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现代木结构在超高层建筑中的应用(基础篇)

现代木结构在超高层建筑中的应用(基础篇)

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引言


“木曰曲直”,在传统的阴阳五行观中,“木”象征着旺盛的生长,其温热而性仁,可采天地之阳,寓意美好。加之木材易于采集、运输和加工,因此,自蒙昧初开的巢居干栏居,到明清紫禁城的建筑技艺大成,木结构始终是中国建筑史中当之无愧的主角,在华夏大地留下了璀璨的建筑成就。“欲穷千里目”的渴望,让古代匠人凭借智慧与最朴素的工具和材料,不断挑战着尚未被认知的重力,筑起一幢幢华美入云的高层楼阁。


近代以来,人口的增长与城市的快速扩张带来了新的发展需求,使充满工业力量的钢筋、水泥与玻璃,取代木材成为了构成城市表皮的主体材料,在天际线上筑起一片又一片的混凝土森林,包容下纷繁精彩的城市生活,也让“登高望远”成为了生活的一种寻常。然而以钢筋水泥为代表的建筑工业在快速支撑起城市建设,改善人民生活的东西,也产生了巨大的能源消耗与环境污染。


因此,寻找更加绿色的建材与建造模式成为了建筑行业可持续发展需要面临的一个重要议题。在此背景下,更加符合绿色建筑要求的装配式建筑开始被人们寄予更多的关注,住建部于2020年3月发布《“十三五”装配式建筑行动方案》、《装配式建筑示范城市管理办法》、《装配式建筑产业基地管理办法》三项文件,全面推进国内的装配式建筑发展。


而装配式技术的发展,结合木结构天然的节能减排的优势,也使得木结构建筑有机会以一种全新的形态回归到现代城市之中,甚至可以摆脱重力的束缚,成为城市高层天际线的组成部分。


研究背景


在全球的建筑前沿,装配式技术与现代木结构正在重新诠释木构造在城市中的可能性,除了建筑体量的扩大之外,建筑与工程师还在不断挑战着木结构的高度。过去的6年中,世界各地已有四十余座高度超过50米的现代装配式木结构建筑建成或者在建。尽管数目不多,但是却在深刻改变着人们对于木结构建筑的固有认知。


其实,在我国绵延千年的建筑史上,匠人们世代都未曾放弃营造高楼的梦想,结合醇熟的木造工艺,在建筑史上留下一栋又一栋的壮美楼阁。典型如山西省朔州市应县城西北佛宫寺内的“释迦塔”(应县木塔),塔高达67.31米,底层直径30.27米,外观有五重檐,结构共计有九层,始建于辽清宁二年(1056 年),迄今历经千年而巍然不倒,是当今世界上最高的木结构建筑,见证着我国木构造建筑辉煌的艺术与技术成就。


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释迦塔


释迦塔中木料的连接全部依靠预制的榫卯拼合装配,渗透着朴素的装配式建筑思想。为了平衡受力和限制塔身的水平位移,营造者在木塔中设置了四道结构暗层,如同木结构的空间刚性箍,极大增强了木塔的结构稳定性。因此木塔在百年前的军阀混战中,可以经受炮击而幸存不倒。


千年古塔印证了木结构建筑源流延续,也证明了木结构在高层建筑中应用的可能性。目前我国对于木结构建筑的限制仍旧较多,但是木结构在节能减排方面的贡献也已经引起了相关从业人员的重视。而放眼世界,以森林资源众多的加拿大为代表的各国,都在尝试促成现代木结构在高层建筑中的应用,也取得了一些值得我们学习借鉴的成果。加拿大政府于2017年颁布了“木质绿色建筑”(GCWood)计划,为现在木结构建筑的发展与推广提供资金帮助。同时美国国际规范委员会(ICC)也与2019年批准了一系列对于《国际建筑规范》(简称IBC)的修改,其中较为重要的是将大型木结构建筑的限制高度放宽至80米,为现代木结构高层建筑的发展放宽了束缚。


当前,正着力推动现代木结构高层建筑实践的机构有加拿大木业及其赞助成立的非营利性机构ThinkWood,还有日本的住友林业株式会社(Suitomo Forestry)等。


现代的木结构的特点与分类


木结构能够在钢筋混凝土林立的今天,再度走进人们的视野并得到进一步发展,除了因为其天然亲生物特性带来的居住舒适感以及优越的抗震性能之外,还要得益于今天人们对于环保议题的关注。


木材在种植成材的过程中,可以通过光合作用实现固碳目标,作为生命周期内的碳排放补偿。且由于材料特性,木材在加工成型的过程中所产生的碳排放量也要远远低于钢材、混凝土等高能耗产业产品。加之木材密度较小,约为钢筋混凝土的四分之一,因此更加利于运输和吊装,因此可以大幅度缩短施工周期,从而减少施工过程中的能耗。以加拿大一栋18层的重型木结构学生宿舍为例(Brock Commons Tallwood House),其木结构部分施工周期仅为2个月,远远低于现代主流的建筑结构形式。木材本身便具有很强的装饰性,因此在内装过程中,可以直接作为室内材料暴露,无需额外的装饰,从而也减少了内装作业的工作量。根据美国Bruce Lippke等的研究报告在全生命周期内,木结构建筑的碳排量相比钢结构建筑降低了74%,相比于混凝土建州降低了69%,因此现代木结构有望成为助力“双碳”目标达成的一柄利器。同时,在木材产能充沛、现代木结构技术先进的国家或地区(如加拿大与日本),据ThinkWood组织统计,同等规模的办公类建筑,木结构的建造成本相比传统的钢筋混凝土结构,可以降低约20%~30%的碳排量。


人们对于木结构建筑的顾虑则主要在于其防火安全性能,这也是木结构建筑发展过程中必须面对的一个挑战。


目前现代木结构的防火主要有以下几种方式:


 阻燃/防火剂改性法:由硼酸和磷酸脒基脲(GUP)等磷酸脂类成分制成的木材阻燃剂,在充分渗透木材后,在遭遇火情时,能够分解产生不燃性气体和不挥发的酸性熔融物质,降低体系温度与氧气浓度并屏蔽火焰的热辐射作用,因此可以阻滞火势的蔓延。目前常见的阻燃剂改性方法有①真空加压法(效果最佳)②浸泡法③涂刷法④喷涂法。经上述过程处理后的木材,燃烧性能可以达到B1级以上。


防火石膏板包覆法:即根据防火需求,采用单层或者多层防火石膏板对木构件的表面进行包覆保护。依靠石膏板优异的防火性能,提高结构整体的耐火极限,从而满足消防逃生的需要。


防火石膏板复合法:将木材与防火石膏板做成三明治夹心结构,来确保木质承重构建在遭遇火灾时,能够得到石膏板的保护而不至于过早失去结构能力。


大截面表面碳化防火法:大截面表面碳化法则是通过增大木质承重构件的截面积,在遭遇火灾时,通过在木材表面形成一道能够隔离火焰与高温的碳化层,大幅度延长木质构件的耐火极限,使其能够满足现代建筑的火灾逃生要求。


而相比于传统建筑木结构,现代木结构体系为了适应当代社会发展中繁杂的建筑需求,在充分吸收和集成其经验的基础上,融入了更新、更先进的木结构设计方法、木材加工技术、材料连接构造、智能建造技术等现代的工业科技成果。其差异主要体现在木材的材料加工方式与连接方法上。如现代木结构体系中的使用的木材,多经过现代技术的防火、防腐、防蛀处理具有更强的耐候性能,且很少直接使用原木,取而以各种新型复合板材。在连接方法上,现代木结构更倾向于使用加工精度高、连接强度大、施工效率高的金属连接件。


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传统木结构


——梁思成《<营造法式>注释》宋代大木作厅堂做法


传统木结构多依靠木材自身在重力作用下的咬合连接,即榫卯结构


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现代木结构


——加拿大Brock Commons Tallwood House


现代木结构更倾向于使用加工精度高、连接强度大、施工效率高的金属连接件


加拿大非营利性机构ThinkWood将现代木结构建筑分为以下几类:


预制轻型木框架体系(Light-frame)


重型木结构体系(Mass Timber)


软木类体系(Sofewood Species)


预制轻型木框架体系


(Light-frame)


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轻型木框架体系


轻型木框架(Light—frame)是一种通过木材加工成轻质框架、龙骨来实现建筑建造的结构体系。因为其木构件往往质轻且截面较小而得名,经济环保,而且及其适合工业化的预制生产。常被用于住宅、商铺等单层、低层建筑的建造。


根据木料选材与连接的工法差异,该体系可以进一步细分为Balloon Framing(便捷木框架式)和Platform Framing(平台木框架式)两种。Balloon体系在北美有着二百余年的历史,是18世界初,在频繁的拓荒运动与缺少职业工匠的现实问题催生出的一种简易建筑体系。特点是木框架采用标准截面的长尺寸木材,木材长度往往与建筑高度一致,因此构件总数较少,且木材之间主要依靠钉子作为连接件,不需要专业建筑工人也可以轻易完成建造。但由于Balloon体系对于木材的要求较高,此外在遭遇火灾时,用于连接木材的钉子极其容易松脱,导致房屋快速解体。因而催生出了Platform体系,该体系使用较短的木材逐层完成房屋的搭建工作,因此在遭遇火灾时不易发生整体性的垮塌。由于结构和用材的特点,在建造过程中,也不需要以来脚手架的辅助,减少了施工总量。


在现代木结构技术的帮助下,轻型木框架体系建筑的防火能力与结构安全性都有了极大的提升,因此在北美的很多地区,仍旧拥有着可观的市场占比。


重型木材


(Mass Timber)


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重型木材类型


重型木材(Mass Timber)结构则是当下人们能够使用木结构实现大体量建筑建造的关键。该结构是现代木结构的代表类型,其使用的木材为各类大幅面实木木材制成的层积板,因此具有相对较大的自重与较高的承重能力。


根据基材之间连接方式的不同,该类产品分为正交胶合木(Cross Laminated Timber,CLT)、层板销合木(Dowel Laminated Timber,DLT)、层板钉合木(Nail Laminated Timber,NLT)和层板胶合木 (Glu-Lam Timber,GLT)四个类别。其中,正交胶合木CLT通常由3层、5层或者7层90度交错的木材粘合而成,因此板材可以获得良好的结构稳定性。层板销合木(Dowel Laminated Timber,DLT)的优势在于,其加工过程不需要任何粘合剂或金属件,该类木材主要由软木材条板与硬质木材销钉阵列组成,硬质木销钉按规律穿插在软质木条板的预制孔洞中,通过摩擦固定形成一个整体。如果希望增强结构稳定性,还可以将硬质木销钉与软木条板倾斜一定角度排列。层板钉合木(Nail Laminated Timber,NLT)与DLT有一定的相似性,区别在于NLT中软木条板的连接需要用到金属钉或者螺栓。层板胶合木(Glu-Lam Timber,GLT)的生产需要将木材条板根据它们的应力方向特性,每层交错半个柱径的距离粘合在一起,该结构使板材能够获取更大的跨度。


软木类体系


(Sofewood Species)


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软木类体系——Mill River Park Carousel Pavilion


软木类体系(Sofewood Species)被划分为一个独立体系,主要是因为ThinkWood组织所在的北美盛产针叶林木,软木来自当地丰富的针叶树,或圆锥树林场。该类木材质地温和,质感优雅,是极佳的建筑与室内装修材料。该类目中的木材产品由于具有坚韧柔软的质地,因而也具备着不错的结构性能,上文中重型木材体系中的多数板材,都是由软木类材料与其它特性的木材复合而成。


同时,软木类建材因其优越的可塑性和独特的质感肌理,成为建筑大师们的灵感缪斯,在大跨度的体育建筑中也大放异彩。


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日本国立竞技场 


 大成建设 + 梓设计 + 隈研吾建筑都市设计事务所


(图片来源:ArchDaily )


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格林森林流浪者足球场方案竞赛


Zaha Hadid Architects


(图片来源:Gooood)


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Penda与木材咨询公司合作使用CLT设计了18层木结构综合体住宅大楼——‘多伦多树塔’


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SUPERSPACE


‘萨格勒布木结构观景塔及垂直森林’方案


小  结


现代材料技术与木结构体系的创新与发展,让木材获得了更高的强度与安全性,丰富了木结构建筑的可能性。尤其是CLT、NLT、GLT等具有出色结构性能的重型木材,让木结构能够不断挑战高度更高、跨度更大的建筑类型。近年来,已有数十座现代木结构的高层建筑落成或在建,采用的多为以上述的重型木材为主的装配式建筑体系。尽管相比于混凝土、钢结构建筑,木结构高层建筑在数量上可谓寥寥无几,但是在“零碳”、“双碳”议题下,却为建筑师打开了一扇可供无限想象的大门。


在我国,现代装配式木结构体系还处在探索阶段,产业体系尚在发展,加上我国严格的森林资源保护政策,木材大量依靠进口。因此相比于以加拿大为代表的林业资源富饶的国家,我国目前现代木结构建筑的建造成本要高于主流的钢筋混凝土建筑。且由于政策规范的限制,在国内暂时也不具木机构的高层、超高层项目的建造条件。但是以上限制并不影响我们借鉴和学习该领域先进国家的技术与经验,同时现代木结构技术的发展与潜在价值也已经引起了我国建筑行业与国家政策部门的重视。随和现代木机构与预制装配技术的发展,国家自2012年起,便陆续颁布了一系列有关木结构的标准与政策。2021年4月下旬,住建部发布了最新的国家标准 《木结构通用规范》(GB55005-2021),进一步促进了国内木结构建筑体系的规范化与标准化。


在我国,建筑行业全生命周期的能耗占比巨大,如2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨CO2,占全国碳排放的比重为51.3%。因此研究和推广绿色建材,对实现建筑行业“零碳”目标的意义重大。


值得相信的是,对可持续发展与健康的追求,将会使越来越多的建筑师重新将目光放回木材这一与人类建筑史相伴的古朴建材之上,让旧木在现代城市中焕发出新春,构筑新的可能。在本系列的下一期的《案例篇》中,小编将结合当前知名的高层装配式木结构建筑案例,为大家介绍当下世界各国木结构高层建筑的发展与探索,敬请期待!


(责任编辑:何雯丽)



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[责任编辑:Susan]

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