木结构坡屋顶是如何构造的?(转载)

导读:
木结构坡屋顶是低层住宅常用的结构形式,在乡村住宅、别墅中十分普及,但是由于建筑师的忽略,导致这些建筑往往粗制滥造,或者干脆采用混凝土板,严重影响了住宅的美感与实用性。

对比于发达国家,我国的乡村住宅设计与施工还有一定差距。究其原因,不能仅仅归结于经济水平的差距,更多的是建筑师对木结构屋顶似懂非懂,只重外在形式而忽略内在结构,导致很多住宅徒有其表,金玉其外败絮其中。深层次的原因,是建筑师习惯了“独善其身”,不去关注结构与构造设计,最多是在施工图中了解标准图集,没有任何推陈出新的愿望,于是就形成了很多技术进步缓慢的局面,这一点与建筑师的责任是分不开的。一名真正的建筑师,应当承担起实际建造与外在美感的双重责任,这就要求建筑师在追求设计美感时,要充分重视建筑的结构形式与建造方式,方能由内到外形成一件具有美感与实用性的作品。否则,会被外行误认为是纯粹玩弄建筑外形的“花架子”。

绪论

对于独立乡村住宅与别墅,为什么木结构坡屋顶更具魅力?这种情怀难以言表。但不得不说的是,从心理上,你如果告诉他这坡屋顶是木结构的,他自然会在头脑中冒出“阁楼”、“温暖”等这些语汇。事实上,从功能上来讲,布线可以通过闷顶空间,而且闷顶空间处理得当还以兼顾冬季保暖与夏季通风隔热的功能。

木结构坡屋顶主要分为两大部分:木结构屋架与屋面。木结构坡屋顶有单坡、双坡与四坡之分,其中,双坡与四坡屋顶最为常用。本文所述的木屋架不包括抬梁式、穿斗式这种重型屋架,而是现代采用的轻型木屋架。

一、木结构屋架

现代木结构住宅大多数采用轻型木结构屋架,按照受力形式可以分为棒式框架(stick framing)和桁架式框架(truss framing)两种。

1.1棒式框架(stick framing)

棒式框架是较为传统的一种结构形式,它是指屋架的持力构件是一个个单独的“棒”,这个“棒”可以是椽条(raffter)或檩条(purlin)的一种结构形式。如下图为椽条(raffter)持力屋架图示。(注:一些归纳是笔者的个人理解,出于便于理解的目的,做了“规律性”的总结,如果有一些出入与错误,也在所难免)

可见,棒式框架的明显特点是主要持力构件是椽条(raffter)(一般椽条间距不大,可以直接在上面铺设屋面板),依靠顶端的屋脊板(ridge)与其他椽条(raffter)结合,以及椽条下端的双层板(double plate)来作为受力垫层。

为了保持椽条之间的连结性,在顶部的屋脊板(ridge)的下方要设置屋架拉杆(collar tie),纯粹起到联系的作用。

对于坡度较缓的坡屋面,一般不去利用屋架的顶部空间,那么为了保持屋顶的平整以方便使用,一般会设置天花板龙骨(ceiling joist)(不是持力构件),上面铺钉面板即可。

另外一种棒式框架是檩条(purlin)持力,在我国广泛采用。如直接将檩条搁在横向山墙上,形成硬山搁檩。然后在檩条上铺设与其方向垂直的椽条,再铺望板,最后再考虑瓦屋面做法。

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以上便是棒式框架木结构的主要构件元素分析,但实际上,由此原型衍生出无数的变种,很难辨识,只要清楚掌握棒式框架木结构的主要特点即可理性分析,明确结构。

1)椽条持力与檩条持力的差异

经过以上分析,可以直接明了地知道椽条持力与檩条持力的区别。明显地,硬山搁檩的檩条持力结构明显会使建筑变得过于笨拙沉重,不如椽条持力那么轻盈。

硬山搁檩早期在我国农村长期存在,因倾斜而裸露的屋顶逐渐被淘汰,代之而起的是钢筋混凝土板坡屋顶(小洋楼最常见),这是对坡屋顶形式的简单模仿,而且天花板还是倾斜的。

欧美的棒式框架椽条持力屋架之所以轻盈,是因为它是椽条持力,不需要山墙也可以解决受力问题,只需要在棒式屋架的端部位设置山墙墙体立柱(Gable Wall Stud)来支撑,下方增加横向双层板与纵向的相连即可。而且天花板一般做平整。因此,欧美(尤其是美国)的坡屋顶只是外在形式,室内天花是平整的。

其实檩条持力棒式屋架也可以做到。在日本,将传统檩条椽式这种形式稍有改变,其形式与我国传统抬梁式有同样的效果,只不过更为简洁,这与其精细的工艺是分不开的。

2)屋顶坡度与空间利用关系

棒式框架木结构屋顶坡度有缓有急,主要是出于对屋架空间利用的考虑。由于屋架空间是具有一定坡度的,因此,不好利用,一般都是出于造型目的。出于美观的需要会用天花板龙骨(ceiling joist)封住,可以让天花平整。

当然,也有习惯利用屋架下的空间的,比如德国独立住宅常常习惯利用屋架下的空间。这种利用也是具有一定原因的。德国传统住宅,常常把客厅、餐厅等空间布置在首层,而习惯把卧室布置在二层,因此,二层的卧室主要用来睡觉,对空间要求不甚高。这样一来,就必须加大棒式框架屋顶的坡度方能形成合适的空间,于是就形成了空间维护墙体内倾,天花板平整的现象。因此,德国传统住宅极为陡峭的形象便是出于这种功能的考虑。

1.2桁架式框架(truss framing)

对于美国、日本等一些国家,不习惯利用屋架空间,因此常把坡度做缓,因此可以把棒式框架(stick framing)的天花板龙骨与屋架连接起来形成桁架共同持力,从而形成桁架式框架(truss framing)。

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由图中可见,整个桁架成为持力构件,因此相应地名称也发生了变化(因为各个构件开始持力,为了区分棒式框架)。桁架式框架(truss framing)不再有椽条(raffter),而是具有上弦(top chord)、下弦(bottom chord)以及腹杆,包括斜腹杆(truss web)和垂直竖杆(king post)。

相比于棒式框架,桁架式框架由于是整个框架持力,因此要保持上下弦杆件与腹杆在同一个平面内,故而需要金属齿板(metal gussets)来连接。

1)桁架间距与附加构件的关系

桁架的构件截面尺寸如果相对不大,那么出于安全的考虑,应当缩小桁架的间距,桁架式框架木结构屋顶便无需附加构件,可直接在桁架上铺设屋面板。

一般情况下,桁架式框架一般利用两端的承重墙体或木梁、柱进行支撑,由于间距不大,因此可以直接铺设屋面板,桁架之间也无需连接构件。如美国一独立住宅,桁架框架紧密的搭载下部木木梁、柱上,上面直接铺设屋面板,上部屋架空间可用于布线。

如果桁架框架的构件截面尺寸较大,持力效果好,那么就会增大之间的距离,桁架之间附加檩条(purlin)与椽条(raffter)以方便铺设屋面板(与坡度方向垂直的木构件称为檩条(purlin),与坡度方向平行的木构件称为椽条(raffter),屋面板上木构件称为顺水条与挂瓦条,请勿混淆)。这种形式在我国得到广泛采用。

 2)半屋架与异型屋架

对于桁架式框架,由于下弦的存在,因此一般情况下,没必要去利用屋架空间(闷顶),主要用来布线、放置设备、检修等作用。由此,屋顶坡度也没必要做得过大,更不用依靠山墙,故而常常做成四坡屋顶。

四坡屋顶的斜脊或天沟处值得关注。比如斜脊处常常出现半屋架、异性屋架或木梁。

对于四坡屋顶,由于一般在平面上呈45°布置,因此横向屋顶的端部位较为薄弱,一般可适当增加一个或多个异性屋架,然后布置椽条(如果是桁架间距较大的有檩体系,椽条称则为木梁)。

二、屋面

以上分析了木结构屋架,而且可以发现一个现象:欧美西方国家的独立小住宅习惯使用无檩体系,如棒式框架,除了的上端和下端两根构件,几乎再没有垂直于坡度方向的构件,而是依靠紧密的椽条来铺设屋面板;对于桁架式框架亦如此,其习惯使用间距紧密的桁架来铺设屋面板,几乎没有垂直于坡度方向的构件(下弦上用于铺钉天花板的纵向构件除外)。而亚洲国家,以我国和日本为例,习惯于采用有檩体系,无论是棒式框架,还是桁架式框架,均把檩条当做主要构件,如棒式框架的硬山搁檩,以及桁架框架上的檩条。

明白了欧美西方国家与亚洲国家木结构坡屋顶的区别,对于理解屋面的构造至关重要。

2.1屋面构造

对于安装好的木屋架,应该考虑屋架保温隔热的需求。对于利用屋架空间的住宅,应该对整个屋架进行保温处理。一般情况下是在屋架之间的空隙填塞保温材料,如XPS挤塑聚苯乙烯泡沫板、不燃型玻璃纤维保温毡毯等。

保温层填塞后,为了防止室内蒸汽的进入,会再外面铺一层防潮隔汽膜,然后铺设木隔板,最后在木隔板上铺钉一层防火双面纸面石膏板,对于卫生间应铺设防水纸面石膏板。最后只需对石膏板做粉刷处理即可。

屋架内的构造层次如上所述,屋架外的构造则是直接在屋架上铺设OSB定向刨花板,然后在OSB板上,铺设一层防水保护卷材,最后屋面外表铺设固定沥青油毡瓦片,当然也可以铺设彩钢板或增加顺水条、挂瓦条以铺设波形瓦等。

由此,由内到外的构造层次应为:防火纸面石膏板——防潮隔汽层——保温层——屋架——屋面板——防水卷材——沥青油毡瓦(或其他瓦)

目前,考虑到屋架内填塞保温层的麻烦,不如直接将屋架承重与保温合二为一,形成SIP(Structural Insulated Panels),承重断热板。SIP板是双面OSB定向刨花板,中间为保温材料的承重构件,可以自由分割。SIP板可适用于墙体、地板、屋顶等,关于它的详细介绍将在以后阐述。

2.2屋面排水

木结构坡屋面如果不进行有组织排水,下雨天屋檐就会出现“水帘洞”的现象,严重影响建筑的使用与品质。

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一般情况下,为了防止水流浸湿墙体,首先应对坡屋面进行挑檐处理。关于挑檐处理,欧美的无檩体系与我国的有檩体系还是有较大差别的。首先,欧美的无檩体系由于是直接依靠椽条持力(对于桁架来讲,就是上弦或下弦),因此将椽条悬挑出外墙一些很容易就可以做到。

对于我国的有檩体系,由于是檩条持力,檩条上面铺设椽条,然后再铺钉屋面板。如果依靠椽条悬挑,那必然不甚安全,承载较弱,因此需要在檐下增加檩条,檩条只能通过附加木来承载。对于桁架框架来讲,也可以通过附加木实现,不过最好是通过桁架上弦或下弦局部悬挑来实现。

屋架挑檐后,还应对雨水进行有组织排水处理。一般坡屋面采用檐沟外排水的形式。檐沟如果采用现浇混凝土,则太笨重,因此可以选用预制混凝土或金属板、塑料板槽作为檐沟,直接安装在屋檐处即可。

除了屋檐的排水需要关注外,屋脊与天沟的防水排水也是坡屋顶重要的节点。对于屋脊,可以采用屋脊瓦即可实现。对于天沟,由于是阴角,因此不便铺设瓦才,因此可以在防水卷材上铺设镀锌金属板(或成品天沟)进行防水。