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摘要：现代大跨木结构在公共建筑领域扮演着越来越重要的角色。本文通过对现代大跨木结构发展的历史背景以及技术复合特点的研究，试图探寻现代大跨木结构发展的关键线索。
关键词：现代木结构 大跨度建筑 技术 复合
Abstract：Modern large-span timber structures are playing an increasingly important role in the field of public buildings. Through the research of historical background and characteristics of technology compound, the paper tries to catch the vital clues of the developing of modern large-span timber structures.
Key words: Modern timber constructionLarge-span architectureTechnologyCompound
当今社会，人们基于可持续发展理论的理解，以及人性化为主导的建筑人文关怀，对作为生态建材之一的木材日益重视。木建筑因此在未来的建筑设计潮流中占有举足轻重的地位[1]。而现代大跨木建筑作为现代木建筑的重要成员，因其良好的生态性，造型的独特性，极大的拓展了现代木建筑的使用范围而受到重视，并成为现代木构研究的前沿之一。
一. 现代大跨木结构兴起的历史背景
木材用于建造大跨结构有着悠久的历史，从最初使用简单营造技术的传统大跨木结构到结合现代先进工艺的现代大跨木结构，大跨木结构经历过漫长的发展。
1.传统大跨木结构
传统大跨木结构是根植于农业文明阶段，受制于农业文明的技术以及经济条件，呈现出手工加工的简单营造方式。
在以中国为代表的东方，由于木建筑是以榫卯连接的梁柱体系为主的，该体系的梁跨度有限且所需用木材较多，无法形成较大跨度。而在桥梁中，木结构由于采用了多样的结构形式，却实现了较大的跨度。其结构方式主要有：悬索结构，悬臂梁结构，拱结构等（图1）。
在以欧洲为代表的西方，常用的大跨木结构方式是拱券和桁架结构。木拱券大多是用木材仿石拱券，避免了石拱券巨大的侧推力。而桁架结构可以利用小截面杆件实现较大的跨度（图2）。这两种结构常被用于桥梁和屋盖系统，其节点连接多采用金属铆接。
图1 中国传统大跨木桥 图2 欧洲传统大跨木桥
2.现代大跨木结构
现代的大跨木结构是根植于工业文明基础之上的。工业革命后，钢铁，混凝土等新型建材因其优异的性能以及对时代精神的反映，在大跨建筑领域逐渐处于了主导地位，传统大跨木建筑日渐式微。但同时，木材工业也得到了很大发展并走向工业化，这包括了材料的加工，处理，和木材的深加工成新型的合成材，为大跨木建筑的新生奠定了物质基础。
进入后工业文明阶段后，由于工业文明带来的负面影响逐渐显现，人们对于可持续发展以及建筑人文关怀的理念日益深入，木建构文化再次显示出极其旺盛的生命力。现代大跨木结构也在此背景下得到重视，涌现出一大批杰出的大跨木结构建筑作品。例如：1983年世界上第一座大型木结构穹顶，跨度达162米的美国塔科马穹顶（图3）；1988年采用木网架结构，跨度达56米的日本小国町民体育馆（图4）；1996年采用半刚性悬挂式结构，跨度达80米的日本长野奥运会纪念馆（图5）。
图3 塔科马穹顶 图4 小国町民体育馆 图5 长野奥运会纪念馆
这些现代大跨木结构的背后，是现代材料，结构，施工和计算机等技术的发展与应用，这为建筑师利用工业木材进行建筑设计创新提供了有力的支持。在木材加工技术方面：胶合技术的发展使木材性能得到极大改善，出现了各类性能优异的工业木材；在大跨建筑结构技术方面，工程结构理论从经验法则进入了材料结构力学等领域，奠定了现代大跨木结构空间结构技术的基础；在施工技术方面，现场机械化装配等施工技术出现，使大跨木结构从设想成为现实。在这样的条件之下，现代大跨木结构走上了历史舞台，展现出独特的魅力。
二. 现代大跨木结构的技术复合性
现代大跨木结构的发展过程中，为了达到更大的跨度以及获得更广泛的使用范围，呈现出一种技术复合的趋势。首先是材料的复合，传统的木材由于自身的缺陷及限制，需要改善自身性能形成复合木材，也需要与其他材料组合来发挥各自的优势。其次是结构的复合，传统的大跨木结构结构形式较为单一，很难满足现代大空间的结构及空间要求，需要寻求多种结构方式的借鉴与组合发展。第三是节点的复合，由于材料与结构的复合，材料之间的连接也变得更加复杂，为了同时达到结构的强度以及节点的美观，构造也采用了多种材料以及方式的复合。
1.材料的复合
以层板胶合木为代表的工程木材的出现及发展奠定了现代大跨木结构发展的基础，并使得木结构完全跨越了传统木结构技术的界限。层板胶合木又叫胶合层积材或简称胶合木，在日本称为集成材。它是将厚度20~45mm的木板抛光后，涂胶层叠加压胶合而成的。因此，胶合木是一种区别于自然木材的工业复合材料。
层板胶合木在材料性能上有许多优点：首先，由于加工过程中充分经过了干燥，能够保证施工后构件尺寸和形状的稳定；其次板材剔出缺陷，并经过人工合理的配置，成为一种工业化产品，能够有效地避免自然木材无法控制的个体偏差，具有相对均匀的结构强度；第三，层板胶合木的尺寸和形状不再受到自然的限制，完全可以根据设计需要制造出大断面和各种形状的结构用材，这使得大跨木结构建筑的设计成为可能。
2.结构的复合
为了获得更大的跨度和适应性，大跨木结构朝着结构的复合方向发展。这种发展一方面表现在，大跨木结构的设计中借鉴钢结构等其他大跨结构的技术方法，实现结构技术方法的复合。另一方面，表现在大跨木结构中不同材料及结构形式的复合，形成木混合结构。
钢结构设计方法的引用：
钢在近代结构理论设计领域的应用已有相当长的历史，钢结构理论和设计方法日臻完善，在桥梁，大跨度建筑中取得了绝对性的优势。相对于钢结构的飞速发展，木结构形式主要包括框架，三角桁架，及拱顶这几类传统的结构形式，近代以来木结构技术发展缓慢。面对当代建筑大空间，大跨度等结构问题，传统的木结构技术却很难适应。现代大跨木结构向其他结构形式借鉴成熟的结构理论和经验成为必然选择。
以日本大馆树海体育馆为例（图6-8），该体育馆采用三维桁架的结构设计方法，跨度达到157米。它以胶合木作为主要拱形结构支撑体，辅以钢材连接构件，形成大跨度的曲面构造，实现了传统木结构无法承担的巨大空间。
图6 大馆树海体育馆 图7大馆树海体育馆整体结构
图8大馆树海体育馆屋架构造
木混合结构的发展：
混合木结构是指以木结构为主，结合几种不同的材料或结构形式，而形成的一种结构形式。胶合木虽然在材料的性能上对天然木材进行了改善，但仍不可免除木结构所具有的许多缺陷，因而在结构形式及造型表现上都受到限制。为了弥补木结构的不足，在大跨度木结构建筑中，经常采用复合结构形式。
不同的材料混合组成大跨木结构，最常见的复合方式是木结构，钢结构和钢筋混凝土结构的复合。其结构分工通常是：木结构作为主体结构和主要表現形式决定建筑的整体结构形式和空间造型特点；钢结构作为辅助结构穿插于木结构之中保证主体结构的稳定性和力学要求；钢筋混凝土结构则往往作为建筑的基座和墙体。例如日本的出云体育馆就是这种复合结构建造大空间的典型实例，建筑以木结构为主，结合了薄膜，钢，钢筋混凝土结构构成了复合结构（图9-11）。
图9出云体育馆 图10出云体育馆屋盖与混凝土基座的接合
图11出云体育馆屋架构造
不同的结构混合组成的大跨木结构，通常表现为由单一的结构类型中的两种或者三种结构单元组合成一种新的结构。这些单一的结构类型，通常包括刚架结构，桁架结构，拱结构，薄壳结构，网格结构等。经过结构的混合，新的复合结构往往可以实现结构的优化，比起单一的结构更容易实现建筑造型与结构受力的协调统一。
以德国慕尼黑奥林匹克公园冰球馆为例（图12-14），该冰球馆采用钢拱-钢索网-木网壳的混合结构，结构跨度达到104米。这种拱承结构组合以拱作为屋盖支撑体系的重要组成部分，省去支柱以跨越大空间，达到了结构优化的目的。
图12冰球馆室内 图13公园冰球馆室外 图14冰球馆屋盖安装
3.节点的复合
现代大跨木结构建筑的设计中最困难也是最重要的一个环节就是节点构造的设计。在大跨木结构建筑中，由于结构的跨度及构件的尺度都相对较大，传统的结构形式很难满足结构的要求，结构设计中更多的引入了钢结构技术以及混合木结构方式。在节点处也不再受制于传统的榫卯构造，开始积极地使用金属构件以及胶合剂等多种材料和连接方式。
金属节点：
现代大跨木结构建筑中使用最为普遍的是金属节点（图15-16），通常的方式有在胶合木的结合处插入钢板与木构件固定，钢板之间采用螺栓等钢构件进行连接；在处理木桁架或网架结构中，节点处构件形状相对复杂，利用钢构件进行节点处理是一种常用的手法。这些钢结构的节点处理方法可以有效地解决节点的结构问题，给木结构造型设计带来新的突破。
图15 金属节点案例 图16 金属节点示意
胶合节点：
胶合节点是利用高强度且防水性能良好的胶合物进行节点连接。胶合节点虽可提供比其他节点更高的强度，但无法容许节点在外力作用过程中产生足够的位移。因此，胶合节点很少单独使用，需与其他类型的节点配合运用，成为一种复合节点。
例如，日本最新开发了一项将粘合剂与螺栓组合使用，能牢固地连接木材的新复合節点技术。例如日本小国町民体育馆屋架的节点便是这种胶合技术所形成的复合节点。由于屋架采用小断面间伐材，为了保证材料节点处的稳定性和增强抗压能力，除了采用钢结构的球形节点外，在受压应力较大部分还开小孔注入环氧树脂（图17-18）。
图17 复合节点案例 图18 复合节点示意
结语
现代大跨木结构建筑以其良好的生态性，造型的独特性，技术的精美性，将在当代公共建筑中扮演者越来越重要的角色。而把握住大跨木结构这种技术复合的动向，能够使我们更好的理解其发展和方向。
参考文献：
[1] 陈启仁,张纹韶.认识现代木建筑[M].天津:天津大学出版社,2005:11-19. [2] 赵辰.中国木构传统的重新诠释[J].世界建筑:2005(8):19-39.
[3] 唐寰澄.中国木拱桥[M].北京:中国建筑工业出版社:1-20. [4] 渡辺邦夫,中田琢史.構造の系譜:木構造1[J].[日]新建筑:1997(10):270-273.
[5] 日本建筑构造技术者协会.日本结构技术典型实例100选[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[6] 王静.日本现代空间与材料表现[M].南京:东南大学出版社,2005:91-124. [7] 伊東豊雄.大館樹海ドームパーク[J].[日]新建筑:1997(9):147-160.
关键词：现代木结构 大跨度建筑 技术 复合
Abstract：Modern large-span timber structures are playing an increasingly important role in the field of public buildings. Through the research of historical background and characteristics of technology compound, the paper tries to catch the vital clues of the developing of modern large-span timber structures.
Key words: Modern timber constructionLarge-span architectureTechnologyCompound
当今社会，人们基于可持续发展理论的理解，以及人性化为主导的建筑人文关怀，对作为生态建材之一的木材日益重视。木建筑因此在未来的建筑设计潮流中占有举足轻重的地位[1]。而现代大跨木建筑作为现代木建筑的重要成员，因其良好的生态性，造型的独特性，极大的拓展了现代木建筑的使用范围而受到重视，并成为现代木构研究的前沿之一。
一. 现代大跨木结构兴起的历史背景
木材用于建造大跨结构有着悠久的历史，从最初使用简单营造技术的传统大跨木结构到结合现代先进工艺的现代大跨木结构，大跨木结构经历过漫长的发展。
1.传统大跨木结构
传统大跨木结构是根植于农业文明阶段，受制于农业文明的技术以及经济条件，呈现出手工加工的简单营造方式。
在以中国为代表的东方，由于木建筑是以榫卯连接的梁柱体系为主的，该体系的梁跨度有限且所需用木材较多，无法形成较大跨度。而在桥梁中，木结构由于采用了多样的结构形式，却实现了较大的跨度。其结构方式主要有：悬索结构，悬臂梁结构，拱结构等（图1）。
在以欧洲为代表的西方，常用的大跨木结构方式是拱券和桁架结构。木拱券大多是用木材仿石拱券，避免了石拱券巨大的侧推力。而桁架结构可以利用小截面杆件实现较大的跨度（图2）。这两种结构常被用于桥梁和屋盖系统，其节点连接多采用金属铆接。
图1 中国传统大跨木桥 图2 欧洲传统大跨木桥
2.现代大跨木结构
现代的大跨木结构是根植于工业文明基础之上的。工业革命后，钢铁，混凝土等新型建材因其优异的性能以及对时代精神的反映，在大跨建筑领域逐渐处于了主导地位，传统大跨木建筑日渐式微。但同时，木材工业也得到了很大发展并走向工业化，这包括了材料的加工，处理，和木材的深加工成新型的合成材，为大跨木建筑的新生奠定了物质基础。
进入后工业文明阶段后，由于工业文明带来的负面影响逐渐显现，人们对于可持续发展以及建筑人文关怀的理念日益深入，木建构文化再次显示出极其旺盛的生命力。现代大跨木结构也在此背景下得到重视，涌现出一大批杰出的大跨木结构建筑作品。例如：1983年世界上第一座大型木结构穹顶，跨度达162米的美国塔科马穹顶（图3）；1988年采用木网架结构，跨度达56米的日本小国町民体育馆（图4）；1996年采用半刚性悬挂式结构，跨度达80米的日本长野奥运会纪念馆（图5）。
图3 塔科马穹顶 图4 小国町民体育馆 图5 长野奥运会纪念馆
这些现代大跨木结构的背后，是现代材料，结构，施工和计算机等技术的发展与应用，这为建筑师利用工业木材进行建筑设计创新提供了有力的支持。在木材加工技术方面：胶合技术的发展使木材性能得到极大改善，出现了各类性能优异的工业木材；在大跨建筑结构技术方面，工程结构理论从经验法则进入了材料结构力学等领域，奠定了现代大跨木结构空间结构技术的基础；在施工技术方面，现场机械化装配等施工技术出现，使大跨木结构从设想成为现实。在这样的条件之下，现代大跨木结构走上了历史舞台，展现出独特的魅力。
二. 现代大跨木结构的技术复合性
现代大跨木结构的发展过程中，为了达到更大的跨度以及获得更广泛的使用范围，呈现出一种技术复合的趋势。首先是材料的复合，传统的木材由于自身的缺陷及限制，需要改善自身性能形成复合木材，也需要与其他材料组合来发挥各自的优势。其次是结构的复合，传统的大跨木结构结构形式较为单一，很难满足现代大空间的结构及空间要求，需要寻求多种结构方式的借鉴与组合发展。第三是节点的复合，由于材料与结构的复合，材料之间的连接也变得更加复杂，为了同时达到结构的强度以及节点的美观，构造也采用了多种材料以及方式的复合。
1.材料的复合
以层板胶合木为代表的工程木材的出现及发展奠定了现代大跨木结构发展的基础，并使得木结构完全跨越了传统木结构技术的界限。层板胶合木又叫胶合层积材或简称胶合木，在日本称为集成材。它是将厚度20~45mm的木板抛光后，涂胶层叠加压胶合而成的。因此，胶合木是一种区别于自然木材的工业复合材料。
层板胶合木在材料性能上有许多优点：首先，由于加工过程中充分经过了干燥，能够保证施工后构件尺寸和形状的稳定；其次板材剔出缺陷，并经过人工合理的配置，成为一种工业化产品，能够有效地避免自然木材无法控制的个体偏差，具有相对均匀的结构强度；第三，层板胶合木的尺寸和形状不再受到自然的限制，完全可以根据设计需要制造出大断面和各种形状的结构用材，这使得大跨木结构建筑的设计成为可能。
2.结构的复合
为了获得更大的跨度和适应性，大跨木结构朝着结构的复合方向发展。这种发展一方面表现在，大跨木结构的设计中借鉴钢结构等其他大跨结构的技术方法，实现结构技术方法的复合。另一方面，表现在大跨木结构中不同材料及结构形式的复合，形成木混合结构。
钢结构设计方法的引用：
钢在近代结构理论设计领域的应用已有相当长的历史，钢结构理论和设计方法日臻完善，在桥梁，大跨度建筑中取得了绝对性的优势。相对于钢结构的飞速发展，木结构形式主要包括框架，三角桁架，及拱顶这几类传统的结构形式，近代以来木结构技术发展缓慢。面对当代建筑大空间，大跨度等结构问题，传统的木结构技术却很难适应。现代大跨木结构向其他结构形式借鉴成熟的结构理论和经验成为必然选择。
以日本大馆树海体育馆为例（图6-8），该体育馆采用三维桁架的结构设计方法，跨度达到157米。它以胶合木作为主要拱形结构支撑体，辅以钢材连接构件，形成大跨度的曲面构造，实现了传统木结构无法承担的巨大空间。
图6 大馆树海体育馆 图7大馆树海体育馆整体结构
图8大馆树海体育馆屋架构造
木混合结构的发展：
混合木结构是指以木结构为主，结合几种不同的材料或结构形式，而形成的一种结构形式。胶合木虽然在材料的性能上对天然木材进行了改善，但仍不可免除木结构所具有的许多缺陷，因而在结构形式及造型表现上都受到限制。为了弥补木结构的不足，在大跨度木结构建筑中，经常采用复合结构形式。
不同的材料混合组成大跨木结构，最常见的复合方式是木结构，钢结构和钢筋混凝土结构的复合。其结构分工通常是：木结构作为主体结构和主要表現形式决定建筑的整体结构形式和空间造型特点；钢结构作为辅助结构穿插于木结构之中保证主体结构的稳定性和力学要求；钢筋混凝土结构则往往作为建筑的基座和墙体。例如日本的出云体育馆就是这种复合结构建造大空间的典型实例，建筑以木结构为主，结合了薄膜，钢，钢筋混凝土结构构成了复合结构（图9-11）。
图9出云体育馆 图10出云体育馆屋盖与混凝土基座的接合
图11出云体育馆屋架构造
不同的结构混合组成的大跨木结构，通常表现为由单一的结构类型中的两种或者三种结构单元组合成一种新的结构。这些单一的结构类型，通常包括刚架结构，桁架结构，拱结构，薄壳结构，网格结构等。经过结构的混合，新的复合结构往往可以实现结构的优化，比起单一的结构更容易实现建筑造型与结构受力的协调统一。
以德国慕尼黑奥林匹克公园冰球馆为例（图12-14），该冰球馆采用钢拱-钢索网-木网壳的混合结构，结构跨度达到104米。这种拱承结构组合以拱作为屋盖支撑体系的重要组成部分，省去支柱以跨越大空间，达到了结构优化的目的。
图12冰球馆室内 图13公园冰球馆室外 图14冰球馆屋盖安装
3.节点的复合
现代大跨木结构建筑的设计中最困难也是最重要的一个环节就是节点构造的设计。在大跨木结构建筑中，由于结构的跨度及构件的尺度都相对较大，传统的结构形式很难满足结构的要求，结构设计中更多的引入了钢结构技术以及混合木结构方式。在节点处也不再受制于传统的榫卯构造，开始积极地使用金属构件以及胶合剂等多种材料和连接方式。
金属节点：
现代大跨木结构建筑中使用最为普遍的是金属节点（图15-16），通常的方式有在胶合木的结合处插入钢板与木构件固定，钢板之间采用螺栓等钢构件进行连接；在处理木桁架或网架结构中，节点处构件形状相对复杂，利用钢构件进行节点处理是一种常用的手法。这些钢结构的节点处理方法可以有效地解决节点的结构问题，给木结构造型设计带来新的突破。
图15 金属节点案例 图16 金属节点示意
胶合节点：
胶合节点是利用高强度且防水性能良好的胶合物进行节点连接。胶合节点虽可提供比其他节点更高的强度，但无法容许节点在外力作用过程中产生足够的位移。因此，胶合节点很少单独使用，需与其他类型的节点配合运用，成为一种复合节点。
例如，日本最新开发了一项将粘合剂与螺栓组合使用，能牢固地连接木材的新复合節点技术。例如日本小国町民体育馆屋架的节点便是这种胶合技术所形成的复合节点。由于屋架采用小断面间伐材，为了保证材料节点处的稳定性和增强抗压能力，除了采用钢结构的球形节点外，在受压应力较大部分还开小孔注入环氧树脂（图17-18）。
图17 复合节点案例 图18 复合节点示意
结语
现代大跨木结构建筑以其良好的生态性，造型的独特性，技术的精美性，将在当代公共建筑中扮演者越来越重要的角色。而把握住大跨木结构这种技术复合的动向，能够使我们更好的理解其发展和方向。
参考文献：
[1] 陈启仁,张纹韶.认识现代木建筑[M].天津:天津大学出版社,2005:11-19. [2] 赵辰.中国木构传统的重新诠释[J].世界建筑:2005(8):19-39.
[3] 唐寰澄.中国木拱桥[M].北京:中国建筑工业出版社:1-20. [4] 渡辺邦夫,中田琢史.構造の系譜:木構造1[J].[日]新建筑:1997(10):270-273.
[5] 日本建筑构造技术者协会.日本结构技术典型实例100选[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[6] 王静.日本现代空间与材料表现[M].南京:东南大学出版社,2005:91-124. [7] 伊東豊雄.大館樹海ドームパーク[J].[日]新建筑:1997(9):147-160.