傳統(tǒng)綠色建材再次沖擊“頂流” 低碳木結(jié)構(gòu)建筑煥發(fā)生機(jī)

打印 0條評(píng)論來(lái)源：新華日?qǐng)?bào)、中文BIM網(wǎng)

建筑領(lǐng)域是我國(guó)能源消耗和碳排放的主要領(lǐng)域之一。“雙碳”背景下，以木結(jié)構(gòu)建筑為代表的“低碳建筑”在全球成為高熱度概念。沉寂多年后，古代的木結(jié)構(gòu)建筑正以另一種方式進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，煥發(fā)生機(jī)。

全新的木結(jié)構(gòu)建筑“長(zhǎng)”什么樣？4月中旬，記者前往位于南京市溧水區(qū)的江蘇省康復(fù)醫(yī)院施工地，這座國(guó)內(nèi)首個(gè)木-混凝土混合結(jié)構(gòu)建筑即將竣工。“你看，這座8層的門診醫(yī)技綜合樓，其中1至6層為門診醫(yī)技區(qū)與架空層，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。7至8層為科研辦公區(qū)，采用膠合木梁柱、clt樓蓋與混凝土核心筒的水平組合體系。”南京工業(yè)大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng)陸偉東告訴記者，現(xiàn)在的木結(jié)構(gòu)建筑不再是傳統(tǒng)的木材“孤軍奮戰(zhàn)挑大梁”，而是多了很多新材料“伙伴”。新型的木結(jié)構(gòu)建筑，需要根據(jù)建筑功能與結(jié)構(gòu)受力需求，讓木結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)各自發(fā)揮所長(zhǎng)，“合作愉快”。

能固碳能節(jié)能，入住更舒適

想要了解全新的低碳木結(jié)構(gòu)建筑，還需要從木材的源頭說(shuō)起。在人們的傳統(tǒng)認(rèn)知中，用木頭蓋房子，不可避免地需要砍伐樹(shù)木，這看起來(lái)似乎不夠那么“環(huán)境友好”，為什么木結(jié)構(gòu)建筑屬于“低碳建筑”呢？

“木材是一種綠色、天然、可再生的資源，被認(rèn)為是綠色建筑的首選建材。”陸偉東告訴《科技周刊》記者，而鋼筋混凝土建筑在建造和使用過(guò)程中，需要消耗大量的自然資源和能源、排放溫室氣體。而木材對(duì)氣候的影響很小，木結(jié)構(gòu)建筑在生產(chǎn)、運(yùn)輸、建造、運(yùn)行、維護(hù)、拆除回收階段都具有顯著的低碳優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告2023》統(tǒng)計(jì)，2021年，中國(guó)房屋建筑（不含基礎(chǔ)設(shè)施建造）全過(guò)程能耗總量為19.1億tce（ton of coal equivalent，噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量），占中國(guó)能源消費(fèi)總量比重為36.3%；碳排放總量為40.7億噸二氧化碳，占中國(guó)碳排放的比重為38.2%。

樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中，釋放氧氣的同時(shí)會(huì)吸收大量的二氧化碳。據(jù)統(tǒng)計(jì)，森林每增長(zhǎng)1立方米木材蓄積，凈吸收的二氧化碳量可達(dá)到1噸，釋放氧氣0.75噸，儲(chǔ)存0.27噸碳。與之相對(duì)，每生產(chǎn)1噸鋼鐵會(huì)釋放二氧化碳1.6噸，生產(chǎn)1噸水泥則釋放二氧化碳0.8噸。

“現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是典型的裝配式結(jié)構(gòu)。所有部品構(gòu)件均能在工廠預(yù)制化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工安裝。這樣不僅施工周期短、產(chǎn)品質(zhì)量有保證，還節(jié)省了勞動(dòng)力成本，對(duì)環(huán)境造成的污染相對(duì)小。”南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副院長(zhǎng)楊會(huì)峰表示，不僅如此，木材被加工用來(lái)建造房屋，能夠確保二氧化碳被儲(chǔ)存在木材里，擁有顯著的固碳能力。“但必須強(qiáng)調(diào)的是，在使用木材作為建材時(shí)，必須建立嚴(yán)格的木材砍伐和補(bǔ)償種植的管理機(jī)制，做好長(zhǎng)期監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展。”

除了節(jié)能減排外，木結(jié)構(gòu)建筑還有更多好處。比如，由于木材具有天然的“呼吸”功能，可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，人居住在里面會(huì)更舒適，其良好的抗震性能也更加安全。在第二屆竹木結(jié)構(gòu)國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)暨江蘇省土木建筑學(xué)會(huì)竹木結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)年度高峰論壇上，故宮博物院周乾研究員告訴記者，他對(duì)故宮建筑群的抗震分析方法開(kāi)展系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)，太和殿連接、梁架和三臺(tái)的模擬方法和抗震機(jī)理，展現(xiàn)出中國(guó)減隔震技術(shù)的源遠(yuǎn)流長(zhǎng)和博大精深。

復(fù)古也創(chuàng)新，助力文物保修

北京故宮是目前世界上最大的木結(jié)構(gòu)建筑群，7000年前的河姆渡遺址就已經(jīng)有了干欄式木構(gòu)建筑，應(yīng)縣木塔屹立千年不倒，懸空寺成為凌空而建的奇跡……木結(jié)構(gòu)建筑凝聚了我國(guó)傳統(tǒng)建筑的智慧，在歷史上留下了濃墨重彩的一筆。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)已發(fā)布的八批全國(guó)文物保護(hù)單位中，古建筑占比達(dá)到42.7%，而古建筑里面最多的就是木結(jié)構(gòu)建筑。加強(qiáng)文物保護(hù)利用和文化遺產(chǎn)保護(hù)傳承，首先要做好保護(hù)。現(xiàn)代科技如何助力文物建筑的保護(hù)與修復(fù)呢？

古建筑的保護(hù)與修復(fù)重在“修舊如舊”。“其實(shí)，在歷史上，古代工匠們也從未停止對(duì)于木建筑的修復(fù)或重建，北京故宮的太和殿在歷史上就曾多次修復(fù)和重建。”陸偉東說(shuō)，木材壽命主要取決于所處環(huán)境和防護(hù)措施，糟朽、蟲蛀、變形、劈裂、折斷等都是木構(gòu)件可能出現(xiàn)的問(wèn)題。“因此，我們?cè)谶M(jìn)行修復(fù)時(shí)，要針對(duì)不同部位、不同殘損及不同病害等情況采取不同維修措施。比如，對(duì)柱根糟朽可以采用柱子墩接的方式，對(duì)局部糟朽尚能滿足受力要求的構(gòu)件采取局部修補(bǔ)，主要受力變形構(gòu)件可采取輔助支撐加固等措施。”

用于修復(fù)的木材原料也有講究。南京工業(yè)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院副院長(zhǎng)、土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任岳孔介紹，古建筑中的柱子往往使用的是很粗的金絲楠木。但如今已經(jīng)很難找到這樣的原材料，因此，一般會(huì)選擇膠合木。“膠合木屬于工程木，整體性能與原木幾乎無(wú)差別，使用小規(guī)格木材進(jìn)行拼接、膠合后，既可以成為柱，也可以成為梁，其力學(xué)性能可優(yōu)于原木。”

采用榫卯和斗拱連接進(jìn)行梁柱間的傳力，是我國(guó)古建筑的典型結(jié)構(gòu)特征之一，蘊(yùn)含了古人無(wú)盡的智慧和表現(xiàn)力。但是，這種連接形式在某種程度上也是制約古建筑結(jié)構(gòu)性能的一大因素。南京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心副主任、木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)程小武告訴記者，因?yàn)橥诳住㈤_(kāi)鑿等步驟，對(duì)于木頭連接的部位有較大削弱。“針對(duì)這一問(wèn)題，我們采用現(xiàn)代連接技術(shù)對(duì)一些需要‘搶救’的古建筑進(jìn)行隱藏式加固，在木構(gòu)件內(nèi)使用鋼插板，然后用螺栓固定。這樣一來(lái)，首先保持了建筑的形制和外觀，其次提高了單個(gè)榫卯的性能，因?yàn)殇摬牡膹?qiáng)度更大。”

更高更強(qiáng)，新型混合木結(jié)構(gòu)擁有更多可能

更堅(jiān)硬、柔韌性更好、更耐用，與古代的木結(jié)構(gòu)建筑相比，當(dāng)代全新的木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的改變。隨著材料科學(xué)發(fā)展迅猛，木材被賦予了前所未有的強(qiáng)度。

“木材作為建筑材料的缺陷問(wèn)題，我們正進(jìn)行逐一破解。”南京工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究院自然科學(xué)處副處長(zhǎng)王璐介紹。針對(duì)木材有裂縫、裂紋、變形、彎曲等問(wèn)題，科研人員研發(fā)了被稱為“未來(lái)的混凝土”的交叉層壓木材（clt）。clt預(yù)制板由幾層壓制的板材組成，通常是三層、五層、七層或者九層，木板交錯(cuò)堆疊，以特定角度黏合在一起，然后用高壓將其壓成巨大的樓板或墻面。在施工現(xiàn)場(chǎng)，這些板材可以快速高效地組裝在一起，像拼圖一樣。

而膠合木等工程木的出現(xiàn)也讓開(kāi)裂、腐朽和生蟲等問(wèn)題迎刃而解。在木材進(jìn)行膠合前，必須經(jīng)過(guò)窯干等步驟，窯干時(shí)100℃以上的高溫足以讓木腐菌或白蟻等成蟲或蟲卵一并被消滅。同時(shí)烘干后的木材料含水率在15%以內(nèi)，在這樣的水分狀態(tài)下能有效防止白蟻和木腐菌等存活，而且穩(wěn)定的含水率也不容易出現(xiàn)材料的開(kāi)裂現(xiàn)象，因此工程木的耐久性可滿足工程要求。

建成更高的高度，擁有更多的運(yùn)用場(chǎng)合。當(dāng)前，木結(jié)構(gòu)建筑的極限正在不斷被突破，展現(xiàn)出更多的可能性。2020東京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館便是一座橢圓形的木制挑檐建筑。2022年，位于美國(guó)威斯康星州的重型木構(gòu)建筑ascent公寓建成，這座高達(dá)86.6米的高樓成了目前全球最高的木結(jié)構(gòu)建筑。在杭州亞運(yùn)會(huì)上，也有著諸多木結(jié)構(gòu)元素。由東南大學(xué)王建國(guó)院士團(tuán)隊(duì)與南工大土木工程學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)的第十屆江蘇省園藝博覽會(huì)主展館，是國(guó)內(nèi)單層層高最大的木結(jié)構(gòu)建筑，榮獲全國(guó)綠色建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑設(shè)計(jì)獎(jiǎng)金獎(jiǎng)。

在江蘇省康復(fù)醫(yī)院這一項(xiàng)目中，更多的創(chuàng)新“金點(diǎn)子”正在被運(yùn)用。首先，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用木結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)上下混合、水平混合的組合方式——在頂部?jī)蓪铀交旌辖Y(jié)構(gòu)體系中，木結(jié)構(gòu)部分僅承受所在區(qū)域的豎向荷載，不設(shè)置抗側(cè)墻體，這樣保證結(jié)構(gòu)通透，有利于使用。其次，在核心區(qū)域的混凝土筒體則同時(shí)承擔(dān)樓層所有的水平剪力及所在區(qū)域的豎向荷載，充分發(fā)揮混凝土與木材兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)。

南京工業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院總工、國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師孫小鸞介紹，為了提高建筑的抗震效果，團(tuán)隊(duì)還使用了clt+鋼板條+混凝土剛性層的疊合樓板構(gòu)造。為有效地將木結(jié)構(gòu)部分的地震作用傳遞給混凝土核心筒，木結(jié)構(gòu)區(qū)域采用正交膠合木組合樓蓋，膠合木樓板頂部鋪設(shè)拉結(jié)鋼板條，采用自攻螺釘與木樓蓋固定，再澆筑50毫米厚的細(xì)石混凝土層，確保地震作用下結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作。

“現(xiàn)在，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把碳纖維和木結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)開(kāi)展木結(jié)構(gòu)研究，增加木結(jié)構(gòu)建筑的抗震減災(zāi)、防火阻燃等性能。”陸偉東表示，這一成果有望廣泛應(yīng)用到橋梁、醫(yī)院、體育館、公園等工程實(shí)際中。

在陸偉東看來(lái)，隨著木結(jié)構(gòu)建筑的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和認(rèn)證體系逐步完善，科研人員的逐漸深入研究，木結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，木結(jié)構(gòu)在中國(guó)的復(fù)興指日可待。“我們一方面要讓更多人了解傳統(tǒng)又陌生的木結(jié)構(gòu)建筑，更要潛心培育好產(chǎn)業(yè)鏈、規(guī)范市場(chǎng)行為。加強(qiáng)木結(jié)構(gòu)相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的教育與實(shí)踐培訓(xùn)，盡快培養(yǎng)出木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域新型人才。另一方面更要做好植樹(shù)造林，豐富國(guó)內(nèi)木材資源，減小對(duì)國(guó)外進(jìn)口木材的依賴。”