结构形式。
原木或带髓心的方木在干燥过程中，多发生顺纹开裂。当裂缝与桁架受拉下弦连接处受剪面重合时，将降低木结构的安全度，甚至导致破坏。故在采用原木或方木结构时，应采取可靠措施，尽量减少裂缝对结构的不利影响。
原木和方木截面较大，干燥费时，所以制作时只能采用截面内外平均含水率不大于25％的半干材。半干材在安装后逐渐干燥到与空气中的相对湿度平衡时，将产生横纹干缩，并在节点处产生的横纹或斜纹承压变形偏大，再由于齿连接手工操作的偏差，致使原木或方木结构的变形较大。
原木或方木桁架的下弦除了开裂的影响之外，还常因所供应的木材质量偏低，难以选得符合受拉构件材质标准的木材。为了保证原木或方木结构的安全可靠，在中国大量推广应用钢材作下弦和拉杆的钢木桁架。以保证结构的安全可靠，并在一定程度上提高了结构的刚度，减小了变形。
裂环、齿板或钉连接的板材结构
由厚度在10厘米以内的木板组成的结构。木板厚度小，能在短期内干燥，结构的变形较小，且木板又无完整的年轮，在干燥过程中切向和径向收缩率不一致所引起的翘曲可用加压的方法控制；干燥不均匀引起的内应力很小，即使产生裂缝，因开裂程度轻微，不影响结构的安全。。
裂环连接的板材结构
裂环能传递较大的内力，既能用于节点连接，又能用于接头的连接；裂环能标准化生产，环槽可用机具开凿，可使木结构的制作进入工业化生产。
裂环通过环槽承压和连接靠木材受剪传力，其安全度受脆性破坏的木材抗剪强度控制。裂环安装后处于隐蔽状态，不易检查。因此被齿板逐渐取代。
齿板连接的板材结构
冲压而成的齿板用油压机直接压入木材，制造简便，与裂环连接相比，具有较高的紧密性，减小了结构的变形，且便于检查。齿板通过众多的齿分散承压传力，有很好的韧性，比裂环连接可靠。近年来国外多将齿板应用于桁架节点和接头的连接。
钉连接的板材结构
多在工地制造，由于加工方便，可以制成弧形桁架等合理的结构形式，在苏联应用较多。中国曾用于体育馆、仓库等跨度较大的屋盖结构。由于钉连接的后期变形较大，应用受到一定的限制。
胶合木结构
包括层板胶合结构和胶合板结构。由于胶合木结构能较好地利用木材的优点和克服其缺点，使木材在结构中的应用更为合理，所以在一些技术发达的国家
得到较大的发展，而成为木结构的主要形式。多用于大跨度的房屋。近年来,美国相继建成直径为153米、162米及208米的胶合木圆顶。
此外，将木材旋切成3～10毫米厚的单板,木纹相互平行层叠热压胶合成30～50毫米厚的板材称为密层胶合木，可用以制成各种构件或结构。密层胶合木的问世使胶合木结构的应用达到新的高度。如建于1976年跨度为122米的密层胶合木筒拱,用于美国爱达荷州立大学足球场的屋盖，上、下翼缘采用由16层单板胶合厚度为45毫米的密层胶合木。图为在吊装筒拱。
编辑本段发展前景
木材是一种再生的天然资源，且人类习惯使用木材已有悠久历史，在对木材的防腐、防虫、防火措施日臻完善的条件下，充分发挥木材自重轻、制作方便的优点，做到次材优用，小材大用，提高木材的利用率，除继续用于一般建筑外，在大跨度建筑屋盖结构方面有其一定的前途。