輕型木結構

根據中華人民共和國《木結構設計規範2005版》中9.1.1條規定，輕型木結構是指主要由木構架牆，木樓蓋和木屋蓋系統構成的結構體系，適用於三層及三層以下的民用建築。

基本介紹

• 中文名：輕型木結構建築
• 外文名：Light wood Frame construction
• 主要套用國家：加拿大；美國

定義

輕型木結構是指主要由木構架牆、木樓蓋和木屋蓋系統構成的結構體系，適用於三層及三層以下的民用建築。

基本要求

當採用輕型木結構時，應滿足當地自然環境和使用環境對建築物的要求，並應採取可靠措施，防止木構件腐蝕或被蟲蛀。確保結構達到預期的設計使用年限。

輕型木結構的平面布置宜規則，質量和剛度變化宜均勻。所有構件之間應有可靠的連線和必要的錨固、支撐，保證結構的承載力、剛度和良好的整體性。

GB 50206-2002 《木結構工程施工質量驗收規範》

2.0.7 輕型木結構（wood-framle construction）將木基結構板材與間距不大於 600mm 側立的規格材

樓蓋和屋蓋，並組成框架式結構，用於 1～3 層房屋。

主要結構

輕型框架即是將間距緊密的規格材部件和覆蓋層聯合使用，以形成一幢建築物的結構基礎。此結構基礎可提供剛性、為內裝修和外包層提供支持、並為放置保溫材料留出空洞。

輕型框架是北美住宅建築業最常見的方法。此建築形式也可用於較大規模的商業和公共建築物。例如，位於加拿大溫哥華的林木產品研究基地加拿大林產工業技術研究院(Forintek)，其占地9300平方米(100,000平方英尺)的辦公及實驗用建築物即是大規模使用輕型框架結構的範例。

一幢住宅樓的牆壁通常可能為38 x 89毫米(名義尺寸為2 x 4英寸)、高度為2.4米(8英尺)，而Forintek建築物的牆壁則由38 x 235毫米(名義尺寸為2 x 10英寸)的牆骨建成、從樓板到天花板的高度為5米(16英尺)。結果是：該幢建築物的牢固程度足以滿足作為研究場所的嚴格要求。

在建造結構型構架時，輕型框架使用的是規格材(通常為38毫米(名義尺寸為2英寸)寬的鋸木、深度可高達286毫米(名義尺寸為12英寸))、以及尺寸相當的製成木製品。這些主要的結構部件與覆蓋層組件統一使用，從而為牆壁、樓板和屋頂提供剛性。一般來說，輕型框架部件間的間距不大於600毫米(2英尺)。

圖1 表示一個框架構件的典型排列對於某些承重結構而言，工程化木製品(如輕型框架桁架、預製木製工字型擱柵、或其它結構性產品如層積木(LVL)、平行積成木 (PSL)和膠合層積木)可能會用作框架組件。在需要有較大淨空的條件下，輕型框架部件可能會與重梁或柱聯合使用，以將荷載直接轉移至地基。

上圖顯示的是框架部件的典型排列方法。通過重複使用小部件和緊固件，框架結構形成了一種設計冗餘，即：在主要荷載轉移通道失效時尚有其它通道可供使用。正因如此，框架結構不太可能突然失效，因此被認為是一種優良的建築技藝，可以抵抗諸如地震和風力等情況。

多功能

輕型框架是一種既有功能性又有多樣性的建築方法。輕型框架結構可以理解為屋頂、樓板和牆壁平面，其具有以下功能：

結構 : 牆壁可以被設計成承重牆，以便將垂直荷載轉移至地基。也可以將牆壁設計成剪力牆以抵抗來自風及地震荷載的側向力，此兩種力與牆壁方向既垂直又平行。屋頂和樓板的設計可以承受建築設計荷載，而且可以設計用作橫隔牆，從而抵抗變形。

強度 : 輕型框架良好的結構性能歸功於兩個主要因素：荷載分配及合成行為。荷載分配指的是當配件壓力過大時尚有可選的荷載轉移通道可供使用。合成行為指的是覆蓋層和緊固件對鋸木部件強度所起的作用。結果是輕型框架具有儲備強度和硬度。

外殼 : 用於提供剛性的覆蓋層材料同時還用作建築物外殼、供外裝修附著其上。

保溫層和裝修 : 框架間的間距用來放置保溫層，而且框架用於安裝蒸汽隔層和內裝修。

框架結構可以預先製造。為了加速組裝速度，模組可以很容易地在室內工作條件下預製、或者使用自動化用釘系統。此外，也可以在現場進行預製工作，即人工將面板單元抬升到位、或者在需要時用起重機將其抬升到位。

框架結構可用於使用小規模建築技藝的大型建築物。使用較大部件可以確保充分轉移較多壓力。以此方法，輕型框架結構也可以用於許多商業用途。

在屋頂和樓板上使用輕型框架桁架可允許大於20米(60英尺)的跨距。通過使用預製工字型擱柵、層積木(LVL)、平行積成木 (PSL)或膠合層積木可以實現長跨距。

使用現成規格材和平台結構的立柱牆可以很容易地達到5米(16英尺)高，若需定製，高度更可高達7米(23英尺)。通過用木製工字型擱柵代替規格材牆骨，牆壁高度還可以擴大、或者在強風荷載為設計參數時可增加強度。此外，在特別需要留出空間的情況下，框架結構還可與樑柱結構一起使用。下圖顯示支撐框架牆以承受集中梁荷載的一種方法。

框架材料

承重框架

輕型木結構包括相連的有覆面板的承重木框架構件組成建築物部分，如地板，牆體，屋頂，和特別的建築系統，如剪力牆，隔膜板，承重牆，和永久木基礎。

框架構件，以牆骨，擱柵，和椽的形式對於垂直和橫向覆面板提供加固和支持，而且是主要的承重構件，傳遞載荷到基礎。這些構件而且從連線的覆面板上通過混合作用得到強度

框架需要輕型構件間隔300或600mm之間，而且通過這樣做可以分散載荷，強度低的構件通過覆面板的緊密連線將載荷傳遞到載荷高的構件。這樣，全部的載荷不是由一個構件承擔，而是由所有構件共同承擔。

輕型木結構有多種主要的結構構件。

規格材

輕形框架木桁架

單板層積材(LVL)

預製木工字梁

平行木片膠合木(PSL)

層板膠合木

LVL，PSL和層板膠合木，雖然通常用在大尺寸的樑柱結構上，也經常用在框架結構中需要橫樑的地方。

對於住宅套用，大部分北美建築規範提供跨度表，可以依據來選擇地板和屋頂的合適強度和缺陷的構件。

對於大的建築，構件必須要按照木產品的設計值來設計。

一般來講，牆骨級材是用做牆骨的(最多140mm(6英寸標定尺寸)厚)，2級材用於屋頂和地板。對於桁架，木材的等級是由桁架生產商選擇的。高等級可以在需要額外的強度，或者構件暴露需要更好的外觀時採用。

木材，窯乾的或風乾的，都應該在安裝的時候不超過19%的含水率，在適應平衡濕度水平的時候降低尺寸改變。達到這樣的含水率一種方式是要求窯乾，會增加10-15%的成本，或者保證濕材有足夠的時間達到與乾燥的材料相同的含水率。在任何情況下，都要保護木材在建造的過程中不受潮。

覆面固件

在輕型木結構中的覆面板，發揮加固，和強化承重構件的柱和梁的作用，並構成支撐外牆板，地板和屋頂材料建築外殼。

覆面板在通過剪力牆和側向支撐抵抗側向力方面也發揮了關鍵的作用。

膠合板，定向刨花板(OSB)，和木板是很常用的框架結構的結構覆面板。厚木板的蓋板在樑柱結構中經常使用，因為樑柱結構的跨度比框架結構要寬。

膠合板和OSB覆面板，通常的尺寸是1200 x 2400mm (4' x 8')的板子，在牆體框架水平或垂直安裝。在板子間要留2mm的縫隙，考慮膨脹和防止板子彎曲。

如果水平安裝，垂直連線應當交錯開以提高牆的剛度。

有槽口的木板覆面板，舌榫或方口應當水平，垂直，或對角線安裝，所有的末端支撐，並且末端交錯提高額外的剛度。模板通常水平擺放來減少安裝時間和木材浪費，因為不需要進行角度切割。

緊固件

輕型框架需要很多小的緊固件，釘子，長釘，扒釘來連線構件，和連線覆面板到框架構件上。

有很多金屬緊固件，如托梁掛件，可以減少安裝的時間，和提高連線的強度。大部分輕型框架連線件用釘子來連線。

機械氣釘和射釘槍降低了在需要大量釘的勞動時間。

地板設計

在地基上連線基木板， 開始一層地板平台的安裝

基木板的尺寸是38 x 89mm (2" x 4" nom.)， 或大的板材平放在地基上。它是結構的基礎，連線基礎和上部結構。對於住宅建築，緊固件通常是12.7mm (1/2")直徑的錨栓，打入基礎中心距為22.4m (8')或更小，可以使基木板穩固。

對於大的建築， 向下的裝置應進行工程計算來抵抗由於颳風和地震產生的向上和剪下力。錨栓要澆注到混凝土基礎里，或者在混凝土澆注後安裝緊抓類錨栓

不推薦在混凝土初凝開始後插入錨栓，因為對錨栓的握力不確定。

如果在澆注後安裝，基木板可以在沙漿上放置水平。如果基礎是水平的，不需要沙漿，基礎和基木板的連線用填縫劑防止空氣和水氣的進入。否則，在混凝土和基木板之間使用墊圈。在北美的一些地區，基木板一定要進行防腐處理，防止白蟻的侵蝕。

橫樑

在托梁無法在牆體間充分伸展的情況下，橫樑能夠為地板和屋頂托梁提供中間支持。桁條可以是實心木、組合板材、膠合層積材、平行積成材(PSL)，單板層積材(LVL)，或者是其他各種能滿足工程需要的建築材料。

在地平面或地平面以下的混凝土或磚石結構中的木樑至少應在各垂直表面上留有12mm的空間，以便於空氣流通。為了保持下部乾燥的需要，如果在木樑和地面之間有最小空隙，那么木樑在構築時應使用聚乙烯、墊圈或類似材料同混凝土隔離開。

擱柵

擱柵最常用的是規格材和預製木製工字型擱柵。平行弦輕架桁架、平行積成材(PSL)、單板層積材(LVL)和膠合層積材(glulam)也可以使用。如果對強度有特別的要求，例如在開孔周圍，這些材料特別有效。

撓度是一項擱柵的重要的設計標準。撓度關係到用戶接受度，在計算擱柵的跨度表時也需要考慮撓度。下列幾種方法可以提高擱柵的負載分配，並由此降低撓度。

綑紮住擱柵的下緣、或者支撐、交叉支撐住擱柵以提供側面支持。這些一般都安裝在擱柵的跨距中部或三分之一處。

使用粘合劑和扣件將地板覆層和擱柵連線起來，由此提高覆層和擱柵之間的混合作用。擱柵間距和覆層厚度如下表所示。

典型的擱柵間距和覆層厚度

地板覆層材料	擱柵間距	最小材料厚度
鋸材	400	16	17	11/16
	500	19.2	19	3/4
	600	24	19	3/4
膠合板	400	16	15.5	5/8
	500	19.2	15.5	5/8
	600	24	19	3/4
定向刨花板	400	16	15.9	5/8
	500	19.2	15.9	5/8
	600	24	19	3/4

備註:覆層厚度和支撐間距隨實際中的建築規範有所變化。該信息僅為一般性參考標準，請參照具體的實際建築規範。

其他材料

在某些居所中，在木地板上可以加裝一層混凝土或石膏質殼以增強聲響效果。

經常使用的是38mm(1-1/2")厚度，而且必須設計所有頂部以下的材料，以適應額外附加的混凝土靜負載。

孔洞槽口

可能需要在擱柵上鑽洞或切出槽口，以鋪設電線、管道和其他服務設施。

設計師應根據合適的建築規範設計孔洞的大小。如果孔洞的大小受限，而且位於擱柵的深度中心附近-這裡彎曲應力最小-那么打孔取出的材料不能影響到板材的強度。

所有在預製木製工字型擱柵中的開孔，都應參照製造廠家提供的信息，其中應明確說明可允許的孔洞大小和位置。

懸挑

地面擱柵可以建成懸臂式向外延伸，以支撐窗台或額外的地面面積。

向外延伸的懸臂部分不能支持其他樓層的地面負載，除非通過計算證明並沒有超過懸臂擱柵的設計承載壓力。

牆體設計

輕架牆包括稱為牆骨的垂直構件，附在牆的頂部和底部到水平板，以及附屬於這一結構的一層覆材。

牆可以是非承重牆(隔斷牆)或承重牆(外牆和內部承重牆)。

如果某構造牆體被設計為承受側面負載，那么這就是一面剪力牆。剪力牆用於承受牆體受到的風力或地震力。

木擱柵往往被用於那些跨度達到規格材長度極限的居民住宅和商用建築。即使跨度和承載方面的要求決定了預製木製工字型擱柵，或地板、屋頂桁架的使用，但是牆體與地板、牆體與屋頂的連線部分仍基本保持與使用規格材擱柵時一致。

內部承重牆應直接位於梁或牆體之上，但是也可以處在其他任何地方，只要擱柵和其他支撐物經過特別設計能夠承受負載。

與地面擱柵垂直的非承重牆可以安在任何地方，但是如果同地面擱柵平行安置，那么牆體必須有擱柵在其下方支撐，或者由擱柵間的支撐物支持。

覆層一般從基木板開始建造，以在牆結構和地基之間形成一個額外的夾層。

考慮到風力和地震的向上影響，有必要建造一個穿透擱柵的機械拉力連線裝置。因為牆基受制於回撤力的影響，功能有限。

牆板

牆板用於牆骨的頂部和底部，用以產生一大片承重區來分配於牆骨之間的垂直負載。牆板一般與牆骨寬度相同，都是38mm厚。

由於牆骨沒有延續到地板和平台結構之間，因此大型建築可能需要機械性的牽制設備，以便提供牽制保護，免於側面壓力引起的上浮力影響。

這是保護牆體與地板連線的三項可選方案：

展開的地板結構的膠合板和定向刨花板，由釘子或扒釘聯結在地板結構上。這種情況下，乾木材套用於製作擱柵和頂梁，以避免木材收縮可能導致的覆層彎曲。

根據標準要求大小的電鍍金屬條，可以釘在地板上下的垂直構件上，以提供拴系力。

在產生大力的時候可以使用螺釘和托架。下面是總原則：

牆頂板要有至少38mm厚。如果在非承重隔斷牆中以及承重牆中，只要集中負載力在50mm厚的支持牆骨範圍內發生，那么頂牆板可以只有一面。若不滿足該條件，那么頂牆板要加倍。交叉牆應通過重疊的牆板或者金屬板聯結起來。加倍的牆板套用釘子聯結，至少每隔一牆板筋交叉排列。

牆骨

目前住宅建築中的一個趨勢是：由於額外增加的保溫空間，最小牆骨大小由過去的38 x 89mm(2" x 4" nom.)

提高到38 x 140mm(2" x 6" nom.)。

對於重型建築來說，牆骨還必須考慮到適應軸心力和彎曲力的需要。根據長和重，商用建築的牆骨可以為38 x 184, 235或286mm (2" x 8", 10", or 12" nom.)。牆骨分級中不包括該規格的垂直構件。2級材應當加以明確說明。

對於高牆來說，預製木製工字型擱柵有時被作為牆骨垂直使用。

除了開孔之外，牆骨應延伸到整個樓層高度，以支持強度。

下表中是中型套用中的牆骨間距和覆層厚度，作為一項總原則可以為初步規劃布局提供參考。

牆體的典型牆骨間距和覆層厚度

牆體覆層材料	牆骨間距	最小材料厚度
鋸材	400	16	17.0	11/16
	600	24	17.0	11/16
膠合板	400	16	6.0	1/4
	600	24	7.5	9/32
定向刨花板	400	16	6.35	1/4
	600	24	7.9	5/16

備註: 覆層厚度和支撐間距隨實際中的建築規範有所變化。該信息僅為一般性參考規範，請參照具體的實際建築規範。

過梁

過梁是窗戶、門和其他開孔上水平放置的梁，用來將開孔上方的垂直負載壓力傳遞到周圍的牆骨上。

在承重牆中，過梁可以是同牆骨等寬的實木，或者是兩條以上的38mm(2" nom.)厚的木材。木材放置在邊緣或用隔離物隔開，使得過梁同牆骨等寬。

對於大型開口和負載來說，平行積成材、膠合層積材，單板層積材是理想的材料，因為它們高的強度和尺寸比。

屋頂設計

設計輕型木結構屋頂時，規格材椽木和屋頂擱柵通常用於普通負載和跨度，預製木製工字型擱柵或桁架則適用於更大的跨度和負重。指接擱柵和椽木製造時最長不超過12m (40Õ).

覆層除了和這些承重構件一起支撐屋頂所承受的重力之外，還提高了這些承重構件的負重能力。

輕型框架屋頂可以設計具有隔板作用，抵制風力和地震力產生的橫向負重所帶來的毀滅性影響。

有了其他一些材料的輔助，輕木架屋頂可以是斜的或平的。如，平頂上的桁架可以預製成方便排水的恰當斜度。

橫椽和擱柵

橫椽和擱柵除了必須在垂直支撐之上接合之外應該是延續的。兩邊的開口處比兩倍橫椽或擱柵間距還寬，因此所用的橫椽和擱柵數量應該加倍以應付額外強度。

屋頂桁架

屋頂桁架必須限制撓度。這對平頂尤為重要，因為平頂的撓度會導致積水，並進一步導致負重增加。

一些北美建築規範中列出了住宅類建築中所用的一些更為普通的木桁架構件的跨度和尺寸。總的來說，這些表格僅適用於跨度為12m (40')，中心間距為600mm (2') 的屋頂桁架。對更大的跨度和負重要進行特別的工程分析。

屋頂覆層

屋頂覆層可以支撐屋面，增加其剛性。屋頂覆層可以用鋸材，膠合板或定向刨花板。下表中列出了初步規劃中對於間距和材料厚度的大致要求。具體尺寸要根據實際情況中的雪載荷加以調整。

屋頂的典型橫椽或桁架間距和覆層厚度

屋頂覆層材料	橫椽或桁架間距	最小材料厚度
鋸材		300	12	17.5	11/16
		400	16	17.5	11/16
		500	19.2	19	3/4
		600	24	19	3/4
膠合板	邊沿有支承	300	12	7.5	9/32
		400	16	7.5	9/32
		500	19.2	9.5	3/8
		600	24	9.5	3/8
	邊沿無支承	300	12	7.5	9/32
		400	16	9.5	3/8
		500	19.2	9.5	3/8
		600	24	12.5	1/2
定向刨花板	邊沿有支承	300	12	9.5	3/8
		400	16	9.5	3/8
		500	19.2	11.1	7/16
		600	24	11.1	7/16
	邊沿無支承	300	12	7.5	9/32
		400	16	11.1	7/16
		500	19.2	12.7	1./2
		600	24	12.7	1/2

備註: 覆層厚度和支撐間距隨實際中的建築規範有所變化。該信息僅為一般性參考標準，請參照具體的實際建築規範

鋸材覆層應擱柵或椽木垂直，各邊皆有支撐且邊沿的擱柵交錯排列。鋸材覆層應一直延續到瀝青瓦和吊頂，但是其間距應和木瓦屋頂中的瓦片大小相同。分隔開的瓦片使得空氣可以在覆層之下自由流通，以防水氣集結。

安裝覆層板(膠合板和定向刨花板)時，將表面紋理垂直於擱柵，椽木和桁架。在相連的板之間留下6mm (1/4")的空隙以防板面擴張。如果將金屬H夾，舌榫，縫，或至少38 x 38mm (2"x2"nom.)的支承牢牢釘入框架中，支撐起椽木之間的板面，則可以相對減少覆層板的最小厚度。

屋頂材料

很多屋頂材料在不同的服務條件下都是可以適用於輕型木結構屋頂的。斜頂最常用的材料是西部紅柏木瓦片，瀝青瓦和瓷磚。平頂或低斜度屋頂則通常採用組合屋面。