結構材料-木材
作者：顧樂明
木材是人類最早接觸的建造材料之一，從人類走出洞穴進入農耕文明，即開始利用木材建造房屋。因為木材是大自然中最豐富的建造材料，中文「土木」泛指所有跟建造有關的活動，可見木材在人類建造活動中的重要地位。
古代木結構
古代的木結構主要存在於東方，與西方古代大量使用石材不同，東方的建築歷來以木材為主要構材。石材利於受壓，因此，通常為壘砌法。而木材受彎、受拉的能力強於石材，因此木結構建築有其獨特的結構特徵，即樑柱式建築。
斗拱是古代東方木結構之關鍵，下圖是日本主要的斗拱形式及力流傳遞示意。
古代木結構博大精深，篇幅有限無法展開。梁思成先生的《中國建築史》對中國古代的建築（主要是木結構）有很好的梳理，有興趣的讀者可以自行閱讀。
木材的特性
可再生性
樹木是唯一的數量不斷增長的建築材料。通過使用木材可減少或完全避免不可再生材料的使用。這對材料用量極大建築工程來說，意義重大。
防火
木材是可燃材料，但同時也是阻燃材料。細小的木頭非常容易燃燒起來，但要想點燃粗厚的木材可不那麼容易。木頭表面一旦碳化就會形成保護層，保護內部組織。
結構所需的耐火時間可通過外包防護結構（常採用石膏板等防護飾材），或增加尺寸以控制碳化來實現。著火時，石膏板的結晶水蒸發，確保了板材背火面的低溫，從而避免木材著火。除此之外，木屋還可裝配噴淋系統來防火。
耐久性
正確設計與施工的木結構壽命都很長。全世界有些木建築從建成到現在，已經有上千年歷史了。提高木材長期耐用性的方法有：
? 根據應用對象，選擇合適的木材種類
? 保持結構乾燥
? 為結構做好充分的防水、防潮與防陽光直射的保護措施
? 木材浸漬以防止腐爛與白蟻等
? 表面處理，如：油漆、上光與打蠟
? 良好保養及更換磨損部件
隔音
為達到良好的隔音效果，隔牆與中間層樓板均需分層且每層相互隔開，這樣可隔斷聲音在結構中的傳導。為改善對腳步等衝擊聲的隔音效果，可在樓板隔層內加填料，以減小結構顫動。
一般木結構都需要防火，而防火的木結構通常隔音效果都比較好。實際應用中木結構可以達到各類隔音標準。
木材製品
現代木結構基本擯棄了原木的使用，而採用現代工藝加工的規格材和工程木材料，比如膠合木，CLT交錯層積材等。這些材料的強度、耐久性、穩定性、環保性、經濟性都要遠遠好於一般木材。工程木材的使用也使得建造大型木結構建築成為可能。
常用的木材製品有集成材、單板層積材LVL(Laminated Veneer Lumber)、交錯層積材 CLT（Cross Laminated Timber）和膠合板。
木材的連接
古代榫卯
榫卯為「榫頭」和「卯眼」的簡稱，是一種傳統木工中接合兩個或多個構件的方式。其中構件中的凸出部分稱為榫（榫頭，也稱作筍頭），凹入部分則稱為卯（卯眼，也稱作卯口、榫眼等）。最基本的榫卯結構由兩個構件組成，其中一個的榫頭插入另一個的卯眼中，使兩個構件連接並固定。
現代鋼木連接節點
現代木材的連接往往藉助鋼連接件，鋼和木的組合結構體系比傳統的木結構體系堅固耐用，又比現代的純鋼結構更豐富多彩。
木結構實例
伊斯馬寧無線電基地木塔(Ismaning，Germany/1934)
德國1934年建造的伊斯馬寧無線電基地木塔，高164m，令人震撼。大戰前夜的德國，木材代替鋼材成為最重要的結構材料。
塔科馬穹頂（Tacoma Dome,USA/1983）
塔科馬穹頂是世界上第一座大型木結構穹頂，直徑為162m，覆蓋13900m2展廳。穹頂頂部高度達 45.7m。
穹頂屋面的主要受力構件為414根截面尺寸為200mm×762mm的膠合木樑。每根膠合木樑均根據穹頂表面的曲線被彎成曲線形，進而通過金屬連接件將其連接，形成球形的單層網殼結構。穹頂的荷載由一個現澆的後張預應力混凝土圈樑傳遞到36根鋼筋混凝土柱上。
（Shigeru Ban Architects）設計，坂茂以15m跨度為模數，設計了3個縱深長達90m的長方體。這3個管狀的長方體彼此垂直疊加，略有錯動，並在附近布置了一個六邊形的鋼框架核心筒，核心筒內部是樓梯與電梯。層疊的長方體和核心筒上部是木結構屋面，屋面上覆PTEE薄膜。
蓬皮杜梅斯藝術中心的主要功能是為公眾展示更多的藝術作品（在巴黎蓬皮杜僅僅展出了其所有藏品的20%），並為在凈高僅5.5m的巴黎博物館無法展出的超大件作品提供展覽空間。為了滿足這些要求，中庭展廊的最大凈空高度為18m。
屋頂採用了與竹編工藝相仿的方式，讓木構件彼此穿插疊加在一起。木構件既是結構受力構件，也是建築紋理的直接表達者，讓人倍感親切。坂茂在接受採訪時談到，他是受中國傳統編織草帽的啟發。
從上面的草圖上看到，屋面的曲面形態建築師也只是大概有個想法。ARUP對屋面自由曲面的形態進行了優化分析，並最終得到了形態優美、受力合理的曲面。木屋面具體的結構設計由Hermann Blumer承擔。這是建築師與結構師共同協作的結果。
在蘇黎世市中心，媒體集團Tamedia出資興建了一座7層的木製建築，設計者是日本建築師坂茂。
坂茂在接受採訪時說，"在這個項目中，我最主要的目標之一就是用木頭取代鋼筋混凝土來建造結構。另外，我還想實現不依靠金屬部件，而完全用木栓來銜接木樑和其他木結構。"
「Tamedia集團的主席希望我能營造舒適的工作環境，這也是我選擇木頭的原因之一。在這樣的一個空間里，人們能夠感到安靜、平和，就像在他們自家的客廳或林間木屋裡。」
為了建造Tamedia大樓，結構工程師首先對房屋架構中所要使用的木材進行了必要厚度的計算。然後在此基礎之上又多加了4厘米，以備萬一發生火災時，來保護木材內層。
不列顛哥倫比亞大學學生宿舍（Brock Commons in UBC，Canda, 2017）
在不列顛哥倫比亞大學中心區域，一棟18層53m高的學生宿舍正在施工。這棟建築物建成後，將成為世界上最高的木結構建築。預計2017年9月將迎來入住的學生。
這棟宿舍樓是框架核心筒體系，兩個混凝土核心筒起到地震中的抗側作用，並且在火災中保證樓梯的疏散通暢。基礎及2層以下為混凝土結構，二層以上由木質樑柱組成。
該棟建築採用大量裝配式的施工方法，結構已於2016年9月份施工完成，比預計工期提前四個月。可見裝配式木結構在施工速度上是有優勢的。目前正在進行內部裝修施工。
設計人員認為火災中表面的碳化可以保護內部木材，所以宿舍的抗火能力也是沒有問題的。反而樑柱之間的鋼材連接件可能成為火災中的薄弱部位。
檮原木橋博物館（Yusuhara Wooden Bridge Museum,Japan/2010）
位於日本高知縣的檮原木橋博物館由日本隈研吾建築事務所設計，採用本地紅衫木製成。該橋樑被設計成一個極具雕塑感的三角體量，除了成功連接被道路分開的酒店和水療館，同時也可用作藝術家的住宿和工作駐場地點。
這個項目跨度47m，所有結構由底部中心支柱支撐。建築師用小部件組成了結構體系，其截面僅180mmx300mm，其靈感來源於日本和中國傳統的懸臂式結構。
參考資料：
1.《中國建築史》梁思成
2. 現代木結構設計亮相《2013建築結構巔峰對話，結構成就建築之美國際會議》
3. http://www.arup.com
4. http://www.archdaily.cn
5.http://dailyhive.com/vancouver/ubc-tall-wood-building-worlds-tallest
6. http://www.ogawa-ae.co.jp/technique_arch.htm
7. http://www.chinabuildingcentre.com/show-6-1372-1.html
8. http://arch-traveler.blogspot.tw/2013/06/tamedia-new-office-building.html
9. http://www.archicake.com.tw/ad/20130816-architectural_design-770
10. 保羅?C?吉爾漢姆.塔科馬穹頂體育館—成功的木構多功能賽場的建設過程[J].世界建築，2002
11. http://www.smdarq.net/case-study-mannheim-multihalle/
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