（木材科学与技术专业论文）新型木结构在“平改坡”中的应用研究.pdf

摘要 上个世纪7 0 到9 0 年代，由于当时的设计师对防水材料的认识还不全面及防水材料经 过几十年的使用，性能下降、施工队未能严格按照设计要求规范作业等原因导致部分顶楼 漏水；平屋面隔热保温效果欠理想，顶楼住户“冬冷夏热”成为普遍现象；管理上存在不 完善的地方，使得不少住宅楼的屋面上成了脏、乱、差的滋生地。人们的生活水平不断提 高，顶楼用户迫切地要求改变这种现状。近几年来，随着“平改坡”工程相继在全国大中 城市实施，“平改坡”方式由最初的加坡盖顶向加层改造、综合性改造发展；由原来的解 决防水隔热问题向提升建筑品质、改善周边环境及提高城市品位方向发展。在全国许多许 多城市都将“乎改坡”列为“民心工程”和“实事工程”进行推广。 当前，“平改坡”几乎都是钢筋混凝土或者薄壁型钢结构。这些结构自身重量大，容 易引起“沉降”现象；施工噪声大，影响居民的正常生活；现场的施工垃圾较多，影响城 市的生活环境而这些局限性正是新型木结构所没有的，同时新型木结构可是实现部分工 序工厂化生产，极大的缩短了施工周期 我国目前对新型木结构的研究尚处在起步阶段，在材料的应用技术、设计技术扣建造 技术方面还没有一定的经验，而在北美和欧洲，新型木结构的研究和使用非常成熟。本论 文通过对新型木结构屋顶系统的研究，引进在北美地区使用较为成熟的轻型木结构屋架系 统，旨在为我国“平改坡”工程开发和推广轻型木结构屋顶系统。 本论文主要包括：“平改坡”中主要建材的对比选用、轻型木结构屋顶的构造设计、 轻型木结构屋顶的力学设计，最后通过莱居住楼“平改坡”的实例验算，证明轻型木结构 屋顶系统在“平改坡”中应用的可行性 关键词：平改坡木结构轻型木屋架构造力学 a b s t r a c t f r o mt h e1 9 7 0 st ot h e1 9 9 0 s ，b e c a u s et h ed e s i g n e r sc o u l dn o tc l e a r l yr e c o g n i z et h e w a t e r p r o o f m a t e r i a l s ，t h ew a t e r p r o o f m a t e r i a l sd on o tf u n c t i o na f t e rb e i n gu s e da n d c o n s t r u c t i o n t e a md i d n o td ow e l la c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t s ，p a r t so f t o pb u i l d i n gf l o o r sc a n l e a k ；t h eh e a ti n s u i a t i o no ff i a tr o o fd o e sn o tw o r kw e l l ，i ti s ac o m m o np h e n o m e n o nt h a t d w e l l e r so ft o pf l o o rf e e lw a r m e ri ns u m m e ra n df e e lc o l d e ri nw i n t e r ；m a n yf l a tr o o f sa r eq u i t e d i r t ya n da w f u ld u et ob a da d m i n i s t r a t i o n w i t ht h el i f ec o n d i t i o n si m p r o v i n g ，m a n yd w e l l e r so f t h et o pr o o f sw a n tt oc h a n g et h i s i nt h e s ey e a r s ，p r o j e c to fc h a n g i n gf l a tr o o ft os l o p i n gr o o f t a k e se f f e c t ，t h i sp r o j e c td e v e l o p sf r o ms l o p i n gr o o ft oc o m p r e h e n s i v er e b u i l d i n ga n df r o m g e r i n gr i do f p r o b l e mo f w a r m t hp r o o f t oc h a n g i n gt h ec o n d i t i o n sa n di m p r o v i n gc i t yl e v e l s a tp r e s e n t ，t h es t e e lc o n c r e t es t r u c t u r ea n dl i g h ts t e e ls t r u c t u r ea l em a i n l yu s e di nt h e p r o j e c to fc h a n g i n gf l a tr o o ft os l o p i n gr o o f t h e s eh e a v ys t r u c t u r e sc a ne f f e c ti nt h e d o w n p h e n o m e n o no ft h eb a s e ；n o i s ed u r i n gt h ew o r ki sq u i t el a r g e ，e f f e c t i n gi n n o r m a ll i f eo f d w e l l e r s ；t h ew a s t ei sa l s ov e r ym u c h ，e f f e c t i n gi nc i t yc o n d i t i o n s b u tm o d e mw o o d c o n s t r u c t i o nd o e sn o th a v et h e s es h o r t c o m i n g s ；t h ew o r kc y c l ei ss h o r t e rb e c a u s ep a r t so f m e m b e r so f m o d e mw o o dc o n s t r u c t i o nc a nb ed o n ei nf a c t o r i e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nm o d e mw o o dc o n s l m c t i o n sj u s tb e g i n s ，b u tm o d e mw o o d c o n s t r u c t i o nh a sb e i n gu s e df o rd e c a d e so fy e a r si nn o r t ha m e r i c a t h i sp a p e rf o c u so n r e s e a r c ho nt h er o o fs y s t e mo fm o d e mw o o dc o n s t r u c t i o n s ，i n t r o d u c i n gt h em a t u r er o o fs y s t e m o fl i g h tw o o dc o n s t r u c t i o n ，a i m i n gt op o p u l a r i z et h er o o fs y s t e mo fl i g h tw o o dc o n s t r u c t i o ni n t h ep r o j e c to f c h a n g i n gf l a tr o o f t os l o p i n gr o o f t h i sp a p e ri n c l u d e s ：t h ec o n t r a s ta n du s ea b o u tm a i nm a t e r i a l s ，t h es t r u c t u r ed e s i g n i n ga n d t h em e c h a n i c a ld e s i g n i n ga b o u tt h er o o f o f l i g h tw o o dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：p r o j e c to fc h a n g i n gf l a tr o o ft os l o p i n gr o o f ；w o o dc o n s t r u c t i o n s ；t r u s so fl i g h t w o o dc o n s t r u c t i o n ；s t r u c t u r e ；m e c h a n i c s 致谢 7 4 9 4 1 5 本论文是在孙友富教授悉心指导下完成的。三年来，导师为我的学习和 成长付出了大量的心血，使我得以顺利完成学业。感激孙老师在我攻读硕士 研究生三年的求学期间，一直教导着我，使我从一个尽管对科学充满兴趣却 又茫然无知的学生一步步成长为一个科学研究者。导师渊博的知识、敏锐的 思维及洞察力、正派的作风和一丝不苟的严谨治学态度乃至宽以待人的长者 风范，让学生受益非浅，终身难忘。 感谢南京林业大学土木工程学院刘利清老师，在我完成论文的过程中，给 了很多帮助。感谢三年来与我共生活的室友们在生活上的帮助，与他们的友 谊是我人生中一段美好的回忆。 衷心感谢我的太太白玉兰在三年里给我的关怀和支持，特别感谢我的父 母，感谢他们赋予我生命、思想的翅膀，让我有足够的力量和信心来完成论 文，如果没有他们的关怀、理解和生活上的支持，我的学业将无法完成。 最后，谨向我的导师、家人及所有帮助过我的各位老师、同学和朋友表 示最诚挚的感谢! 作者：万华 二o o 五年六月 1 新型木结构在“平改坡”中运用综述 i , i 木结构在中国的发展简史 1 1 i 木结构在中国的发展 中国建筑、印度建筑和阿拉伯建筑系统同属东方建筑体系。中国建筑是三大东方建筑 体系中最显著的独立系统。我们的祖先从穴居、巢居开始，逐步掌握了房屋营造技术，并 利用了石材、木材等天然材料，创造了原始的木质建筑。这种原始木质建筑结构，奠定了 我国古代建筑在结构体系上的基本特征。早在三千多年前，我国就基本上形成了用榫卯连 接梁柱的框架结构体系，到唐代趋于成熟，许多古木结构己历经百年甚至千年而不毁。我 国木结构建筑的布局、结构、以及装饰等方面具有鲜明的特征【l 】。许多宫殿、寺庙和民居 都采用木材制作梁、架、檩、柱、斗拱、雀替等构件，并用榫卯结合。其灵活的风格、合 理的布局、适宜的建筑体量以及精巧的装修在世界享有盛誉，成为五个最古老的建筑体系 之一。 我国古代建筑以木结构为主，它源于自然、利用自然、高于自然。它灵活的风格、合 理的布局、适宜的建筑体量和精巧的装修达到了高度的艺术成就。然而，到1 8 世纪后期， 随着西方科学技术的传入，这种费料而跨度有限的古术建筑体系逐渐被砖墙支承木桁架的 砖木结构体系所取代。我国解放初期建设速度较快，其中砖木结构占相当大比例。上个世 纪中后期，由于我国林业资源的匮乏和木材的短缺，政府对木材在建筑上的应用制定了 严格的限制措施，提倡以钢代木，以塑代木。因此，木结构房屋被排除在主流建筑之外。 到了上世纪9 0 年代，我国全面启动和实旌“天保工程”工程，至此停止使用木结构。大 专院校停开木结构相关课程，原来从事木结构的教学和科研人员大多改行。木结构在中国 百姓的生活中逐渐消失。 i i 2 中国木建筑屋顶的演变 中华木结构建筑最美丽的地方是屋顶，而屋顶美主要体现在自然的柔和的空间几何曲 线上。古人用“兴折”和“举架”、“收山”和“推山”的方法，而使屋面呈凹陷的空间曲 面，为解决雨水和光线的问题，飞檐和屋角起翘的做法，也更增加屋顶壮观美丽。然而，到 1 8 世纪后期，砖混本结构出现后，产生了方木屋架和原木屋架，后来又出现了钢木组合 屋架。 ( 1 ) 古术构建筑梁架结构 大屋顶是中国古代建筑外观最显著的部分。屋架体系主要依靠横向大梁承重，横向大 梁为一榀由简支梁层叠相抬的平面复合梁架，以柱头铺作为支座，一层上再抬一层，层层 缩进举高，构成整体呈三角形的举架。各层简支梁在距梁头一椽投影长度位置设蜀柱，蜀 柱头上安放沿纵向布置的檩( 桁) ，檩上密排横向布排的椽，椽上铺望板，板上覆以瓦茸。 也可在椽上铺一层用藤条编织的“芭”，芭上抹草泥，上面铺瓦【2 j 。 这种屋盖体积大、构件多、重量最大，是房屋结构的主要荷重。我国古代屋架采用横 向大梁承重，纵向采用檩条，檩条上再横向排布橡，结构传力清晰，构件功能简单而明确。 明清时期对梁架系又有改进，明清梁架仍保留大多为简支梁层层叠置，大式小式基本 相同。整体看来，只要这个时期的梁架各构件联结可靠，梁架在一般的地震作用下不会散 架，在考虑地震作用时，整个屋盖可视作整体空间刚度很大的一个低矮刚块。但是，它最 危险的破坏方式将是从支座上整体滑落，称为“落架”，是主要应防止的。 ( 2 ) 普通木结构屋架 砖混木结构出现后，产生了方木屋架和原木屋架。这种屋架的上弦和受压腹杆可用方 木、原木或板材制作。方木屋架和原木屋架对屋架的下弦木质用材要求较高，尤其在使用 高含水率木材时，木材干缩使木下弦开裂和联结松弛变形会对屋架造成不良影响，后来出 现了钢木组合屋架。这种屋架充分利用了木材受压性能好和钢材受拉性能好的优点，所以 得到了广泛的应用。但这些屋架具有结构笨重、尺寸精度不高、不利于现代工业化生产等 缺陷。 1 2 国外木结构发展现状与木结构建筑类型 1 2 1 国外木结构发展现状 木结构住宅在美国、加拿大、芬兰和 日本非常普及，应用面很广1 3 】。右图l l 为美国常见的两层木结构建筑。这些国家 的建筑材料以木材为主，尽管人们的经济 能力可以选择任何建筑材料住宅和模式， 但大多数人仍选择木结构住宅。这些国家 的木结构住宅均具有非常独特的风格，其 建筑外形、木框结构形式、户形及房间开 间等均可根据用户的意愿，采用“菜单式” 工业化的电脑设计、工厂制作、现场拼装 施工。主要是采用天然木材原材料，通过 先进加工工艺科学处理，并按建筑规范与 建设法规，通过设计、制造、检测、施工 安装、竣工验收及售后服务整个全过程给消费者提供全面的服务。融汇现代高科技的加工 工艺和措施，展示了“健康住宅”的真实概念，充分考虑了居住者的健康、环保、能源效 益，由于建筑材料均在工厂制作完成，建造拼装( 包括室内外装饰装修) 一套2 0 0 平方米 的木制别墅，现场施工时间仅仅两个月，其施工现场的扬尘、噪声污染均大大低于砖混结 构建筑工地。 在北美、欧洲等发达国家和地区，木结构从取材、设计、加工到安装均实现了规范化、 制度化和信息化管理。在加拿大，实行森林认证制度，使木材的砍伐速度低于种植速度， 因此拥有丰富的、高品质森林资源，保持着森林资源的再生，使森林得到可持续经营：美 国关于木结构的技术资料如规范、手册等分门别类，非常详细，为工程师提供了极大的便 利。 其中屋面屋架必须由专业的屋面屋架注册工程师设计，一般采用计算机辅助设计。利 用设计软件可精确确定屋面桁架各杆件的尺寸、各节点齿板的大小、规格及受力状态，并 完成三维视图及施工图。专业的制造商根据设计图纸加工。然后由专业的安装企业负责安 装。 1 2 2 国外木结构建筑类型 ( 1 ) 大木结构 大木结构最初多用于多层建筑，如仓储、商场、公共场所等。发展到当前，它的用途 延伸到许多领域，如学校、教堂、体育馆、超市等。许多大木结构为单层建筑且面积较大， 但也有一些为多层。大木结构是最古老的结构形式之一。许多大木结构房屋已经使用了一 百多年，而且至今仍使用良好【4 j 。 大木结构的抗火性能优秀，同时它外露的构件给人带来的强烈的美学享受。在美国木 结构规范中有规定，提倡在公共场所的建筑中使用大木结构的梁。 ( 2 ) 柱框架结构 柱框架结构的主框架由柱和与柱连接的 木屋架或木檩条所组成，次框架为椽子和墙 梁，用以承受外层覆面板和把水平力和竖向力 传递到主框架，图1 2 为柱框架结构图。该 结构设计概念相对其它结构简单、应用灵活、 造价经济、建造容易，并且能够承受较大的风 力和地震荷载吼 柱框架结构是从梁柱结构的概念发展而 来。在马术馆、乡村建筑等场所得到广泛应用。 同时，在商业建筑中也有应用。如办公场所、 教堂等。 圈l 2 柱框架结构图 ( 3 ) 轻型木框架结构 在北美、欧洲等发达国家，轻型木框架结 构是居住建筑常用的结构形式，同时也可用于 商业及公用建筑等大型建筑【6 】。近几年来，国 外很多企业在中国发达地区开发这种木建筑。 右图1 - 3 为南京正在施工中的轻型木框架结 构建筑。 重复使用小型构件和紧固件是轻型木结 构的一个显著特点。正是通过这种重复，使轻 型木结构比一般结构的超静定次数多得多，即 图1 3 南京正在施工中的轻型_ 术框架建筑 形成了一种设计冗余，在主要荷载传递路径失 效时尚有其它路径可供使用，不致使结构突然失效。 这种结构有很多优势：可标准化设计，模块化组建，旅工简便，全部为干式作业，不 需要挖地基且有极好的耐侯性和抗风性，寿命在5 0 年以上。它能营造出室内好的氛围， 保温、隔热、隔音、防渗透且造型优美，特别有利于创造出冬暖夏凉的室内小环境。其外 形简洁，色调淡雅，充满现代化的气息。 1 3 我国木结构研究现状 我们的祖先从穴居、巢居开始，逐步掌握了房屋营造技术，并利用了石材、木材等 天然材料，创造了原始的木质建筑。这种原始木质建筑结构，奠定了我国古代建筑在结 构体系上的基本特征。木结构房屋是中华传统建筑的精华。许多宫殿、寺庙和民居都采 用木材制作梁、架、檩、柱、斗拱等构件，并用榫卯结合。其灵活的设计风格、合理的 布局、适宜的建筑体量以及精巧的装修在全世界享有盛誉，成为五个最古老的建筑体系 之一。 但随着我国林木自然资源减少，八十年代以来国家有关部门为保护我国的森林资源， 一直提倡木材的节约代用，特别是在建筑领域，木材更多地被钢材、铝合金、塑钢和塑料 代替：木结构被砖混、混凝土和钢结构代替，木结构房屋被排除到主流建筑之外。木结构 似乎已从我们的记忆中消失。造成了我国木结构技术发展滞后，相关的木结构研究人才缺 乏，目前我国较全面掌握木结构的科技人员很少，而且年龄偏大。 当前，我国木结构的研究更多的是围绕古木建筑的加固和维修，对具有高技术含量的 新型木结构研究还不是很深入。但是随着当今环保意识日趋成熟，我国经济建设和居民生 活水平的提高，国外( 如美国、加拿大) 的许多木结构开发商联合他们本国的高等院校积 极地开发中国市场，我们对现代木结构逐渐有了新的认识，对木结构的需求也呈上升趋势。 木结构房屋的发展越来越受到重视【7 】。木结构在我国的研究现状主要体现在以下方面： ( 1 ) 木质结构用材研究、开发取得突破。现代木结构房屋原材料是包括木材和以木 材( 或其废料) 为主要原料，经过机械加工和物理化学处理而得到的具有木材基本特性及 工程特性，并由工业化制造的材料。主要包括两大类：结构用柱材和结构用板材。结构用 柱材包括：锯材、集成材、单板层积材、顺纹板条胶合木。结构用板材包括：刨花板、中 密度纤维板、结构用胶合板、竹材胶合板、水泥刨花板、塑合板、其它木质复合材料。人 工速生林的使用成为高等院校研究的重大课题，结构用柱材和结构用板材的研究取得了突 破，部分产品实现了工业化生产，为新型木结构的发展提供了材料来源。 ( 2 ) 许多研究机构、高等院校开始注重木结构的研究。如同济大学、东南大学等积 极与美国和加拿大的木结构研究机构进行合作、交流，以专题研讨会的形式宣传、推广新 型木结构，取得了一些成果。然而，这些研究力量分散，研究成果相对独立，难以相互对 照、支持。形成这种局面的原因主要在于木结构很长一段时间以来在中国销声匿迹，各高 等院校、科研机构相互之间交流少、合作少、学科渗透少。林业院校长期以来只研究木质 材料，而高等院校的土木学院只研究结构，它们未能把材料、结构两种学科进行整合。大 学课程中专门研究木结构的几乎没有，加之研究木结构的老师非常少，书店几乎没有较新 的木结构著作，给学生学习木结构知识带来了很大的困难，国内为数很少的几位木结构方 面的老专家、老学者强烈呼吁加紧培养木结构人才，把自己的知识传授给后辈学者。 ( 3 ) 2 0 0 3 年关于木结构的新规范相继颁布施行。木结构的新规范有：木结构设计 规范、木结构工程施工质量验收规范、木结构实验方法标准。这些规范和标准的出 台反映了我国对现代木结构的发展高度重视，为我国木结构今后的发展提供了设计依据。 其中木结构设计规范( g b5 0 0 0 5 2 0 0 3 ) 是在木结构设计规范( g b j5 - 8 8 ) 的基础上， 经过广泛的调查研究、专题讨论、总结吸收国外木结构的实践经验和先进技术修订而成。 4 1 4 新型木结构的优势 作为一种综合性能优良的建筑材料，木材在建材的可持续发展领域中具有无法替代的 优势。木材是一种自然的、较安全、节能、环保、经济的建筑材料。除了可再生以外，木 材还是可以循环利用的，越是自然未经过处理的木材，其可循环利用能力就越强。用木材作 成的木结构具有几方面的优势【8 】： ( 1 ) 结构安全可靠 木结构建筑具有很好的安全可靠性。木材是一种轻质高强的建筑材料，它的强重比较 高。例如，松木的强重比要高于低碳钢和普通混凝土。木材还具有较好的弹性和韧性，能很 好地吸收振动和冲击能，对瞬间冲击和周期性疲劳破坏抵抗力较强，即使有地震发生，木结 构建筑在一定程度上仍能很好地保持结构的稳定和完整。 ( 2 ) 技术优势明显 木结构建筑一般采用轻型结构辅以少量其他材料，通常用典型的木构造做法。中国古 建筑一直是以木结构为主，几千年来已经形成了定型的、近乎装配化和规范化的木结构建 筑体系，其在材料选用、结构发展、施工技术、平面处理、艺术造型和细部装修等方面在 世界建筑中别具一格，是世界上最完美、最节约的建筑结构体系。中国古代木结构建筑主 要分为叠梁式和穿斗式。当代木结构建筑以技术先进性为特征，同时仍在延续使用传统方 法但另创新意，很多技术已经发展相当成熟。例如：骨架结构、平板结构、层叠结构、框架 结构以及木材、混凝土共同构成的混合结构等。每种结构都具有共同的和独特的优点，骨 架结构、房间布置有最大的自由度，平板结构预制化程度高，框架结构还能满足多种室内设 计要求。当然，由于木材的些缺陷，在木结构建筑建造过程中还要注意木材的防水、防潮、 防虫、防火等技术处理，这些问题经过采用合理措施，是能够很好得到解决的。 ( 3 ) 环境效益好 在建筑材料中，木材在生产使用过程中给环境所带来的负荷是最小的。建筑物的一般 使用年限平均在5 0 年左右，那些已到使用年限、不再满足安全使用要求的建筑物都将被拆 除。而对这些被拆除的建筑物材料的处理，一直是困扰城市生态环境的一大问题。下表1 1 通过几种主要建材的生命周期对环境影响的比较，我们可以看出木材具有低污染、可 循环利用、环境友善等特性，对于木结构建筑，这些特点使其在旧材处理的问题上具有其他 建筑材料所无法比拟的优势【9 】。 表l 一1 几种建筑材料的生命周期对环境影响的比较表 ( 4 ) 结构能耗低 木结构建筑比较节能。在所有的建筑材料中，木材及其制品的获取，包括生产、加工、 运输、供应，它所需要的能量最小。另外，木材对热、声、电的传导性都较低。木结构具有 良好的隔音性和保温隔热性能。有研究表明：若达到同样的保温效果，木材需要的厚度是混 凝土的1 1 1 5 ，是钢材的1 1 4 0 0 。在使用同样的保温材料时，木结构比钢结构的保温性能好 1 5 7 0 。这意味着不仅建筑能耗的大大降低，也可节约材料，而且居住环境质量将得到 提高。 1 s “平改坡”工程 “平改坡”是指在建筑结构所许可条件下，地基承载力达到要求的情况下，将多层住 宅平顶屋面改建成坡屋顶，并对外立面进行整修，达到改善住宅性能和建筑物外观视觉效 果的房屋修缮行为。坡屋顶不仅防水效果好，而且由于架起了空间，等于给顶层房子加了 空气隔热层，冬天顶层的室内温度可比改造前提高3 4 ，夏天可以降低4 5 。平改 坡方式由最初的加坡盖顶向加层改造、综合性改造发展：由原来的解决防水隔热问题向提 升建筑品质、改善周边环境及提高城市品位方向发展。在不影响相邻建筑日照、符合规划 和建筑结构技术要求等条件下，可结合屋顶改建，适当加层，以增加居民的使用空间i l 。 上个世纪7 0 到9 0 年代，由于当时的 设计师对防水材料的认识还不全面、防 水材料经过几十年的使用性能下降、施 工队未能严格按照设计要求规范作业等 原因导致顶楼漏水成为普遍现象i l ”。“平 改坡”最早在上海试点并大规模推广。 右图为“平改坡”改造后的俯视图。平 改坡最早的目的是解决多层平屋顶房屋 普遍存在的防水、隔热问题，同时解决 平屋顶房屋的“第五立面”污染问题。 实行平改坡以来，取得了良好的社会效 益和经济效益。平改坡不仅节约了平屋 顶的修缮资金，而且带动了行业发展， 图l 叫“平改坡”改造后的俯视图 解决了很多就业问题，城市形成了新的 景观资源。目前，全国各地如北京、天津、沈阳、武汉、广州、长沙、南京、济南、海口、 青岛、宁波等许多城市都将“平改坡”列为“民心工程”和“实事工程”进行推广。 1 5 1 钢筋混凝土斜屋顶的弊病 “平改坡”工程的斜屋顶几乎是清一色的混凝土结构。对于屋顶内空间不利用的斜屋 顶，为了增强顶层的整体刚度而采用钢筋混凝土屋顶。那么，屋顶内空间利用的屋顶层， 实际上就是在已完全满足刚度要求的混凝土平屋顶上再加刚性的斜屋顶，这双重的刚性结 构措施，不仅造成了浪费，还存在很多的弊病。 ( 1 ) 自重大 由于需要抵御温差和不均匀沉降引起的内应力，屋面板的厚度和配筋率都要比普通楼 板大，再加上在屋面板上涂刷的防水涂料，铺设的沙浆找平层、保温层、挂瓦，其合计自 重比普通钢筋混凝土楼板大将近一倍。白重大的屋顶使建筑的重心上移，显然对抗震不利。 ( 2 ) 容易产生裂缝而渗漏 屋面雨水量最集中的檐口部位，为了避免设置施工缝，常常是屋面和屋顶层楼板的混 6 凝土采取连续整体浇捣成型的方式，这种刚性形式但刚度不足的节点恰恰又是位于温差和 不均匀沉降而产生裂缝的最敏感的部位，是最容易出现施工质量问题的薄弱节点，也是最 容易渗漏的部位。 ( 3 ) 施工周期长 因无法套用下层楼板周转回用的支撑和模板，加上模板不符模数规格而须现场锯割等 的因素，施工周期往往要比下层楼板多一倍以上。如果加上保湿养护和防水层施工之前的 干燥期，占用施工关键路径的时间就更长了。 1 5 2 钢结构斜屋顶 1 5 2 1 木结构及钢结构两种建筑体系对环境的影响比较【1 2 i ( 1 ) 能量消耗比较 对制造，运输及安装过程中的能量损耗进行比较后，结果显示木结构在几种结构中能 量损耗最低。钢结构是木结构的2 4 倍。 ( 2 ) 温室效应比较 结果显示，木结构建筑的温室效应最低。钢结构是木结构的1 8 1 倍。 ( 3 ) 空气污染指数比较 结果显示，木结构污染指数最低。钢结构是木结构的1 4 2 倍 ( 4 ) 水污染指数比较 研究结果显示，钢结构的污染指数是木结构的1 2 0 倍。 ( 5 ) 固体废料比较 研究结果表明：木结构再生产及建造过程中产生的固体废料最少。钢结构的废料是木 结构的1 3 6 倍。 ( 6 ) 生态资源的使用 经a t h e n a 综合评估，木结构攫取的资源最少，钢结构是木结构的1 1 6 倍。 建筑体系对环境的影响的结论：木结构对环境的不利影响最小 1 5 2 2 薄壁型钢结构斜屋顶的弊病 薄壁型钢结构体系是指用各种薄壁型钢构建的结构体系，在国外多用于1 到2 层的低 层住宅房屋，也有用于6 层以下的集合住宅中。事实上这种轻钢结构在北美是从轻型木结 构演变而来的，只是把木结构中的木龙骨以冷压薄壁型钢替代。 通常称之为轻钢结构，特点是自重轻，均质材料质量稳定可靠，结构计算理论成熟。 我国的建筑钢材资源自给有余，成型加工技术并不复杂。但轻钢结构成本相对较高，往 往还需耗费大量的木材作为结构与装饰层、防水层结合固定的过渡材料。以强度控制的 轻钢结构设计截面往往偏小，稳定性不足，需要另加支撑系统来维持整体稳定。钢构件 的防锈是决定轻钢结构使用耐久性的关键技术，我们现在的国内水平还相当落后。施工 过程中，噪声比较大，影响居民的正常生活，另外它的耐火性能也很差，甚至不及承重 的实心木构件。 1 6 新型木结构运用于“平改坡”设计的意义： ( 1 ) “平改坡”工程中能够大量使用人工林木材，木材需求量的增加和丰厚的利润则 将促使人工林的经营者和个体林农积极种树，以至形成一个可持续发展的良性循环。另一 7 方面，也可以带动化工、机械等相关行业的发展，形成一个新的经济增长点。美国、新西 兰成功利用人工林就是很好的例证。片面限制木材的使用，没有经济利益的驱使，单靠国 家的投入，难以持续发展人工林。 ( 2 ) “平改坡”工程，将会使利用人工林木材( 杨树、马尾松、落叶松等) 的用量大大 增加，可以解决我国小径材、劣质材的出路，从而促进我国林产工业的发展。如美国，人 造板用于建筑的比例为4 0 6 0 ，加拿大为4 0 4 5 ，日本为3 0 5 0 ，我国木质 人造板在建筑上的应用比例则很低，仅为2 6 ，其中大部分用于装修材料。因此，“平改 坡”中新型木结构的运用和发展必将促进我国林业产业的发展。 ( 3 ) “平改坡”屋顶几乎全部是轻钢结构或钢筋混凝土结构，这些结构存在结构笨重、 施工周期长、旌工噪音大等缺点；轻型木结构具有自重轻、快速施工、施工垃圾少、噪音 小、许多工序在后场加工等优势，这是其它结构所无法达到的。运用新材料、新工艺、新 的结构形式，建立一个轻型木结构屋顶系统体系是本论文的重点。新型木结构运用到“平 改坡”中，可以丰富我国建筑结构的形式，增加建筑结构的多样性。 ( 4 ) 在当前，木结构的相关研究成为我国的研究热点，通过本课题，着重通过对木 结构屋顶系统的研究，引进在北美地区使用较为成熟的轻型木屋架系统，为我国木结构中 屋顶系统更为深入的研究，作一些开创性的初步研究。 8 2 “平改坡”工程 2 1 “平改坡”的相关论述 2 1 1 屋面。平改坡”的效益 建于上个世纪8 0 年代以后的商品住宅房，普遍存在顶楼“冬冷夏热”、屋面渗透、屋 面脏乱等现象，给居民的生活带来很多麻烦，同时影响城市的景观，与城市的现代化发 展不相适应，主要存在以下几方面的问题。 ( 1 ) 屋面隔热保温效果欠理想，使顶层住房“冬冷夏热” 据有关部门实验，平屋面的顶层室内温度在冬季比其它楼层的室内温度要低3 c 4 ，而在夏季则要高4 c 5 c ，“冬冷夏热”现象十分明显。即使是采用目前国内最先 进的隔热保温材料，这个问题还是不可避免的。 ( 2 ) 屋面渗漏的建筑通病，防水材料的有限使用寿命给顶层住户们留下了后顾之忧 由于现场施工、管理水平的高低不一，屋面渗漏的建筑通病至今仍然未能根除，这也 成了住户们投诉的热点之一。在国家规定的三年保修期内，住户们还可以找售房单位维 修，而超过保修期后就须住户自行解决。即使在短期内没有问题，但谁也不敢向住户们 保证屋面永久不渗漏。因为防水材料的使用寿命远远小于住房本身的使用寿命，后顾之 忧也就必然存在。 ( 3 ) 管理的欠缺，使不少住宅楼的屋面上成了脏、乱、差的滋生地 几乎在每个城市未实行有效物业管理的老住宅小区中都可以看到这样的情景：有的住 户在屋面上搭起了鸽棚，有的住户在楼顶上建起了披屋，砌起了花房，至于杂乱无章 地安装着的太阳能热水器那更是到处可见。尤其是沿街住宅楼屋面上的上述脏、乱、差 状况，更是直接影响了城市的市容市貌。 为了使上述问题能得到妥善解决，上海、南京等地已开始逐步对平屋面住宅楼进行综 合整治和实施“平改坡”改造。这些城市已经取得的成绩和近几年来越来越热销的带阁 楼的坡屋面住宅房告诉我们：如果将老式平屋面统一改造为带有部分小阁楼的坡屋面，不 但会受到顶层住户们的欢迎，而且可取得较好的经济效益、社会效益和环境效益。平屋面 上是一块大有开发利用潜力的“热土”。 ( 1 ) 改造为坡屋面后，可从根本上解决平屋面住房屋面渗漏的建筑通病，大大减少顶 层住户们的日后维修费用和解除他们的后顾之忧 平屋面住房如屋面出现渗漏，维修一般都是很麻烦，有的要修好几次以后才能修好渗 漏的根源。就是暂时修好了，因为维修材料的使用寿命有限，也不能保证以后就长久不漏。 此外，由于维修的专业性较强，技术要求也不低，屋面渗漏后住户自己一般无法根除，需要 请专业维修单位才能处理。修理一次的费用，少需数百，多则上千。而改造为坡屋面后渗 漏现象将可大为减少。就是出现渗漏，只要问题不大，住户自己一般也可以维修，每次也许 花费数十元即可。 ( 2 ) 改造为坡屋面后，可使顶层住宅的室内温度得到改变，屋面的隔热保温效果显著 提高，扭转“冬冷夏热”的现状 坡屋面建成后，原有的顶层即变为“非顶层”，由于夏季避免了阳光的“直接”照晒， 9 冬季避免了冰雪的“直接”覆盖，加之通风采光条件较好，和改造前相比，它将由过去的“冬 冷夏热”变为“冬暖夏凉”，隔热保温效果也就无需多言。 ( 3 ) 改造为坡屋面后，可增大顶层住户的储藏空间，使居住条件得到改善 一般而言，住在顶层的居民，家庭经济收入大多不十分宽裕，通过再去买新房来改善自 己住房的能力也很有限。而将平屋面改造为带有部分小阁楼的坡屋面，由于小阁楼的投资 只需购买同等面积住房的5 0 左右，不但一般市民都能承受，而且是顶层住户们改善住房 条件的一项有效办法。 ( 4 ) 改造为坡屋面后，可以在屋顶养花种草，使居住环境得到美化，空气质量得到提 高 绝大多数市民都有养花种草的习惯，但苦于阳台面积限制，花草数量十分有限。在平改 坡时，可以留出一定的空间建花房，搭花架，搞平面和垂直绿化，形成一定规模的屋顶花 园。绿化增加了，空气质量也必然随之提高。 ( 5 ) 改造为坡屋面后，可彻底改变原平屋面上的脏、乱、差状况，使沿街住宅楼的街 景得到完善，城市的空中景观得到改观 ( 6 ) 将平屋顶改造为坡屋面，可节省宝贵的土地资源，使现有土地的利用率得到提高 由于改造工程是在屋面上进行，在不新占用一寸土地的情况下却为居民增加了一定的 数量的居住活动面积，这与新占用土地建造同样面积、功能的房屋相比，土地无疑得到了 节约，现有土地的利用率得到了提高。如果全国的平屋面住宅楼都这样改造，所节省的土 地数量累计起来将十分惊人。 此外，此项改造工程如果由小区物业管理部门负责组织实施，还可为小区的管理创造 一定的管理经费，为今后小区物业管理走向良性循环打下一定的物质基础。 2 1 2 平改坡与变频供水 为改善居民居住环境，美化市容，上海市四年前开始实施住宅“平改坡”工程。相应 地，其小区泵房及供水系统也进行了改造，给水系统中取消了易污染的屋顶水箱，泵房 内换上了变频泵，水质得到了有效的保护，深受居民的欢迎。但改换变频泵以后，也带 来了电费增加的问题。上海普陀区某住宅小区，泵房经改造采用变频泵，结果电费成倍 上升，物业管理部门叫苦不迭【”j 。 2 1 2 1 电费增加原因分析 ( 1 ) 不能充分利用城市给水管网的水压 在各种住宅给水方式中，水箱的给水方式是最普遍最常见的。该给水方式具有供水安 全、可靠、造价低的优点。但其缺点也很明显，设置水箱影响建筑外观，增加结构荷载， 还有可能因对水箱的管理不善，造成水质二次污染。上海现行的住宅设计标准中已明确 规定：多层住宅宜采用变频恒压供水方式。 进行平改坡的原多层住宅，多是设水箱和水泵的给水方式。该方式能充分利用城市管 网的水压，水箱可利用城市管网用水低峰( 如夜间) 时储水。作为满足白天用水高峰时 部分上层用户的用水，水泵开启的次数较少，电耗就少。“平改坡”后若取消水箱，改用 变频泵供水，那么，原来能利用城市管网压力进到水箱里的那部分储存水，就必须经水 泵提升。这样，电费就自然增加，特别是对地处城市管网末梢的小区用户，其电费的增 1 0 加量很大。 ( 2 ) 变频泵选型不当 “平改坡”初期，许多给水泵房改造后，选用的是两台大流量泵轮换运行，且不设稳 压气压罐，这样变频泵启动频繁，经常出现“大马拉小车”的工况，泵功率浪费严重， 电耗就太。 ( 3 ) 原供水系统无竖向分区 为施工方便，“平改坡”后的室内管路系统大都保持不变，但原有个别多层住宅给水 是不分区的，底层到顶层全部通过水箱供水。水箱中的水多是在夜间用水低峰时由室外 管网直接进入，以备白天用水高峰时使用。只有用水高峰时水箱中的水不足时，才启动 水泵补水。在这种情况下，室内管路系统若不进行分区改造，那么，改用变频泵供水后， 室内用水必须全部经水泵提升，电耗将大幅度增加。 2 1 2 2 变频泵节能措施 ( 1 ) 合理利用原有设施并加强管理 “平改坡”是否取消屋顶水箱，改用变频泵供水，要根据小区的具体情况而定，特别 是对地处城市管网末梢，利用夜问进水的水箱小区用户，其电费的增加量很大。并且， 原水箱取消后使整个供水系统的储水量减小，调节能力减弱。这样，有可能因城市管网 术梢水压较小，补给水量不足，造成用水高峰时水池中的水被抽空，影响供水的可靠性， 在实际工程中已经出现这方面的案例。解决的办法是对原水池进行改造扩容，增加水池 储水量，如果实际工程受条件限制，不能进行水池扩容改造，则不可改用变频泵供水。 可将水箱隐藏在坡屋面内继续使用，这样还可以节约改造成本，只是屋面结构上要注意 留有清洗水箱的美观入口，以方便水箱的管理。另外，小区住户小于3 0 0 户时，从经济 性考虑，也不宣采用变频泵供水【l ”。 水箱的取消只是少了一个污染途径，水池同样也存在污染问题。可以通过加强管理， 严格执行水箱、泵房管理标准，按时清洁水箱水池。并对直接涉及生活饮用水质量的部 位，如水池内壁、进出水口、溢流i ：1 、人孔等进行经常性的维护，杜绝人为因素造成的 污染；设计水池时力求内部结构合理，消除水的滞留死角，采用无污染内壁材料等。这 样，只要在水池设计和管理方面把好关，由水池引起的水质二次污染也是可以避免的。 ( 2 ) 合理选型，充分发挥交频泵的节能作用 给水工程中所用的水泵绝大多数是离心泵，根据比例定律知：同一台泵的工作参数有 以下关系： 9 i q f m 仇 i 吼= ( 尼i n 妒 n l 他= ( n i 曲3 式中0 一流量耐l i t , 一扬程m ； f v 一功率k w l 月一转速“t 1 0 由此可看出泵的流量、扬程、功率分别与转速的一次方、二次方、三次方成正比。变 1 1 频泵的节能原理是：根据流量的变化，调节泵的转速，改变水泵工况点，扩大水泵高效 区的范围，减少泵扬程的浪费，从而减小电耗。水泵转速的调节，有多种方式，住宅建 筑给水系统中的水泵常用变频调速，恒压变量供水。通常做法是在水泵出口附近安装压 力传感器，控制水泵按设计给定的压力工作。当用水量较小时，由小流量泵( 或小气压 罐) 供水，当小流量泵供水量不能满足用水量时，变频调速泵投入运行，小流量泵停止 工作。当用水量继续增加，一台变频泵不能满足要求时，自动启动另一台变频泵联合工 作【1 5 l 。 变频泵的节能与其选型、控制都有关系，实践表明采用变频供水系统，若使用不当， 非但达不到节能的效果，反而增加能耗。因为小区生活用水通常是不均匀的，泵变频的 范围要求相对较宽，而水泵变频的范围不是随意可调的，必须使泵处在高效区工作，泵 脱离高效工作区，就失去了使用变频节能的意义。在实际工程中，许多小区初期泵房改 造时，选用的多是一台大流量变频泵工作，且无设置小流量泵( 或小气压罐) 。泵必须满 足给水系统所需最大流量虬，和最高扬程h 。即最不利工况所对应的流量和扬程。实际 上，泵的工况是经常变化的，对住宅小区来讲，小区生活用水通常是极不均匀的，夏天 是每年的用水高峰，冬天是每年的用水低峰，而每天的早晨及下班后是每日的用水高峰， 夜晚是每日的用水低峰，变化系数较大。实际运行当中，水泵处在最不利工况点的情况 很少，特别是在夜间，泵经常小流量运行，容易超出其高效范围，泵效率低，处在“大 马拉小车”的工况，且启动频繁，有时控制不合适甚至还会出现空转现象，导致功率白 白浪费。 为此，应仔细进行泵的选型计算，避免泵选型过大，造成浪费。当小区规模较大，用 水量大时( n 4 5 k w ) ，住宅变频供水系统宜采用多台泵并联的工作方式供水。多台泵并联 运行时，