木材作为一种结构用材, 越来越广泛地应用在建筑结构领域。随着木材工业化的不断推广, 木规格材、胶合木等结构用木产品的普及为结构设计带来了更多的选择。

　　 中国传统木结构多为由梁柱形成木梁柱框架结构, 梁、柱等通常采用圆截面原木制作, 垫木、枋等采用原木切削成矩形截面使用, 连接形式采用榫卯连接、斗拱连接等^[1]。以欧洲和北美为代表的现代木结构 (如别墅、住宅等) 多采用轻型木结构, 以轻型木结构剪力墙为主要受力体系, 而木梁柱结构则采用胶合木产品^[2], 旨在发展木结构的同时实现对森林资源的保护以及木构件产品的规格化。基于建筑造型及使用需求, 为了得到中国传统木结构的亲和力和自然观感要求以及结构受力和造价成本等综合因素的平衡, 可考虑将原木结构、轻型木结构以及胶合木结构混合使用, 甚至融合现代钢结构等结构形式, 充分体现各种建筑材料和结构体系的优点, 但目前罕有此类案例。

　　 吉林万科滨江公园建筑是一座住宅区销售会所, 为一临时建筑, 建筑要求有通透的外立面视线、亲和的木结构观感以及合理的造价。实际建筑方案为:内围廊木柱和木梁分别采用直径500mm的原木和两根截面尺寸为150mm×400mm的胶合木, 内部大空间木柱和木梁采用直径600mm的原木, 在内外主梁之间密铺截面尺寸为180mm×400mm的胶合木檩条。为防止冬季积雪, 屋面由四周向内围廊1∶4放坡, 造成所有结构构件布置不规则。在围廊和大空间主要视线方向, 采用钢结构玻璃幕墙体系, 玻璃幕墙体系上、下部分别固定在屋面檩条和条形基础上, 少部分办公空间的内外墙采用轻型木结构墙体, 建筑正立面、背立面及平面图分别如图1~3所示。

　　 基于以上建筑要求及室内设计方案, 使得本项目包含了原木结构、胶合木结构、轻型木结构剪力墙以及部分钢结构, 结构布置图如图4所示。结构三面围合及不规则锯齿形外边缘的平面造型, 由四周向中间大角度的坡屋面以及周围最大悬挑距离6m的屋面均对结构设计和分析提出了挑战。目前规范对于这种多材料、多结构体系相混合的结构形式缺乏具体的规定和指导, 也没有适用的结构设计软件, 结构体系布置、内力分配以及节点处理等均需进行研究分析。

　　 结构设计时, 考虑到本会所项目大空间要求, 且层高较高, 无法布置足够的轻型木结构剪力墙作为承重和抗侧力体系, 需要木梁柱框架、轻型木结构剪力墙共同作用抵抗竖向和水平荷载。

　　 外部玻璃幕墙钢结构竖向构件落地, 可以承受竖向荷载, 但由于高度较高, 若按悬臂构件进行布置很难抵抗幕墙上的风荷载, 因此上部与屋面胶合木檩条相连, 将部分水平荷载传递给木结构部分并可作为部分檩条的支承结构。

　　 为了充分利用各种材料和结构体系自身的优势, 发挥其结构承载能力, 避免仅仅为了满足建筑外观要求造成经济成本的浪费, 在结构方案和布置时考虑了以下结构措施和假定:1) 原木梁柱木结构按建筑造型要求, 形成“门”字形单榀平面框架, 13榀“门”字形原木梁柱平面框架布置方向总体沿建筑平面方向布置, 结合建筑美感要求做一些微调;框架的布置位置结合檩条铺设和受力要求, 原木梁两端外挑, 相邻框架之间在檩条布置方向上部分重合;2) 胶合木檩条搁置在原木梁和胶合木梁上, 胶合木檩条通长, 当其长度超过加工和运输能力限值时, 在其弯矩较小的位置断开, 并通过钢板螺栓连接节点实现与原木梁、胶合木梁可靠连接;3) 轻型木结构剪力墙作为胶合木檩条的竖向支承, 仅约束檩条竖向和剪力墙平面内方向位移, 墙平面外方向自由, 以减小胶合木檩条跨度;4) 外围幕墙钢结构顶部通过与胶合木檩条相连, 将风荷载传递给主体结构。

　　 现代木梁柱结构考虑结构节点的材料特性及加工精度等原因, 常常将构件两端假定为铰接进行保守设计。但国内外大量试验和研究表明, 采用钢填板-螺栓连接的重木节点, 在发生一定转角位移的时候, 能够提供较强的转动刚度, 承受一定的弯矩^[3], 因此对于结构计算, 节点铰接对于结构整体抗侧刚度计算是保守的, 但对于节点设计本身而言, 有一定的不安全性。本项目中, 如将所有的木梁柱框架节点设置为铰接, 显然将形成机构, 结构无法提供抗侧刚度。因此, 结构设计时做了以下处理:1) 原木梁柱结构考虑其框架作用, 柱脚及梁柱节点假定为刚接形成平面框架以提高其抗侧刚度, 节点设计时, 考虑节点的抗弯承载力;2) 13榀“门”字形原木梁柱平面框架在平面布置时, 沿建筑平面按照结构纵向排布, 使结构形成环向抗侧刚度;3) 胶合木檩条呈发散状排布, 总体与梁柱框架方向垂直布置, 并与原木梁柱之间连接, 形成结构横向抗侧刚度;4) 轻型木结构剪力墙为结构整体提供墙平面内的抗侧刚度。

　　 通过计算, 可以发现结构整体刚度较高。其中, 结构的基本周期为0.13s, 结构在不同荷载组合下, X向和Y向最大水平位移分别为5.1mm和2.2mm, 构件最大挠度为L/553, 均满足规范要求。

　　 本项目中, 原木柱柱脚在计算中假定为刚接, 使得柱脚节点设计需要考虑承受弯矩作用, 根据计算, 在风荷载作用下, 柱脚主方向与次方向最大弯矩分别为50k N·m和42k N·m。为此, 仿照胶合木梁柱连接节点形式, 在柱脚处设置两块20mm厚连接钢板, 使得每根螺栓有4个抗剪面以提高螺栓抗剪能力, 如图5所示。每个柱脚使用6根M18螺栓连接, 主方向利用螺栓群的抗剪提供抗弯能力, 次方向利用螺栓抗剪及原木与钢板的挤压共同提供抵抗弯矩。通过计算, 主方向受弯时螺栓剪力为14k N, 次方向仅靠螺栓抗剪承担弯矩时, 螺栓剪力为29k N, 均小于M18螺栓抗剪承载力35.6k N。

　　 原木梁柱连接节点设计中, 在节点设计时既要考虑梁需与柱顶圆形截面进行连接, 又要使此连接有较好的受力性能并提供一定抗弯刚度。为此如采用胶合木结构钢插板连接节点, 将柱延伸至结构顶部而梁连接于柱侧面, 一是连接难度较大, 且梁两端挑出柱边距离660~2 650mm长短不一, 梁端弯矩差异较大;二是造成梁打断不美观。为此参照胶合木结构的钢插板连接和传统木结构的榫卯连接形式, 设计了将原木梁“嵌入”原木柱, 并采用钢板拉结的榫卯-钢板连接节点, 使得原木梁连续, 且设置木垫块使梁底和柱顶接触面压紧贴合, 在受弯时由钢板受拉和梁柱接触面受压提供抗弯能力, 见图6。

　　 檩条在原木梁上的排布较密, 其间距多不大于1m, 且为多跨连续梁, 根据计算, 此连接部位弯矩较小, 采用了L形钢板螺栓连接, 结合结构屋面坡度较大, 原木梁空间倾斜, 为了保证矩形胶合木檩条和原木梁连接的便利和可靠, 将连接部位的原木梁顶部做了部分切削, 保证与檩条底部贴合。檩条连接节点如图7所示。

　　 本项目采用原木-胶合木-轻型木结构体系, 体现了良好的视觉观感效果和使用体验。通过巧妙的结构布置、节点构造以及计算分析, 多种结构材料和结构体系各自发挥了其优点, 保证了结构受力的合理性。