现代多高层木建筑的结构形式与特点

1 前言

当今全球资源和生态环境问题日益突出，可持续发展相继成为各国的战略目标，建筑业由于需要消耗自然资源和能源，对环境产生不同程度的影响，因此建筑业的可持续发展直接关系到全球的可持续发展。

木材由于具有资源易于再生、绿色环保、保温隔热性好等优点[1]，与可持续发展的目标相互协调，在建筑业中的应用发展越来越受到重视。此外，随着近十年来材料技术的发展，正交胶合木(cross laminated timber,简称CLT) 等新型工程木产品的诞生使得建造多高层木建筑成为可能。为了建筑业的可持续发展，也为了解决大城市人口密度不断增长的问题，业内认为木材不能局限于以往三层及三层以下的低矮建筑，各国纷纷提出建设标志性的木结构高层建筑。2016 年奥地利在维也纳开工建造一幢木材使用率达到75% 的24 层木混合结构建筑，该建筑集酒店、商场于一体，总高将达到84m，目前正基本建成，将成为世界最高的木结构建筑之一。

2 主要结构形式与特点

2.1 纯木结构体系

纯木结构指结构承重体系及抗侧向力体系均采用木材或木材制品制作的结构。所有竖向荷载和水平荷载均通过木制的梁、柱、支撑及剪力墙等结构构件最终传递到基础上。纯木结构中的连接节点可以为金属连接件，例如角钢连接件、金属抗拔件、齿板连接件等；也可采用木连接节点，例如齿连接、榫卯连接等。以下对纯木结构体系按结构形式分类介绍。

（1）木框架与木剪力墙结构体系 

图1 加拿大6 层木材创意与设计中心

图2 梁与柱连接节点

体系中木框架部分由胶合木的梁和柱构成，木剪力墙部分由刚度较大CLT 板构成，剪力墙承受水平荷载。图1 为2014 年建在加拿大北英属哥伦比亚大学（UBC）校园内名为“木材创意与设计中心”的纯木结构，建筑总高度29.5m，共6 层且带有顶层设备间[2]。该建筑主体为胶合木框架—CLT 核心筒结构。胶合木框架梁和柱保证了整体结构的延性，框架柱在楼层间竖向连续，框架梁在柱子边断开并插接于柱子两侧，梁与柱连接节点如图2 所示。CLT 楼板底面支承于梁上并用自攻螺钉连接，楼板周边近似于铰接边界条件，CLT 楼板与胶合木框架梁的连接如图3 所示。结构整体抗侧刚度主要由竖向连续的CLT 核心筒提供，墙板上预留有凹口以方便在墙体平面内框架梁端支承于核心筒剪力墙上，胶合木框架梁与CLT 剪力墙的连接如图4 所示。

图3 CLT 楼板与胶合木框架梁连接

图4 胶合木框架梁与CLT 剪力墙连接

该结构的建造推动了BC 省规范的发展，使木结构住宅的允许建造层数提高到了6 层；同时也展示了除基础之外不用任何混凝土材料来建造纯的多层木结构建筑。

（2）木框架支撑结构体系

木框架加支撑的结构体系，一般竖向荷载可由框架梁柱承受并传递，水平荷载主要由设有斜撑和木框架承受。图5 为2014 年位于挪威第二大城市卑尔根建成的当时世界最高的名为“Treet”的木结构建筑，共14 层总计高度52.8m，共包含64 个公寓单元。该建筑为胶合木框架加支撑结构体系，电梯井以及部分内墙采用了CLT 板，CLT 板墙体和胶合木支撑不设于同一柱间。结构主要竖向和水平荷载由设有胶合木斜向支撑的木框架承担。结构整体具有较高的抗侧刚度，地震作用下顶层最大水平位移仅为总高的1/744。由于层数较多，第5 层和第10 层设立结构加强层；为控制振型，整体结构中有三个楼层的楼板采用了混凝土。结构空间三维模型如图6 所示，从图6 外侧构架可看到第5 层和第10层的加强桁架，两个加强桁架的上表面及屋顶都采用了混凝土楼板。

图5 挪威14 层木结构建筑Treet

图6 Treet 结构空间三维模型

2.2 上下组合的木混合结构体系

上下组合的木混合结构体系指由纯木结构与其他材料的结构采用上下组合方式建造构成的混合结构体系。目前已建成的上下组合木混合结构建筑几乎底部均采用混凝土结构；近些年也有国外科研机构开展了底部采用钢框架的上下组合的混合木建筑的研究[3]。以下对上下组合的木混合结构体系按不同结构形式进行分类介绍。

（1）木框架与混凝土上下组合的木混合结构体系

体系中底部若干层为混凝土框架（或框剪）结构，上部楼层采用胶合木框架体系。木框架与混凝土上下组合形成的混合结构具有下重上轻，下刚上柔的非均匀结构特点[4]。

日本于2005 年建成了国内首个5 层上下组合的木混合结构建筑（图7），该建筑为设有斜撑的胶合木框架与混凝土形成上下组合的混合结构体系。其中最下层为混凝土结构，上部2 ～ 5 层为设有斜撑的胶合木框架结构，斜撑的设置有利于胶合木框架抗侧刚度的提高。上部木结构与下部混凝土结构通过预埋在混凝土结构中的锚栓和抗拔连接件连接，锚栓和抗拔连接件所受荷载通过木框架和混凝土结构间内力分析获得。实测结果说明木框架与混凝土结构上下组合的木建筑具有良好的抗震性能，基于性能的抗震分析法能够较理想地评价该类结构的抗震性能。

图7 日本5 层木混合结构

图8 英国9 层CLT 公寓楼Stadthaus

（2）木剪力墙与混凝土上下组合和混合结构体系

木剪力墙与混凝土上下组合结构是指上部为CLT剪力墙、下部为混凝土框架（或框剪）结构的上下组合的混合结构体系。相对于上部为木框架底部为混凝土的混合结构来说，CLT 木剪力墙的抗侧刚度更接近混凝土。在水平地震作用或风荷载作用下各楼层的内力分布更均匀并且结构侧向以弯曲变形为主。

图8 为2008 年在伦敦建成的一个名为“TheStadthaus”的公寓式9 层木混合结构建筑，结构形式为上部2-9 层的CLT 剪力墙与底部混凝土上下组合而成的混合结构，楼板、电梯和楼梯井全部由CLT 制成。施工过程中结构平面中部的电梯和楼梯井先行完成，竖向连续的楼梯井和电梯井可以为结构提供较大的水平抗侧刚度。随后安装四周的CLT 剪力墙，施工中的结构如图9 所示。CLT 墙板与楼板均采用角钢连接件连接，CLT 墙板通过预埋在混凝土中的锚栓经角钢连接件与底层混凝土结构相连，CLT 板间的竖向拼缝均采用螺钉连接，图10 所示为CLT 剪力墙用角钢连接件与CLT 楼板的连接图。由于木材横纹受压强度较低，在CLT 板材的高应力区使用木钉及螺钉局部加强，并通过设置钢构件等保证结构的抗震性能[5]。

图9 施工中的Stadthaus

图10 CLT 剪力墙用角钢连接件与CLT 楼板连接

2.3 同一楼层内不同材料组成的木混合结构体系

有时木结构也与其他材料的结构如混凝土结构、钢结构在同一楼层内组合，形成混合结构体系。目前已建成的多高层木混合建筑中，有多幢采用木结构与竖向连续的混凝土核心筒混合形成的木混合结构的工程实例，这种结构形式采用混凝土核心筒抵抗水平力，具有很好的抗侧性能。

图11 为2016 年在加拿大英属哥伦比亚大学建成的一幢18 层的木- 混凝土混合建筑，该建筑体系为胶合木框架- 混凝土核心筒混合木结构体系，是当时已建成最高的木结构建筑，总高达到了53m，该混合木结构建筑的建成突破了加拿大BC 省木结构不超过6 层的限制。

结构不同楼层的胶合木柱子间采用套管插接节点连接，该节点预制化程度高，现场安装方便，节点示意图如图12 所示，为了防止在柱子竖向拔力作用下套管脱离，采用钢制销钉沿套管直径横穿入套管插接节点中，安装完毕的套管插接节点如图13 所示。由于套管插接节点抗弯性能较弱，胶合木柱子均近似于两端铰接的摇摆柱，混凝土核心筒承受几乎所有的水平荷载，混凝土核心筒和胶合木柱子共同承担竖向荷载，施工中的混凝土核心筒如图14 所示。楼板均采用CLT，楼板水平面内设有刚性拉条，拉条的设置可以使楼板面内的水平力有效地传递给混凝土核心筒，刚性拉条如图15 所示，具有较大面内刚度的楼板有效地将所有竖向承重构件连为整体。外墙板均通过设在每层楼板边缘的角钢连接件挂设在楼板外侧，如图16 所示。由于该高层木建筑为混凝土核心筒和胶合木柱子混合承重，结构设计时需要考虑到竖向长期荷载下不同材料的徐变差。

图11 加拿大18 层木- 混凝土混合建筑

图12 套管插接节点示意图

图13 安装完毕的套管插接节点

图14 施工中的混凝土核心筒

图15 CLT 楼板中的刚性拉条

图16 连接外墙面板的楼板边缘角钢连接件

3 展望

大量的研究和工程实践都证明了多高层木建筑的可行性和经济性。通过分析全球多个已建成的和正在建造中的多高层木建筑案例，表明了未来多高层木建筑具有向更高高度发展的趋势。

建筑高度的不断增加需要技术上的不断发展和完善。

（1）工程木技术的不断发展

未来CLT 材料在木结构建筑中的应用会越来越广泛[6]，同时也需要研究更多性能更优越的新型工程木材料。

（2）对木结构与混凝土结构、钢结构等混合方式的深入研究

虽然部分多层木建筑为纯木结构体系，但是越来越多的多层和高层木建筑采用木与其他材料混合的结构体系，近些年也有学者提出并研究了木剪力墙- 钢框架的混合结构形式等。更合理更多样的木混合结构体系一定会促进多高层木建筑的发展。

（3）多高层木建筑防火和抗震技术的更深入研究

随着建筑高度的增加，对多高层木建筑抗火的要求也越来越高，需要研究更多样和更有效的防火措施。建筑高度的增加也将使结构地震作用的分析显得至关重要，这就需要发展更全面的基于性能的抗震分析方法，并对结构整体及局部变形、刚度及阻尼、连接设计等关键问题展开更充分的研究。

参考文献

[1] 何敏娟, Frank LAM, 杨军, 张盛东. 木结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2] Hu L, Pirvu C, Ramzi R. Testing at Wood Innovation and Design Centre [R]. Canada: FPInnovation,2015.

[3] Van de Lindt J W, Pryor S E, Pei S. Shake table testing of a full-scale seven-story steel-wood apartment building [J]. Engineering Structures, 2011, 33(3): 757-766.

[4] 何敏娟, 罗文浩. 轻木- 混凝土上下组合结构及其关键技术[J]. 建设科技, 2015 (3): 30-32.

[5] 何敏娟, 陶铎, 李征. 多高层木及木混合结构研究进展[J]. 建筑结构学报, 2016, 37(10): 1-9.

[6] Lehmann S. Sustainable construction for urban infill development using engineered massive wood panel systems[J]. Sustainability, 2012, 4(10): 2707-2742.

作者

 同济大学土木工程学院建筑工程系    何敏娟 孙晓峰