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干货2024-02-14

独家采访 | 中国首次PIKM现代木结构抗震实验

DESIGN WAREHOUSE

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FOREWORD：


我国是一个地震频发的国家，而在地震灾害中，相当一部分的人员伤亡是由建筑物倒塌造成的。不论是久经地震和战乱年代洗礼而依旧屹立不倒的传统榫卯木建筑的抗震性验证，还是当今对建筑抗震的需求以及2060年的碳中和生态目标，都让人们的视线回归到了木材这个充满可能性的材料上。



[▲木结构建筑  ©Think Wood]

现代木结构建筑已经与过去榫卯结构建筑大大不同，不仅具有更强的抗震属性，且标准化工厂生产及装配化建造的特性引领着人们走向更高效的预制时代。为了进一步证明这一点，国内首次引进PIKM建筑体系、首次按照中国抗震标准进行日本二层PIKM木结构建筑抗震实验，并全过程直播木建筑搭建工况及实验过程。Design ｜Warehouse 采访到了实验项目的负责人南京林业大学阙泽利教授，在他的回答里，我们可以看到未来中国使用现代木结构建筑抗震的无限可能。


木结构抗震

为什么我们要选择木结构抗震？


|  中国对抗震建筑的迫切需求

我国是一个地震频发的国家，位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频率高、强度大、震源浅、分布广，大约58％以上的国土、55％的人口处于7度以上地震高烈度区。二十世纪以来，我国共发生6级以上地震近800次。世界范围内三次8.6级以上的地震，有两次发生在我国境内，2008年汶川8.0级地震中死亡、失踪人数超过8万人。在地震灾害中，相当一部分的人员伤亡是由建筑物倒塌造成的。这使得需要强大抗震工程体系的我们需要把目光放在能够抗震的建筑上。而目前我国农村民用木结构建筑的抗震防灾技术相对薄弱，在大震中人员伤亡和财产损失较大。

[▲中国地震带及特大地震分布图  ©中国地震科学数据中心]

|  木结构建筑的抗震能力

【内在弹性】

木材属于柔性材料，具有良好的受力性，能够在短时间内承受高负荷，并保持其弹性和最终强度。

【重量轻】

建筑物的质量越小，地震波产生的惯性力就越小。哥伦比亚大学木材工程助理教授 Cristiano Loss 专门研究高性能木质系统和结构抗震的弹性，他通过研究指出 “木材比混凝土轻五倍，大大降低了建筑物中的地震力。”

【延展性连接】

木框架结构的框架构件、剪力墙和横膈膜中的多个钉连接能够表现出延展性，这使得木结构建筑能在突然的横向或水平压力下，可以通过位移而避免脆性断裂的可能性，使其能够对地震和大风事件作出反应，而不会出现严重的故障。
【冗余载荷路径】

木结构建筑往往是由重复的框架组成，使用的大量紧固件和连接件，这为地震力的消散提供了冗余的载荷路径，即便个别节点过载或失效，相邻节点通常会提供备用加载路径，减少了结构倒塌的几率。

【强度和刚度】

CLT 等 Mass Timber 工程木材板的厚度和固定组件的钉子的数量和尺寸赋予每个部件足够的刚度。剪力墙的重支撑可以抵御地震中常见的横向变形。


[▲木结构建筑的延展性和冗余载荷路径  ©VanDorpe Chou Associaties]


|  国际上开展的木结构抗震实验情况

【日本】

2021年日本福岛近海发生7.3级地震，导致150多人受伤，未发生人员死亡。日本在如此强烈地震下伤亡人员较少的原因与它建筑特色和抗震标准有关，日本住宅建筑的45%以上为木结构建筑形式。而木结构住宅中有七成的结构形式为现代梁柱式，其中采用的 PIKM 技术体系约占 90%。


当时世界上最大的抗震试验-6层全木结构抗震试验‍
时间：2009年7月14日
机构：日本兵库地震工程研究中心
2009年，日本和美国科学家进行了一次木结构建筑抗震实验。他们在一座实验工作台上建造了一座7层高的木结构建筑，并通过识别建筑在地震时受到的压力点和压力，强化建筑的承受能力，创造了新的结构模型，然后制造一次相当于里氏7.5级的人造地震。地震震动持续了40秒钟，震动结束后，建筑仅存在轻微的损坏现象，这表明木结构建筑对强烈地震有较高的耐受力。

[▲6层全木结构抗震试验  ©Simpson Strong-Tie]

【北美】

北美地区位于全球几个著名的地震带，是地震危险特别高的地区，需要尤其考虑抗风和抗震的建筑材料。在这个基础上，北美一直研究并计划通过测试来探究木结构的抗震特性。在北美，木结构建筑很普遍，与世界其他地区相比，地震造成的生命损失相对较低。



全尺寸10层Mass Timber木建筑振动台测试‍
时间：2019年9月至今(筹备中）
机构：北美研究机构 NHERI Tall Wood Project
项目计划在4年内完成的一系列研究任务，任务将包括高层木结构建筑的多种后张拉摇摆 CLT 墙系统的力学建模、影响弹性的结构和非结构建筑构件的脆弱性建模、建筑子组件系统的全尺寸双轴测试、基于韧性的抗震设计(RBSD)方法的开发，最后研究人员计划进行一系列10层CLT建筑样本的全尺寸振动台测试，以验证建筑的抗震设计。这项测试项目将提供一种新的高层建筑类型，能够通过解决城市化需求，同时增强韧性和可持续性，从而改变城市建筑景观。

[▲全尺寸韧性10层Mass Timber木建筑  ©NHERI Tall Wood Project]

中国首次PIKM现代木结构抗震实验

国内首次引进PIKM建筑体系、首次按照中国抗震标准进行日本二层PIKM木结构建筑抗震实验

时间：2022年11月

机构：中日多家行业协会、学术机构及企业合作完成，其中包括南京林业大学、中国木材保护工业协会、日本木材出口协会、BX KANESHIN株式会社、京都大学、东南大学。

| PIKM 简介

PIKM有两层含义，首先是此次中国引进的建筑体系特性总结，包括预制化（Prefabricate），信息化（Information），紧固件（BX Kaneshin），胶合木（GlulaM）；其次是支持该建筑体系发展的集团简称，即ポラテック株式会社（POLUS-TEC），伊藤忠建材（ITOCHU KENZAI），BXカネシン株式会社（BX Kaneshin），铭建工业合作集团（MEIKEN）。总而言之，PIKM所包含的信息是对现代木结构如何设计、生产、制造、施工的全产业链的精准描述，是品质的保障。

[▲实验现场  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

| 实验项目建筑所用的材料、设计、结构

【材料】
梁柱采用桧木集成材（柱截面尺寸为105mm*105mm，梁截面尺寸为105mm*105mm/150mm/180mm/210mm/250mm/270mm/300mm），楼板和屋面板采用厚度为24mm的结构用胶合板，墙体覆面板采用厚度为9mm的结构用胶合板。
[▲实验材料  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]


【设计】
整栋建筑按照日本木结构规范进行设计，包括梁柱节点的“N值计算法”、剪力墙的“壁量计算法”以及剪力墙配置的“四分割法”。

[▲设计图纸  ©阙泽利教授工作室]

【结构】
主体采用梁柱结构，使用高强度紧固件接合，墙体采用木框架剪力墙结构，钉接覆面板固定。

[▲实验结构  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

| 实验目的

验证按照日本木结构规范设计的PIKM木结构建筑在中国抗震设防标准下的抗震性能，以评价其抗震性能，为我国木结构抗震设计提供重要的科学数据。

[▲实验建筑搭建  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

| 实验技术指标

本次实验按照中国建筑抗震标准，分别在抗震设防烈度为7度设防、7度罕遇和8度罕遇下共39个实验工况对双层79.6平方米的足尺寸木结构建筑进行抗震实验。

[▲实验建筑内部  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

| 最终实验效果

在经受39次振动台试验后，木建筑整体梁柱结构未发生明显破坏或偏移，在一层剪力墙的极个别处发生了由于钉帽拉穿而导致的覆面板与柱梁剥离现象。  

[▲实验效果动图  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]




专访  南京林业大学阙泽利教授

阙泽利

南京林业大学木结构建筑方向学术带头人

日本京都大学客座研究员

承担多项木结构建筑领域国家级课题

及国际合作基金


D|W：此次木结构抗震试验具有哪些独特之处，在工厂预制、信息化、高强紧固件、胶合木等环节有哪些亮点？

阙教授 此次木结构抗震实验是国内首次引进PIKM建筑体系、全过程直播木建筑搭建工况、国内首次按照中国抗震标准进行日本二层PIKM木结构建筑抗震实验。
具体落实到环节上又具备了构件尺寸精确度高、部件分拣效率高、连接件安装便捷、搭建效率高速度快这些亮点。最大的亮点之一就是实验建筑的搭建效率极高、速度极快——所有构件均在工厂预制加工并标记产品信息，施工现场分拣效率高，过程安装过程中没有出现一处尺寸误差；紧固件品质优、易安装，可依照槽孔周边对应的产品信息提前安装到梁柱关节处，在胶合木梁的安装时，无需人工用力敲打木梁端部，利用木梁自身重力即可实现紧固件的顺利对接，再通过金属销钉的多角度固定，便可实现节点的紧密结合；因此，搭建双层79.6平方米的足尺寸木结构建筑仅用时2.5日便顺利完成。

[▲实验搭建现场  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

D|W：此次实验项目在抗震设计和节点设计方面有哪些值得我们学习和借鉴的地方？

阙教授 学习借鉴的地方包括可以加快国产高质量集成材关键生产技术研究、提高木构件的工厂预制化水平和产品信息化管理水平、加快高强度紧固件的研发及其强度技术准则的构建、建立适用于我国木建筑标准的结构计算方法。
[▲实验搭建现场  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

D|W：在中国发展抗震的现代木结构建筑是非常重要的，在未来木结构建筑的技术发展和推广过程中，在哪些方向亟需进一步探索和努力？

阙教授 需要被重视的主要方向包括工艺技术标准、产业链和人才。规范和完善国内相关工艺技术标准、推动本土的产业链的完善与发展、加快本领域科研和工程技术人才的培养，有可靠的标准、可用的人才以及可依托的产业链，木结构建筑的技术才能有更好的发展和推广。

[▲建筑内部  ©中国木材保护工业协会木结构产业分会]

D|W：作为中日木结构交流合作发展的重要推动者，您认为我们该如何从木结构建筑发展良好的国家中吸取经验？

阙教授 个人认为，知识是无国界的，在发展木结构的道路上，我们应该博采众家，吸收他国的先进技术，但在这学习过程我们不能完全照搬、照抄、照做，而目前我们这方面做的应该是相当不够，自主创新性弱、具有自己国家的特色与融入的非常缺失，希望通过大家的共同努力让我们国家的木结构发展更好！更强！
[▲NHERI Tallwood项目中测试的Mass Timber抗震木建筑 ©Shiling Pei, Colorado School of Mines.]

结语


钢筋、水泥和预制时代的到来加速了传统木结构建筑时代的衰落，而如今现代木结构建筑带着能够媲美钢筋、水泥的材料属性以及更高效的预制化产业链的发展可能性重振旗鼓，回到了时代面前。在此次的抗震实验项目中，我们看到了现代木结构在抗震上的优良特性，看到了中国速度与现代木结构的预制化速度相结合给我们带来的效率震撼。
地震是无法预防的，但基于研究和遵守建筑规范要求的合理设计和建造施工则可以大大减缓灾难的伤害程度。我国有地震频发的环境特性、生态建设为底色的发展土壤，国际有相对成熟且也仍在发展的木结构建筑技术，建筑产业本身走向环保时代、预制化时代，多个条件的催生，都使得现代木结构建筑逐渐显露出发展潜能和优势。我们期待现代木结构建筑能够给我们带来更多美好的建筑环境，但也正如阙教授所说，我们还有多个方向需要共进，需要在技术上博采众家的同时做到自主创新，需要多方力量的注入，这份潜能与优势才能有发挥的空间、前进的阶石。

[©Think Wood]

特别鸣谢：

中国木材保护工业协会木结构产业分会

南京林业大学阙泽利教授木结构工作室

对“中国首次PIKM现代木结构抗震实验”报道给予的大力支持！



文章部分内容来自
中国地震科学数据中心官网
https://www.archdaily.com/967285/is-mass-timber-a-good-choice-for-seismic-zones
Think wood：https://www.thinkwood.com/wood-construction-resilience
https://www.popularmechanics.com/science/environment/a4388/4324941/
http://nheri.ucsd.edu/projects/2017-development-validation-seismic-design/
图片来源
http://nheritallwood.mines.edu/






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