木结构坡屋顶是如何构造的

此生多坎

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。
  
  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）。
  
  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。
  
  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。