“雙碳”目標背景下的木結構建筑
——簡述常州市武進區淹城初級中學體育館設計

文／藍 健 南京市建筑設計研究院有限責任公司 總建筑師 研究員級高級建筑師

引言

全球氣候變暖已經成為威脅人類生存與發展的重大環境問題，溫室氣體增加是造成氣候變暖的主要原因，而溫室氣體中對氣候變暖影響最直接的是CO2的排放。

針對全世界共同面對的問題，2021年3月11日，第十三屆全國人民代表大會第四次會議批準的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中指出，制定2030年碳排放達峰行動方案，錨定努力爭取2060年前實現碳中和，采取更加有力的政策和措施。2021年4月22日國家主席習近平在領導人氣候峰會上發表重要講話指出，中國將嚴控煤電項目。此外，中國已決定接受《〈蒙特利爾協定書＞基加利修正案》，加強非二氧化碳溫室氣體管控，還將啟動全國碳市場上線交易。2021年11月1日，習主席向《聯合國氣候變化框架公約》第二十六次締約方大會世界領導人峰會發表書面致辭，中國已發布了《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》，形成了碳達峰、碳中和“1+N”政策體系，明確了時間表、路線圖、施工圖。

1 建筑業碳排放現狀

低碳經濟已經成為應對氣候變化的重要發展模式，建筑業是節能減排、低碳轉型的關鍵領域之一。隨著城鎮化率的提升，至2020年，中國建筑業能源消耗比重達到全國一次能耗總量的三分之一。我國粗鋼產量已占全球近一半，CO2排放約13億噸，約占我國總排放量的12%。我國水泥產量占全球一半以上，水泥工業年消耗標煤約2億多噸，占建材行業能源消耗總量的75%。我國建筑業碳排放所占比重達到了50%。水泥、鋼材等材料均產自不可再生資源，且其生產能耗大、污染重。

在建筑的全生命周期中，建筑總的碳排放量是建造階段、運行階段和拆除階段三個階段的碳排放之和。在建造階段體現在建材生產能耗和建設過程能耗；在運行階段體現在建筑使用中消耗的能源、資源所形成的碳排放；在拆除階段體現在拆除過程中的能耗。

在建設過程中優先選用低碳環保的建筑材料和結構體系可以有效減少碳排放量，對于裝配式建筑而言，建材生產階段的碳排放量與建筑材料消耗量、生產加工工藝、材料性質、能源供應體系等有關。建筑運行過程中產生的碳排放量在建筑的全生命周期中比重最高，持續時間最長，需要建立低碳建筑監管平臺，長期有效地在線監測自身管理建筑的能源使用情況、分析統計建筑碳排放情況、實時監測用能負載情況、節能降碳輔助決策等，形成能耗與資源使用分析等多功能的可視化集成運維體系，從而形成長期有效的降碳減碳效果。建筑拆除過程中，建筑材料的回收利用是高效節能、節約資源的有效措施，材料回收避免了新材料在開采、生產過程中CO2的排放，減少建筑材料生產階段的耗能，形成碳排放量計算的負增加。由此可見，大量選擇可回收建筑材料也是減少碳排放的有效途徑。

2 木結構的優勢

森林是陸地上最大的碳素儲存庫，大約80%的地上碳素儲存量和40%的地下碳素儲存量存在于森林生態系統中，森林具有碳匯和碳源雙重作用。樹木通過光合作用吸收大氣中的CO2，再將碳素儲存在體內，可以降低大氣中CO2的濃度，減緩溫室效應。木材做為樹木的主體，是一種環保、節能、可再生以及可循環利用的生態材料，木材加工利用是對樹木碳素儲存作用的延伸，將林木生長過程中所形成的碳轉變為木材的形式予以儲存。木材中含有的碳超過50%，發揮樹木的固碳能力，通過林業碳增匯方式來吸收CO2，從而減少大氣中溫室氣體含量。因此，利用木材固定和儲存碳素，是平衡大氣中CO2含量、節能減排及提高生態效益的有效途徑，具有不可替代的內在價值。

本項目地處江蘇，有著采用木結構的得天獨厚的條件。截至2015年，江蘇省林木覆蓋率22.5%，全省活立木總蓄積9000萬m3。江蘇省培育了全國最大的楊木速生林資源，全省楊樹資源總面積1391.6萬畝，蓄積6841萬m3，楊樹面積占全省喬木林面積的67.4%，楊樹蓄積量占全省林木總蓄積量的81.2%。楊樹資源構成了江蘇省森林資源的主體，同時其面積與蓄積量均位居全國第一。基于速生楊木的研究具有一定基礎以及具有木材加工經驗的楊木人造板企業轉型，形成江蘇省基于速生材的木結構優勢。

木結構相對于鋼結構和混凝土結構為最生態的低碳建筑結構形式。木材可再生，且木結構對環境的污染比鋼結構、混凝土結構少很多。鋼結構的水污染指數是木結構的120倍，木結構比混凝土結構節能8%～16%，每立方米木材將儲存0.9噸當量的CO2，同時在木材生產制造階段還可減少1.1噸碳排放。

木結構是中國傳統建筑文化的重要載體和記憶，現代裝配式木結構通過傳統文化傳承的研究與結構材料美學的設計，實現建筑、結構和材料的完美結合，從而實現木結構做為新材料、新技術的示范目標。常州市武進區淹城初級中學位于淹城遺址公園北側，因“春秋淹城”而得名。體育館造型中汲取了春秋時期臺榭建筑的土臺、木構、屋頂三段式造型元素，十根支撐屋面的巨型拼接木柱與類似斗拱層層出挑的倒錐形木結構檐口組合成體育館的古典樣式。古典形制與現代構造相結合，形成新的木結構審美。

3 木結構技術應用

項目地塊位于常州市武進區虹西路以北、西園路以東、淹城初級中學內西側用地，緊鄰學校體育場。總建筑面積為3899.10m2，建筑高度約為18.10m，結構體系為單層大跨木結構與鋼筋混凝土框架結構組合的建筑體系，是一座典型的裝配式木結構建筑，由我院與工業大學設計院聯合設計。體育館主體部分采用木結構，采用預制裝配式建造技術，裝配式木結構范圍為57×31.2m，檐口懸挑6.1m。木結構南北向為5跨，柱跨13.9m，東西向為一跨，柱跨30.55m，為國內目前建成的跨度最大的木結構體育館。通過BIM技術實現精細化加工和安裝，木結構裝配部分的預制裝配率達到90%以上。

裝配式木結構體系采用木柱與木桁架組成主體結構，整個結構采用十根組合木柱支撐上部屋蓋，屋蓋采用主次木桁架形式，基礎類型為獨立基礎。組合木柱為異形拼接格構柱，由四根400×400mm木柱組合而成的格構柱中部設置100×100mm鋼管做為連接核心。格構柱底部采用裝配式螺栓節點，與基礎形成半剛性連接。在主體結構中四根木柱組合的格構柱與若干150×400mm的木梁疊合形成的現代斗拱組合而成木結構豎向承重體系，這種結構組合沿用了傳統木結構的結構特征，受力合理，為國內首創，為體現傳統建筑藝術的現代柱梁結構體系。

屋面主體結構由五榀雙拼大跨膠合木桁架與縱向木桁架組合形成，桁架之間通過設置木檁條提高屋面結構的整體性。樓蓋頂棚采用雙向木龍骨形成的格柵作為承重構件，格柵頂板為膠合木板（OSB）、底部為水泥壓力板，中部空腔填充A級燃燒性能的保溫巖棉。頂部采用木桁架結構找坡，有效地減輕找坡層的自重，木桁架上平鋪膠合木板、防水層和鋁板飾面層作為屋面構造。

膠合木構件的耐火極限為1小時，從體現結構美學與材料美學的角度出發，采用木結構自身的耐火極限進行防火設計，通過暴露結構原始材料的方式進一步表現結構與材料的美學特征，使木結構的裝修成本相對于現澆鋼筋混凝土結構建筑要低很多，從而使木結構建筑的綜合建造成本與現澆鋼筋混凝土結構建筑基本相當。

4 BIM技術應用

本項目在設計過程中采用全專業、全過程的BIM設計，并且利用BIM技術進行綠色仿真模擬計算。通過BIM技術進行木結構構件的可視化設計，實現預制構件模型的實時瀏覽與更新，實現工業化建筑設計標準化、構件部品生產工廠化、施工安裝裝配化、生產經營信息化以及建筑項目生產集成化等裝配式要求。裝配式建筑的核心是“集成”，而BIM技術是“集成”的重要技術手段，能夠串聯起設計、生產、施工和管理的全過程，服務于裝配式建筑的全生命周期。

在BIM設計過程中，通過構建分析整理，創建了標準的BIM預制構件庫，既滿足了設計的標準化，又滿足了工廠規模化、自動化加工，同時滿足施工現場的高效組裝的要求。完成三維深化設計模型后，快速生成構件的平、立面圖，并通過對模型任意剖切生成剖面圖，避免了傳統CAD二維工作模式所帶來的錯、漏、碰、缺以及設計精度等問題。

利用BIM技術的三維可視化、一體化協同平臺，基于多專業、多環節、相關方信息共享，實現建筑、結構、機電、裝修設計一體化。此外，基于BIM模型的預制裝配式構件計算機輔助加工（CAM）技術以及構件生產管理系統，實現BIM信息直接導入工廠中央控制系統與加工設備對接，通過設計信息與加工信息協同共享而實現設計-加工一體化。在施工過程中，通過BIM模擬安裝，準確顯示出構件應在的位置和搭接順序，確保施工安裝能夠順利完成，實現施工安裝裝配化。