开启木结构建筑的可能性
木钢混合框架结构的发展
面向低碳时代的新型建造方法
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朝着利用铁来弥补木材脆性的混合发展方向发展。
为了打造能够充分发挥木材优势的大空间，我们希望开发一种结构简单、易于施工且用途广泛的新型建造方法。结构设计师原田公明的这一理念催生了“木钢混合框架”项目。
日建设计承接了众多木结构及木基建筑项目，扩大了木材的使用范围，为应对全球变暖和保护乡村景观做出了贡献。代表性项目包括：构想建造木结构摩天大楼的“ W350计划”；在其结构和外立面大量使用木材的“木材会馆”；以及采用日本首个复合木结构张拉梁结构打造大型木空间的“有明体操竞技场”。
日建设计承接了众多木结构及木基建筑项目，扩大了木材的使用范围，为应对全球变暖和保护乡村景观做出了贡献。代表性项目包括：构想建造木结构摩天大楼的“ W350计划”；在其结构和外立面大量使用木材的“木材会馆”；以及采用日本首个复合木结构张拉梁结构打造大型木空间的“有明体操竞技场”。
W350计划© 住友林业和日建设计
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木材会馆© Nacása & Partners Inc.
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有明体操竞技场© SS Co.,Ltd.
通过这些经验，一种利用钢材弥补木材薄弱环节（例如连接处）的混合结构理念应运而生，旨在使木结构在建筑领域得到更广泛的应用，从而构建可持续发展的社会。虽然此前已有木钢混合结构的案例，但它们的施工过程十分复杂，例如需要使用大量的螺栓。原田解释了他开展研发工作的背景：“为了推广木结构，我们需要建立一种用途广泛且简便的施工方法。”
2016年，我们召集了公司内部对这种新型施工方法感兴趣的志愿者，组成了一个小团队开始进行研发工作。我们咨询了东京工业大学研究钢结构、抗震结构和空间结构的竹内彻教授，他同意与同校专攻混凝土和木结构的坂田博明教授一起提供指导。此外，在钢结构领域拥有高技术和丰富经验的日本制铁工程株式会社也加入了我们，共同组建了联合研发团队。
一切都始于为一个大面积屋顶考虑木钢连接方案。团队成员各自绘制草图并集思广益。我们考虑了多种方案，例如：T型钢构件两侧用螺栓固定层压木材；H型钢构件内嵌层压木材；以及带有集成螺栓和连接件、可适应不同角度的钢结构单元。
2016年，我们召集了公司内部对这种新型施工方法感兴趣的志愿者，组成了一个小团队开始进行研发工作。我们咨询了东京工业大学研究钢结构、抗震结构和空间结构的竹内彻教授，他同意与同校专攻混凝土和木结构的坂田博明教授一起提供指导。此外，在钢结构领域拥有高技术和丰富经验的日本制铁工程株式会社也加入了我们，共同组建了联合研发团队。
一切都始于为一个大面积屋顶考虑木钢连接方案。团队成员各自绘制草图并集思广益。我们考虑了多种方案，例如：T型钢构件两侧用螺栓固定层压木材；H型钢构件内嵌层压木材；以及带有集成螺栓和连接件、可适应不同角度的钢结构单元。
草图
为了确保这种全新连接方法的安全性，我们决定进行全尺寸实验。我们制作了多个模型，其中包括一个坚固的设计，该设计用钢板加固了层压木材的上下表面；以及一个注重美观的设计，该设计采用T型钢构件，使其从下方看起来就像纯木结构。随后，我们反复对这些模型施加弯曲应力，进行破坏性试验。结果表明，用钢板压紧木材最外层的方法，其连接强度远超预期。纯木结构中使用普通金属配件的连接强度约为木材抗弯强度的30%，而这种方法的强度则接近木材抗弯强度的90%。
木框架结构中木-钢混合节点的实验研究
东京工业大学进行的结构实验
“如果真是这样的话，那么或许我们可以将层压木材用作梁，不仅可以用于屋顶，还可以用于刚性框架结构——” 2018 年，也就是研究开始两年后，研发团队发现了柱梁混合刚性框架的潜力，这种框架的需求量比大型开放空间更大。
源自美国西海岸的“狗骨”形设计，打造出抗震连接。
这是一种由钢柱和木梁构成的木钢混合框架结构。它看起来结构极其简单，令人惊讶的是，此前竟然没有人设计过类似的结构。然而，在进行计算和分析的同时，我们还拆解了数十个全尺寸的测试样件来验证其性能，最终才得以设计出一种能够充分发挥钢材和层压木材优势的结构形式。
木钢混合拉面轴测图
在大型屋顶空间中，木梁的深度通常约为300毫米，但为了构建刚性框架结构，梁的深度最大可达1200毫米。然而，即使如此，在梁的末端使用木材仍然会使它们比钢结构更脆弱，在强震中容易开裂和断裂。因此，人们设计了一种新的结构，使钢材能够承受地震力，其特点是在梁的末端采用略小的截面尺寸，这种结构通常被称为“狗骨形”。该设计灵感来源于“缩减梁截面”钢框架结构，这种结构在1994年美国西海岸北岭地震后开始流行。当建筑物在地震中变形时，应力集中在“狗骨形”截面上，使钢材能够发生柔性塑性变形，从而提高建筑物的抗震能力。
轴测关节细节
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木钢混合框架结构
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木钢混合框架的设计方针
因此，一种传统木结构难以实现的抗弯曲连接得以实现。这项研究历时五年。由于木材的性能并不均匀，每次都制作三个相同的测试样本，并对多种类型的连接进行了全尺寸破坏性试验。测试的样本总数超过60个。2018年加入团队并负责结构分析的重松瑞希（Mizuki Shigematsu）回顾研发过程时说：“在挑战一种新的结构时，我意识到，重要的不仅是纸上的计算，还要用实物进行验证。”
实验照片
木钢混合框架结构实验
东京工业大学进行的结构实验
致力于扩大环保型木结构空间，在合适的地方使用合适的材料。
2020年，木钢混合框架结构终于获得了日本ERI的结构性能评估。这项评估使得建造“采用特殊结构方法建造的建筑物”（即《建筑标准法》中未明确规定的建筑物）变得更加便捷。有了这项评估，只需提交确认申请即可将其应用于未来的建筑项目，无需繁琐的程序，这将促进其未来的广泛应用。
展望未来发展，我们也在进行一座五层酒店的成本相关初步设计。
与纯木结构建筑相比，这种建筑方式成本更低，且无需胶合板墙体或支撑结构，设计更加灵活。虽然目前其总造价略高于钢筋混凝土或钢框架结构，但由于木材的使用可以减轻建筑重量，因此地基工程的成本可能会降低（具体取决于场地条件）。此外，裸露的木梁结构无需进行室内装修，从而缩短了工期。
木钢混合框架结构在制造过程中比钢筋混凝土结构减少约40%的二氧化碳排放，而且大部分排放的二氧化碳可以被木材吸收。在即将到来的低碳社会中，木材在建筑中的应用将展现出巨大的优势。
为了打造一个“对用户和全球环境都友好的”结构，杜凌子加入了团队，并进行了环境影响计算。
这种混合结构最大限度地发挥了木材的优势，例如其环保性能，同时通过在立柱和节点中使用钢材来确保必要的强度。“这并非简单地用钢材来模仿木材，而是一种全新的结构形式，在合适的地方使用了合适的材料。我认为我们成功地提出了一种高效利用材料的系统，”从项目伊始就作为结构设计师参与其中的三和贞京回忆道。
“它外观漂亮、坚固可靠，”原田在描述这种木钢混合框架时说道。除了柱梁结构外，他们还计划对覆盖大面积空间的木结构进行性能评估，这也是他们最初的考虑因素。他们将继续不懈努力，致力于让中庭、火车站等公共空间更加舒适、更加坚固。
展望未来发展，我们也在进行一座五层酒店的成本相关初步设计。
与纯木结构建筑相比，这种建筑方式成本更低，且无需胶合板墙体或支撑结构，设计更加灵活。虽然目前其总造价略高于钢筋混凝土或钢框架结构，但由于木材的使用可以减轻建筑重量，因此地基工程的成本可能会降低（具体取决于场地条件）。此外，裸露的木梁结构无需进行室内装修，从而缩短了工期。
木钢混合框架结构在制造过程中比钢筋混凝土结构减少约40%的二氧化碳排放，而且大部分排放的二氧化碳可以被木材吸收。在即将到来的低碳社会中，木材在建筑中的应用将展现出巨大的优势。
为了打造一个“对用户和全球环境都友好的”结构，杜凌子加入了团队，并进行了环境影响计算。
这种混合结构最大限度地发挥了木材的优势，例如其环保性能，同时通过在立柱和节点中使用钢材来确保必要的强度。“这并非简单地用钢材来模仿木材，而是一种全新的结构形式，在合适的地方使用了合适的材料。我认为我们成功地提出了一种高效利用材料的系统，”从项目伊始就作为结构设计师参与其中的三和贞京回忆道。
“它外观漂亮、坚固可靠，”原田在描述这种木钢混合框架时说道。除了柱梁结构外，他们还计划对覆盖大面积空间的木结构进行性能评估，这也是他们最初的考虑因素。他们将继续不懈努力，致力于让中庭、火车站等公共空间更加舒适、更加坚固。
木质空间结构的轴测投影
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单层格构壳屋顶
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木钢混合连接的轴测接头
| ※ | 基础设计、详细设计监督和监督 | ： | 日建设计 |
| 实施设计 | ： | 清水建设，斋藤公雄（技术顾问） |
