建立木梁+钢筋混凝土楼板施工方法,实现中大型城市木结构建筑。
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解决钢筋混凝土楼板与木梁连接问题
在中大型建筑(住宅除外)中使用木材时,会面临一个挑战:木材的横截面积较大,容易使空间显得局促。此外,由于木材比钢材或混凝土更轻更软,用作地板时更容易传递震动,从而降低居住舒适度。
针对这一问题,新开发的“木梁与钢筋混凝土楼板组合梁施工方法”(以下简称“本施工方法”)应运而生。本施工方法利用木材和混凝土抗压强度相近的特性,在二者之间形成牢固的连接。由于钢筋混凝土楼板提高了木梁的刚度,使其不易发生震动,从而形成与钢框架混凝土楼板楼板一样稳定的楼板。与传统梁相比,本施工方法可将梁的长度增加一倍,实现约12米的跨度,从而能够满足中大型建筑大面积施工的需求。此外,本施工方法还能将梁的深度从通常非组合梁的120厘米减少到90厘米,约为原梁深度的四分之三,从而在建造高层建筑时通过降低层高来增加建筑面积。
针对这一问题,新开发的“木梁与钢筋混凝土楼板组合梁施工方法”(以下简称“本施工方法”)应运而生。本施工方法利用木材和混凝土抗压强度相近的特性,在二者之间形成牢固的连接。由于钢筋混凝土楼板提高了木梁的刚度,使其不易发生震动,从而形成与钢框架混凝土楼板楼板一样稳定的楼板。与传统梁相比,本施工方法可将梁的长度增加一倍,实现约12米的跨度,从而能够满足中大型建筑大面积施工的需求。此外,本施工方法还能将梁的深度从通常非组合梁的120厘米减少到90厘米,约为原梁深度的四分之三,从而在建造高层建筑时通过降低层高来增加建筑面积。
锯齿状梁截面是其发展的关键。
钢筋混凝土楼板和木梁采用锯齿形截面一体化设计,减少了连接五金件的数量,提高了施工的便捷性。
这种施工方法的研发始于大约六年前。我们经历了各种尝试和失败,并进行了细致的实验和验证。日建设计的结构设计团队提出了“开发一种能够承建大型建筑的通用木梁和钢筋混凝土楼板”的想法,两家公司由此开始了合作项目。木结构混合结构仍处于起步阶段,结构设计组的高级专家原田公明回忆道:“此前,木梁与钢筋混凝土楼板的连接面还没有开发出良好的技术。”
团队最初尝试使用螺栓连接木材和钢筋混凝土。然而,这种方法成本高昂且耗时,难以达到足够的刚度。随后,他们尝试使用住友林业用于木结构外墙底层的网格状木材作为梁和楼板之间的摩擦材料。遗憾的是,这种方法强度不足。这些尝试为他们提供了线索,在研发开始约三年后,锯齿形连接的概念应运而生。在这种连接方式中,木梁表面经过纹理处理,从而与钢筋混凝土楼板牢固连接。结构设计组总监福岛隆解释了其功能:“利用承压连接是最简单、最合理的方案。我们还充分利用了木材易于加工的特性。”这 种独特的截面结构巧妙地利用了木材和混凝土这两种抗压强度相当的材料的特性,可谓独一无二。
团队最初尝试使用螺栓连接木材和钢筋混凝土。然而,这种方法成本高昂且耗时,难以达到足够的刚度。随后,他们尝试使用住友林业用于木结构外墙底层的网格状木材作为梁和楼板之间的摩擦材料。遗憾的是,这种方法强度不足。这些尝试为他们提供了线索,在研发开始约三年后,锯齿形连接的概念应运而生。在这种连接方式中,木梁表面经过纹理处理,从而与钢筋混凝土楼板牢固连接。结构设计组总监福岛隆解释了其功能:“利用承压连接是最简单、最合理的方案。我们还充分利用了木材易于加工的特性。”这 种独特的截面结构巧妙地利用了木材和混凝土这两种抗压强度相当的材料的特性,可谓独一无二。
这张图片展示了一个跨度为12米的全尺寸弯曲试验。试验结果证实,当梁与钢筋混凝土楼板连接后,其承载能力是单根木梁的数倍。考虑到木材的蠕变现象(即在长期承受恒定荷载时会发生变形),仅制作这个试验样本就耗时一个多月。
在建筑领域,仅有理念往往不足以将设计付诸实践。因此,我们又花了三年时间进行全尺寸试验和宜居性测试,最终才得出结构性能评估结果。
采用木梁和钢筋混凝土板的组合梁施工方法
这种施工方法在进行结构性能评估时充分考虑了施工可行性。它兼容多种模板类型,包括传统模板和楼板。此外,耐火性是木结构面临的最大挑战,而这种方法可以结合耐火木梁,例如住友林业的“Kigurumi”系列(一种通过在梁的下端插入不燃材料来增强耐火性的施工方法),使其即使在最具挑战性的木结构类型——高层建筑中也能应用。
木包裹的CT束段
钢筋混凝土楼板增强了木梁的刚度,使得楼板的稳定性与钢框架混凝土楼板楼板相当,甚至更胜一筹。与传统梁相比,梁长可增加一倍,跨度可达约12米,使其适用于中大型建筑,尤其是大面积建筑。梁深可从通常非组合梁的120厘米减少到90厘米,约为原深度的四分之三,从而既可增加楼层高度,也可在建造高层建筑时减少楼层高度。(摘自住友林业和日建建设的新闻稿)
通过不断的技术进步,我们为实现城市木结构建筑和脱碳做出贡献。
日建设计株式会社和住友林业株式会社于2020年宣布了“ W350计划这是一座350米高的木结构摩天大楼。这是住友林业株式会社为庆祝其成立350周年(2041年)而提出的研发理念。这种建造方法也是其中大型木结构技术开发的一部分。
W350计划是一个环保型木结构城市,融合了众多未来科技和理念,包括增强防火抗震性能的建造方法、环保技术以及新型木材的研发。“ W350计划是我们长期以来致力于解决的挑战的成果。我们终于解决了其中一个难题。”资深专家原田表示。除了推广这种“人人都能轻松上手”的建造方法外,日建设计的结构工程团队还致力于开发和普及木结构建筑技术,以实现到2050年温室气体净零排放的目标。
W350计划是一个环保型木结构城市,融合了众多未来科技和理念,包括增强防火抗震性能的建造方法、环保技术以及新型木材的研发。“ W350计划是我们长期以来致力于解决的挑战的成果。我们终于解决了其中一个难题。”资深专家原田表示。除了推广这种“人人都能轻松上手”的建造方法外,日建设计的结构工程团队还致力于开发和普及木结构建筑技术,以实现到2050年温室气体净零排放的目标。