欧洲木业协会多年来一直在参与中国现代木建筑规范、标准的制定,致力于将欧洲先进的设计、施工和材料引进《木结构设计规范》(GB 50005-2003)、《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708-2012)、《轻型木桁架技术规范》(JGJ/T 265-2012)、《木结构工程施工规范》(GB/T 50772-2012) 《木结构工程施工质量验收规范》(GB 50206-2002)以及《建筑设计防火规范》(GB 50016-2012)。欧洲木业协会和其他有社会责任的行业组织和企业,正以专业的技术知识和非凡的事业热情,帮助中国找到一条最为环保、最为可持续的途径来解决城市化发展问题。
"中国住房和城乡建设部2003年制定了《木结构设计规范》(GB50005)。此后又相继制定和修编了适用于木结构建筑的其它国标和行业规范和标准。这些规范和标准已渐成相对完整的体系,以确保木结构建筑的设计、施工、验收满足安全和性能要求。"
龙卫国 中国建筑西南设计研究院院长,《木结构设计规范》管理组主任,2010年3月
在中国,木结构建筑与其它结构建筑一样必须满足有关结构安全、防火安全、人身和财产保护、耐久性、舒适性、环境影响和公众利益等方面的要求。中国木结构建筑规范仍在不断地修订和完善中,以满足日益增长的市场需求。近年来,中国制定和完善了一系列与木结构建筑和木材产品相关的规范和标准,并已渐成相对完整的体系,这些规范和标准如下。
木结构建筑主要规范、标准
与木结构建筑相关的其它主要规范、标准
结构规范
基础规范
节能标准
防火规范
隔声规范
围护结构规范
验收标准
"目前中国木结构建筑相关规范和标准是基于国内最新的研究和发展成果以及应用要求,随着木结构建筑的技术进步和市场需求的变化,标准规范也将得到不断发展和完善。"
龙卫国 中国建筑西南设计研究院院长《木结构设计规范》管理组主任,2010年3月
加拿大、欧洲和其它多个国家的有关科研机构和专家与中国进行了多项联合研究,这些研究成果成为中国木结构规范制定的科学依据。其中,已完成的主要研究项目包括:
- 木结构典型构件耐火极限验证试验研究。项目对包括承重及非承重墙体、楼板、胶合木梁、柱等木结构构件进行了耐火极限试验,以验证其与国外实验室试验结果的可比性。项目主持单位:公安部天津消防研究所。
- 木结构房屋足尺模型模拟地震振动台试验。项目对一栋两层轻型木结构和一栋三层轻型木结构与混凝土结构的混合结构建筑进行了结构动力特性和地震反应研究。项目主持单位:同济大学。
- 目测分级规格材强度测试研究。项目对中国树种规格材进行目测分级,并测试其主要物理性能进而得出确定规格材强度等级的方法。项目主持单位:中国林业科学研究院。
- 中国木结构建筑耐久性研究。项目对若干栋已建成十年左右,位于中国不同气候区的木结构建筑的防水、防潮、防腐和防白蚁等方面进行调查研究,为中国木结构建筑的设计、施工和维护提供技术参考。项目还对木材在不同气候条件下的防腐、防虫性能做了研究。项目主持单位:加拿大国家林产工业技术研究院和中国林业科学研究院。
目前,以上这些领域以及节能和环境影响方面的合作研究进展很快,为今后规范的修订提供了知识储备。中国的建筑规范和施工规范将不断完善,以满足国内的需求和目标,并将有利于建设集合住宅、建造成本、年节能量、整体环境的碳足迹以及木材的衍生应用。
《欧洲标准》是一套关于建筑设计以及其它土木工程项目和建筑产品的欧洲标准(EN)。
《欧洲标准》全面地覆盖了结构设计基础、结构作用、主要建筑材料、结构工程的所有主要领域以及各种类型的结构和产品。
EN 1990为安全性、适用性以及耐久性的原则和要求的全部建筑欧洲规范而设制的。EN 1990还为结构设计和建筑与土木工程项目的验证提供基础,并为结构可靠性的相关方面提供指导。 欧洲规范为结构以及传统型和创新型产品设计的日常使用规定建筑设计的一般规则。欧洲规范的编写方式鼓励创新,为土木工程的研究开发提供了共同的基础。
欧洲规范“承认每个会员国管理机构的责任,并保证其有权确定本国与安全事项有关的数值,这些数值在各国均不同”。
国家可根据欧洲规范提供的各组推荐数值进行选择,并用国家确定参数代替。国家确定参数考虑到不同的地理、气候状况(如风、雪)或生活方式,以及在各国、各地方或当地保护程度的不同。
欧洲规范的颁布在2007 年全部完成。它们可以和国家标准并行使用直至2010 年中,这是撤销与之相冲突的国家标准的最后期限。
包括欧洲规范部分的国家标准将由欧洲规范文本组成,位于国家附件之前。国家附件可包含相关国家所使用的国家确定参数的信息、应用信息性附件的决定以及对非矛盾性补充信息的引用。
CE标识对于指令涵盖的产品具有强制作用,允许其在欧洲经济区域内自由流动。
产品在成功获得批准后才可以贴上CE标识,代表产品符合指令的规定。欧洲规范的使用可以推定产品遵守建筑产品指令的基本要求1和部分符合基本要求2和4。
《欧洲标准5》涵盖木建筑设计和土木工程的相关内容。
《欧洲标准5》木建筑设计 1-1 部分:一般通则和建筑规定
主要内容:由木材或木基板材建造的木建筑或混合建筑(木材与混凝土、钢等其他材料)的建筑结构设计和土木工程项目的一般规定。建筑结构设计细则。
《欧洲标准5》木建筑设计 1-2 部分:一般结构防火设计
主要内容:1-1部分的补充完善。避免在建结构倒塌和控制偶发火灾火势蔓延的木结构设计规定。
《欧洲标准5》木建筑设计 2 部分:桥梁
主要内容:补充1-1部分。由木材或木基板材建造的木桥梁或混合桥梁(木材与混凝土、钢等其他材料)主要结构部分的一般规定和其他细则,保证桥梁整体和主要部分可靠性。 《欧洲标准5》于2004年4月16日由欧洲标准委员会批准通过。
欧洲标准委员会成员必须满足遵循和满足欧洲标准委员会/欧洲电子技术标准委员会内部规定,赋予《欧洲标准》作为唯一国家标准的地位。欧洲标准委员会成员国有奥地利、比利时、塞浦路斯、捷克、丹麦、爱沙尼亚、芬兰、法国、德国、希腊、匈牙利、冰岛、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、马耳他、荷兰、挪威、波兰、葡萄牙、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、瑞士和英国。
新的防火法规旨在建筑物内增加木材使用量。本文介绍了如何根据芬兰的新法规在室内使用木材。 新消防安全法规中最重大的变化是扩大了消防等级尺寸表中建筑物的预期用途。以前,这些表格仅适用于住宅和办公楼,但现在也可以用于护理设施,大会堂,住宿和写字楼的设计。
法规的变化对于多层木建筑的木质内表面尤为重要。用干墙覆盖木结构的要求特别是对于实木建筑而言是一个问题。现在这种情况已经改变。以前,可以通过提高建筑物的洒水器等级来将木质公寓大楼的整个内部装饰成木头。根据新规定,该方法不再可用。取而代之的是通过减少建筑物的防火覆盖率要求和在必要时提高防火等级来实现木材的可见使用。相同的方法适用于实木结构和框架结构。
建材表面等级要求
建材表面类别对产生热量,火势蔓延,燃爆的发生以及烟雾和滴落物的形成中起着重要作用。
木质多层建筑物始终处于P2级防火等级,除非整个建筑物或其主要部分采用基于性能的防火设计方法进行设计。在后一种情况下,防火等级为P0,并且材料表面等级要求在建筑物的防火计划中指定。根据新规定,不再可以使用防火等级为P3的小型多层住宅。
为了完全理解表面等级要求,需要从几个不同的角度来审查法规。甚至表脚注也必须仔细阅读。例如,表7中的脚注4特别值得注意的是P2级防火建筑。该脚注指出,当需要防火覆盖层时,表面等级要求由防护覆层的材料等级要求决定。
关于防护板减少的要求
法规第24节概述了防火板要求和减少措施。与1到2层防火等级P2建筑物中的其他内墙和天花板表面不同,桑拿房和湿室必须具有至少由B-s1,d0级材料制成的K210级保护性层。在实践中代表正常的13毫米干墙砌面。但这些要求做了一些减少,例如不需要防火面的情况:
如果隔热材料至少由B-s1级,d0级隔热材料组成;
对于公寓内表面,如果隔热层至少由D-s2,d2级隔热层组成
适用于满足R 30和D-s2,d2类要求的梁和柱。
除出口和防火表面外,超过2层建筑的P2级防火所有内表面都必须至少由至少A2-s1,d0级材料制成的K2 30级防火罩。在实践中,这意味着用18毫米厚的防火干墙覆盖所有结构。出口和防火表面必须至少有至少由K2 10级,d0级材料制成的K2 10级防火覆盖层。还对该要求做了一些减少。桑拿浴室和湿室不需要保护层
对于使用至少A2-s1,d0级材料的2层以上的P2级防火建筑中的建筑构件,除了较小的结构元素外,不需要防火覆盖物。防火室的非承重分隔墙也不是必需的。
当墙壁或屋顶的承重,分隔和外墙以及天花板的总表面积的总份额为:
- 不超过20%
- 超过20%但不超过80%,承重和分隔建筑构件的耐火时间延长了30分钟;
- 超过80%,承重和分隔建筑构件的耐火时间延长了60分钟
请注意,上述增加的等级要求适用于整个防火室的耐火性要求,包括垂直和水平结构,而不只是没有防护层的表面。
在三到四层高,最大高度为14米的P2级木结构建筑中,内表面可能具有至少由A2-s1,d0级材料制成的K2 10防火覆盖层。在这种情况下,所有表面都必须整体具有保护性包层,并且上述减少措施不适用。根据上述原则制造的木质表面必须具有K2 30级的防火覆盖层。
空间内的任何吊顶都必须遵守与实际空间相同的表面等级要求。如果空间要求使用A2-s1和d0级材料制成的防护覆层,则即使吊顶悬挂在防火覆盖层下方,吊顶也必须属于同一等级。
在两层以上的旧或新的P1防火等级的住宅建筑中增加其他木结构层时,其他木结构层的内表面必须至少具有至少由A2-s1,d0级制成的K2 30级防火覆盖物材料。前述规定不适用于防火室的非承重分隔墙。
材料等级
建筑材料的材料类别由标准的耐火测试确定。在类别A2至D中,还研究了烟雾释放和燃烧的飞沫。必须始终与制造商一起检查材料类别(性能等级声明)
木质材料可达到的面板等级
木质材料通常可以达到D级表面。但这不是绝对的。表面材料的厚度和平均密度,其与基础结构的附着方式以及基础结构本身都会影响所达到的等级。换句话说,相同的材料可以在不同的情况下实现不同的表面类别。木质部件的安装方式有六种,而木板和木地板的安装方式有四种。
如果表面有等级要求,则必须在设计中指定上述因素以证明已满足要求
阻燃处理
市场上有很多阻燃方法,可使木材表面等级提高到C甚至B级。然而,必须使用经过测试方法的有阻燃剂的木材。测试通常在均匀的表面进行。在将阻燃剂用于其他用途之前,应确认制造商具有批准的预期用途的测试结果。
还应该要求制造商提供产品长期耐用性的证明,或说明维持产品的整个预期寿命所需的原则和措施。
木架墙
与实木表面相比,使用木架达到相同的表面类别要困难得多。与实木表面不同,木架通常在所有侧面同时燃烧。由于其开放式结构,每平方公尺的木架表面比密封面板的外墙更易燃。这意味着,即使用于制造木架的单个木制品的表面等级为D-s2,d2,最终的格也不会自动满足相同的要求。
为了获得用于木架的D-s2,d2表面类别,格板条轮廓和间距必须使得暴露于火的表面积每平方米格结构小于1.1平方米。在实践中,如果表面类别要求为D-s2,d2,则可以制成间距为45 mm x 45 mm的格栅,间距为200 mm。如果晶格结构的份额少于墙壁或天花板表面的20%,并且连续晶格结构的表面积不超过5 m2,则可允许的可燃表面积可以增加一倍。
如果要通过阻燃剂来改善格构结构的防火等级,则必须对阻燃剂进行测试,以使其符合相同格构形式的防火等级要求。
引起火灾有多方面的原因。引起公寓火灾的主要原因是电器或其他电子设备短路以及烹饪燃烧蜡烛或是吸烟时的疏忽大意。火灾也可能通过公寓间的窗户从室外蔓延到另一个公寓。还有一些火灾是由于纵火而造成的。
火灾的初始阶段通常很容易用灭火毯或小型灭火器扑灭。如果火势发展,即便少量的易燃材料也会造成广泛的破坏。
火灾形成初期是挽救生命的关键。如果火情继续发展,人们必须立即离开公寓并且寻求帮助。火灾时产生的气体是极为危险的。火灾致死的一个重要原因是吸入一氧化碳及其他有毒气体,而不是火灾本身。火灾引起的灼热也很危险。人类的肺泡在相对不是特别高温(150度)的情况下就会被损坏。
火灾发展过程
火灾分为三个阶段。第一阶段即生长期,温度缓慢上升至约400°C。此阶段对于人身安全至关重要,并且建筑结构表面层最容易着火。火灾会产生大量比空气热的气体并上升到房间的顶部。
当温度达到约400°C时,存在的的气体和所有表面都会着火。这种爆炸状的点火称为爆燃。这导致温度突然升高到火灾第二阶段,即充分发展的阶段。在这一阶段,温度升至1,100-1,200°C。如果不能扑灭大火或让其继续燃烧,所有存在的材料都会燃烧。当所有易燃材料燃烧后,也就进入第三阶段冷却阶段,这时温度会迅速下降。
消防安全统计
来源:内政部内政部救援服务资源和事故统计系统,Pronto
近几年来,芬兰大约发生13,000起火灾,其中约44%(每年约5700起)为建筑物起火。其中有大约一半(平均每年3,100起)是住宅建筑火灾。住宅火灾根据建筑存量而划分。独立住宅和公寓楼发生的火灾次数大致相同。大约有10%发生在连栋建筑中。大约一半的建筑火灾是由居民人为引起的。最常见的原因是烹饪和不小心处理明火比如烟头之类的。还有一些是故意放火。另有三分之一的火灾是由损坏的机器或设备引起的。
近几年来,芬兰每年平均有68人死于室内火灾。大多数死亡发生在公寓的火灾中。大约每年有27人在小型独立式住宅的火灾中死亡,有6人在联排房屋中死亡,有20人在公寓楼中死亡。在火灾罹难人中的75%是男性。吸烟是引起火灾并且致死的一大原因。在最严重的时候,将近三分之二的火灾引起的死亡是由吸烟引起的。
消防法规允许使用木材
根据芬兰消防法规对设计用途的表格(分类和数值),木质框架适用于全部的防火等级(P1,P2和P3)在不超过两层所有建筑物下的用途(除P1护理型场所,旅行住宿和一般型地下室)。木质框架也可用于不超过八层的P2型建筑物中的一些用途。自动灭火系统需要安装在除了联排别墅类型以外的两层以上的木结构建筑中。
芬兰建筑防火等级p1,p2和p3
P1建筑物的承重结构可承受火势而不会坍塌。建筑物的大小和住户人数不受限制。在火灾反应方面,P2建筑物的承重结构要求可能低于上一类。通过设置特别是墙壁,天花板和地板表面特性的要求,可以达到足够的安全性。楼层和居民的数量也受到限制,具体取决于建筑物的用途。P3建筑物的承重结构没有特殊的耐火要求。通过根据建筑物的用途来限制建筑物的大小和居民人数,可以达到足够的安全性。如果防火墙能够阻止火势发展,则建筑物的不同部分可有不同的防火等级。因为建筑物的出口和防火墙相隔,所以火灾发生时不用使用门作为出口。
将木材用作表面材料,也就是用在所有可见的表面,是基于消防法规中对表面分类的要求。未经处理的木材通常属于D-s2 d2级。经过阻燃剂工业处理的木材表面能达到B-s1,d0的要求。消防法规包括项目起始阶段时应注意的与木材使用有关的某些术语和限制。这些措施包括使用木材作为表面材料,木质外墙对屋檐的影响以及外墙的挡火板。
芬兰建筑材料等级A1,A2,B,C,D,E,F. 烟雾的产生和火焰状液滴的形成用其他类别s和d表示。烟雾的产生类别为s1,s2和s3,形成的燃烧滴落物类别为d0,d1和d2。
等级介绍如下:
功能型防火衡量
除了以设计的表格为准之外,还可以根据火灾的预计发展情况,通过每个案例的不同建立实用的火灾尺寸设计和验证项目的消防安全。如果满足重要的技术要求(建筑物的承重能力,火和烟的蔓延,火向邻近建筑物的蔓延,安全疏散和救援人员的安全),则可以在所有情况下将其用作替代方法。法规允许在同一地点同时使用这两种方法,因此可以根据表格的使用设计建筑物的一部分,而根据火灾的不同尺寸设计另一部分。
实用的火灾尺寸评估是从风险评估开始的。例如,目标可能是大火可以发展到每10,000年危害建筑物一次的阶段。一旦发生火灾,整个事件会显示一个完整的事件链。安全措施依照事件链的顺序建模。由此确定最常见的缺陷来源并评估其发生的可能性。风险分析基于统计概率。使用灭火措施可防止损坏,将火灾风险降低到可容忍的水平。
木材在火灾中的表现
木材和木质结构在火灾中的表现是显而易见的。木材燃烧的温度取决于木材在火灾中暴露的时间。木材通常在250度-300度之间会点燃。点燃之后,木材会以每分钟0.8毫米的速度开始烧焦。
实木产品的火势发展是比较缓慢的,烧焦的表面可以保护木材并减缓内部温度的升高和燃烧的进行。比如,在15毫米的炭化深度下木材的温度低于100°C。在木结构建筑设计中正是利用了这个特征。
由于木结构对火灾的已知反应,从火灾救援的角度来看,木结构也是安全的。在石材结构中,结晶水蒸发产生的热量会在材料内部产生应力,这会以无法预测的方式使结构破裂。钢结构温度升高会导致形状突然变化,从而导致建筑物倒塌。而木结构不会。其在火灾中的承载能力以可以预测的方式缓慢恶化。
然而,木材因为本身的自然属性,并不适用于所有的建筑作为建筑材料。但通过使用各种涂料和浸渍剂,可一定程度上改变木材与火的反应。这样的木质产品可达到非常严格的防火要求。
防火木材
木质结构的防火性是通过炭化尺寸,单独的阻燃层保护木材或同时使用两种方法一起来实现的。也可以使用其他被动和主动方法来改善木结构的防火安全。
炭化率
当木材燃烧时,表面是焦状的。焦状的表面减缓木材燃烧的保护层,所以木材作为承重结构,只要在规定的时间范围内保持承重能力,就不需要特殊的阻燃处理。
炭化率取决于所用的木质材料。以下值用于承重建筑构件的防火设计中的炭化率(在芬兰):
概念上焦化是指一块木头从多个方向烧焦(比如横梁)包括横截面的圆角和分割效果。一维焦化是指从一个方向烧焦(比如木板)。
评估木质结构的烧焦很简单:未经防火处理的木材,预计从火灾开始就以木质材料引起的速率烧焦。然后,根据从原始横截面减去炭黑深度后剩余的有效横截面,评估结构零件着火的反应。通过计算证明了有效截面在火荷载下的承载能力。
实木件通常包括太多木材,火灾荷载要小得多,所以有效截面通常足以支撑火灾荷载而无需添加木质材料来弥补焦化。然而这在某些情况下这是必需的,并且可以通过增加原始横截面的大小来实现。在计算框架对火的反应时,还必须考虑结构部件和框架的稳定性以及接头的耐火性。
防火保护
当设计防火设计以承受整个暴露时间时,在要求的暴露时间内在木质结构中不会发生炭化,这会改变结构的尺寸。为了设计这种防火措施,必须知道给定产品保护其后面的木结构免于炭化的时间。
防火可以使用灰泥,矿物,矿棉,木板或它们的组合。木镶板也可用于防火。在计划防火时,还必须考虑表面分类和防火覆层要求。不得将防火概念与防火覆层的概念混淆
木质结构的承重能力取决于房屋结构被木头石膏板保护下仅在规定时间下暴露,则该结构的防火设计必须采用欧洲规范的第5节中所述的受保护结构的防火设计。这是因为防火保护下木材温度升高,炭化率会增加到一定程度,在防火保护破裂后,炭化率会恢复正常。
防火板
防火板是指在给定的时间内保护其后面的结构免于着火,炭化或其他损坏的覆层。 P2建筑物主要需要防火覆层,但在某些情况下,P1建筑物也需要防火覆层。根据建筑物的类型,所需的防火覆层通常为K2 10级(保护时间为10分钟),但在某些情况下可能为K2 30级(保护时间为30分钟)。除了防火覆层的分类外,防火覆层中使用的建筑材料还具有防火分类要求。在某些情况下,防火覆层必须使用A2-s1,d0建筑材料制成,而在其他情况下,D-s2,d2材料即可
防火板的概念不得与防火概念混淆。用于防火板的产品所需的特性与用于防火的产品不同。例如,符合EN 520标准的普通13毫米厚干墙在用于墙体防火时可工作15分钟,而在用作防火板下时仅工作10分钟。这是因为防火板后面的温度可能不会超过给定温度。
这些温度大大低于用于防火产品的温度。在防火板时间内,不会发生损坏(例如开裂)的情况,以免火灾损坏受保护的结构。受保护的结构在防火板暴露期间可能不会遭受任何形式的损坏。在防火方面,在防火期间可能会出现一些裂缝,脱落的碎片和其他轻微损坏。防火板的设计没有计算方法。建筑产品的防火板等级是根据标准EN 14135通过测试确定的。
木材的传热系数很低,保温性能很好。木材可燃,但燃烧速度可计算可预测,防火性能极佳,使之成为最好最安全的建筑材料之一。
木结构建筑和其他建筑一样必须满足防火规范
世界各国都高度重视建筑防火安全。在中国,木结构房屋和其它结构建筑一样,必须满足相关的建筑防火规范和标准,来达到规定的防火安全要求。中国在引入新的建筑体系如轻型木结构或胶合木结构时,由于缺乏国内应用经验,通常会比较谨慎,相应的防火规范规定也较严格。
欧洲和北美的建筑规范是基于建筑性能的规范而不是具体规定材料的选择。这些国家的规范对建筑物结构构件能承受的火灾荷载做出规定,设计师只要证明他们设计的建筑能够满足这些规定。
目前,在中国正在进行对结构木组件和木结构建筑材料防火性能的广泛研究。天津消防研究所正在与来自欧洲,加拿大和美国的消防安全研究专家紧密合作。专家组对木材建筑在中国的防火安全性进行了评估,并确保最新研究成果体现在设计防火规范中。
各国防灾统计数据显示:大量使用木结构建筑的国家和其它国家在火灾中遭受的损失没有明显的区别。北美和欧洲的统计数据显示,符合规范要求的木结构建筑与钢结构、混凝土结构或砖结构建筑一样能保证防火安全。
防火安全取决于建筑构件的耐火性能
木结构建筑的防火安全性能与结构材料的燃烧性能关系不大,而是取决于如墙体和屋顶等整个构件的燃烧性能。木结构构件的内侧都用石膏板覆面,石膏板是难燃的,而且构件龙骨空腔内填充的是不可燃的矿物纤维保温材料,所以整个构件的燃烧性能和耐火极限能满足防火规范的要求。 这一点已通过构件的燃烧性能试验得以证实。
而且,据统计,各种类型的中低密度建筑发生火灾时,导致人员伤亡的主因并非房屋坍塌,而是由于受困的住户吸入了大量的有毒烟雾和气体所致,只有约0.25%的人员伤亡是由屋顶、墙体或地面坍塌直接造成的。在火灾发生的早期,可以借助表面不燃材料,自动喷淋系统和烟雾探测器等减轻火灾风险。防火规范要求各类建筑物,包括木结构建筑,必须考虑在火灾情况下为住户提供安全、快捷的疏散通道。
大型木结构构件的耐火极限是可以计算并用于建筑设计的。由于其燃烧速度是已知和可控的,因此可以计算出在着火后一定时间内某构件的剩余截面面积,从 而确定剩余部分能否在该时间段内承受要求的荷载。而钢构件则会在一定温度下会完全丧失承载能力。胶合木的燃烧试验表明,木材的碳化率是可控的。木材的碳化 率为0.7mm/分,因此构件燃烧后的剩余截面面积和荷载力可以通过其与火灾时间函数关系计算出来。
木结构建筑的抗震性能非常优越
在地震高发地区,木结构建筑的安全性能比混凝土和砖结构建筑更好。木结构房屋不但能够保护人们的生命安全,同时建造成本更低。木材具有强度高、质轻、柔韧性好的特点。木结构的自重远比混凝土结构轻,吸收的地震力小;木材的天然柔韧性能有效吸收和消耗外力;木结构构件采用钉连接,是多次超静定结构,结构安全冗余度高,抗震性能好。
地震多发区可以采取的其它措施
在四川等地震高发和强震地区,对木结构建筑增加抗震措施方法简便,成本低。可以采取的措施包括支撑墙,加强基础与楼面、墙体与屋面之间的连接,以及用抗震金属拉条将墙体顶部至基础拉接固定起来。
科学家们以最新的研究成果作为制定建筑规范的基础
各国科学家与同济大学合作通过震动台试验对木结构房屋的抗震性能进行研究,目的是为了获得木结构房屋的抗震性能数据,并将这些数据用于规范的制订,进一步指导木结构建筑和木结构混合结构建筑的抗震安全设计。试验中模拟的地震强度与加州发生的极端地震的强度相当。
试验结果显示多层混合结构的房屋可以在最高震级的地震中留存下来
科学家们对一栋足尺7层木结构混合建筑(底层为钢结构,以上6层为木结构的住宅)进行了抗震试验。试验在日本神户进行,是世界上迄今规模最大最全面的地震试验。在试验中,该房屋经历的地震强度是加州北岭地震的180%,但是却没有受到明显的损坏。这说明即使中高层的木结构房屋也能够在最严重的地震中几近完好无损地留存下来。
木结构建筑在世界各地大地震后的抗震性能调查
调查范围包括建于不同时期的木结构建筑在全球大地震中的表现,其中包括发生在日本和美国的大地震。大多数木结构房屋在地面峰值加速度达到0.6g甚至更高的地震中留存下来,并且没有出现倒塌或严重的结构性破坏,地震所造成的伤亡情况也很轻微。只有在极少数如山体滑坡等特殊情况下,木结构房屋曾经出现坍塌。但是,几乎所有现代木结构建筑都几近完好无损地在地震中保留了下来。
全球地震伤亡情况统计
地震 | 里氏震级 M | 预计受到 “强烈震动” 的木结构房屋数量(栋) | 总伤亡人数(人) | 木结构房屋中的伤亡人数(人) |
---|---|---|---|---|
阿拉斯加1964 | 8.4 | - | 130 | < 10 |
加利福尼亚圣费尔南多1971 | 6.7 | 100000 | 63 | 4 |
新西兰埃奇克姆1987 | 6.3 | 7000 | 0 | 0 |
魁北克萨格奈市1988 | 5.7 | 10000 | 0 | 0 |
加利福尼亚洛马普列塔1989 | 7.1 | 50000 | 66 | 0 |
洛杉矶北岭1994 | 6.7 | 200000 | 60 | 16+4* |
日本神户兵库县南部1995 | 6.8 | 8000** | 6300 | 0** |
* 山坡上基础被破坏导致房屋倒塌。
** 与轻型木结构房屋(即2x4木结构)相关。
四川汶川大地震后的木结构建筑调查
2008年5月12日灾难性的汶川大地震发生后进行了一项调查。调查结果显示地震中木结构房屋的坚固程度远超出其它材料建造的房屋。木结构房屋的受灾程度很轻,但大量的砖填充墙却在地震中倒塌,混凝土结构的房屋也遭到了严重的损坏。
“轻型木结构建筑具有良好的抗震性能,相对钢结构和钢筋混凝土结构而言,轻型木结构建筑一般具有较大的结构阻尼,在地震中能消耗大量的地震能量。在全世界范围内的多次大震中,轻型木结构建筑都表现出了很好的抗震性能,造成的人员伤亡较少。在2008年的汶川大地震中,很多建筑物发生了倒塌,但建在灾区的轻型木结构建筑全都幸免于难。”
吕西林教授,同济大学土木工程学院,2010年3月
以下图片是在都江堰拍摄,位于成都西北方40公里,距离汶川地震的震中约21公里。大量的混凝土及砌体结构房屋受灾严重,多间房屋倒塌,其中包括中小学的校舍。尽管并非所有的混凝土和砌体房屋都出现了坍塌,但砌体填充墙都遭到了严重的破坏,对住户的生命财产安全造成了严重的威胁。目前四川受灾地区正在进行灾后重建。中国的有关部门和专家与支持重建的加拿大和欧洲专家紧密合作,重建项目包括房屋、学校和特殊设施。这些都是永久性的结构,必须满足所有建筑规范的要求。
木材建筑能耗小,使用木材是解决能源短缺的最好的办法之一。木质结构质量轻,施工快捷;木建筑基础规模较小;运输和施工消耗的能源较少。
木结构建筑更节约能源
木材是天然的绝热材料。使用木材有助于在建筑物的整个生命周期中都节省能源,因为其蜂窝状结构提供了出色的隔热性能:比混凝土好15倍,比钢好400倍,比铝好1770倍。一个2.5厘米厚的木板比11.4厘米厚的砖墙具有更好的耐热性。木材的低导热系数意味着可以实现90%的隔热值,而热桥接仅损失10%。从框架墙到CLT面板的木材结构可为其他隔热材料提供空腔,以符合能源法规。这意味着钢,混凝土或砖石结构需要更厚的壁和更多的隔热材料才能达到相同的热阻水平。
因此,木结构建筑在节能性能和成本上均优于其它结构建筑。木结构建筑的节能性能高于中国建筑节能规范的要求,且不需要增加任何额外成本。
木结构建筑易隔热
与混凝土或砖石结构不同,木结构墙,楼板和屋顶托梁之间可填充保温材质,这是实现更好绝缘的也成为最经济实用方法。矿物纤维保温材料的应用是木材建筑项目的常用标准。它以最少的额外人工或材料费用来给与最大的回报。木材的低导热系数意味着可以实现90%的隔热值,而热桥接仅损失10%。如果还需进一步节省能源,木质结构还可以在外墙外与外墙内保温。
轻钢框架墙体重也有用于绝缘的空腔来填充保温材料。但是钢的高导热率意味着热桥的损失,保温利用率只能达到50%。始终需要采取额外的措施来减少由于钢的热桥接而导致的局部能量损失和蒸汽冷凝。此外轻钢框架墙体由于表面冰冷而易灰尘聚集,外墙内表面的框架上表面容易产生俗称“鬼痕”这样的黑暗的垂直标记。
哈尔滨工业大学对节能方面做了现场测试。测试中使用38毫米x140毫米龙骨,外墙设置30毫米厚聚苯乙烯绝缘保温板,龙骨中间填充玻璃保温棉。这是为了将其与具有60mm聚苯乙烯的砖混结构建筑作比较。哈尔滨市是一个严寒地区。
该测试测量的墙壁的传热系数(K)木结构墙体为0.244,对于砖混复合建筑为0.526。木结构建筑将煤炭消耗减少了约50%。
木结构建筑节能性能高于中国节能规范要求
木结构建筑在节能性能和成本上均优于其它结构建筑。木结构建筑的节能性能高于中国现行建筑节能规范的要求,且不需要任何额外成本。
JGJ26 ”民用建筑节能设计标准规定,北京地区建筑外墙的传热系数应在0.55到1.16之间。轻型木结构墙体的传热系数一般为0.3至0.5,实际传热系数因龙骨规格、龙骨间距、保温材料不同而有所变化。
上海现代建筑设计集团计算了不同轻型木结构墙体的传热系数。墙体龙骨规格为38mm×89mm、分别使用岩棉和玻璃纤维作为保温材料。计算结果为,使用岩棉的墙体传热系数为0.46-0.49,而使用玻璃纤维的墙体传热系数为0.37-0.40。如果墙体龙骨使用38mm×140mm或更大的规格且增加外墙外保温,传热系数可进一步降低至0.3或以下。根据上述比较,钢材、混凝土或砖石结构的墙体必须增加成本更高的外保温板才能达到与木结构墙体类似的保温性能,且将大大增加墙体的厚度。
导热率是通过传导通过固体材料的热量传递速率,在材料的每一侧都会受到温差的影响 热传递系数(U值或K系数)是通过建筑组件(包括多种材料)的导热系数的量度。
热阻(RSI)是指对通过材料或组件的传导热传递的抵抗力。它是电导率的倒数(1 / K) 较低的K或较高的RSI意味着更好的热或绝缘性能
热桥是指绝热组件中结构部件的较高导热性,为通过组件进行更快速的热传递提供了桥梁,从而降低了组件的整体热性能。
同样节能规范下木结构成本最低
为了满足中国的现行的节能标准要求,所有混凝土,砖石结构和钢框架结构都需要外墙保温板。在北京和上海,混凝土或砖石结构外墙建筑需要分别采用50毫米至80毫米厚和50毫米厚的保温板才能满足最低节能要求。相比之下,轻型木结构建筑在北京使用38×140mm的龙骨,上海使用38×89 mm的龙骨,中间填充纤维保温材料即可达到节能标准。因此轻型木结构节省很多建筑成本。
如果不使用额外的保温材料,钢和混凝土建筑将消耗很多采暖和制冷的能量。木结构建筑围护结构在制冷和供暖方面的巨大变化和节约能源,得到了在中国具有此类建筑经验的开发商和物业经理的肯定和赞扬。作为世界上最大的国家之一,中国受到极端气候变化的影响。木结构的能源效率在所有气候条件下都是有益的,特别是在需要供暖的中国较冷地区。
中国面临着能源挑战
中国正在经历快速的经济发展。它拥有世界第二大能源消耗量,仅次于美国。 在2003年,其能源总消费量为16.8亿吨标准煤。根据最近的政府估计,到2010年,每年的能源消耗可能超过30亿吨
消费的增长导致能源短缺将阻碍经济发展。而且,尽管国内化石燃料储备丰富,但中国已成为世界上最大的能源进口国之一。因此,提高能源效率和发展可再生能源供应已成为当务之急。
能源对环境影响严重
中国目前的能源供应严重依赖化石燃料,后者排放大量的二氧化碳。快速的经济发展,伴随着更高的能源消耗和化石燃料的使用,对整个国内的空气和水质提出了严峻的挑战.
改善能源节约和使用环保和可再生材料可以减少经济发展的影响,并为中国人民提供更好的生活环境。
建筑的建造和运营对环境的影响比大多数人想象的要大。在全球范围内,建筑物占全部用水量的20%,所有能源消耗的25%〜40%,温室气体排放量的30%〜40%和固体废物产生的30%〜40%。在建筑物消耗的总能源中,建筑阶段平均使用22%,长期运营阶段平均使用78%。估计表明,建筑行业目前约占中国能源总使用量的三分之一,并且预计未来还会增长。
目前在中国,建筑物占能源消耗的40%以上。每年约完成20亿平方米的新建筑竣工,其中80%以上由化石燃料密集型材料制成,以耗能和污染的方式建造,目前每单位面积的能耗为以前的2-3倍高于发达国家。中国设定了雄心勃勃的目标,并将努力实现这些目标。
木材和木制品的性能可以通过用各种化学制剂处理来改善。有一些方法可以影响木质材料的耐用性,硬度,形状,颜色和吸湿率。
该方法可分为化学防治真菌侵袭,化学防治昆虫侵染,防火处理,化学改性和热处理,防潮处理和化学染色。
木材的加工和涂饰技术通常需要使用粘合剂,油漆和涂料形式的化学物质,以及浸渍或加压处理以提高木材(生物)的长期耐久性(真菌和昆虫/白蚁)和耐湿性。
木材防腐剂的使用是在封闭系统中非常严格的控制下进行的,并且符合相关的国家法规。用于建筑,农业,园林绿化,海洋,铁路和园林产品以及许多其他应用的经过压力处理的木材可以延长使用寿命,并且是不可再生材料的良好替代品。