【AT观点】碳中和战略下正交胶合木技术对澳大利亚可持续建筑发展的作用及案例分析
当前世界正处于环境危机之中，随着温室气体的大量排放，全球气候正在发生变化。自20世纪初前工业时代以来，全球平均温度已上升1.2°C，接近2016年巴黎协定中设定的1.5°C上限。这导致了洪水、干旱和风暴等极端天气状况更加频繁地发生，正在影响人们的日常生活，尤其是发展中国家的人们相对更加容易受到影响。
随着极端天气现象的出现，全球变暖融化了极地冰帽，导致海平面上升。对于澳大利亚来说，85%的人口都生活在沿海地区。据统计，若海平面上升50cm，澳大利亚的洪水事件发生概率将增加300倍。同时，原先为百年一遇的洪水而设计的基础设施每年将面临多次洪水的威胁。由于气候变化已经对人类的生产生活产生了巨大影响，我们有必要探讨使用可持续性更高的材料进行建筑生产的可能性。
为了迎合联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals）中第九条与第十一条“推动城市、人居建筑与工业可持续性发展的策略”，在欧盟率先提出碳中和战略（Carbon Neutralization Strategy）后不久，澳大利亚前总理斯科特·莫里森便提出为期30年的碳中和目标，其中包括使用更环保的材料作为主要建筑结构材料的内容。而木质结构可以将建筑相关碳排放量减少一半，并作为碳能量的储存容器使整个城市成为“碳汇”（Carbon Sinks）[1]。得益于此，澳洲的CLT技术在近几年蓬勃发展。
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CLT材料及特性
尽管自然界中存在6000种不同的木材品种，但木材的使用取决于其承受能力、相对重量强度比、含水量等。然而，随着钢筋混凝土、砌体和钢等新型结构材料的出现，木材逐渐被取代。木材作为一种天然生长材料，不具有相同的均匀性，但因其各向异性，在树木种类、细胞结构、含水量和可变载荷特性方面有所不同。随着黏合、机械连接、分级和计算机建模方面的技术进步，工程木材产品的兴起为木制建筑的潜在复兴开辟了道路。
正交胶合木（Cross-Laminated Timber，CLT）材料由横向和纵向交替层制成的胶合和机械压制层压板组成。板材被切割成精确的规格，并经烘干以减少收缩和膨胀，但在其他方面保留了木材的许多天然优势。得益于西澳大利亚和塔斯马尼亚丰富的木材资源，澳大利亚的CLT建造工厂已经从早期依赖进口欧洲冷杉木转而采用本地供应的辐射松或道格拉斯冷杉，进一步提高了CLT制造—交付的灵活性，并降低了时间和制造成本[2]。
全球碳排放5%~8%来自于水泥生产，而木材作为唯一有能力长期大量储存碳的材料（含有大约50%的碳），CLT展示了将建筑变成碳汇的可能性，同时对施工时间、运输和吊装方面的较低要求也减少了相关过程中温室气体的排放。在CLT建筑的拆卸过程中，面板可以按照安装方式拆卸，因此，每一层CLT都可以被重复使用。如果没有重复利用的场景，面板也可以被转换为生物质燃料回收。因此，历史上城市发展和建设对环境的负面影响可以通过在棕地的CLT建筑来缓解，其作为一种可持续建筑材料的潜力将逐渐得以显现。
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澳大利亚CLT制造业发展概况
尽管CLT已经在欧洲被发明三十年，但其在澳大利亚仍属于新的建筑材料。第一座大型CLT住宅楼Forte Melbourne于2012年建成，第一座公共建筑Library at the Dock于2013年完工，第一座办公楼International House Sydney于2017年完工。近年来，重型木结构在澳大利亚的应用逐渐广泛，自2014年以来项目数量大约翻了一番。澳大利亚有两家CLT制造商，规模较大的一家是XLam Ltd.，其位于新南威尔士州的工厂年产量超过60000m3；另一家本地生产商是西澳大利亚的CrossLam Australia，目前处于初创阶段，生产小批量材料。
在澳大利亚，CLT采用来自本国可再生林的木材制成，大部分选取辐射松与少量道格拉斯冷杉，这样可以尽可能减少建筑的碳足迹。辐射松原产于加利福尼亚中部海岸，但在澳洲广泛种植，占塔斯马尼亚木材种植总量的28%，被认为是当地主要的通用木材。
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案例分析
在澳大利亚，过去几十年来木材建筑逐渐兴起并引起了人们的兴趣。一方面是为了减少建筑中CO2排放，另一方面由于建筑规范的演变，新的工程木制品、工具和机械设备的出现都拓宽了木材建造的可能性。
Vistek Structural Engineers是一家始建于1998年的墨尔本当地致力于低碳及可持续设计的结构工程公司，近年他们的工作重心和施工建造方向逐渐开始由传统结构向更低碳化的CLT结构转型。为了探索研究可持续木材在建筑中的结构作用，他们完成了位于新南威尔士州Erina地区的三个重型木结构仓库的工程设计。该项目几乎完全由木材建造，包括两层楼的零售、办公和工业空间，屋顶结构为29m跨度的CLT桁架，用以替代传统大跨建筑中的钢桁架[3]（图1,2）。
▲2 Erina Warehouses 施工吊装 CLT 桁架
©来源于 www.vistek.com.au
但Vistek的工程师们也表明他们并非纯粹的木材主义者，在这个项目中考虑到CLT与其他建筑材料或预制件之间的搭配，因此采用钢制门式框架来降低工厂的设计成本和搭建难度[3]。除此之外，项目的墙壁及地板部分均使用XLam公司生产的CLT以最大可能地减少碳排放。考虑到工业生产设计中厂房或仓库对大跨度和施工速度的高要求，由CLT预制的重型木结构将在这一领域有积极的应用前景。
》高层建筑
除了跨度，另一个大规模木结构建筑的发展方向便是高度。从历史上看，在澳大利亚，由于缺乏提供结构支撑的内墙，木材通常不被考虑用于中高层商业建筑。然而，随着工程木材的创新和CLT的快速发展，位于布里斯班25 King St的开放式办公综合体得以落成，高10层，共52m，是澳大利亚目前最高的重型木结构建筑（图3）。
建筑的平面布局为6m×8m的木结构网格[4]，材料则采用由欧洲云杉木制成的CLT墙、屋顶和地板，以及同样材料的胶合木柱子和梁，其中部分梁通过单板胶合硬木来加固（图4）。作为一栋商用写字楼，建筑以其灵活高效的开放式平面布局吸引了不同需求的租户。
▲4 25 King St Tower 中 CLT 的应用 ©来源于文献 [5]
此外，CLT材料得益于良好的耐火性能，还被用于25 King St大厦的电梯井和逃生楼梯（图5）。在建筑外部，大片玻璃幕墙表达了CLT木材的使用程度，室内则将木材和原材料暴露在外，整个建筑看上去像一个完全通透的大型木屋。与传统混凝土建筑相比，隐藏碳含量减少了74%，能源消耗减少了46%，重量减轻了20%[5]。
▲5 25 King St Tower 中 CLT 的应用 ©来源于文献 [5]
谈到施工周期，CLT的使用优势和劣势其实是并行的。一方面，设计师和工人们需要仔细核查前期的档案和图纸数据，因为预制好的大型木结构往往很难在现场进行调整，需要采用多样化的方法来解决设计、采购和服务以及施工前期出现的细节问题。另一方面，由于所有木材构件都是在场外制造的，可以有效减少浪费并方便运输。现场施工时，这些CLT预制件将显著缩短施工时间。在这个项目中，平均每层仅用8天即可建造完成，施工时间总计仅15个月，与同类钢筋混凝土建筑相比，减少了20%[4]。
基于25 King St大厦在可持续建造上的杰出贡献，它不仅获得了6星级的设计与建造绿色建筑奖（Design and As Built Green Star Rating），以及澳洲环保建筑（NABERS）下包括6星能源评级、4星水资源收集与重复利用评级在内的多个凭证，更是在2020年拿到了昆士兰州首个白金级WELL核心与外表皮认证（WELL Core and Shell Certification）[5]。
另一个同样在可持续建造领域获奖无数的大型木结构建筑则是悉尼国际大厦（International House Sydney），该项目不仅是2017年澳大利亚木材设计大奖（ATDA）中公共或商业建筑类别和可持续性类别奖项的获得者，同时也是澳大利亚第一座商业工程木结构建筑。大厦的可持续性较之25 King St大厦更胜一筹，地面之上的结构全部是木材，超过3000m³的CLT涵盖了楼板、柱子、墙壁、屋顶、电梯核心筒及楼梯立管等核心部位（图6−9）[6]。
▲6-9 悉尼国际大厦中 CLT 的应用 ©Tzannes
这些可再生木材甚至有一些是由其他建筑工地中回收并晒干，然后重新碾压成木板并返回工厂使用的。同时，预制的木结构构件也是通过螺栓固定在一起，意味着在项目寿命结束时这些木材构件可以被拆除并重新使用。材料和结构上的可持续性，使得悉尼国际大厦成为了迄今为止澳大利亚最接近净零排放（Net Zero Emission）的商业建筑[6]（图10,11）。
》装配式建筑
使用CLT结构组成单元化建筑的设计方法，最近在酒店、宿舍等大规模居住类建筑中愈发常见。位于塔斯马尼亚大学的Inveresk学生公寓是2016年的澳大利亚木材设计大奖（ATDA）工程木材奖获得者，它通过预制模块化木结构建筑系统将120间独立的学生公寓堆叠成三层楼高的大型建筑，且无需额外的支撑结构（图12）。
▲12 塔斯马尼亚大学 Inveresk 学生公寓 ©来源于文献 [7]
项目的设计团队为了实现发展当地CLT行业与创新的可持续设计这两个目标，与塔斯马尼亚大学建筑中心就可持续木材建筑展开了密切合作。他们使用当地工厂制造的CLT木材模块，完成了包括支柱、框架、公寓地板、天花板的支撑结构、楼板、楼梯、屋顶桁架和屏风以及底层墙壁和立面的全部制作，并将他们拼合在一起作为一个完整的建筑模组，最终完成搭建[7]。
由于CLT结构轻质灵活的属性，建筑可以与大多数组件一起被拆除。独立的模块化公寓、模块化屋顶和模块化装饰墙可以在另一个位置重复使用。木材在低碳概念的执行、减少地基系统负荷的轻质结构和可再生资源的使用方面具备天然优势，它们的广泛使用对实现建筑的可持续性目标起到了至关重要的作用。
同时，设计师还确保所有公寓都可以获得最大的太阳能增益、交叉通风和隔热效果，从而达到澳大利亚全国房屋能源评级计划（NatHERS）的8星级能源效率。相关模拟表明，与传统住宅相比，这座学生公寓的能源消耗减少了三分之二[8]。
和悉尼国际大厦一样，Macquariex大学创意中心同样是2017年澳大利亚木材设计大奖（ATDA）多个类别的获得者（图13）。在项目伊始，设计重点就被放在了建筑未来的拆卸、搬迁和重新组装的可能性上，所以CLT等工程木材产品就因创新、预制化、快速施工和较小的施工误差等特性而被选择作为主要建筑材料。
▲13 Macquariex 大学创意中心 ©来源于文献 [9]
整个创意中心的主次梁、楼板和屋顶都由CLT制成，立面的双层玻璃木窗被安装在结构横梁之下[9]。设计团队将木门窗集成到镶板木立面中，一个个单独的立面单元确保了建筑单元的预制程度，加快了整个立面方案从采购到施工的“一条龙”过程（图14）。在这个项目中，由CLT木材打造的立面结构体现出预制程度高、施工速度快、制造误差小和未来可拆除等优势，使得建筑的创新性与可持续性目标保持一致。
▲14 Macquariex 大学创意中心门窗单元 ©来源于文献 [9]
》作为装饰性立面
作为公共社区资源的一部分，The Dock图书馆融合了自身传统角色和当代社区中心的角色，在互动式的学习环境中增加了咖啡馆、录音室、会议和娱乐空间等，这样灵活多变的空间组成同样反映在与空间对应的立面效果上。来自维多利亚港南码头的不同再生木材构成了外立面CLT的部分，作为风格统一但颜色各异的装饰性外立面与靠近码头的长廊相得益彰（图15）。
▲15 The Dock 图书馆 ©来源于 www.claredesign.com.au
使用这些木材的初衷是因为图书馆坐落在一个有着75年历史的码头上，如果不额外打桩，它的结构将无法支撑钢筋混凝土建筑的重量。为此，正交胶合木（CLT）、胶合木和回收硬木被大量使用以减轻建筑的整体重量，与混凝土和钢材替代品相比，建筑重量约减少了30%[10]。
此外，木材的使用显著减少了建筑的碳足迹。大约50%的木材干重是碳，并被储存在材料的整个生命周期内，且比使用钢筋混凝土等材料的能量消耗低。不仅如此，建筑的可持续性还包括被动通风、自然采光、低挥发性有机化合物和甲醛材料、雨水收集，屋顶还安装了85kW光伏电池板，可以满足建筑约30%的电力需求。因此，根据澳大利亚绿色建筑委员会的公共建筑评级标准，TheDock图书馆获得了绿色6星级评级[10]。
与其他木材类似，CLT材质的自然美感和明亮属性使得它们常常被用来做室内装饰。位于维多利亚洲的一幢木结构住宅直接以CLT来命名，表明了设计者从一开始就打算采用CLT作为建筑材料的初衷（图16）。
▲16 CLT House ©来源于 www.fmdarchitects.com.au
建筑整体采用T字形平面布局（图17），屋内则采用裸露的未经处理的CLT木墙、地板和天花板作为内部装饰，以保持质朴和自然之美，甚至木构件的螺丝部件也展示出连接系统的自然美感。诸如书架、书桌、枢轴门和酒吧单元等家具也由CLT制成，更加强调这一材料的使用。为了不打破木材这一装饰元素的统一性，所有照明也都被集成在天花板横梁和墙壁中。
▲17 CLT House 一层平面图 ©来源于文献 [11]
从结构图解中不难看出，CLT板材构成了整个房屋的主要部分（图18），最明显的外部特征是CLT锯齿形屋顶形成了抒情又理性的韵律感。这些倾斜屋顶还集成了一个完整覆盖的太阳能电池阵列，顶部的高侧窗可以全天捕捉不断变化的光线。大量CLT材料的使用以及被动式设计使建筑具有产碳量少、可持续性强、维护成本低等特点。据统计，用于该项目的CLT合计为147.601m3，制造这些CLT需要108棵原木材料，即森林木材每公顷产量的27%[11]。同时，项目隔离并储存了259t碳，这些物质或能量可以在未来的生产建设中被继续使用以达到可持续建设的目标。
▲18 CLT House 结构图解 ©来源于文献 [11]
》用于商业建筑室内
Strongbuild作为一家澳洲本土专注于工程木材建造的公司，其位于Bella Vista工厂的新总部被兼作工作区和陈列室。建筑室内装饰大部分都是用胶合木和CLT工程木材建造，以向员工与客户展示这些材料的设计潜力（图19）。
▲19 Strongbuild 总部室内 CLT 应用 ©来源于文献 [12]
对于他们来说，该项目为结构、装饰和细部木材提供了完美的试验场，柱子、横梁、桁架、墙板和屋顶板都是用云杉CLT制成的，并暴露于室内（图20）。其他家具则由塔斯马尼亚黑木制成，深色的轮廓和醒目的纹理与较浅的云杉形成鲜明对比，使其成为长凳、镶板和楼梯扶手的绝佳选择。对于Strongbuild来说，他们坚信木材对工作场所的影响，暴露在室内的木材无论是外观还是气味都对员工们有明显的镇静作用，营造出丰富多样的、激励员工创造更多生产力的工作场所[12]。
▲20 Strongbuild 总部室内 CLT 应用 ©来源于文献 [12]
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结语
综上，CLT这一创新性低碳木质材料在可持续建筑领域有着独特的优势。首先，它作为低碳时代的新材料，不仅可以减少建筑CO2的排放，也有着卓越的强度和韧性。CLT可以作为大跨度建筑中的桁架材料，也可以用于高层建筑中的承重内墙，其良好的耐火性和隔热性可完美替代钢筋混凝土，实现包含电梯井和消防楼梯的核心筒结构。
其次，CLT作为灵活且轻质的模块化预制木结构，很大程度减少了建造时间、施工误差和运输成本。CLT模块既可以被用于快速建设低碳且牢固的大型建筑，也可以在拆除时回收再利用，实现澳大利亚对于可再生资源和持续性建造的愿景。
最后，CLT依旧保持着传统木材的纹理、质感和性能，无论是作为建筑的外立面、裸露的结构，还是内部装饰，都有着独特的自然美。同时，木材本身的固碳性也有助于大量吸收建设过程以及室内使用中产生的CO2。
可以看到，CLT技术在澳大利亚的可持续建筑市场具有很大的潜力。作为应对气候变暖的重要策略之一，过去十年建筑行业在不断地探索CLT设计和用途的各种可能性。未来，随着人们对建筑需求的不断增加，对CLT的需求将同步增长，CLT技术也将持续完善。针对结构性能的最优化、木材的含水性、市场的进一步开发，以及施工前期材料预制细节等问题的研究和解决，也将影响着未来CLT技术对澳大利亚可持续建筑发展的作用。
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参考文献
[1] Talvitie I, Vimpari J, Junnila S. Economic feasibility of wood-based structures:Improving urban carbon neutrality strategies[J].Environmental Research:In-frastructure and Sustainability, 2021(6).
[2] Johnson N. The time is now for CLT in Australia: Developments, barriers and our first CLT house explored[J]. Architec-ture&Design, 2016(2).
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[5] 25 King Street: Sustainable timber build-ing design putting people at the heart[EB/OL]. https://www.aurecongroup.com/ projects/property/25-king.
[6] 2017 ATD AWinner: International House Sydney[EB/OL].https://www.woodsolutions.com.au/case-studies/2017-at-da-winner-international-house-sydney.
[7] University of Tasmania Inveresk student residences[EB/OL]. https://xlam.co/case-studies/university-of-tasmania-in-veresk-student-residences.
[8] UTAS Inversek: 2016 ATDA Engineered Timber Products Winner[EB/OL]. https://www.woodsolutions.com.au/case-stud-ies/utas-inversek-2016-atda-engi-neered-timber-products-winner.
[9] Architectus. Macquarie University Incu-bator [EB/OL]. https://www.archdaily. com/916189/macquarie-university-incu-bator-architectus.
[10] An elegant lightweight design solution: Library at The Dock[EB/OL]. https://www.woodsolutions.com.au/case-stud-ies/elegant-lightweight-design-solu-tion-library-dock.
[11] Byrne J. CLT House by FMD Architects[EB/ OL]. https://www.iaacblog.com/programs/case-study-clt-house-fmd-architects/.
[12] Strongbuild Head Office[EB/OL]. https://www.woodsolutions.com.au/case-stud-ies/strongbuild-head-office.
作者简介
鲍鼎文
澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑与城市设计学院长聘助理教授、博士生导师，深圳大学客座教授。
谈卓铧
澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑与城市设计学院建筑学硕士。
陈锡
澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑与城市设计学院建筑学硕士。
贾亦森
澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑与城市设计学院建筑设计学士。
严鑫
清华大学未来实验室和美术学院博士后研究员，澳大利亚皇家墨尔本理工大学访问学者。
本文刊登于《建筑技艺》杂志
2022年12月刊
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编辑：葛楠 校核：王文慧
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