木结构框架建造:平台式、气球式与木构架

木结构框架建造,是由大量标准尺寸的小截面木料——立柱、搁栅和椽子——组成骨架承受荷载,再用胶合板或定向刨花板(OSB)做外覆面板的建造方式。维基百科称轻型框架比重型框架使用更多、更小的支撑构件,并称它是北美和澳大利亚的主流建造方式。更重的另一种做法——木构架——则用数量更少、截面大得多的木料。

数据也支持「主流」这个说法。美国人口普查局《2025 年新建住宅特征》显示,当年竣工的自建独栋住宅中 96% 为木框架、2% 为混凝土;出租型多户住宅楼中 84% 为木框架,钢框架占 6%。

• 地梁板(sill plate)——直接铺在基础上的防腐木构件(Procore)。
• 底梁板与顶梁板——每面墙底部和顶部的水平构件,用 1-1/2 英寸厚的木料(维基百科)。
• 立柱(studs)——墙体竖向构件,常用 1-1/2 x 3-1/2 英寸(即 2x4)或 1-1/2 x 5-1/2 英寸(即 2x6),中距 16 英寸,按荷载也可用 12 或 24 英寸。
• 过梁(headers)——门窗洞口上方的水平构件,把荷载绕过洞口传下去。
• 短柱(cripples)——底梁板与窗台之间、或过梁与顶梁板之间的短立柱。
• 搁栅(joists)——承托楼板和天花板的水平构件。
• 椽子(rafters)——承托屋面的斜向构件。
• 覆面板(sheathing)——钉在外侧的胶合板或 OSB;跨度等级和胶合等级见胶合板种类。

所用木料几乎都是软木。USDA《木材手册》指出,零售木料场的规格材分为 Select Structural、No. 1、No. 2 和 No. 3 等级,通常只备一两种通用建筑用材,如松、冷杉、铁杉或云杉;2x4 还可能有 Construction、Standard、Utility 和 Stud 等级。印有 S-DRY 的木料,刨光时含水率不超过 19%。

这是轻型木框架的两种主要做法再加上重型做法,基本覆盖了「框架有哪几种」的问题。

• 平台式框架——每层楼单独做成一个平台,上一层的墙体立在这个平台上。维基百科标注其年代为 20 世纪 40 年代至今,是如今最主要的做法。规范传统上限制为四层,部分地区现已放宽到六层。
• 气球式框架——长立柱从一层地梁一直通到屋顶顶梁。最早有明确记载的是 1832 年芝加哥的一座仓库;20 世纪 20 年代高大树木日渐耗尽,这种做法随之衰落。它的弱点是防火:相连的立柱空腔中没有防火隔断,维基百科指出火势可在几分钟内从地下室蔓延到阁楼。
• 木构架(梁柱结构)——方正、精细配合的重型木料,截面通常 6 到 12 英寸,以榫卯或更复杂的接头相连,并用木销固定;轻型框架构件则约 2 到 10 英寸。现存最早的法国半木结构建筑可追溯到 12 世纪。接头原理见榫卯接头。

如果某份清单问「五种类型」,一种合理的凑法是在这三种之外再加上半木结构——木构架的构件之间用其他材料填充,也就是那些 12 世纪法国建筑的样式——以及轻钢龙骨框架(用盘头自攻钉或螺栓连接的钢立柱)。

木结构行业的设计支持机构 WoodWorks 指出,轻型木框架可用于最高六层的 III 类和 V 类建筑;裙楼式项目可以在另一种结构类型(通常是 I-A 类混凝土)之上建造最多六层木框架——也就是底下是商铺或车库、上面是公寓的「6+2」混合用途建筑。单纯的平台式框架传统上限四层,部分地区现已允许六层(维基百科)。具体地块适用什么规定,以当地建筑主管部门为准。

• 造价——Procore 施工资料库称,木框架通常比钢和混凝土框架便宜,用基本工具就能施工。实时市场参考:NAHB 引用 Madison's 木材价格指数,报告 2026 年 9 月 18 日框架木材综合价为每千板英尺 515.93 美元,同比上涨 8.4%。
• 碳排放——USDA《木材手册》表 1-1 引用 CORRIM 生命周期研究,比较了木结构与非木结构住宅设计:在明尼阿波利斯,木结构设计的全球变暖影响比钢框架设计低 26%;在亚特兰大,比混凝土框架设计低 31%;隐含能分别低 17% 和 16%。
• 市场占有——2025 年竣工的自建独栋住宅中木框架占 96%,混凝土占 2%(人口普查局)。

超过 WoodWorks 所说的轻型框架 III、V 类建筑六层上限后,就需要其他结构类型,这也是裙楼式建筑用混凝土底座承托上部木结构楼层的原因。

• 受潮与腐朽——《木材手册》指出,把木料干燥到含水率 20% 以下并保持干燥,就能防止腐朽菌生长。渗漏、泛水不良和冷凝,正是腐朽的起点。
• 白蚁——手册的建议是不给白蚁隐蔽通道:基础用混凝土、防腐木或其他白蚁无法穿透的材料;架空层中木搁栅离地至少 18 英寸、主梁至少 12 英寸,并在裸露地面铺聚乙烯防潮膜;清走工地上的模板桩、树桩和废木料。
• 防火——木材可燃,气球式框架贯通的立柱空腔曾是火势向上蔓延的典型通道;平台式框架每层单独做成平台,墙体空腔不会从一层贯通到另一层。
• 木料质量与收缩——Procore 指出,速生的新生林木材密度低、更轻,可能导致更多收缩和强度不足;施工现场管理混乱还会产生大量废料。

对于老房子,框架也能透露建造年代:立柱贯穿楼层线,说明是气球式框架,通常建于 20 世纪 50 年代之前。

不同框架用材的性能不同。根据《木材手册》表 5-3b(含水率 12%),抗弯强度(断裂模量)海岸花旗松为 12,400 psi,火炬松 12,800 psi,长叶松 14,500 psi,北美云杉(Sitka)10,200 psi;弹性模量海岸花旗松为 195 万 psi,北美云杉为 157 万 psi。装修拆开墙体、又看不到等级章时,端面、颜色和松脂气味仍有助于把松木与花旗松、云杉区分开。WoodLens 可以根据锯切端面的照片判断最可能的树种;花旗松和南方黄松页面列出了识别要点。

几乎每栋平台式框架住宅的木龙骨墙都按同样的顺序施工,维基百科"框架结构"条目是这样描述的:

• 放样上下槛。 用和立柱同宽的木料,按墙长截出一根底槛和一根顶槛,把两根并排,一次划出立柱位置,通常中距 16 英寸。
• 标出洞口。 每个门窗处标出一根通高的主立柱(king stud)、一根承托过梁的副立柱(jack/trimmer),以及窗台下和过梁上的短柱(cripple)。
• 在楼板上平铺组装。 在上下槛之间钉立柱,做过梁(通常是两根 2 寸料夹垫块凑成立柱宽度),架在副立柱上。
• 按设计先钉覆面板。 胶合板或 OSB 常在墙还平放时就钉上,起抗侧向变形的支撑作用。
• 立起、支撑、固定。 把墙立起来,加临时斜撑,从底槛钉穿楼板固定。
• 加第二道顶槛。 双顶槛把各面墙连成整体;它的接缝与下层顶槛接缝至少错开一个立柱间距。

承重墙允许的立柱尺寸、间距和高度由当地建筑规范规定,请先查规范;特别高或荷载特别大的墙,请工程师计算。

维基百科的"框架结构"和"墙立柱"条目给出的标准是:立柱用 1.5 x 3.5 英寸的木料(即 2x4),中距 16 英寸(410 毫米),视荷载调整为 12 或 24 英寸(300 或 610 毫米)。2x6 立柱(1.5 x 5.5 英寸)做出的墙更厚。

"中距"是从一根立柱的中心量到下一根的中心,所以中距 16 英寸的两根 2x4 之间净空是 14.5 英寸。在石膏板后面找立柱时,从墙角起按 16 英寸间隔找,每个门窗两侧还会有额外的立柱。

立柱本身是软木。覆面板见我们的胶合板种类指南,为什么框架材用软木见硬木与软木页面。