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现代轻型木结构住宅模数与标准化体系研究

高颖 吴玉璇 张颖 赵金平 许志钢

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现代轻型木结构住宅模数与标准化体系研究

    作者简介: 高颖,博士,副教授。主要研究方向:木结构建筑。Email: gaoying@bjfu.edu.cn   地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院.
  • 基金项目:

    北京林业大学热点追踪项目 2016BLRD03

  • 中图分类号: TU366.2

Modulization and standardized system of modern light wood frame house

图(9)表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-01-17
  • 录用日期:  2017-03-21
  • 刊出日期:  2017-08-01

现代轻型木结构住宅模数与标准化体系研究

    作者简介: 高颖,博士,副教授。主要研究方向:木结构建筑。Email: gaoying@bjfu.edu.cn   地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院
  • 1. 北京林业大学木材科学与工程北京市重点实验室,木质材料科学与应用教育部重点实验室
  • 2. 中国城市科学研究会
  • 3. 中关村人居环境工程与材料研究院
基金项目:  北京林业大学热点追踪项目 2016BLRD03

摘要: 基于住宅模块化部品设计的尺寸标准化及建筑模数化,尝试建立轻型木结构住宅标准化设计体系,以期推进木结构住宅产业从粗放型向集约型转变。提出18种模块化墙体与8种楼盖部品,建立模块化部品数据库;提出模数化的设计方法,并建立了基本模数1 M=610 mm;开展单层现代轻型木结构住宅的理论计算,通过模型制作验证了本标准化结构体系的可行性。

English Abstract

  • 20世纪80年代后,现代木结构建筑技术从欧美等地区陆续引入中国,并于21世纪引进建筑模块化设计与建造技术,因其材料利用率高,投资少,施工安装方便,施工周期短等优点[1],顺应着绿色、生态的时代发展背景,在我国房地产行业中所占的比重越来越大,发展前景广阔。

    依据调查统计数据,在住宅建造过程中模块化生产加工可使资源利用更加合理,现场垃圾可减少83%,材料损耗可减少60%,可回收材料比例达66%,建筑节能达50%以上;建筑的施工精度与质量极大提高,失误率、外墙渗漏率低至0.01%,精度偏差小于0.1%,并可缩减75%的工程时间[2]。因此,推进住宅的部品化、标准化生产加工对于实现建筑领域的节能减排、生态环境保护、人居环境改善都具有重要意义,是我国现代木结构住宅建设发展的必然趋势和必由途径。

    目前,北美与日本等地区已经形成标准化、部品化、预制化的轻型木结构住宅产业链。北美轻型木结构框架雏形(balloon house),最早于1832年出现在芝加哥[3];后于20世纪,衍生出平台式与连续墙骨柱式[4]两种标准框架工法;1936年,建设完成了最初的模数化现代轻型木结构(plywood model house)[5];1950年后,木结构房屋整体卫浴、系统厨房等单元实现了一体化设计,其后学者们对木结构穹顶、屋盖等其他结构或部品的模数化也进行了研究[6-7]。日本木结构建筑模块化始于1946年,日本学者在“工厂住宅生产协会”的支持下开发出“PREMOS”[8]工厂预制板件,此后建筑构件逐步部品化、工厂预制化,成为日本现代木结构产业化与生产标准化的重要体现[9]。目前,日本3种主流的现代木结构建筑,均可实现完全预制化加工生产,部分工厂可将精度控制在0.5 mm以内[10]。据统计,日本工业化预制房屋相比较普通方式建造的房屋,总体成本可下降约1/3[11-12]。此外,其他国家的学者也在进行有关模数化的研究,韩国学者通过分析集成单元的尺寸和模数,按照房屋开间个数与柱间距的对应关系,提出可普遍推行的木结构标准模数协调设计[13-14]

    然而,与国外成熟的现代轻型木结构住宅建造技术相比,我国的轻型木结构住宅主要依靠手工加工,标准化程度相比成熟的国家差距十分明显。随着中国生态化进程的加快,现代轻型木结构建筑业越来越受到社会的认可和接受。国内已兴起多家设有标准化生产加工体系的企业,学者们也在现代木结构建材标准体系[15]、预制化与装配式住宅[16]、计算机辅助产业化住宅部品设计与加工[17-18]等领域取得了一定的研究成果。本研究旨在基于以上研究基础,建立现代轻型木结构住宅模块化部品、部品尺寸标准及建筑模数,构造标准化结构体系,为轻型木结构的高效预制加工提供参考。

    • “部品”指构成完整成品的不同组成部分。建筑领域中的部品模块化体系,是以“模块单元体”为基本工厂化预组装部品,在工厂内制造并组装成型,然后整体运输到建设现场,可以如同“拼积木”一般以吊装的方式拼装整个建筑。本研究中,将轻型木结构建筑的承重结构部品划分为墙体、楼盖和屋盖,并对其进行模块化设计。

    • 轻型木结构住宅外墙墙体的基本构造,由内向外包括防火石膏板、PE膜、墙骨柱、保温层、墙面板、防水透气膜(单向呼吸纸)、顺水条和外挂板、顶梁板与底梁板;对于内墙墙体,包括中间的墙骨柱和保温棉、两侧的覆面板、顶梁板与底梁板。针对墙体部品中主要承重材料——墙骨柱、墙面板和防火石膏板,通过将它们排列组合,进行墙体部品的模块化研究。

    • 依据国家建筑标准设计图集《木结构建筑》(14J924)[19]中对墙体构件材质等级与尺寸规格的要求,并以提高住宅整体强度与稳定性为考虑,统一选取38 mm×140 mm的SPF(云杉-松木-冷杉)规格材作为墙骨柱;统一选取定向结构刨花板(OSB)与防火石膏板作为墙面板,其通用尺寸均为1 220 mm×2 440 mm×12 mm。构件图例如图 1所示。

      图  1  墙骨柱、OSB与防火石膏板图例

      Figure 1.  Illustrations of stud, OSB and fireproof gypsum board

    • 基于满足强度标准下最节省材料的设计思路,首先建立最基础的连续外墙部品(长),部品由2根墙骨柱、1张未裁切的OSB和1张未裁切的防火石膏板构成,构造形式如图 2a所示。其中,OSB和防火石膏板的边缘均处于墙骨柱轴线位置,墙骨柱轴线间距为610 mm,墙骨柱间隔572 mm,符合GB 50005—2003《木结构设计规范》[20]中墙骨柱间距不得大于600 mm的规定。此种构造形式,使得各项材料均无需裁切,并可实现若干连续外墙部品的无限制连续线性排列。据此,以610 mm为本结构体系的基本模数(M)。

      图  2  墙体水平构造

      Figure 2.  Horizontal structure of modular walls

      类似地,建立其他8种墙体部品的水平结构—连续外墙部品(短)、角部外墙部品(左上与右下角)、角部外墙部品(右上与左下角)、连续内墙部品(长)、连续内墙部品(短)、与外墙相邻的内墙部品、与内墙相邻的内墙部品(长)、与内墙相邻的内墙部品(短),构造形式分别如图 2b~i所示。

    • 依据国家建筑标准设计图集《木结构建筑》(14J924)对轻型木结构基础与上层墙体结构连接形式的规定,提出模块化的墙体部品竖向构造。

      单层住宅外墙体部品的竖向构造形式如图 3a所示,左图为模块化墙体部品,右图为其与下方基础组装后的表现形式。使用此部品构造的住宅,其室内高度约为2 614 mm,建筑层高约为2 816 mm。本部品中,墙骨柱高度为2 500 mm,OSB尺寸包括1 220 mm×2 440 mm(2 M×4 M)与1 220 mm×376 mm(2 M×376 mm)两种规格,防火石膏板尺寸包括1 220 mm×2 440 mm(2 M×4 M)与170 mm×2 440 mm(170 mm×4 M)两种规格。在1.2.2.1中对墙体部品水平构造的研究中,出现了对于防火石膏板1 049 mm×2 440 mm(1 049 mm×4 M)、1 056 mm×2 440 mm(1 056 mm×4 M)和439 mm×2 440 mm(439 mm×4 M)的裁切规格,因此为充分利用裁切后的余料,将剩余的尺寸约为170 mm×2 440 mm(170 mm×4 M)的石膏板应用于下方的内覆面板。

      图  3  墙体竖向构造

      Figure 3.  Vertical structure of modular walls

      类似地,建立其他3种墙体部品的竖向结构—双层住宅外墙体部品(一层)、双层住宅外墙体部品(上层)和内墙体部品,构造形式分别如图 3b~d所示。

    • 轻型木结构的楼盖由间距不大于600 mm的楼盖搁栅、木基结构板材的楼面板、木基结构板材或石膏板的顶棚组成。北美轻型木结构楼盖体系中,楼盖搁栅的中心间距一般为400 mm或610 mm(即本研究建立的基本模数M)。

      本研究中,楼盖部品的搁栅尺寸与墙体部品中墙骨柱截面尺寸相同,均为38 mm×140 mm。依据前文中已经确定的墙体部品尺寸,可知楼盖的长度与宽度尺寸均为610 mm(1 M)的整数倍。因此提出4种尺寸规格的模块化楼盖部品,尺寸规格分别为1 220 mm×2 440 mm(2 M×4 M)、1 220 mm×1 220 mm(2 M×2 M)、1 220 mm×610 mm(2 M×1 M)、610 mm×610 mm(1 M×1 M),构造形式如图 4所示。所有楼盖部品中,搁栅间距均为610 mm(1 M)。此外,如楼盖部品的结构强度不能满足承重要求,可在楼盖搁栅间增加搁栅数量,或者安装剪刀撑以及横撑提高强度。

      图  4  4种尺寸规格的楼盖部品

      Figure 4.  Four kinds of floor with different dimension specification

      底层楼盖与上层楼盖的构造形式有所不同。底层楼盖的构造形式为:搁栅上方以钉连接覆盖两层厚度为12 mm的OSB,下方直接与地梁板相连接。上层楼盖的构造形式为:搁栅上方以钉连接覆盖两层厚度为12 mm的OSB,下方以钉连接覆盖单层厚度为12 mm的防火石膏板。因此,底层楼盖的厚度尺寸为164 mm,上层楼盖的厚度尺寸为176 mm。

    • 轻型木结构的屋盖,可采用由结构规格材制作的间距不大于600 mm的轻型桁架;跨度较小时,也可直接由屋脊板(或屋脊梁)、椽条和顶棚搁栅等构成。传统的屋盖由支承在梁与承重墙上的椽条系统组成;或者由支承在外墙上的椽条系统组成,支承墙的侧向约束由椽条连杆、矮墙或斜撑提供。

      依据墙体与楼盖部品的长度与宽度尺寸,建立的住宅建筑长度为(610n+24)mm,即nM+24 mm;住宅建筑宽度(定义为平面图纸中上下方向的距离)为(610m)mm,即mM(nm为随机整数)。对于大部分轻型木结构住宅,其单层面积一般在20~150 m2之间,且均为长宽相近的矩形形式。选取合适的n的数值,对4~12 m之间不同的住宅建筑宽度进行编号后,计算相应的屋盖宽度尺寸。依据国家建筑标准设计图集《木结构建筑》(14J924),我国轻型木结构建筑的屋顶坡比有3种常用规格(1:2、1:1.75和1:1.5),对应的坡度角分别为26.57°、29.75°和33.69°。

      为减少材料裁切与耗费,以OSB整板、1/2板长倍数、1/4板长倍数为基准选取最优的屋面板长度,反推出住宅的建筑宽度。将以上3种倍数作为理想屋面板长度尺寸基准,整板宽度的整数倍为最优选长度尺寸,板宽度1/2的整数倍为较优选长度尺寸,板宽度1/4的整数倍为次优选长度尺寸。其中,锯路所造成的尺寸误差,与拼接板缝的尺寸误差相互抵消。

      将理想屋面板的长度尺寸数据与4~12 m建筑宽度范围内实际屋面板长度进行一一对应,得出适宜选取的屋面板长度尺寸表,如表 1所示。

      表 1  适宜选取的屋面板长度尺寸表

      Table 1.  Suitable lengths of roof

      项目Item 坡比
      Slope
      ratio
      坡度角Angle of
      slope/(°)
      住宅建筑宽度Width of
      construction/m
      屋面板长度Length of
      proof /m
      对应的理想尺寸
      Ideal
      length/m
      误差
      Error/m
      OSB使用数量/张
      Number of
      OSB/sheet
      最优选
      The first selection
      1:1.5 33.69 4.904 3.680 3.660 0.020 3
      1:1.5 33.69 11.004 7.346 7.320 0.026 6
      较优选
      The second selection
      1:2 26.57 4.294 3.082 3.050 0.032 2+1/2
      1:2 26.57 8.564 5.469 5.490 -0.021 4+1/2
      1:1.75 29.75 10.394 6.688 6.710 -0.022 5+1/2
      1:1.5 33.69 7.954 5.513 5.490 0.023 4+1/2
      次优选
      The third selection
      1:2 26.57 9.174 5.810 5.795 0.015 4+3/4
      1:1.75 29.75 6.734 4.581 4.575 0.006 3+3/4
      1:1.75 29.75 11.004 7.040 7.015 0.025 5+3/4
    • 参考“Grid Planning”建筑模数的构造方式,基于日本、北美等国家木结构模数制定的依据与原理,以及我国住宅的建筑模数现状(钢混建筑基本模数为100 mm),将现代轻型木结构住宅的建筑模数,分为水平模数与竖向模数进行构造,并均以模数网格的形式呈现。

      由于材料尺寸与生活习惯差异,日本木结构建筑基本模数为910 mm,与榻榻米长度一致,因此我国发展模数化难以参考其模数数值。本研究主要基于北美木结构构造方式中墙骨柱间距以400~600 mm等距排列的构造规律,使结构体系中每个建筑构件与网格线建立一定关系,以建筑构件的中心线位于网格线上。体现在本模数体系中,网格线与截面尺寸为38 mm×140 mm的SPF木龙骨中心线一一对应,间距为610 mm(1 M)。

    • 在1.2.2.1中已确立墙体部品的水平构造形式。建筑模数应与模块化部品相配合,因此以连续墙的墙骨柱中线为轴线,并以角部墙中靠近墙角的墙骨柱外端为轴线,建立轻型木结构住宅的水平模数网格,如图 5a所示。除上侧与下侧两行模数网格的尺寸为610 mm×446 mm(1 M×446 mm)之外,其余模数网格尺寸均为610 mm×610 mm(1 M×1 M),与墙骨柱中线的间距一一对应。

      图  5  建筑模数

      Figure 5.  Construction module

    • 单层住宅的外墙体部品外侧覆有两种尺寸的OSB:1 220 mm×2 440 mm×12 mm(2 M×4 M×12 mm)与376 mm×2 440 mm×12 mm(376 mm×4 M×12 mm)。因此,依据OSB尺寸确定竖向模数网格,表现形式如图 5b所示。除靠近地基的一行模数网格的尺寸为376 mm×1 220 mm(376 mm×2 M),其余模数网格尺寸均为610 mm×1 220 mm(1 M×2 M)。

    • 与单层住宅不同,双层住宅的外墙体部品外侧覆有两种尺寸的OSB:1 220 mm×2 440 mm×12 mm(2 M×4 M×12 mm)与714 mm×2 440 mm×12 mm(714 mm×4 M×12 mm)。因此,依据OSB尺寸确定竖向模数网格,表现形式如图 5c所示。除靠近地基的一行模数网格的尺寸为714 mm×1 220 mm(714 mm×2 M)之外,其余模数网格尺寸均为610 mm×1 220 mm(1 M×2 M)。

    • 拟建造一栋单层现代轻型木结构旅游度假生态木屋,面积在20 m2左右。通过设计计算和模型构造两种验证方式,确定此标准化结构体系的可行性。

    • 依据住宅面积在20 m2左右的要求,确定住宅建筑宽度约为4 m。从表 1中选取当建筑宽度为4 m左右时,适宜的屋面板长度尺寸与坡度。可知较优选的屋面板长度为3.082 m(约为5 M),坡比1:2,坡度26.57°。应用此屋盖尺寸体系,可在屋面板长度方向上直接使用610 mm(1 M)整数倍的OSB,无需更多裁切。以此确定住宅宽度为4.294 m(7M+24 mm),并由住宅面积和平面模数网格,确定建筑长度为4.270 m(7 M)。

    • 确定房间布置后,进行墙体部品的布置。选取左上与右下角2个角部外墙部品、右上与左下角2个角部外墙部品、4个长连续外墙部品和4个短连续外墙部品,进行外墙部品的拼接组合;选取3个与外墙相邻的内墙部品,1个与内墙相邻的内墙部品(长)、1个与内墙相邻的内墙部品(短)、1个连续内墙部品(长)和1个连续内墙部品(短),进行内墙部品的拼接组合,如图 6所示。

      图  6  墙体部品布置

      Figure 6.  Configuration of modular walls

    • 依据4.294 m×4.270 m的建筑尺寸,对本设计进行建筑楼盖部品的布置,结构形式如图 7所示。

      图  7  楼盖部品的布置

      Figure 7.  Configuration of modular floors

      对于上层楼盖的设计,除选取的部品厚度尺寸不同外,布置方法与底层楼盖一致。

    • 依据4.294 m×4.270 m的建筑尺寸,确定屋面板长度为3.050 m(5 M),宽度为4.880 m(8 M)。

      本设计中,桁架形式选取应用广泛的芬克式;桁架跨度与建筑宽度一致,为4 294 mm(7 M+24 mm),高度为1 379 mm。屋面板构造形式分别如图 8所示。单层屋面板使用3张1 220 mm×2 440 mm×12 mm(2 M×4 M×12 mm)的OSB、2张1 220 mm×1 220 mm×12 mm(2 M×2 M×12 mm)的OSB、1张610 mm×2 440 mm×12 mm(1 M×4 M×12 mm)的OSB和2张1 220 mm×610 mm×12 mm(2 M×1 M×12 mm)的OSB,可以由5张完整的OSB简单裁切而成。因此,此结构体系实现了减少材料加工耗费,降低加工成本,减少施工时间,提高施工效率的预期目标。

      图  8  屋面板的布置形式

      Figure 8.  Configuration of roof boards

    • 基于3.1中结构标准化体系的计算数据,制作1:20比例的现代轻型木结构模型,部分制作过程如图 9所示。首先,按照计算结果,制备相应缩小比例的SPF龙骨、OSB、防火石膏板及其他相关材料;之后,进行楼盖部品、墙体部品和模数化屋顶的制备;最后,进行模块化部品的装配和拼接,完成整座木结构住宅等比例缩尺模型的制作。

      图  9  轻型木结构标准化体系模型

      Figure 9.  Model of standardized system of light frame timber house

      模型制作过程中,构成模块化墙体部品的OSB、防火石膏板近乎整板使用,仅需裁切门窗洞口,加工步骤较少;构成模块化楼板部品的板材加工仅需对半裁切,制作难度较低,精度较高且无余料;制作屋盖时,桁架与屋面板根据数据库提供的最优选尺寸加工并预先组装,构成整体型屋盖,在承重结构搭建好后可直接拼装完成构造,大幅提高劳动生产效率和拼装速度。房屋模型各部件尺寸精准,拼接严密,整体稳定牢固。此木结构标准化体系模型在首届“昆仑杯”节能建筑设计大赛中荣获三等奖。

    • 建立了一套适用于我国现代轻型木结构住宅的主要建筑构件模块化部品、部品尺寸标准与建筑模数,最终构建一套适用于我国现代轻型木结构住宅的标准化结构体系。对于墙体与楼盖,制定了部品尺寸标准,并据此建立了模块化部品数据库;对于屋盖部品,以理想屋面板长度为基准,选取最优的屋面板长度,再反推出住宅的建筑宽度,以此确定住宅与桁架尺寸,以及所需OSB的张数;基于日本、北美等国家木结构模数制定的依据与原理,以及我国住宅的建筑模数现状,通过模数网格的形式,以“610 mm×610 mm”模数网格为基本尺寸,建立适用于我国现代轻型木结构住宅的水平建筑模数与竖向建筑模数。

      基于提出的标准化结构体系,设计了一栋轻型木结构住宅,并通过1:20等比例缩尺模型制作,验证了此结构体系的可行性。在构造过程中,外墙部品、内墙部品、楼板部品与模数化屋顶部品均实现了“减少材料裁切与耗费,简化加工步骤,提高预制化程度,提高施工精准度”的预期目标,为设计师提供了简便快捷的设计方法与数据库,对于促进我国现代轻型木结构住宅的发展具有重要意义。

参考文献 (20)

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