来自过去的未来材料——耸人听闻的“高层木构建筑”
本文为全球知识雷锋第21篇讲座，
由加拿大皇家建筑学会会员
Michael Green主讲，由东南大学孙志健同学根据视频翻译整理，特邀东南大学韩晓峰副教授推荐。
记录者：孙志健
东南大学本科在读，关注以扎哈·哈迪德为代表的“解构主义”的建筑风格
推荐人：韩晓峰 副教授
东南大学建筑学院 副教授，香港中文大学建筑学院 客座教授。代表著作：《木构营造》，并发表多篇关于木构研究论文，作品于威尼斯建筑双年展、香港、台湾、上海等地多次展览。
Michael Green,加拿大皇家建筑学会会员，不列颠哥伦比亚建筑学会，美国建筑师协会，阿尔伯塔省建筑师协会建筑师，加拿大MGA设计事务所合伙人。他的作品遍布全球，是世界上迄今受邀在TED主年会上演讲的仅有的10位建筑师之一。
主讲人：
Michael Green
文章全长6976字，阅读完需要10分钟
推荐语
本篇讲座特邀东南大学建筑学院木结构专家——
韩晓峰副教授推荐
直到目前为止，Michael Green在建筑设计领域的贡献在我看来，正像他所钟爱的木材一样，有一种温软的坚强力量，源源不断。他不似明星建筑师那般耀眼，他的建筑里对木材持之以恒的应用（不同程度的），使其作品从开始就不是为了获得视觉刺激而做，他试图把木材的自然和温暖传递给每一位到访者。我于2015年，因为工作原因主持中国与加拿大木业协会和英属哥伦比亚大学建筑学院的国际课程，带领工作营同学到Michael的事务所拜访，因此有过难得的交流。印象最深刻的是在工作室作品照片和模型中看到丰富多彩的木材应用，有规模巨大公共建筑以木结构为主体结构的模型，也有社区公共空间内精致的木构小品，甚至微小尺度家具设计中对木的创新应用。
理解木构建筑，或者说理解Michael Green，我想我们需要一些全新的对现代木材加工、木材节点和最重要的木结构体系的知识。正如在他的论述中所强调的高效的结构体系、符合材料物理特性的策略性整合、节点的精致控制等至关重要的科学原理，而且关键在于这些原理如何与木材结合，进而创造出近乎耸人听闻的“高层木构建筑”这一类物体。
木材是来自过去的未来，这点我深信不疑。木材本身是树木种子在生命期内通过光合作用吸收二氧化碳转化成的固体物质，把树木砍伐变为建筑材料盖成建筑供人类居住，这个过程对地球环境破坏最小。但是，全世界必须建立严格的木材砍伐和补偿种植的管理机制，使得人类消耗的木材量小于木材的生长速率。如此，木材将真正成为唯一高效的绿色建筑材料。
中国传统建筑中关于木的传承和发展一直以各种方式在当代继续发生着，而来自北美或欧洲的现代大型木建筑的不同的科学知识，必然会促进东西方木构建筑互相间积极影响。
前言
拍摄于不列颠哥伦比亚大学（UBC）林学院lecture hall
美国建筑大师赖特说过：“木材对于人类来说是普遍美丽的，是所有建筑材料中最亲近人类的。”的确，木材因其种种优点被誉为创建绿色城市的良药，更是令人心旷神怡的会呼吸的建筑。
回首建筑学从20世纪的福特主义（标准化原则下流水线批量生产）过渡到21世纪的丰田主义（可变的个性化审美定制），木构高层的井喷之势也席卷全球。
发展到如今工厂化制造、装配式施工的现代木结构，耐久性好、抗震防火强等优势不断凸显，木材不但能在稠密的城市中建造大型建筑，更可以在水泥丛林中竖起巍巍巨塔。这是“诗意地栖居”的必然趋势。
现代木结构概况
加拿大在木建筑研究建造领域处于世界首位，笔者暑期受UBC的Frank Lam教授和加拿大木业协会邀请在韩晓峰教授带领下赴温哥华参加了木结构研习，除了对校园和温哥华市的精巧木建筑叹为观止外，最让我印象深刻的就是林业科学中心的研究实验室，配有3D打印制木和机器人机械臂设备加工木材，包括层板制造（指接、养护），层板胶合（组坯、加压、固化）和胶合木刨光及表面修补等工艺，堪称全球最先进。
工程木分类简介
现代木结构体系概况
UBC助教张超详细介绍了实验室陈列的各类工程木：层板胶合木（Glulam）是木板经干燥后顺纹胶合而成，可作梁柱；旋切板胶合木（LVL）则由原木旋切成单板，这些单板顺纹胶合而成，多作梁柱；正交胶合木（CLT）是把层板横纹和竖纹正交叠放，胶合成实木板材，面积和厚度可定制，可作承重墙和楼板，是高层木建筑的最热门新型材料。
拍摄于UBC世界名列前茅的木结构研究实验室
2012年31.7米高的“Forte”10层木构公寓楼拔地而起，睥睨墨尔本维多利亚港，号称世界最高木建筑；直到2014年挪威卑尔根市中心14层的“Treet”夺去这顶桂冠。British Columbia大学木建筑设计和构造专业Frank Lam教授评论说：“攀比谁会是下一个最高木建筑似乎已经成为了设计领域的一项比赛。”
墙体核心筒楼板采用CLT
混凝土楼板＋CLT内外墙板＋环带桁架
谁是下一个全球最高？
Michael Green说：“我相信未来是属于木材高塔的。现在的高科技木材很大程度上满足了对于建筑用料强度和安全性上的需求，完成能造出符合要求的城市高楼。不过现在的挑战在于如何说服大众接受这个新思潮。事实上木材会在将来一百年主导建筑材料的流行趋势。”
此后加拿大不列颠哥伦比亚大学校园内一栋18层高53米的高层木构学生公寓BROCK COMMONS完工，成为除应县木塔外目前世界最高的木结构建筑。它是现浇加固混凝土结构作基础、一层、二层楼板及垂直交通的核心筒，除了用钢构件作连接和屋盖板，其余均为纯木结构：CLT（交错层压板）板作楼板，GLT（层板胶合木）作柱，PSL(平行木片胶合木）作承重柱。UBC这座宿舍四四方方，虽然其貌不扬，但这代表建筑领域的一次飞跃：因易燃、脆弱、易形变而逐渐退出人们视线的木材，重回建筑材料的历史舞台。
木构公寓装配建造模式
更高的木建筑还在规划中：瑞典当局已经批准了在首都斯德哥尔摩修建一栋34层的木质建筑；温哥华建筑师Michael Green正在申请在温哥华修建一栋30层的木质高楼。芝加哥建筑设计巨擘Skidmore, Owings & Merrill公司近日公布了可行性研究，内容是一栋大量使用CLT构建的42层高楼。
讲座正文
木结构建筑一直脚踏实地，但依然可以仰望星空。
谈到建筑材质，更多人主张木材是钢材和混凝土的切实可行的替代品。何以见得？（why wood?）因为到2050年城市人口预计达到70%，高密度的城市空间将会给建筑，尤其是大型建筑带来更多压力。其实我们往往意识不到建筑是能耗大户：它占全球40%的资源消耗，25%-40%的能量消耗，30%-40%的温室气体排放和30%-40%的固体垃圾。
令人扼腕的是，很多摩天楼采用的都是玻璃立面、混凝土包面或熠熠闪光的金属板，这些现代材料似乎早已取代传统木材。钢筋混凝土在建筑中占主导地位，同时也成为环境压力的主要来源。在这样的时代背景下，建筑师Michael Green和Andrew Waugh开始关注木材，以及如何用木材实现高层建筑的伟大建造构想。
新型木结构体系
拍摄于加拿大里士满奥运滑冰馆，木拱结构
列治文市
奥林匹克速滑馆
在Richmond的奥运速滑馆，闻名遐迩的大跨木结构和建筑羽毛状排列的屋顶仿佛Richmond城市象征——优雅的苍鹭的姿态。它的天然美观、环境友善、技术创新和独一无二的结构赢得了五湖四海旅客的青睐。
它由波浪木屋面板、19000张花旗松胶合板（屋面）和花旗松胶合梁用作屋面拱，结合黄柏胶合木柱用于室外支撑柱构成。屋盖的结构体系有点类似我国的“双曲拱桥”。
每个V形桁架的坡面由连续的38mm×89mm的拼接块组成。拼接块用钉子和金属加固条连接。这些拼接块纵向长短不一，形成空隙，使结构重量减轻，并提高声学性能和抗弯性能。在其沿跨度方向，三角形的层压板可以起到提高横向刚度和保持几何构造不变的作用。屋顶结构的V字形状给隐蔽喷淋管线提供空间，并使喷头可以突出朝向下部空间。
简而言之，它的结构要素就是拱和三角，拱创造了大空间，三角形混凝土支墩提供了水平抗侧力，三角形的钢木组合拱截面和三角形的波浪板完美兼顾了受力和使用功能。据工作人员介绍，所有材料规格材均采用回收的松甲虫致死木材制作，以体现低碳环保，此建筑屋顶被公认史上最大的覆盖回收木材的表面。
速滑馆底部是现浇混凝土，屋盖由100m跨度的钢-胶合木复合拱支撑在巨大的斜向混凝土支墩上，钢木复合拱截面为空心V形，尖部为刃形钢件，以连接两边腹板位置的两片胶合木拱。胶合木拱顶部为有横向支撑的H形型钢，该型钢在接近拱支座时升起以支撑翘起的屋檐。复合拱的空心结构为管线铺设空间，可以看到有空调系统的出（进）风口。
UBC林业科学中心
除了木拱等解决大跨的需求，木构建筑在温暖空间氛围的营造和对光影的把握上也给人无与伦比的视觉盛宴。例如UBC林业科学中心大楼，它包括教室、办公室、演讲厅等。
大楼由三部分组成，一幢为4层混凝土方形结构、另一幢为围绕前幢的L型建筑，两个建筑的中空部分为木结构建成的共享空间，学生在其间探讨交流，餐饮娱乐，如在自然原生态的柔美环境中漫步。它由4根木柱组成的大柱直通屋顶，顶部透明采光，斜梁组成的屋面结构构造简洁，梁截面体量庞大。所有木结构构件均采用PSL（平行木片胶合木）制作，内填钢板加螺栓节点连接。
惠斯勒公共图书馆
长久以来，传统的大型梁柱结构与常规螺栓连接的形式占据了惠斯勒建筑设计的主导地位，这样的建筑往往质朴有余，优雅不足，少了现代主义的美感，且未兼顾冬季积雪的荷载问题，因此图书馆出发点便遵循现代感结构清晰简单的设计理念。
会议室与辅助设施在建筑东南侧，面朝大街，而阅览室与学习室作为独立开敞的无柱空间被布置在相反的一侧，面向公园。这就要求有微斜的净跨度13.5米的屋顶结构，并且在面朝大街一侧有宽3米的挑檐以覆盖入口和通道。
拍摄于Whistler Public Library，Vancouver
设计团队为它定制了一个实木屋顶系统，该铁杉实木屋顶能满足所有需求，结构深度仅为4米，总宽度12米的铁杉板间有一个3米宽缝隙用于排放喷淋管线。虽然实木天花板似乎并非建材使用率最高的选择，然而从环保角度它具有胶合木、檩条等传统方式无可比拟的优势：铁杉木板来自当地林地并在当地工厂预制，能耗很小；最小化屋顶结构深度减少了整个建筑的体积连带着减少了外围护结构的面积，也就是减少了建筑整个生命周期的能耗。从建筑角度看，实木板塑造的优雅牢固的天花板能减少回声的产生，装饰线通过天花板延伸到室外挑檐加强了建筑内外的整体感和通透感。微斜的屋顶可以承受815公斤/平方米的积雪荷载，极其适合滑雪胜地惠斯勒。这里俨然成为了当地人的免费心理健身房。
现代木结构材料新宠——CLT
Michael Green以详实的数据引出了发人深省的问题：在未来，开发商施工方用什么方式建造房屋？建筑师用什么理念引导未来建造？
总部位于伦敦的建筑实践事务所Waugh Thistleton的合伙人Andrew Waugh表示：“用交叉复合木材（CLT）在工地盖房子更加安静、干净和干燥，不会产生很多现场垃圾，也没有水泥搅拌车和冲击钻等刺耳噪音。”日益拥挤的城市空间对更高建筑的需求剧增，用CLT这种可再生资源取代钢筋混凝土等不可再生资源，对环境健康的影响是巨大的。未来的建筑希望恰恰建立在人类最古老的建筑材料——木材上。
温哥华FPlnnovations实验室资深工程师Erol Karacabeyli说：“CLT有点像触发器，让高层木建筑一触即发。”CLT之所以性能强悍，在于它是将横纹和竖纹交错排布的木材胶合在一起，无论在垂直还是水平方向都有很好的强度，可以替代混凝土材料。而普通木材仅仅在垂直方向满足强度，横向强度都偏弱。由于CLT采用多层更小的木梁合成，即便木材形状奇怪、生节也可以制造，降低了废物率。
遥想托马斯·爱迪生在1931年曾说：“我要把资金都投入到太阳和太阳能事业，我希望不要等到石油和煤炭资源枯竭了我们才去利用它。”这发人深醒的话流泻在科学家的笔端，使我们意识到新的绿色材料带有历史的必然性。由于木材节能环保，可再生，可持续，生产建造过程中固体废料几乎为零（即使木屑也能再利用造板），树木生长的光合作用会吸收CO2并释放氧气，生命周期内对环境影响最小，又是一种碳汇渠道。所以木建筑系统性的革新就是从这种新材料拉开帷幕的。
木结构生命周期内对环境影响最小
立木为厦
怎样可以变得更高结构更合理，是木建筑探索的永恒主题。在过去一百年里用木材为主要架构的建筑大多是不过三至六层的轻型框架，但近年诸如交叉复合木、层压胶合板和单板层积材的出现，慢慢给高度限制松绑。回想2008年英属哥伦比亚省木建筑限高4层，但到2009年省内木结构建筑高度提至6层，甚至为鼓励人们更多使用低碳木结构，并颁布“木材优先法”要求优先考虑采用木材作主要结构材料。2008年在伦敦东部Stadthaus酒店更是有9层高达30米，所以纯木材结构建筑师们认为：“用混凝土或钢混结构技术的建筑是不必要的，纯木材建筑至少可以盖25层楼。”
木结构高层常用便捷的装配式施工方
这一话题充满了机遇和挑战，不光是对新材料的建造讨论，更将长远的目光投到对建造体系的改变。工业革命改变了一切，技术的发展让建筑高度不再有束缚，自1889年的埃菲尔铁塔后钢筋混凝土的超高层酷炫的庞然巨物在世界各国竞相攀比着拔地而起。而今木结构解决大跨度已不算难题，我们不由对现状展开想象：木构高层可能实现吗？
拍摄于温哥华西蒙弗雷泽大学（SFU）
木网架大跨和鱼腹梁张弦木结构
“Mass Timber”的
无限潜能
我们终于发现木结构的体系创新在于大量工程木新品种，即“mass timber”产品，例如LSL(Laminated Strand Lumber/层叠木片胶合木)，LVL(Laminated Veneer Lumber／旋切板胶合木)，Glulam(层板胶合木)，CLT(Cross-laminated Timber／交错层压木材)等。
其中CLT应用最广泛，因其良好抗压抗拉抗剪强度可作承重墙体与楼板，使高层木结构成为可能。Andrew还提到日本木塔给他的启发：木塔翼角优美，结构挺拔，同时木材的柔韧性带来良好的抗震能力。故而他主张将木材与现代技术完美结合产生3英寸厚的由平板胶合压缩形成的交错层压板（CLT）会在建造过程中展现出巨大潜力，定能成为新时代建筑材料的宠儿。
全球第一栋
高层木结构公寓
Andrew的伦敦公寓Murray Grove是一个让人惊喜的案例，它是第一栋公认的高层纯木结构公寓楼，诠释了当今技术条件下实现低碳的建筑材料选择的开天辟地的独创性方式。建筑完全由木材完成，包括楼板，梁柱，承重墙，隔墙等。整个九层建筑由蜂窝状的结构板（honeycomb）承重，五层水平面的胶合板极其稳固且富有弹性和柔韧性。中部木质核心筒辅助周边墙梁，角部阳台栏杆同样起到增强结构作用，联结四周外墙，从而形成一个稳定的框架。
蜂窝状结构板（honeycomb）
平面布置划分灵活
木材优异的柔韧性
木建筑建造体系创新
区别于混凝土框架结构的施工周期漫长的72周，木构建筑很容易实现工业性的标准化装配，甚至整个木结构体系在仅27天就由4名女工装配完成，因此49周内便完成了29套具有良好隔热隔声性能的公寓。
木材的优越性在这个项目清晰地呈现：轻质，易于装配施工，平面布置灵活，可生物降解而产生极少固体垃圾，这是建筑对环境的无限善意。如CLT都是天然可再生材料，USDA认为使用mass timber建四层建筑所减少的废气排放相当于500辆汽车行驶一年的排放废气量。
连续性倒塌剪力墙线图
有趣的是，业主起初担心租客怀疑木房子的安全性，并不希望它能被看出是木结构建筑。其实这种担心不无道理：防火是木材的一大弱点，但交叉复合木材抗火性能极好，只会在表面发生碳化，并不会像普通木材燃烧。设计师的解决方案是包覆防火处理：在结构外包一层阻隔涂料来阻断及防止火焰直接接触木构件并阻挡火焰和高温气体传播，增强构件耐火性。相较于很多典型的中空的立柱墙，该建筑主要的外墙和核心筒材料从截面看极其简单却能很好地防火隔声。两大当地报纸刊登了这座九层木构公寓的两页招租信息，15分钟内就全部售完。这个建筑作品在关注结构理性，建造过程的高效率上首次让人意识到CLT材料的巨大潜力，在高密度的建设需求中指引我们找到了一种经济、环保、美观的钢筋混凝土替代品。
FFTT项目——高层木构批量生产系统
另一个案例来自于 Finding the Forest Through the
Trees（FFTT），Michael Green对木构建筑的思考更加大胆，展示了木建筑新的可能性。他们试图建立一套支持高层木构的标注原则批量生产系统，这种木板能像乐高玩具一样任意组合，新的木工程技术搭配超强的粘合技术意味着可以创造出近似钢强度的支撑力，这就是当代木构高层的设计精神。他们从全面考虑原材料、供应商、开发商、使用者、建筑与环境的关系等因素出发，认为木材将给城市带来可持续发展的动力，要鼓励人们建造中探索使用可再生能源。而在许多发展中国家，现有建造方式并不能完全满足城市压力剧增情况下的住房需求，于是高层木构更轻捷的建造装配以及更低廉的造价，似乎为我们提供一个应对全球范围挑战的创新思路。
引领木构高层的标准化生产体系
在温哥华的实验室，最为核心的探讨集中在了建构细节。木构体系的建造逻辑与框架结构类似：高强度柱网，梁架交叉承托楼板，也可产生平面空间的灵活性。在这套建造系统中，木材使用率高达98%，加入少量的钢材，来提供足够的节点强度以确保高层建筑的抗震性能。他的概念的结构形式是钢－木混合结构：钢梁＋CLT,LVL及LSL柱或墙，钢梁与主体结构用螺栓连接作为弱连接构件，为整体结构提供延性，混凝土仅用于地下室和基础部分。
柱网、梁架交叉承托楼板也可产生灵活流动的平面空间
结构体系让情怀落地
高层木结构的关键技术在于结构体系。FFTT提出了四种不同高度的结构选型：当层高不过12层时应选用木质核心筒＋层板胶合木柱；而层高至20层时就要木质核心筒＋木材承重外墙或是核心筒＋胶合木柱＋木剪力墙；如果层高达30层，则宜选用木核心筒＋木柱＋木剪力墙＋木外墙。考虑因素包括纵向（重力）负荷及面板剪切负荷的有效转移，楼板起到横隔层的作用，将横向负荷转移到核心筒，减少建筑的震动传递。这些结构丝毫不会影响灵活的平面功能组织，且高层木结构采用了比混凝土建筑更为严格的消防标准，所以在火灾安全性上与钢混建筑并无区别。
FFTT30层木高层结构选型
不过FFTT的关注点不仅在建造过程，它的目标是真正让木构高层从情怀到落地，并被市场认可。要知道绝大多数人谈到绿色建筑虽然会表示支持，但是极少数真正为此付出实际行动。Michael从开发商的角度考虑，为这套体系尝试了丰富的平面灵活性，中部核心筒保持结构稳定性后其余空间产生多种选择的可能。在调整平面布置的同时，主体结构的强度也随之变化，最终他们找到一种最佳平面组合方式使建筑可高达30层。下部开敞的大空间用于商业办公，上部小空间组合可投入住宅使用。让人无比期待的是，这一30层最高“木塔”正在温哥华被尝试建造！
木建筑的构造创新
对于木构建筑来说，防潮是尤为突出的问题。其实木材可以吸收和排出大量湿气，且不会产生任何问题，问题是如何对木结构进行合理的防潮设计。对基础部分采用架空或铺设防潮层。而对于墙体则可以设置挑檐或在护墙板与墙面之间铺加排水面。
木建筑使用性能的关键考量因素是降低破坏性震动和声音传播，设计上的解决方法包括：用40mm混凝土面层增加CLT楼板的重量和刚度。在单元内安装地毯和弹性地板以降低地板表面硬度。在CLT面板和室内顶棚间形成空腔，方法很简单：从弹性条和顶部轨道悬挂石膏板，通过分层、气室、室内隔断填隔音材料等吸收声音。可见从前木结构被诟病的种种缺点如今都不再是难题，高度的革新更是势不可当。
典型楼板与顶棚之间的隔音构造大样详图
《科学》杂志报道称，世界各地的科学家和建筑师，正在努力将木材这一古老的建筑材料重新带入现代化城市中。而木材加工技术的革新与环保意识的增强，激励了这种理念。人们试着推动木制建筑的限高节节攀升以及木材应用范围不断扩大。
参考文献与资料
1. Behavior of glulam columns reinforced by near surface mounted CFRP laminates under eccentric compression loading[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2016,DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001585.
2. Experimental investigation of laterally loaded double-shear-nail connections used in midply wood shear walls[J].Construction and Building Materials,2015,101:761-771.
3. Investigation of the creep property of fast-growing poplar wood modified with low molecular weight resins[J].Bioresources,2016,11(1):1620-1633.
4. 2-D elasticity solutions of two-layer composite beams with an arbitrarily shaped interface[J].Applied Mathematical Modelling,2016,40:1477-1493.
5. 工程木梁的受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2008，29(1):90-95.
6. FRP横向加固木柱轴心受压性能计算[J],土木工程学报，2012，45(8):48-54.
7. 静载与低周反复荷载作用下胶合木梁柱延性抗弯节点试验研究[J].建筑结构学报，2015，36(10):131-138.
8. FRP加固轴心受压木柱应力-应变模型[J]，工程力学，2008，25(2):183-187.
附注：开篇木桥照片为韩晓峰教授主持东南大学与ETH联合教学作业成果展示，于前工院拍摄
END
作者介绍
孙志健
东南大学本科在读，关注以扎哈·哈迪德为代表的“解构主义”的建筑风格。
孙志健在加拿大UBC参与的第二届高校木结构设计邀请赛作品“树影游泳馆”。为使结构更轻盈，采用钢节点，将拱形网架与拱形木梁相结合，在增加了结构高度的同时降低了木梁的截面高度，既节约了木料又产生了通透的结构效果。
参赛学生：翟盈、孙志健、尹涵、盛方远、王卫昌、吴磊、陆川，指导老师：韩晓峰、张晋
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