木材工程的案例
發展前景廣闊的木結構建筑
在生產環節：木材生產不影響生態環境，而鋼材和水泥的生產，為全球霧霾做了巨大貢獻，帶來的環境污染有目共睹；
在建設環節：鋼筋混凝土建筑產生的建筑垃圾要比木結構建筑多得多，還很難處理；
在使用環節：木結構建筑具有相對較好的保溫隔熱性能，可減少能源消耗；
在拆除環節：木結構建筑拆除后的木材易于處理，可循環再利用，無需填埋占用耕地。
國家標準《裝配式木結構建筑技術標準》正式發布實施，有利于推動木結構建筑發展。《標準》規定：
1、木結構材料不僅用傳統木材，還包括工程木材。工程木材和原木有本質區別，它是經過現代的工業手段和先進技術，加工成適合于建筑用的梁、柱等部品部件。工程木材比傳統木材具有高得多的強度和更好的性能。
2、木結構的連接方式也不僅是傳統方式，傳統的木結構是用榫卯等方式連接，現在增加了金屬部件等多種連接方式。
木材的強度其實不遜于RC結構。規范規定使用的木材抗壓設計強度值達20Mpa，但順紋抗剪強度只能達到2Mpa，差距較大。但現代化的林業工程、材料工程，采用疊合層技術，能夠幫助木材發揮更大的強度，更穩定的性能。
但《裝配式木結構建筑技術標準》又規定，裝配式木結構設計，尚應符合 《木結構設計規范》GB50005-2003，而這本《木結構設計規范》，規定木結構建筑不應超過三層，已嚴重制約了木結構建筑的發展（建筑高度、防火、防腐等）。
從古到今，木結構建筑超過三層的，比比皆是。《木結構設計規范》(GB50005-2003)是如何編出來的？依據又是什么？這本規范必須修改。
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石墨不但可作固體潤滑劑，可加入樹脂、金屬、陶瓷等材料中，增加這些材料的減摩性，還可直接作為摩擦副材料使用，如制作造紙、木材加工、紡織、食品等忌油場所的軸承，高溫滑動軸承，密封圈，活塞環，刮片等。 機械工程用碳石墨材料的“類”代表符號為M，有4個系列：碳石墨材料、電化石墨材料、樹脂碳復合材料和金屬石墨材料。
陶瓷
陶瓷是以無機非金屬天然礦物或人造化合物為原料，經粉碎、成形和高溫燒結而成的，由無數無機非金屬小晶體和玻璃相組成的非金屬材料。以無機非金屬天然礦物，如粘土、長石、石英等為原料制成的是傳統陶瓷；以人造化合物為原材料制成的是特種陶瓷。機械工程采用的陶瓷一般是以氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼等人造化合物為原料制作的特種陶瓷。陶瓷的性能在很大程度上決定于它們的顯微結構，包括晶粒尺寸和分布，玻璃相的成分和含量，雜質的性質、含量和分布。而顯微結構又由原料、組成和制造工藝所決定。陶瓷的共同特性是硬度和抗壓強度高、耐高溫、耐磨、抗氧化、耐腐蝕性好、質脆、不耐沖擊和無延展性。陶瓷是一種較新的無潤滑軸承的軸瓦材料，特別是SiC和Si3N4，它們的強度、耐熱性和耐蝕性都很好，摩擦學性能也很好。
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木材細胞壁包含直徑3-5nm的纖維絲，以及木質和膠質等物質。此外，纖維絲、半纖維素和木質素的交互結構，造就了木材優越的機械性能。胡老師課題組通過對木材簡單的處理，大大改善木材的性能。研究人員將木材中的木質素去除，代之以聚合物，最后木材的透光率可達90%，且力學性能大為改觀，強度也提升了4-6倍。這種結構材料可應用在同時要求機械性能和透光性能的場合下。比起玻璃，這種透明的木頭在受到一般程度的擠壓下不會破裂。[1]
普通的木材在許多先進的工程結構應用中表現出性能不佳的缺點。雖然用蒸汽、氨水或冷軋預處理木材，將其致密化，可以大大提高木材的機械性能，但是致密化程度并不能滿足現有技術對木材機械性能的要求。研究人員通過在NaOH和Na2SO3的含水混合物的沸騰過程從天然木材中去除木質素和半纖維素，隨后進行熱壓，導致細胞壁的完全塌陷，使天然木材中的纖維素納米纖維完全致密化。這種致密化程度比之前的處理方法得到的致密化度更高，得到的壓縮木材具有比大多數金屬和合金更高的強度，使其成為低成本、高性能、輕量級的替代品。這種超強木頭刷新了木材在工程上的應用，胡老師之后會不會考慮用超強木材造汽車呢？讓我們期待一下~[2]
繼“超強木頭”的開發之后，胡老師又成功的將木頭做成高彈性的“木炭海綿”。研究人員先通過化學處理去除木質素和半纖維素破壞了天然木材的細胞壁，產生具有許多堆疊拱形層的層狀結構。在高溫碳化之后，層狀結構仍可以很好地保存下來。這種層狀結構具有高達80％的高可壓縮性，且在50％應變下展現出10,000個壓縮循環的高抗疲勞性。同時，這種木炭海綿在壓縮時也表現出靈敏的電導率變化。胡老師不僅可以提高木頭的透光率、強度，還可以將木頭做成高彈性的海綿。不得不佩服胡老師的創新能力，看似普通的木頭，卻做出不一樣的性能。
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（A）樹脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷凍和干燥后具有取向孔道結構的聚合物干膠；（C）固化后的樹脂基仿生木材；（D）酚醛樹脂基（上）和密胺樹脂基（下）仿生木材實物照片
圖2.仿生人工木材的照片、結構和力學性能。（A）酚醛樹脂基人工木材與微觀結構；（B）密胺樹脂基人工木材與微觀結構；（C）人工木材的力學性能與其他工程材料對比圖。
與天然木材相比，仿生人工木材最大的優勢在于其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。研究中，由于選用熱固樹脂材料作為基體材料，所制備的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蝕的特點，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學強度均沒有衰減。得益于其取向孔道結構和孔壁中復合的納米材料，與石墨烯復合的人工木材具有很好的徑向（垂直于孔道方向）隔熱效果，最低熱導率可達20.8 mW/mK（毫瓦每米每開爾文）。考慮到人工木材的高比強度（壓縮強度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實用性。
易燃性是天然木材在實際應用中面臨的最大問題，而防火阻燃則是人工木材最大的優點，通過復合不同的納米材料可以進一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能夠迅速自熄滅，這正是天然木材無法克服的缺點（圖3）。
圖3.人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO復合木材；（d）巴爾杉木。
作為新型的仿生工程材料，其多功能性優于傳統的工程材料，這類人工木材有望代替天然木材，實現在苛刻或極端條件下的應用。此外，這種合成方法為制備和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新思路，其功能的可設計性等優點將有助于拓寬該方法和制備的材料在多種技術領域中的應用。
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2018世界結構大獎揭曉
圖片：?Saul Osborne Photography
圖片：?Saul Osborne Photography
圖片：?Saul Osborne Photography
圖片：?Saul Osborne Photography
小型項目獎：Herne Hill Velodrome
結構設計：
Heyne Tillett Steel
建筑設計：
Hopkins Architects
項目地點：
倫敦，英國
項目概述：
這座建筑位于奧林匹克運動會之前舉辦的自行車活動場地上，并成功提供了一個現代化的工程木材涼亭，利用了原始1891年建筑的一些元素： 例如鑄鐵支柱，支撐主要600毫米深的歐洲白木膠合木梁。這些主梁形成了展館獨特而極具美感的屋頂輪廓。結構細節非常優雅。
圖片：?Simon Kennedy
圖片：?Simon Kennedy
圖片：?Simon Kennedy
圖片：?Simon Kennedy
遺產結構獎：The Hoover Building
結構設計：
Interrobang
建筑設計：
Interrobang
項目地點：
倫敦，英國
項目概述：
被列為二級保護建筑的裝飾藝術風格建筑，從辦公室改為66套住宅。該項目需要仔細考慮設計，補充歷史建筑并利用現有結構，同時通過在現有樓板之間增加額外水平來改造建筑物。整體翻新和建筑成本低于2000英鎊/平方米，為該項目帶來了巨大的商業和文化價值，為建筑帶來了新的生機。
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