木制摩天樓 正推動可持續(xù)建筑 邁向新階段

強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度和安全性設(shè)計(jì)的木材為建筑師提供了替代碳密集型鋼材和混凝土的新選擇。

加拿大多倫多大學(xué)足球場的正對面，工人正在建造一座14層高的建筑，用作教室和教師辦公室。這棟樓的特別之處在于它的建造方式：它是由人造木板制成的梁、柱和板材通過螺栓拼接在一起建成的。

木構(gòu)件通過平板卡車運(yùn)達(dá)后，高大的吊車會將其一一吊起、固定到位，隨后，工人用金屬連接件將其安裝牢固。在尚未完工時，這棟建筑看起來就像組裝到一半的平板包裝家具。

這座塔樓采用了一種名為“重型木結(jié)構(gòu)”的新技術(shù)。在這種建筑中，大尺寸人造木構(gòu)件取代了鋼筋和混凝土，這些構(gòu)件的最大長度可超過半個足球場。雖然這種建筑方式目前仍較為罕見，但它正日益受到人們的歡迎，并開始出現(xiàn)在世界各地的天際線上。

目前，全球最高的重型木結(jié)構(gòu)建筑是25層高的登升摩天大樓（Ascent），于2022年竣工，位于美國威斯康星州密爾沃基市。截至當(dāng)年，全球已建成或在建的八層及八層以上的重型木結(jié)構(gòu)建筑共有84座，另有55座擬建。根據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會的一份報告，現(xiàn)有和擬建的重型木結(jié)構(gòu)建筑中，70%位于歐洲，約20%位于北美，其余分布在澳大利亞和亞洲。如果算上規(guī)模較小的建筑，截至2023年，僅在美國就已建成至少1700座重型木結(jié)構(gòu)建筑。

混凝土和鋼材的制造合計(jì)占全球二氧化碳排放量的近15%，而重型木結(jié)構(gòu)則是這兩種能源密集型材料的理想替代品。盡管專家仍在爭論重型木結(jié)構(gòu)在應(yīng)對氣候變化方面的作用，但許多人認(rèn)為它比現(xiàn)有的建筑方式更環(huán)保。畢竟，該技術(shù)依賴的是木材這種可再生資源。

此外，重型木結(jié)構(gòu)還帶來了不同的美學(xué)效果，可以使建筑顯得更加獨(dú)特?！叭藗円呀?jīng)厭倦了鋼筋混凝土的冷硬風(fēng)格。”建筑科學(xué)家泰德·凱西克（Ted Kesik）說道。他就職于多倫多大學(xué)重型木結(jié)構(gòu)研究所，該研究所致力于推動重型木結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展。木材因其溫暖、舒緩的外觀和自然的變化，在視覺上更加賞心悅目。“人們其實(shí)很喜歡看木頭?！?/p>

同樣的木材，更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)

當(dāng)然，用木材建造大型建筑并非什么新鮮事。18世紀(jì)和19世紀(jì)的工業(yè)化推動了對大型工廠和倉庫的需求，而這些建筑通常采用“磚梁結(jié)構(gòu)”，即由重型木梁框架支撐磚砌外墻的結(jié)構(gòu)。

然而，隨著建筑物變得越來越高，建筑商轉(zhuǎn)而使用混凝土和鋼材提供支撐。木結(jié)構(gòu)建筑逐漸變得大多局限于低層住宅房屋和其他小型建筑，這些建筑使用的是你能在建材零售賣場看到的標(biāo)準(zhǔn)尺寸“規(guī)格材料”。

但在大約30年前，德國和奧地利的建筑商開始嘗試用這種現(xiàn)成的木材制作大尺寸木構(gòu)件的技術(shù)。他們使用釘子、銷子和膠水，將較小的木塊組合成堅(jiān)固結(jié)實(shí)的大型木塊，這樣就不需要砍伐大型古樹。

常駐瑞士的德國工程師尤利烏斯·納特勒（Julius Natterer）和他的同行開創(chuàng)了使用這些材料建造房屋的新方法，而包括奧地利人赫爾曼·考夫曼（Hermann Kaufmann）在內(nèi)的建筑師則因設(shè)計(jì)重型木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目引起了廣泛的關(guān)注，其中包括1997年竣工的奧地利奧茲邦特公寓和2017年落成的加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的18層布洛克學(xué)生公寓。

原則上，重型木結(jié)構(gòu)類似膠合板，但規(guī)模要大得多：它由較小的木塊在大型專用壓力機(jī)的壓力下分層黏合在一起。如今，最長可達(dá)50米的木梁已能夠取代鋼構(gòu)件，這種木梁通常由“膠合層壓木材/膠合木”（Glue-laminated timber，簡稱Glulam）制成。而厚度可達(dá)50厘米的板材通常是“正交膠合木”（CLT），可用于替代墻體和地板的混凝土結(jié)構(gòu)。

這些木質(zhì)復(fù)合材料的強(qiáng)度驚人——按重量計(jì)算，它們比鋼材還要堅(jiān)固。但是，要達(dá)到和鋼材同樣的強(qiáng)度，重型木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件體積會更大。建筑物越高，木質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)就必須變得更厚；到了某個高度，它們就會占據(jù)過多的空間。因此，對于諸如登升摩天大樓等更高的重型木結(jié)構(gòu)建筑，建筑師通常會將木材、鋼材和混凝土結(jié)合使用。

從歷史上看，在高層建筑中使用重型木結(jié)構(gòu)最明顯的問題之一就是消防安全。直到最近，許多建筑法規(guī)都還規(guī)定木結(jié)構(gòu)只能用于低層建筑。

雖然建筑物不需要完全防火，但必須能夠在火災(zāi)中保持足夠長時間的穩(wěn)定，抵御倒塌，以便消防員控制火勢并讓人們安全撤離。例如，傳統(tǒng)摩天樓所用的材料需要在火災(zāi)中保持三小時以上的結(jié)構(gòu)完整性。

為了證明重型木結(jié)構(gòu)的耐火性，工程師們將木構(gòu)件放入氣加熱箱式爐中進(jìn)行測試，監(jiān)測其結(jié)構(gòu)完整性。另一些測試則點(diǎn)燃重型木結(jié)構(gòu)建筑的模型并記錄結(jié)果。

這些測試逐漸說服了監(jiān)管機(jī)構(gòu)和客戶，讓他們相信重型木結(jié)構(gòu)能夠長時間耐火，以確保火災(zāi)中的安全性。這種耐火性部分源于木材表面會在受火早期形成碳化層，它可以為木材內(nèi)部隔絕火焰帶來的大部分熱量。

2021年，國際規(guī)范委員會（ICC）修改了作為全球建筑法規(guī)模板的《國際建筑規(guī)范》，允許建造高達(dá)18層的重型木結(jié)構(gòu)建筑，后者因此獲得了重要的認(rèn)可。隨著這一變化，預(yù)計(jì)會有越來越多的地區(qū)更新本地的建筑法規(guī)，允許常規(guī)建造高層重型木結(jié)構(gòu)建筑，而不再需要特別審批。

但重型木結(jié)構(gòu)仍面臨其他挑戰(zhàn)。美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的城市可持續(xù)發(fā)展學(xué)者兼建筑師斯特芬·萊曼（Steffen Lehmann）表示：“火災(zāi)不是真正的問題，濕氣才是?！?

所有的建筑都需要控制濕度，但這對重型木結(jié)構(gòu)來說尤為關(guān)鍵。潮濕的木材很容易受到真菌或白蟻等昆蟲的侵蝕破壞。建筑商會在運(yùn)輸和施工過程中謹(jǐn)慎操作，避免木材受潮，還會制定全面的濕度管理計(jì)劃，包括設(shè)計(jì)供暖和通風(fēng)系統(tǒng)以防止?jié)駳夥e聚。為了進(jìn)一步防止蟲害，可以用化學(xué)殺蟲劑處理木材，或者在木材與地面接觸的地方加裝金屬網(wǎng)罩或其他物理屏障。

重型木結(jié)構(gòu)的另一個問題是隔音效果不好，因?yàn)槟静膫髀曅阅芊浅：?。設(shè)計(jì)師們會通過使用隔音材料、在墻體之間留出空隙、安裝架空地板等方式來處理這個問題。

重型木結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢

抗擊全球變暖意味著必須減少建筑行業(yè)的溫室氣體排放——建筑行業(yè)的溫室氣體排放量占全球排放量的39%。位于奧地利維也納的中歐大學(xué)的環(huán)境科學(xué)家戴安娜·厄爾格-沃薩茨（Diana ürge-Vorsatz）指出，重型木結(jié)構(gòu)和其他生物基材料可以成為這項(xiàng)工作的重要組成部分。

在2020年發(fā)表于《環(huán)境與資源評論年刊》

（Annual Review of Enviroment and Resources）的一篇論文中，她和同事引用了木材行業(yè)的一項(xiàng)估算：與使用混凝土和鋼材的類似建筑相比，加拿大不列顛哥倫比亞省的18層布洛克學(xué)生公寓避免了相當(dāng)于2432噸的二氧化碳排放量。其中，679噸是由于木材生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量少于混凝土和鋼材，另外1753噸的排放當(dāng)量則被鎖在了建筑木材中。

“如果使用生物基材料，我們就能雙贏?！倍驙柛?沃薩茨表示。

然而，當(dāng)前對重型木結(jié)構(gòu)的氣候效益抱有的熱情大多建立在幾個重大假設(shè)之上。例如，相關(guān)計(jì)算通常假定，重型木結(jié)構(gòu)建筑使用的所有木材都會被新樹木“取代”，并且這些新樹木會隨著時間的推移從大氣中吸收等量的二氧化碳。但是，一些環(huán)保組織認(rèn)為，如果用新種植的樹木取代古老的森林，新樹木可能永遠(yuǎn)都無法達(dá)到原本樹木的大小。此外，也有人擔(dān)心木材需求的增加會導(dǎo)致更多的森林被砍伐，糧食生產(chǎn)用地也會減少。

研究通常還假設(shè)，木材一旦用于建筑物，碳就會被永久鎖定。但實(shí)際上，并非所有被砍伐樹木的木材都能成為建筑成品。樹枝、樹根以及鋸木廠的廢料可能會腐爛分解或被焚燒。此外，當(dāng)建筑物被拆除時，如果木材最終被送往垃圾填埋場，其中的碳會以甲烷和其他排放形式釋放出來。

非營利組織“碳領(lǐng)導(dǎo)力論壇”的建筑師兼環(huán)境研究員斯蒂芬妮·卡萊爾（Stephanie Carlisle）表示，他們想知道重型木結(jié)構(gòu)是否真的總能帶來凈受益。她認(rèn)為重型木結(jié)構(gòu)確實(shí)能帶來氣候效益，但還需要更多研究才能明確這些效益具體有多大。

與此同時，重型木結(jié)構(gòu)處于一種全新建筑模式的前沿，這種模式被稱為“集成設(shè)計(jì)”。在傳統(tǒng)建筑中，建筑師先設(shè)計(jì)建筑，然后聘請多家公司分別處理不同部分的施工，包括打地基、建框架和安裝通風(fēng)系統(tǒng)等等。

凱西克指出，在集成設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)階段要詳細(xì)得多，而且從一開始就會讓各個公司參與進(jìn)來。不同組件的組合和協(xié)作方式都會提前規(guī)劃好。構(gòu)件的精確尺寸和形狀都需事先確定，甚至連拼接所需的孔洞都可以提前預(yù)鉆。這意味著許多構(gòu)件可以在工地外用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制機(jī)械完成制造。

許多建筑師喜歡這種方式，因?yàn)檫@讓他們對建筑元素有更多的控制權(quán)。而且，萊曼表示，由于大部分工作都提前完成，現(xiàn)場施工的速度通常更快——最快可以比傳統(tǒng)建筑快40%。

凱西克說，重型木結(jié)構(gòu)建筑的建造過程更像是汽車生產(chǎn)，所有的零部件都被運(yùn)送到最終地點(diǎn)進(jìn)行組裝?！爱?dāng)重型木結(jié)構(gòu)建筑在工地豎起時，它實(shí)際上就像一件超大的宜家家具，”他說，“所有東西都是組裝在一起的?！?/p>

資料來源 Knowable Magazine