胶合层叠物结构构件和生产这样的胶合层叠物结构构件的方法与流程

本发明涉及结构构件,所述结构构件可被用作梁(beam)、搁栅(joist)、立柱(stud)、墩(pillar)等。本发明还涉及生产所述结构构件的方法。

背景技术：

目前，胶合层叠(glue-laminated)梁(“胶合层叠物(gluelam)”)在欧洲大多数情况下根据DIN 1052:2008(德国标准)或DIN EN 14080:2013-09(统一的欧洲标准)生产。以视觉分级或机器分级的板2堆积(build up)成梁1(图1)，所述板2以传统方式生产在锯木厂中在窑内烘干。

胶合层叠物生产商将这些板作为原材料，将它们分级并且通过切除缺陷(例如节疤(knots))而生产所需的薄板(lamellae)，并且将这些块指形接合3在一起。在已经将指形接合的薄板2刨平(planed)之后，施加胶水并且通过将薄板2胶合在一起形成梁。最终步骤可包括将梁刨平、去除光学缺陷、包装和将其装填。

因此，传统上，根据US5816015的图1所描述的方案将木材(timber)锯成厚木板(plank)或薄板，该专利公开了通过将多个厚木板或薄板层叠在一起形成木梁的替代方法。

EP1277552A2公开了相似的形成木梁的方法，其通过将木材的圆块切成多个具有梯形(trapezoidal)横截面的条(strips)并且将块(piece)层叠在一起因此形成梁。

US4122878公开了将相对小直径的轻木(balsa wood)转化成板材(panel)。

仍存在提供改进对木材原材料的利用的需要，以及对具有改进的强度的梁和/或降低不同梁之间的强度的变化的需要。

技术实现要素：

本发明的总目标在于提供改进的结构构件，例如梁、搁栅、立柱、或墩等。特别的目标包括提供更好地利用现有原材料且更强的结构构件。进一步的目标包括提供对结构构件生产方法的改进的控制，这样所得构件的性质将呈现更小的变化。

通过所附的独立权利要求限定本发明。在从属权利要求中、在下面的说明书中以及在附图中阐明实施方式。

根据第一方面，提供呈现预设的主要弯曲方向的结构构件，例如梁、立柱或格栅。所述结构构件包括多个胶合木质薄板(lamella)，每个都具有与结构构件的横截面平行的薄板横截面和与结构构件的纵向以及木质薄板的主纹理方向平行的纵向。所述薄板依照原木的径向切面形成且呈现三角形或梯形的横截面，以及呈现在木材的径向外侧部分形成的各自的底面(base surface)。将所述薄板排列成至少一个层，在所述至少一个层中，一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向。所述底面与弯曲方向垂直。

术语“梯形(trapezoid)”是英式(British)英语术语“梯形(trapezium)”的美式英语等价物。将术语“梯形”定义为具有一对平行边(称为“底”，base)和一对非平行的斜边(leg)的凸四边形。

术语“弯曲方向”可被“横向载荷方向”(transversal load direction)代替，其对于以下情形可能是更相关的：其中结构构件为在其全部或一部分上受到横向载荷梁的形式。

因此，本发明是基于这样的理解，强度性质(拉伸以及弯曲强度)从木髓(pith)到树皮径向地升高。因此，就强度性质而言，最年轻的(即位于最外侧的)木材是最有价值的。然而目前锯木技术造成大部分位于最外侧的木材被转化为碎片(chips)而不是锯材(sawn-goods)，本发明提供了对最有价值的木材的强化的应用，因为本发明的发明构思将造成形成总是包括木材最外侧部分木块。

在使用相同量的原料的情况下，根据本公开内容形成的梁估计可获得约10％的强度性质的提高。

所述薄板可具有等腰三角形和/或等腰梯形的形状。

虽然其他横截面是可能的，包括变化的或交替的横截面，但是从生产角度来说，对于所有薄板等腰梯形形状表现为是最实际的一种。

在所述薄板中，年轮的曲率(curvature)半径的可随着离底面距离增加而降低。

因此，木材最年轻的部分将存在于主底面且树木的年龄朝着次(较小的，minor)底面增加或朝着三角形顶点而增加，视情况而定。

结构构件包括至少两个胶合在一起的薄板的层，所述薄板以这样的方式排列，使得一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向。

因此，本公开内容提供了结构构件设计的模块化(modular)方法，其中可使用标准化的建筑砌块(building block)形成多种具有不同性质的结构构件。

如从垂直于底面的方向看到的，所述层可呈现不同的厚度。

如从弯曲方向看到的，位于结构构件外部面(outer face)较近的层比位于结构构件外部面较远的层呈现更少年轮数量。

在具有更少年轮数量的层中，那些底面朝着相同方向且构成该层最大部分体积的薄板可比位于离外部面更远的薄板的层具有更大的平均年轮曲率半径。

因此，外部层(outer layer)将具有更高的强度。

薄板可由这样的木块形成，所述木块为原木的径向扇形块(sector)，所述径向扇形块各自的顶点和弧形部分被切除。

薄板可呈现梯形的横截面，并且薄板的主底面可显示比薄板的次底面更少的每面积单位切断的(cut-off)木质纤维。

因此，在主底面的木质纤维将比次底面的木质纤维以更高的程度保持完整。这意味着，具有最大强度的木质纤维的品质将被保留且原材料的固有强度将被最大程度地利用。

至少一个薄板可由至少两个木块形成，所述两个木块短边(short side)对短边接合在一起，优选通过指形接合在一起。

根据第二方面，提供胶合层叠物梁，其包括如上所述的结构构件，其中所述梁具有呈现水平取向的短边的伸长的横截面，其中底面与短边平行。

根据第三方面，提供如上所述的结构构件作为梁、搁栅、立柱、墩或墙元件的用途。

这样的梁可以是直的水平梁或倾斜梁，即具有相对于水平方向夹角为0°-90°的梁。

梁也可是弯曲的。

墙元件可用来提供墙的全部或部分。典型的墙元件可具有对应于所需房间高度的高度，典型地约为2.1-4m，也许最可能在2.2-3m的范围。这样的墙元件的宽度可为例如0.6-25m，也许最可能0.6-15m或0.6-6m。

根据第四方面，提供形成呈现预设的主弯曲方向的结构构件例如梁、立柱、或搁栅的方法。所述方法包括沿原木主纹理方向将原木(log)切割成多个木质薄板，所述木质薄板的横截面为三角形或梯形并且呈现在原木的径向外部处形成的各自底面。所述方法进一步包括将所述薄板排列为至少一个层，在所述至少一个层中，一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向；和沿着薄板的长边将薄板胶合在一起。所述方法还包括这样排列薄板，使得底面垂直于弯曲方向。

在所述方法中，可用等腰三角形或等腰梯形横截面形成薄板。

使薄板形成梯形横截面可包括使待形成的薄板的各自主底面与木材的最外部表面对齐(align)，使得与次底面相比，更少的每面积单位的木质纤维在主底面处被切断。

所述方法可包括干燥步骤，其中将薄板干燥(优选在窑内干燥)至适合层压(lamination)的水分含量。

所述方法可进一步包括刨平步骤，其中将薄板和/或层刨平以提供用于层压的足够平坦的表面。

所述方法可包括切除包括底面的层的一部分和将该部分胶合至所述层的相对一侧或胶合至另一层的一部分，所述另一层形成结构构件的一部分且与所述切除部分平行。

还根据另一个发明构思，提供包括多个胶合在一起的木质薄板的建筑部件，例如梁、立柱、搁栅或片材，每个都具有与结构构件的横截面平行的薄板横截面和与结构构件的纵向方向并与木质薄板的主纹理方向平行的纵向。所述薄板作为原木的径向切面形成且呈现三角形或梯形的横截面以及呈现在原木的径向外部处形成的各自的底面。将薄板排列成至少一个层，在所述至少一个层中，一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向。与薄板的次底面相比，薄板的主底面呈现较少的每面积单位切断的木质纤维。

因此，在主底面的木质纤维将比次底面的木质纤维以更高的程度保持完整。这意味着，具有最大强度的木质纤维的品质将被保留且原材料的固有强度将被最大程度地利用。

该第二个发明构思可在有或没有垂直于建筑部件的横向载荷方向或弯曲方向的底面的情况下使用。

在薄板中，年轮的曲率半径可随着离底面距离的增加而减少。

因此，木材最年轻的部分将存在于主底面并且木材的年龄朝着次底面或朝着三角形顶点的方向逐渐升高(视情况而定)。

建筑部件可包括至少两个胶合在一起的薄板的层，所述层以这样的方式排列：一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向。

因此本发明提供了建筑部件设计的模块化方法，其中可使用标准化的建筑砌块形成多种具有不同性质的建筑部件。

如在垂直于底面的方向看到的，所述层可呈现不同的厚度。

如在弯曲方向或横向载荷方向看到的，位于离建筑部件的外部面较近的层比位于离所述外部面更远的层呈现较少数量的年轮。

在具有较少数量的年轮的层中，那些底面朝着相同方向且按体积计构成该层最大部分的薄板可比位于离所述外部面更远的层的薄板具有更大的平均年轮曲率半径。

因此，所述外侧层将具有更高的强度。

薄板可由这样的木块形成，所述木块为原木的径向扇形块，所述径向扇形块各自的顶点和弧部分被切除。根据第二发明构思的第二方面，提供如上所述的建筑部件作为梁、搁栅、立柱、墩或墙元件的用途。

根据第二发明构思的第三方面，提供形成呈现预设的主弯曲方向的建筑部件(例如梁、立柱、搁栅或片材)的方法。所述方法包括沿原木的主纹理方向将木材切割成多个木质薄板，所述木质薄板的横截面为梯形并且呈现在原木径向外部处形成的各自的底面。所述方法进一步包括将所述薄板排列成至少一个层，在所述至少一个层中，一对紧邻的薄板的底面朝着相对的方向，并且沿着薄板的长边将薄板胶合在一起。使得薄板形成梯形的横截面包括将待形成的薄板的各自主底面与原木的最外部表面对齐，使得与次底面相比，更少的每面积单位的木质纤维在主底面处被切断。

附图说明

图1示意性地展示了现有技术胶合层叠物梁。

图2示意性的展示了根据本发明构思的胶合层叠物梁。

图3a-3c示意性地展示了根据本发明构思的胶合层叠物梁的不同实施方式。

图4示意性地展示了根据本发明构思的胶合层叠物梁的层的一部分。

图5a-5c示意性地展示了根据本发明构思的胶合层叠物梁的不同实施方式。

图6a-6j示意性的展示了根据本发明构思的胶合层叠物梁的生产中可使用的步骤。

具体实施方式

在本公开内容中，将参照梁10来阐述发明构思，所述梁10呈现横截面和纵向L且典型地意在接受或支撑一个或多个载荷，所述载荷可或多或少地均匀分布在梁10纵向的全部或部分上。在最实际的情形中，力将是竖直的，且因此，梁10的竖直弯曲将是最相关的。

如图2中所示，横截面可为基本上矩形的，其中矩形的短边为基本上水平的。出于简化起见，由短边界定的表面将称为“上部面”和“下部面”。矩形的长边界定了梁的侧表面。这样的梁可基本上水平地布置，或其可以相对水平方向的一个角度延伸，例如支撑楼梯、房顶等。仍作为另一个实施例，所述梁可为弯曲的，例如为了支撑弧形的房顶。

图2因此示意性地示出了梁10，其由薄板20a、20b的三层L1、L2、L3形成。弯曲方向B按照其中典型的横向载荷对梁10起作用的方向示出。因此，对于经受横向载荷(例如垂直取向的载荷)的梁，弯曲方向B将与横向载荷方向一致。

薄板20a、20b呈现各自的横截面，其在所示的实施例中具有基本上为等腰梯形的形状，这是通过径向切开(sectioning)原木或一块木材形成薄板的结果。

每个薄板横截面将因此呈现一对界定出薄板20a、20b的各自的底面bs1、bs2的底部(base)b1、b2，和一对界定薄板20a、20b各自的侧表面ss1、ss2的斜边l1、l2。所述底面bs1、bs2包括主底面bs1和次底面bs2。在每个薄板中，主底面bs1在相比木髓离树皮更近的原木的外部部分处形成并且次底面bs2在离木髓更进的原木的内部部分形成。优选使主底面bs1的纵向侧与原木有用部分的侧表面(即当已经将树皮切除时，原木的最外侧部分)一致。

这样排列每个层L1、L2、L3中的薄板20a、20b，使得侧表面ss1接着侧表面ss2，其中紧邻的薄板20a、20b的主底面bs1朝着相对方向。

因此，在例如图2最上层L1中，梁10朝上的面将通过主底面bs1和次底面bs2形成，从梁10宽度方向来看这两种底面交替出现。因此所述梁的朝上和/或朝下的表面可基本上由至少50％、优选至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或至少98％的主底面bs1组成。

图3a示意性地示出可根据本发明构思形成的梁或搁栅的最简单的形式，其具有并排层压的薄板20a、20b的单一层，所述薄板20a、20b的主底面bs1分别以交替的方式朝上和朝下。

图3b示意性地示出可根据本发明构思形成的两层梁和搁栅。该梁因此通过薄板的两层L1、L2形成，每一层都是根据参照图2和图3a所讨论的内容所形成的。层L1、L2可使用传统胶合技术通过胶合层压在一起。为了提供更长的结构构件，可在接合层L1、L2以形成结构构件之前将薄板的层L1、L2接合到一起，例如通过指形接合。

图3c示意性地展示了可根据本发明构思形成的且与图3b类似的三层梁或搁栅。因此，在这一个实施方式中，由薄板20a、20b的三层L1、L2、L3形成梁，每一层如上述参照图2、图3a和图3b所公开的那样形成。

每一层可典型地具有约5-20cm、优选约10-15cm的厚度。可按照需要层的数量形成梁。目前标准的梁在高至1.2m的高度是可用的，这将解释为具有6-24层的梁。最有可能的是，该高度的梁可具有10-12层。

图4示意性的展示了图3a所示的产品的放大图。由于最上部和最下部主要通过最外侧的木材、即更年轻的木材形成，所以会在最上部和最下部提供高强度区域HS，同时将在其间提供中强度区域MS将。

如图4所示的，高强度区域HS将主要由来自原木最外部分的木材组成。这将提供最优的梁，因为最上部和最下部的强度对于梁的弯曲强度将是决定性的。

直观地，区域HS、MS可通过年轮的曲率半径区分：与中强度区域MS相比，高强度区域HS将具有更大比例的拥有更大曲率半径的年轮。

目前无法提供高强度区域和中强度区域的界限。如何界定所述区域可基于试验强度数据以及适当考虑实施“移动”操作的成本。

在图5a中，展示了图3a的情形，因此其将在上部和下部表面呈现高强度区域以及在其间呈现中强度区域。如图5a中所示的，可将高强度区域HS切除(例如通过在线C1处锯开)，然后移动，这将在下文讨论。

在图5b中，展示了四个层L1’、L2’、L3’、L4’形成的梁或搁栅的实施方式：一对中间层L2’、L3’和一对最外侧的层L1’、L4’。应注意中间层L2’、L3’的位于最中间的高强度区域HS已经被移除并且层压为最外侧的层L1’、L4’。因此，有效地是，已经从中间位置(高强度区域在此位置的利用较低)将高强度区域HS移出至最外侧的位置(在此处将更好地利用它们的强度)。

这些被移动的高强度区域将作为在竖直方向上具有比中间层L2’、L3’更小的厚度的外部层出现。例如，外部层L1’、L4’的年轮的平均曲率半径可比中间层L2’、L3’的平均曲率半径更大。

在图5c中，展示了类似于图5b的构思，但是其中梁或搁栅具有三个中间的中等强度区域MS和六个外部高强度区域HS，每个外侧层都通过“移动”中间位置的高强度区域HS而形成。

本说明书现在将转向生产上述梁的方法。如上所述，梁中包括的层的数量事关选择。

在图6a中，展示了已经纵向切为一半并且然后径向切开(section)成六个片段200(segment)(即每块原木12个片段)的原木100。应注意可根据需要选择将每个木材切开成片段的数量。一般来说，原木的直径越大，片段的数目越多。作为另一实例，16个片段可为合适的替代方案，其中顶角为22.5°。

作为示例，起始材料100可为完整的原木或径向切割的原木(如图6a中所示)。所述原木可被视为圆柱型的(或半-圆柱形)或截锥体(truncated cone)。无论如何，起始材料是径向切开的，由此提供对歌个薄板坯料200(blanks)，其横截面是圆形片段的形状。

当切割木材时，可以并且可能最实际的是依照如上形成作为等腰梯形的片段。然而，还可形成其他形状的片段，例如三角形、梯形(trapeziums or trapezoids)，并且用将提供层L1、L2、L3的最终形状的刨平步骤一起将这些形状层压在一起。

图6b中，展示了将在前述步骤中制备的薄板坯料200搁置以干燥的步骤。干燥方法可以是任何已知的干燥方法，例如在窑内干燥的方法，并且片段200可被干燥至适合于所使用的层压方法的水分含量。有多种不同的用于堆叠(stack)薄板的技术，以及多种用于干燥的技术，并且对此没有限制的意图。

在图6c中，展示了识别和移除(切除)缺陷的步骤，例如节疤。用于识别和处理木材中缺陷的方法描述在US8408081B2和EP1355148中。薄板坯料200的一部分被认为具有不足的强度，因此可被识别并且去除，例如通过切除薄板坯料200的受到缺陷影响的全部部分。

在图6d中，展示了最优化薄板的步骤。在该步骤中，检查薄板坯料200并且确定对于每个薄板坯料最优的薄板横截面。如图6d所示的，对于具有相同的原始横截面的薄板坯料，能够提供具有例如不同尺寸的底面和/或不同高度的梯形薄板。提供哪种横截面的选择可取决于这样的因素，例如木材类型和质量、缺陷的发生等。

在图6e中，展示了从薄板坯料200安排(设计，format)薄板20的步骤。在该步骤中，片段顶点(即木髓)和片段弧部(即树皮或距离树皮最近的部分)可被切除以提供所需的三角形、梯形或等腰三角形或梯形的形状。所述安排还可包括刨平和/或侧边和/底面的整形(profiling)。典型地实施所述安排步骤以获得在最优化步骤中确定的形状。

应注意在传统锯木厂实践中，原木被当做圆柱体处理，其中原木的最小横截面(典型地为原木最上方的部分)将界定圆柱体的直径。

然而，对于中欧的挪威云杉，原木实际上是具有一般约5-7mm/m树高的锥度(taper)的截锥体。其他锥度可适用于不同的木材种类和/或不同位置的木材。因此，当使用传统方法安排薄板时，接近树皮的一些最理想的木材将被切除，而靠近木髓的较不理想的木材将被保留。

虽然本发明构思可使用该传统方法很好地进行实践，但是将描述另一种方法。

在安排步骤中，梯形的主底面bs将沿薄板坯料的最外侧表面尽可能接近地匹配(fit)，如图6e远端右侧部分所示。这样，较少的材料将被从原木的最外侧部分处切除且更多的材料将在最接近木髓的部分粗话被切除。

因此，更多的所需木材将被保留。

由于木质纤维实际上平行于木材的树皮(即截锥的外皮)而非沿着长度方向(这将假设原木是圆柱体的)延伸，传统方法将导致在主底面bs1处的大量木质纤维被切断。因此，对于每面积单位的底面，将呈现出相比于在次底面bs2处，更多的木质纤维在主底面处被切断。

然而，由于本文描述的方法，相比于在次底面处，在主底面处将存在较少的每面积单位的被切断的木质纤维，因此导致更多的有价值的木材在所需的位置被保留。换句话说，与传统方法相比，木材最有价值部分的切割将更加平行于纤维的方向。

在安排步骤期间，可在离木髓一定径向距离处取得三角形或梯形，这将最优化薄板坯料200的应用，考虑到作为由形状为实际上轻微的截头圆锥形起始材料形成的结果的薄板坯料可具有随其长度变化的横截面。在安排结束时，获得具有拥有梯形横截面并且平行于在原木(由其形成薄板)的最外部分处的纤维的纵向的棱柱形状的木块的薄板。

在于6f中，展示了提供具有指形接合的片段的末端部分的步骤。木质薄板的接合本身是已知的并且指形部分可平行于等腰梯形的底面、平行于梯形的侧表面或平行于形成所述薄板的薄板坯料200的中间半径延伸。

在于6g中，展示了提供指形接合的可替代的方式。在该步骤中，指形部分将沿着梯形的侧表面延伸，这对于具有相对高且窄的横截面的薄板是有利的，因为当指形部分被切割时，薄板可更稳定地保持于载体上。

也可使用其他类型的结合点，优选仅涉及使用木材和胶水的结合点。

在图6h中，展示了成品薄板，其是多个接合在一起的片段形成的。如果侧边没有在先被刨平或被安排、或需要额外的刨平或安排，可在该阶段提供侧边刨平步骤。

在没有示出的步骤中，这样布置成品薄板：使得紧邻的薄板20a、20b的底面bs1、bs2朝着相对的方向，于是以侧表面ss1接着侧表面ss2的方式将薄板20a、20b胶合在一起以形成具有一对相对的主底面的片材201，其中所述相对的主底面由薄板20a、20b的底面bs1、bs2形成。在该步骤中，提供图6i中所示的片材。该片材201可按其原样使用或者进一步被转化，见下文描述。

在图6i中，示出了将在前一步骤中形成的片材201锯成多个具有约为待形成的梁10的宽度的坯料202。

在一个实施方式中(例如图3a、5a)，所述梁或搁栅可在该阶段就是现成的，剩下任选的刨平和/或磨削步骤。

在一个没有示出的步骤中，由此所生产的坯料202可按照主面接着主面的方式层叠并且胶合在一起形成梁坯料203。

在本发明一个实施方式中(例如图3b、3c)，每个梁10可通过预设数量的坯料形成。因此，在该阶段，所述梁可以是现成的，剩下任选地刨平或磨削步骤。

在图6j中，示出了将梁坯料203锯成合适高度的梁10的步骤。

虽然本发明已经参照意在接受分布在所述梁的全部或部分长度的竖直载荷的梁来描述，但是应理解本发明的主题也可以适用于地板搁栅、墙立柱、墩等。

典型地，具有平行于结构构件的最外部表面的底面的层可以应用于具有多边形横截面(例如矩形、正方形、五边形、六边形等)或任意其他横截面(例如圆形或其他弯曲的形状)的例如墩、搁栅、立柱等的每个纵向侧。

例如，在墩的情况中，可界定多个弯曲方向(对于正方向或矩形横截面的墩典型地为四个)，由此在所述墩的每个侧面提供层L1、L2、L3。

还应注意图6i和6j所示的片材可以依照它们在各自的附图中所示的那样被使用，例如需要建筑部件，例如结构板、或墙元件。板材料可以以这样的尺寸制造，例如3X15m，其中厚度10-20cm，优选10-14cm。这样的板可用作建筑墙或墙片段、地板或地板片段和/或天花板/屋顶或天花板/屋顶片段。