由于全球人口在不斷膨脹,住房供給不足已成為全世界主要工業(yè)化城市所面臨的問題。而多層木框架房屋則成為解決高額土地價值和建造費用的方法。特別是3~5層的木框架房屋因其施工速度和材料花費上的優(yōu)點成為提供經(jīng)濟住宅的可能。
在美國,大多數(shù)城市已經(jīng)開始轉向制造多層木框架房屋,以在有限的城市開發(fā)空間中提供更多的居住單元。
目前,多層木框架房屋的普遍使用已不僅僅限于美國和加拿大,在日本、澳大利亞和歐洲,這種房屋也十分流行。
美國的住宅
在美國,木材是首選的住宅建造材料。最近每年都有150萬的新住宅建成,其中約75%為單戶住宅而25%為多戶。而前者中有近90%是采用木框架結構。
近30年來,木框架結構主要用在公寓、汽車旅館、旅館和高檔住宅。這些建筑從3層到6層不等。
結構上的考慮
木材是從古到今都一直使用的建筑材料,這不僅由于它結構上的性能還因其美學上的價值。木材在順其纖維方向上有很大的耐力,而垂直方向上則很差。只要正確發(fā)揮其性能,木材很少有結構使用上的限制。
與鋼結構和混凝土結構相比,木結構有更大的單位重量承載力。木框架自重輕,并且在地震作用下產生較小的慣性力。在多層(多戶)木結構住宅中要使用大量的墻以減輕每道墻的荷載。結構上的墻和樓板可傳遞風或地震產生的水平荷載。
水平荷載
總的來說,木框架結構中特別套有木板的剪力墻和樓板在抵抗風和地震荷載時具有良好的性能。這些墻和樓板在設計的強度范圍內具有很好的硬度和強度,同時在逐漸達到最大強度時也能有很大的承載力。此外由于木結構具有很強的延展性,它在被破壞前還會吸收大量的能量。
對過去地震的觀察表明,木結構建筑具有良好的抗震性,而其中最有效的工作部分是下拉裝置和剪力墻。
那些在現(xiàn)代防震法則出現(xiàn)前建造的木結構房屋受到了較大破壞。受破壞的原因主要包括:短墻缺少支柱或根本沒有支柱;房屋因缺少與基礎的連接而滑動;為了車庫開門而少設置剪力墻(所謂的“軟墻”)。
豎向荷載
為了承擔在底層的重量荷載,木螺栓(有2x6, 3x4, 或 3x6的尺寸)經(jīng)常被1個、2個、3個或近距離間隔(例如6英寸/15.24cm)地使用。在結構剪力墻和樓板的近距離釘固構造中3x規(guī)格的木螺栓經(jīng)常被使用。圖2是后面要提到的實例三蓋茨沃斯(The Gatesworth)的節(jié)點細部。5層房屋底層一側10英尺(304.8cm)窗橫梁下方用了8個2x6規(guī)格的木螺栓以承受35 000磅(15 890kg)的集中荷載。
在梁柱設計中為了控制墻板和墊板的末端變形尺寸,木螺栓常常使用木纖維正交壓縮的材料。因為當纖維變形發(fā)生時,托梁、橫梁及木螺栓能有較小的總體變形尺寸。
木材收縮
木材干燥后就會收縮。在大多數(shù)1、2層的房屋中,即使使用未干的木材,木材收縮的整體影響對基地還是可以適應的。
對于超過3層的木框架房屋,建筑規(guī)范要求對木材收縮予以考慮。使用干木材可以盡量減小收縮帶來的問題,如建???后開裂和令人頭痛的下水管問題。
我們可以通過對墻和地板中的水平木構件(如墻板和地板托梁)的收縮求和來計算整個木房屋的收縮。當把木托梁放在脫開墻而非在墻頂端的金屬梁托架上時,房屋的整體收縮影響還能進一步減小。
1990年代末, 工字木托梁和復合木板因其易得性和經(jīng)濟性而被廣泛使用。由于它們是在比EMC更低的濕度條件下被制造,所以在使用時只有輕微的膨脹。
當建造自身收縮率不同的多層木結構房屋時,在設計時就要對收縮問題進行考慮。這類建筑包括木框架房屋與磚外皮的結合;與鋼框架中庭的結合;與混凝土電梯、樓梯間的結合;與安裝在不同濕度條件下的木框架系統(tǒng)的結合。
防火
建筑規(guī)范在防火問題上對木結構房屋有高度和樓層面積上的限制,但對于兩邊以上開敞或有自動滅火系統(tǒng)的木結構房屋的情況可適當放寬標準。在決定樓層面積的標準中,房屋中每個由防火隔墻分隔的部分可作為單獨的房屋考慮。當?shù)氐姆课莨芾聿块T和消防部門共同規(guī)定木結構房屋的高度和樓層面積以符合防火和滅火要求。
一般在多層木結構房屋項目中使用允許增加高度和樓層面積的規(guī)范。整體結構的1小時耐火通常是最低要求,而對于封閉樓梯間和疏散通道則有更高的要求。木結構房屋中還結合鋼結構、混凝土結構等不燃結構的中庭和樓梯以簡化防火處理。
經(jīng)過防火測
木構件用石膏來防火并經(jīng)受檢測。根據(jù)檢測的結果來確定構件的防火等級并列入華盛頓石膏協(xié)會頒布的“人工防火設計”列表中。
附加成分法
構件的耐火性可以用附加成分法計算出來。美國林業(yè)及紙業(yè)協(xié)會對這種方法提供有專門的出版介紹。
根據(jù)防火測試報告的資料,每種單獨成分有其耐火性的時間價值。這種方法是將每種成分的防火性能的總和作為整個構件的防火性能?涨蛔韪艉捅砥ぜ訌姷母郊臃雷o也被賦予防火性能的時間價值。
火焰阻斷和氣流阻斷
建筑規(guī)范所要求的傳統(tǒng)的火焰阻斷和氣流阻斷技術在木結構房屋中能提供很好的防火措施;鹧孀钄嗍欠乐够鹧婧蜔煔獯┻^相對較小的隱藏的通道而蔓延到其他區(qū)域。這些通道包括地板、墻壁和樓梯。通常的措施是在托梁和墻板之間加木隔斷,在通風孔、上下水管、煙囪和壁爐周圍使用不燃材料。
氣流阻斷是防止熱氣、煙和火焰穿過較大的隱藏的通道蔓延到其他區(qū)域。這些通道包括閣樓、樓板下的吊頂或者開放管道。
隔聲
對于多層木房屋的墻壁和地板構造,隔聲設計是一個需要考慮的非結構性重要問題。在這一點上,房屋是用作多戶住宅還是商業(yè)建筑會決定對材料的選擇。大量的木結構構件都經(jīng)過隔聲性能的測試并且刊登在產業(yè)手冊、規(guī)范及產品性能和建筑規(guī)范的報告上面。輕質石膏板和其他密封材料常常被使用以增加隔聲。在設計隔聲時,對整個系統(tǒng)的選擇就要比對單個結構木構件的選擇來得重要。
隔聲等級(STC) 45~55通常被認為有良好的隔聲效果。
為了提高隔聲性能,地板上會設置輕質混凝土。這包括1.5英寸(3.81cm)厚、每立方米60到90磅(27.24~40.86kg)重的輕質混凝土和0.75英寸(1.905cm)厚、每立方米100到130磅(45.4~59.02kg)重的石膏膠泥。它們自身平整;炷恋臐茶T在主體框架完成并安裝好水、電管道之后進行。延伸處的接縫處理是經(jīng)常設置在延墻線開門處的T形金屬槽。雙層底的木板常用作墻。較低的底部板木材可作為混凝土模板。套有石膏板的單層底的板也能使用。石膏板在這里充當模板,并減少了木材的用量。