超高层装配式木结构大楼如何建造？

转自公众号：预制建筑网作者：同济大学土木工程学院教授，博士，博士生导师熊海贝预制建筑网屠鲜整理编辑近几年世界各地兴起了打造巨型木质建筑的热潮去年年底落成使用的由坂茂设计的全球最大的木构建筑在瑞士贝尔城的Swatch新总部该项落地过程非常曲折

转自公众号：预制建筑网

作者：同济大学土木工程学院教授，博士，博士生导师熊海贝

预制建筑网屠鲜整理编辑

近几年世界各地兴起了

打造巨型木质建筑的热潮

去年年底落成使用的

由坂茂设计的全球最大的木构建筑

在瑞士贝尔城的Swatch新总部

该项落地过程非常曲折

落成后，坂茂甚至表示

“这个项目改变了我一生！”

无独有偶

近日，又一工程学上的杰作

由HESS TIMBER设计的

全球最大木构装配式球体 让众多设计师叹为观止

? Corvin Oelschlaeger

纵观建筑史，你会发现

混凝土使罗马帝国得以扩张

使钢铁致密的城市达到了以前无法想象的高度

而塑料则使建筑内部和建筑经济得以重振

而到了21世纪， 木材在经历几千年的沉寂后

又重新被赋予了奇迹般的地位

尽管其粗糙的表面和独特的组装方式看起来似乎与当前全球大量的建筑发展需求相反，但木材的耐用性、可再生性和封存碳的能力引发了建筑业者的关注，并大量投资于未来。

同济大学土木工程学院教授，博士，博士生导师

同济大学建筑设计研究院一级注册结构工程师

熊海贝-装配式木结构发展的机遇与挑战

这些绿色环保、可持续发展的木结构是怎样应用到建造场景中？怎样应用到装配式建造中？以下从几个方面展开论述：

我国木结构建筑现状

按结构形式：

1. 轻型木结构：主要应用于居住建筑、小型公共建筑

2. 方木原木结构：主要应用于居住建筑、中小型公共建筑

3. 胶合木结构：主要应用于各种大型、中型、小型公共建筑

按建筑功能：

1. 居住建筑

2. 旅游休闲建筑

3. 综合建筑

4. 文体建筑

5. 寺庙建筑

国内应用现状

- 贵州省黔东南州游泳馆 -

该游泳馆用地为东西长132.4m，南北深112m长方形地块，采用 大跨度木拱屋架结构形式 。上部屋盖采用张弦木拱体系，跨度50.4m；木拱沿弧长分三段拼接，每段由2块截面为170mm（厚度）×1000mm（高度）胶合木构件组合拼装而成，并选用PRF结构胶黏剂粘接，表面采用环保型木材防腐液ACQ和防护型木蜡油进行二次涂装，有效提高了耐久性和防潮性。通过6根木撑杆与主索共同形成张弦结构，与纵向索和屋面索构成完整的稳定结构体系。自平衡的张弦木拱以滑移支座支撑，消除了支座水平推力。

贵州省黔东南州游泳馆

Swimming Pool of Qiandongnan Prefecture, Guizhou Province

- 成都都江堰向峨小学 -

成都都江堰市向峨小学总建筑面积为5290 ㎡，学校可用用地面积为16311 ㎡。 教学综合楼、宿舍楼均采用轻木结构建筑，是中国第一所全木结构校舍，如图所示。 每个单体建筑零标高以上外墙、内隔墙均采用38mm×140mm内龙骨，外墙龙骨间距为406mm；楼面主要由楼面搁栅和楼面板组成，在下层墙顶标高处设置大梁，搁栅之间用填块加强连接。

都江堰向峨小学

Dujiangyan Xiangye Primary School

- 苏州胥江木结构桁架拱桥 -

苏州胥江木结构桁架拱桥全长108m，宽6m，主拱跨度为75.7m的胶合木桁架拱体系，主拱截面高度1.2m，建造这座木拱桥共使用了400 m3 的木材， 是目前世界单孔跨度最大的木结构桥梁， 如图所示。该桥采用高硬度松木，由7cm宽、3cm厚、2m左右长度的小木条拼接胶合而成，设计承载力4.5kN/ ㎡，总承载力为195t。

苏州胥江木结构桁架拱桥

Suzhou Xujiang wooden truss arch bridge

木结构建筑的优势

文化优势 —— 木结构连接智慧优雅

?独特的连接方式 —— 榫卯

?宏伟的悬挑方式 —— 斗拱

?最初的隔振耗能 —— 基础础石浮搁、屋盖铺作

政策优势 —— 绿色行动计划

建筑产业带来约50%的温室效应、20%的空气污染和40%的水污染
2015年我国建筑能耗占能源消费总量20%
木、混凝土、砌体结构在全生命周期对环境的影响分析

欧美率先提出绿色行动计划，政府项目提倡建设木结构；
世界范围开展绿色行动计划；
“到2020年我国绿色建筑推广比例要达到50%的目标” ；
“因地制宜发展现代木结构等装配式建筑”；
《绿色建材评价标准》颁布；
2019 装配式建筑发展报告（住建部）；

政策优势 —— 规范全面支撑

加拿大多高层木结构指南
美国高层木结构指南
欧洲规范 (对木结构没有明确的限制，消防技术先进）
《木结构设计规范》（GB50005-2017）
《多高层木结构建筑技术标准》（GB/T51226-2017）
《装配式木结构建筑技术标准》（GB/T51223-2016）
上海市地方标准《轻型木结构建筑技术规程》（DG/TJ08-2059-2009）
上海市地方标准《工程木结构技术规范》（DG/TJ08-2192-2016）
《绿色建材评价标准现代木结构用材》（T/CECS10030-2019）
《装配式住宅建筑检测标准》JGJ/T485－2019

材料结构优势 —— 可再生绿色材料

自然，可再生
环保，低碳迹
保温，少能耗
安全，耐地震
快捷，全天候
美观，多方位

材料结构优势 ——材料性能提高

现代工程木产品使高层和大跨木结构成为可能

通过加工，弥补了天然木材缺陷多、幅面小的不足
产品材质均匀、强度和可靠度高、材料利用率高

木-FRP加强材等

冬季施工不间断

材料结构优势 —— 结构体系多样

强重比大抗震性能优越

美观舒适怡然天成

装配式木结构连接节点

日本SE工法

CLT多层结构的连接

装配式木结构耗能连接节点

摩擦耗能连接

软钢屈服耗能连接

高阻尼橡胶+软钢屈服耗能连接（轻木结构用）

装配式木结构试验研究

如何建造？

高层/超高层装配式木结构大楼

新型高层木混合结构设计

高层木-混凝土“框盒”结构体系

防火：人员沿核心筒纵向撤离，火势在三层间阻断

混凝土核心筒；混凝土楼板+挑檐

- 密集城区装配式木混合结构体系关键技术 -

结构体系

○ 木混合结构

○ 材料/体系优化

○ 连接节点性能

○ 评价标准

减灾调控

○ 多灾害失效机理

○ 多功能防护措施

○ 高效减隔震装置

建造标准-有力保障

○ 抗震/防火设计

○ 耐久/防腐设计

○ 组合体系优化设计

平面

立面

优点：

⑴ 结构体系高效，物尽其用；

⑵ 自重轻，地震作用小，耗能强，抗震性能好；

⑶ 防火性能有保障；

⑷ 居住舒适、环保、节能；

⑸ 装配化程度高；

(6) 基础造价低、综合造价低、效益显著。

结构对环境的影响指标

注：Athena清单用于北美低层结构，因此本表中未考虑混凝土在高层结构中的泵送，以及进口海运等造成的影响。

高层混凝土框架核心筒-木盒混合结构体系

结构体系：

“主结构+子结构”体系
混凝土框架-核心筒为主结构，三层模块化木结构为子结构

优势

? 建筑

? 绿色 / 环保 / 健康

? 模块 / 多变 / 永续

? 结构

? 防火 / 抗风 / 抗震

? 减轻自重? 节省造价? 控制蠕变

? 施工

? 模块建造? 快速装配

全生命周期对环境的影响LCA

木盒子 ——整体性、装配性、模块化

? 轻型木结构房屋

? CLT房屋? 传统木结构房屋

蒙特利尔住宅67

主结构余子结构连接性能研究

? 子结构底部采用螺栓刚性连接（抗震路线）

? 保证子结构有效连接在主结构上，不发生过大滑移甚至脱落

? 子结构底部采用隔震支座连接（隔震路线）

? 使混合结构形成巨-子结构控制体系(TMD调频体系、层间隔震体系或底部隔震体系）

结构初步设计

平面尺寸：24m×24m
层高：2.9m （轻木子结构），9.4m （混凝土主结构）
总高度：30层，94m
轻木子结构平面尺寸：6.6m×6.6m

混凝土结构构件信息

轻木子结构构件信息

有限元分析

结构抗震分析

罕遇地震下非线性抗震性能

? 设计方案可行性及优势研究

? 多遇地震下抗震性能研究

? 木-混凝土单螺栓节点力学性能研究

? 混合结构弹性楼面反应谱研究

多遇地震下层间位移角对比

木-混凝土单螺栓连接节点试验

混合结构弹性楼面反应谱

OpenSees有限元模型

底部隔震模型

结构动力特性

? 混合结构平面规则性良好，周期比满足规范要求

? 底部隔震模型周期略大于底部刚接模型

? 整体性好，未出现局部振型

一阶振型（X向侧移）二阶振型（Y向侧移）三阶振型（扭转）

地震波选取

? 选取7条适用于Ⅳ类场地土的地震动曲线

? 5条天然波+2条人工波

? PGA调幅至310gal

计算结果分析

楼层侧移：混凝土主结构

? “弯剪型”侧移曲线

? 隔震连接对混凝土主结构有一定的减震作用

底部刚接模型

底部隔震模型

对比分析

计算结果分析

楼层侧移：轻木子结构

? “剪切型”侧移曲线

? 单个子结构中楼层位移自下而上逐渐增加

底部刚接模型

底部隔震模型

对比分析

计算结果分析

楼面加速度：混凝土主结构

? 底部刚接时，表现为放大效应，放大因子可达1.43

? 底部隔震时，可降低混凝土楼面加速度峰值，甚至使之小于地面峰值

底部刚接模型底部隔震模型

对比分析

计算结果分析

楼面加速度：轻木子结构

? 有效降低了轻木子结构楼面加速度峰值

对比分析

层间位移角：混凝土主结构

? 均可满足规范限值要求（2%）

? 隔震连接对混凝土主结构有一定的减震作用

底部刚接模型

底部隔震模型

对比分析

层间位移角：轻木子结构

? 均可满足规范限值要求（2%）

? 隔震连接对轻木子结构有显著的隔震作用

底部刚接模型

底部隔震模型

对比分析

层间剪力

? 隔震连接可使整体结构层间剪力分布更均匀

? 有效降低整体结构的基底剪力

底部刚接模型

底部隔震模型

对比分析

基于性能的地震易损性分析

易损性

?在特定的地震强度下，结构不能达到预定性能目标的概率

基于性能的地震易损性分析方法

? 对象：木混结构（两种连接）

? 标准：性能水平及量化指标

? 条件：地震记录选取及调幅

? 途径：增量动力分析

? 结果：地震易损性曲线

地震易损性分析

性能水平及量化指标的确定

性能水平

? 立即居住水平 (Immediate Occupancy, IO)小震

? 生命安全生平 (Life Safety, LS)中震

? 防止倒塌水平 (Collapse Prevention, CP)大震

量化指标

混凝土主结构、轻木子结构：采用层间位移角

隔震支座：采用支座位移

地震记录的确定

地震动记录的选择

? 适用于Ⅳ类场地土

? 12条近场地震动+12条远场地震动

地震动记录的调幅

? 强度参数：地震影响系数最大值

? 21个地震水准：0.05—2.10

?调幅方法：基于反应谱调整法

增量动力分析

? 底部刚接、底部隔震两种计算模型

? 进行了21个水准下1008个非线性动力时程分析

近场地震动调幅（αmax=0.34，对应PGA=0.15g）

地震易损性分析

近场、远场 地震敏感性分析

? 混凝土主结构： 对远场地震较为敏感

立即居住水平生命安全水平防止倒塌水平

? 轻木子结构：底部刚接时对远场地震较为敏感；底部隔震时对近、远场地震不敏感

立即居住水平生命安全水平防止倒塌水平

近场、远场地震敏感性分析

? 轻木子结构：底部刚接时对远场地震较为敏感；底部隔震时对近、远场地震不敏感

立即居住水平生命安全水平防止倒塌水平

连接影响分析

? 混凝土主结构：防止倒塌水平下，隔震连接有一定的减震作用

立即居住水平生命安全水平防止倒塌水平

? 轻木子结构：三个水平下，隔震连接均表现出良好的隔震作用