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現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用（基礎(chǔ)篇）

引言

“木曰曲直”，在傳統(tǒng)的陰陽五行觀中，“木”象征著旺盛的生長，其溫?zé)岫匀剩刹商斓刂枺⒁饷篮谩＜又静囊子诓杉⑦\(yùn)輸和加工，因此，自蒙昧初開的巢居干欄居，到明清紫禁城的建筑技藝大成，木結(jié)構(gòu)始終是中國建筑史中當(dāng)之無愧的主角，在華夏大地留下了璀璨的建筑成就。“欲窮千里目”的渴望，讓古代匠人憑借智慧與最樸素的工具和材料，不斷挑戰(zhàn)著尚未被認(rèn)知的重力，筑起一幢幢華美入云的高層樓閣。

近代以來，人口的增長與城市的快速擴(kuò)張帶來了新的發(fā)展需求，使充滿工業(yè)力量的鋼筋、水泥與玻璃，取代木材成為了構(gòu)成城市表皮的主體材料，在天際線上筑起一片又一片的混凝土森林，包容下紛繁精彩的城市生活，也讓“登高望遠(yuǎn)”成為了生活的一種尋常。然而以鋼筋水泥為代表的建筑工業(yè)在快速支撐起城市建設(shè)，改善人民生活的東西，也產(chǎn)生了巨大的能源消耗與環(huán)境污染。

因此，尋找更加綠色的建材與建造模式成為了建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要面臨的一個(gè)重要議題。在此背景下，更加符合綠色建筑要求的裝配式建筑開始被人們寄予更多的關(guān)注，住建部于2020年3月發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》、《裝配式建筑示范城市管理辦法》、《裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地管理辦法》三項(xiàng)文件，全面推進(jìn)國內(nèi)的裝配式建筑發(fā)展。

而裝配式技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合木結(jié)構(gòu)天然的節(jié)能減排的優(yōu)勢，也使得木結(jié)構(gòu)建筑有機(jī)會(huì)以一種全新的形態(tài)回歸到現(xiàn)代城市之中，甚至可以擺脫重力的束縛，成為城市高層天際線的組成部分。

研究背景

在全球的建筑前沿，裝配式技術(shù)與現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)正在重新詮釋木構(gòu)造在城市中的可能性，除了建筑體量的擴(kuò)大之外，建筑與工程師還在不斷挑戰(zhàn)著木結(jié)構(gòu)的高度。過去的6年中，世界各地已有四十余座高度超過50米的現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)建筑建成或者在建。盡管數(shù)目不多，但是卻在深刻改變著人們對于木結(jié)構(gòu)建筑的固有認(rèn)知。

其實(shí)，在我國綿延千年的建筑史上，匠人們世代都未曾放棄營造高樓的夢想，結(jié)合醇熟的木造工藝，在建筑史上留下一棟又一棟的壯美樓閣。典型如山西省朔州市應(yīng)縣城西北佛宮寺內(nèi)的“釋迦塔”(應(yīng)縣木塔)，塔高達(dá)67.31米，底層直徑30.27米，外觀有五重檐，結(jié)構(gòu)共計(jì)有九層，始建于遼清寧二年（1056 年），迄今歷經(jīng)千年而巍然不倒，是當(dāng)今世界上最高的木結(jié)構(gòu)建筑，見證著我國木構(gòu)造建筑輝煌的藝術(shù)與技術(shù)成就。

釋迦塔

釋迦塔中木料的連接全部依靠預(yù)制的榫卯拼合裝配，滲透著樸素的裝配式建筑思想。為了平衡受力和限制塔身的水平位移，營造者在木塔中設(shè)置了四道結(jié)構(gòu)暗層，如同木結(jié)構(gòu)的空間剛性箍，極大增強(qiáng)了木塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此木塔在百年前的軍閥混戰(zhàn)中，可以經(jīng)受炮擊而幸存不倒。

千年古塔印證了木結(jié)構(gòu)建筑源流延續(xù)，也證明了木結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的可能性。目前我國對于木結(jié)構(gòu)建筑的限制仍舊較多，但是木結(jié)構(gòu)在節(jié)能減排方面的貢獻(xiàn)也已經(jīng)引起了相關(guān)從業(yè)人員的重視。而放眼世界，以森林資源眾多的加拿大為代表的各國，都在嘗試促成現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用，也取得了一些值得我們學(xué)習(xí)借鑒的成果。加拿大政府于2017年頒布了“木質(zhì)綠色建筑”（GCWood）計(jì)劃，為現(xiàn)在木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展與推廣提供資金幫助。同時(shí)美國國際規(guī)范委員會(huì)（ICC）也與2019年批準(zhǔn)了一系列對于《國際建筑規(guī)范》（簡稱IBC）的修改，其中較為重要的是將大型木結(jié)構(gòu)建筑的限制高度放寬至80米，為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)高層建筑的發(fā)展放寬了束縛。

當(dāng)前，正著力推動(dòng)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)高層建筑實(shí)踐的機(jī)構(gòu)有加拿大木業(yè)及其贊助成立的非營利性機(jī)構(gòu)ThinkWood，還有日本的住友林業(yè)株式會(huì)社（Suitomo Forestry）等。

現(xiàn)代的木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與分類

木結(jié)構(gòu)能夠在鋼筋混凝土林立的今天，再度走進(jìn)人們的視野并得到進(jìn)一步發(fā)展，除了因?yàn)槠涮烊挥H生物特性帶來的居住舒適感以及優(yōu)越的抗震性能之外，還要得益于今天人們對于環(huán)保議題的關(guān)注。

木材在種植成材的過程中，可以通過光合作用實(shí)現(xiàn)固碳目標(biāo)，作為生命周期內(nèi)的碳排放補(bǔ)償。且由于材料特性，木材在加工成型的過程中所產(chǎn)生的碳排放量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材、混凝土等高能耗產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。加之木材密度較小，約為鋼筋混凝土的四分之一，因此更加利于運(yùn)輸和吊裝，因此可以大幅度縮短施工周期，從而減少施工過程中的能耗。以加拿大一棟18層的重型木結(jié)構(gòu)學(xué)生宿舍為例（Brock Commons Tallwood House），其木結(jié)構(gòu)部分施工周期僅為2個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)代主流的建筑結(jié)構(gòu)形式。木材本身便具有很強(qiáng)的裝飾性，因此在內(nèi)裝過程中，可以直接作為室內(nèi)材料暴露，無需額外的裝飾，從而也減少了內(nèi)裝作業(yè)的工作量。根據(jù)美國Bruce Lippke等的研究報(bào)告在全生命周期內(nèi)，木結(jié)構(gòu)建筑的碳排量相比鋼結(jié)構(gòu)建筑降低了74%，相比于混凝土建州降低了69%，因此現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)有望成為助力“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的一柄利器。同時(shí)，在木材產(chǎn)能充沛、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)先進(jìn)的國家或地區(qū)（如加拿大與日本），據(jù)ThinkWood組織統(tǒng)計(jì)，同等規(guī)模的辦公類建筑，木結(jié)構(gòu)的建造成本相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以降低約20%~30%的碳排量。

人們對于木結(jié)構(gòu)建筑的顧慮則主要在于其防火安全性能，這也是木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展過程中必須面對的一個(gè)挑戰(zhàn)。

目前現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的防火主要有以下幾種方式：

阻燃/防火劑改性法：由硼酸和磷酸脒基脲（GUP）等磷酸脂類成分制成的木材阻燃劑，在充分滲透木材后，在遭遇火情時(shí)，能夠分解產(chǎn)生不燃性氣體和不揮發(fā)的酸性熔融物質(zhì)，降低體系溫度與氧氣濃度并屏蔽火焰的熱輻射作用，因此可以阻滯火勢的蔓延。目前常見的阻燃劑改性方法有①真空加壓法（效果最佳）②浸泡法③涂刷法④噴涂法。經(jīng)上述過程處理后的木材，燃燒性能可以達(dá)到B1級以上。

防火石膏板包覆法：即根據(jù)防火需求，采用單層或者多層防火石膏板對木構(gòu)件的表面進(jìn)行包覆保護(hù)。依靠石膏板優(yōu)異的防火性能，提高結(jié)構(gòu)整體的耐火極限，從而滿足消防逃生的需要。

防火石膏板復(fù)合法：將木材與防火石膏板做成三明治夾心結(jié)構(gòu)，來確保木質(zhì)承重構(gòu)建在遭遇火災(zāi)時(shí)，能夠得到石膏板的保護(hù)而不至于過早失去結(jié)構(gòu)能力。

大截面表面碳化防火法：大截面表面碳化法則是通過增大木質(zhì)承重構(gòu)件的截面積，在遭遇火災(zāi)時(shí)，通過在木材表面形成一道能夠隔離火焰與高溫的碳化層，大幅度延長木質(zhì)構(gòu)件的耐火極限，使其能夠滿足現(xiàn)代建筑的火災(zāi)逃生要求。

而相比于傳統(tǒng)建筑木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系為了適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)發(fā)展中繁雜的建筑需求，在充分吸收和集成其經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融入了更新、更先進(jìn)的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、木材加工技術(shù)、材料連接構(gòu)造、智能建造技術(shù)等現(xiàn)代的工業(yè)科技成果。其差異主要體現(xiàn)在木材的材料加工方式與連接方法上。如現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系中的使用的木材，多經(jīng)過現(xiàn)代技術(shù)的防火、防腐、防蛀處理具有更強(qiáng)的耐候性能，且很少直接使用原木，取而以各種新型復(fù)合板材。在連接方法上，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)更傾向于使用加工精度高、連接強(qiáng)度大、施工效率高的金屬連接件。

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)

——梁思成《<營造法式>注釋》宋代大木作廳堂做法

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)多依靠木材自身在重力作用下的咬合連接，即榫卯結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)

——加拿大Brock Commons Tallwood House

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)更傾向于使用加工精度高、連接強(qiáng)度大、施工效率高的金屬連接件

加拿大非營利性機(jī)構(gòu)ThinkWood將現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑分為以下幾類：

預(yù)制輕型木框架體系（Light-frame）

重型木結(jié)構(gòu)體系（Mass Timber）

軟木類體系（Sofewood Species）

預(yù)制輕型木框架體系

（Light-frame）

輕型木框架體系

輕型木框架（Light—frame）是一種通過木材加工成輕質(zhì)框架、龍骨來實(shí)現(xiàn)建筑建造的結(jié)構(gòu)體系。因?yàn)槠淠緲?gòu)件往往質(zhì)輕且截面較小而得名，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且及其適合工業(yè)化的預(yù)制生產(chǎn)。常被用于住宅、商鋪等單層、低層建筑的建造。

根據(jù)木料選材與連接的工法差異，該體系可以進(jìn)一步細(xì)分為Balloon Framing（便捷木框架式）和Platform Framing（平臺木框架式）兩種。Balloon體系在北美有著二百余年的歷史，是18世界初，在頻繁的拓荒運(yùn)動(dòng)與缺少職業(yè)工匠的現(xiàn)實(shí)問題催生出的一種簡易建筑體系。特點(diǎn)是木框架采用標(biāo)準(zhǔn)截面的長尺寸木材，木材長度往往與建筑高度一致，因此構(gòu)件總數(shù)較少，且木材之間主要依靠釘子作為連接件，不需要專業(yè)建筑工人也可以輕易完成建造。但由于Balloon體系對于木材的要求較高，此外在遭遇火災(zāi)時(shí)，用于連接木材的釘子極其容易松脫，導(dǎo)致房屋快速解體。因而催生出了Platform體系，該體系使用較短的木材逐層完成房屋的搭建工作，因此在遭遇火災(zāi)時(shí)不易發(fā)生整體性的垮塌。由于結(jié)構(gòu)和用材的特點(diǎn)，在建造過程中，也不需要以來腳手架的輔助，減少了施工總量。

在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的幫助下，輕型木框架體系建筑的防火能力與結(jié)構(gòu)安全性都有了極大的提升，因此在北美的很多地區(qū)，仍舊擁有著可觀的市場占比。

重型木材

（Mass Timber）

重型木材類型

重型木材（Mass Timber）結(jié)構(gòu)則是當(dāng)下人們能夠使用木結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大體量建筑建造的關(guān)鍵。該結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的代表類型，其使用的木材為各類大幅面實(shí)木木材制成的層積板，因此具有相對較大的自重與較高的承重能力。

根據(jù)基材之間連接方式的不同，該類產(chǎn)品分為正交膠合木(Cross Laminated Timber，CLT)、層板銷合木(Dowel Laminated Timber，DLT)、層板釘合木(Nail Laminated Timber，NLT)和層板膠合木 (Glu-Lam Timber，GLT)四個(gè)類別。其中，正交膠合木CLT通常由3層、5層或者7層90度交錯(cuò)的木材粘合而成，因此板材可以獲得良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。層板銷合木(Dowel Laminated Timber，DLT)的優(yōu)勢在于，其加工過程不需要任何粘合劑或金屬件，該類木材主要由軟木材條板與硬質(zhì)木材銷釘陣列組成，硬質(zhì)木銷釘按規(guī)律穿插在軟質(zhì)木條板的預(yù)制孔洞中，通過摩擦固定形成一個(gè)整體。如果希望增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可以將硬質(zhì)木銷釘與軟木條板傾斜一定角度排列。層板釘合木(Nail Laminated Timber，NLT)與DLT有一定的相似性，區(qū)別在于NLT中軟木條板的連接需要用到金屬釘或者螺栓。層板膠合木(Glu-Lam Timber，GLT)的生產(chǎn)需要將木材條板根據(jù)它們的應(yīng)力方向特性，每層交錯(cuò)半個(gè)柱徑的距離粘合在一起，該結(jié)構(gòu)使板材能夠獲取更大的跨度。

軟木類體系

（Sofewood Species）

軟木類體系——Mill River Park Carousel Pavilion

軟木類體系（Sofewood Species）被劃分為一個(gè)獨(dú)立體系，主要是因?yàn)門hinkWood組織所在的北美盛產(chǎn)針葉林木，軟木來自當(dāng)?shù)刎S富的針葉樹，或圓錐樹林場。該類木材質(zhì)地溫和，質(zhì)感優(yōu)雅，是極佳的建筑與室內(nèi)裝修材料。該類目中的木材產(chǎn)品由于具有堅(jiān)韌柔軟的質(zhì)地，因而也具備著不錯(cuò)的結(jié)構(gòu)性能，上文中重型木材體系中的多數(shù)板材，都是由軟木類材料與其它特性的木材復(fù)合而成。

同時(shí)，軟木類建材因其優(yōu)越的可塑性和獨(dú)特的質(zhì)感肌理，成為建筑大師們的靈感繆斯，在大跨度的體育建筑中也大放異彩。

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Penda與木材咨詢公司合作使用CLT設(shè)計(jì)了18層木結(jié)構(gòu)綜合體住宅大樓——‘多倫多樹塔’

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‘薩格勒布木結(jié)構(gòu)觀景塔及垂直森林’方案

小結(jié)

現(xiàn)代材料技術(shù)與木結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新與發(fā)展，讓木材獲得了更高的強(qiáng)度與安全性，豐富了木結(jié)構(gòu)建筑的可能性。尤其是CLT、NLT、GLT等具有出色結(jié)構(gòu)性能的重型木材，讓木結(jié)構(gòu)能夠不斷挑戰(zhàn)高度更高、跨度更大的建筑類型。近年來，已有數(shù)十座現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的高層建筑落成或在建，采用的多為以上述的重型木材為主的裝配式建筑體系。盡管相比于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)建筑，木結(jié)構(gòu)高層建筑在數(shù)量上可謂寥寥無幾，但是在“零碳”、“雙碳”議題下，卻為建筑師打開了一扇可供無限想象的大門。

在我國，現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)體系還處在探索階段，產(chǎn)業(yè)體系尚在發(fā)展，加上我國嚴(yán)格的森林資源保護(hù)政策，木材大量依靠進(jìn)口。因此相比于以加拿大為代表的林業(yè)資源富饒的國家，我國目前現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的建造成本要高于主流的鋼筋混凝土建筑。且由于政策規(guī)范的限制，在國內(nèi)暫時(shí)也不具木機(jī)構(gòu)的高層、超高層項(xiàng)目的建造條件。但是以上限制并不影響我們借鑒和學(xué)習(xí)該領(lǐng)域先進(jìn)國家的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與潛在價(jià)值也已經(jīng)引起了我國建筑行業(yè)與國家政策部門的重視。隨和現(xiàn)代木機(jī)構(gòu)與預(yù)制裝配技術(shù)的發(fā)展，國家自2012年起，便陸續(xù)頒布了一系列有關(guān)木結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)與政策。2021年4月下旬，住建部發(fā)布了最新的國家標(biāo)準(zhǔn) 《木結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB55005-2021），進(jìn)一步促進(jìn)了國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑體系的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。

在我國，建筑行業(yè)全生命周期的能耗占比巨大，如2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億噸CO2，占全國碳排放的比重為51.3%。因此研究和推廣綠色建材，對實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)“零碳”目標(biāo)的意義重大。

值得相信的是，對可持續(xù)發(fā)展與健康的追求，將會(huì)使越來越多的建筑師重新將目光放回木材這一與人類建筑史相伴的古樸建材之上，讓舊木在現(xiàn)代城市中煥發(fā)出新春，構(gòu)筑新的可能。在本系列的下一期的《案例篇》中，小編將結(jié)合當(dāng)前知名的高層裝配式木結(jié)構(gòu)建筑案例，為大家介紹當(dāng)下世界各國木結(jié)構(gòu)高層建筑的發(fā)展與探索，敬請期待！

（責(zé)任編輯：何雯麗）