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牛宝体育“木质革命”:木构建筑正在被误解?

  牛宝体育建筑师越来越多地在选择建筑材料时使用大量木材,目的是希望建造出净零碳排放的建筑。

  木材的环保潜能在于其在生长过程中能够从大气中封存大量的二氧化碳,而混凝土和钢材等普通建筑材料只会产生排放。

  然而,木材的可持续性真的能被理所当然地利用吗?它背后的潜在环境影响又有哪些?当建筑师选择将木材作为材料时,是否意识到了这些问题?

  大量使用木材被广泛认为是帮助建筑师实现建筑净零排放的一种方法,进而帮助建筑环境减少全球 13% 的排放量,这些排放量主要来自建筑施工过程中使用的材料。

  确定建筑整体碳足迹的标准方法是对建筑进行全生命周期评估(whole-building life-cycle assessment,简称LCA),即对从原材料采购到最终状态的每个阶段的排放量进行拆分解析。

  研究表明,在中层建筑中用木材代替钢筋和混凝土,可以减少 13% 到 26.5% 的制造、运输和施工排放,具体取决于建筑的设计、使用的具体木材以及木材的运输方式。但碳评估却忽略了一些潜在的排放来源。

  我们将首先以时间发展为顺序,从 20 世纪 90 年代末建造在奥地利乡村的一个木制低矮住房项目开始,过渡到去年在美国建成的一座高达87 米的木制高楼,介绍四座真正影响人们对木材的概念的建筑,展现其在过去 25 年中在建筑领域的兴起历程。

  这个被命名为Ölzbündt的住宅开发项目位于奥地利多恩比恩,是使用大量木材建造大型住宅区的早期范例。该建筑建于1997 年,借鉴了该地区木结构建筑的历史,同时也与当地福拉尔贝格(Vorarlberg )地区铺着木制瓦片的传统木屋相呼应。

  Ölzbündt住宅总长 42 米,宽 9 米,拥有 12 套单卧和双卧公寓,以及一个单户住宅单元。这座三层建筑群采用了大规模木材框架,可以说为开发适用于多层住宅建筑的木质建筑体系做出了原型。

  HK Architekten的Hermann Kaufmann提到:对于 Ölzbündt 住宅建筑群,我们使用的是用大量木材制成骨架,因为在中欧,这是一种标准的、历史上惯用的建筑方法。“我们使用了预制的木框架结构。”

  大规模木结构建筑的优势在于,整座建筑只需要少量的结构支撑。这是一种纯粹的骨架建筑,确保了建筑未来的灵活性。

  材料方面,Ölzbündt 采用落叶松(larch)覆层,突出了建筑的体量感,并且设有天棚屋顶,保护外墙不受天气影响。墙体根据建筑结构特点、耐候性和设计标准,采用了粘合木板、三层板、胶合板和实木板等类型。

  阳台则使用了一部分细长的钢支柱作为支撑,平面仍然为木板制成,增加了外部空间,并与建筑的木质外墙较为融合。

  对于 HK Architekten 来说,Ölzbündt 证明了在使用预制构件建造时,让建筑方法适应其功能性,用大量木材组成结构以避免承重墙,木材是 最明智 的材料。同时,它也展现了木制建筑的耐用性,无声地讲述着对于批判者的回击。

  这是第一个完全采用预制实木建造的城市高层住宅项目。它作为示范项目率先在英国引入了 CLT,并在国际上掀起了使用 CLT 的热潮。

  从一楼楼板开始,其上部结构完全由 CLT 建成,包括承重墙、楼板、阳台栏杆以及楼梯和电梯核心筒。底层和地基则由钢筋混凝土制成。它展现了木材作为混凝土和钢材的替代品的充分潜力和可行性,尤其是在高层建筑中。

  Murray Grove 的 CLT 构件排列成蜂窝状矩阵,连接处用螺钉和角板固定。这样就形成了一个稳定的结构,Waugh Thistleton将其比喻为 紧密的蜂窝。所有的外墙、内墙、电梯井、楼梯和楼板都在相互提供结构支撑。

  该结构还采用了内部冗余设计(built-in redundancy),这意味着 CLT 面板可以轻松拆卸,而不会有逐渐倒塌的风险,从而可以在建筑寿命结束时轻松拆卸,提高建筑的灵活性。

  由于所有CLT的面板、面板切口都是预制的,运输到工地之后立刻就能用起重机吊装就位,所以施工时间得以大大缩减。

  四名员工仅用 27 天就完成了九层上部结构的建造,整座建筑在 49 周内完工牛宝体育。同样规模的混凝土建筑大约需要 72 周才能建成。

  木材能够从大气中固碳,并在砍伐后继续储存碳,这意味着木制建筑也能储存碳,有助于抵消其碳排放总量。

  根据Waugh Thistleton的说法,Murray Grove的结构储存了超过 181 吨的碳,而通过在建筑中使用木材代替钢筋混凝土,又防止了 125 吨的碳进入大气。

  Murray Grove不仅一改人们排斥木材使用于高层建筑中的传统看法,还让人们意识到可持续建筑领域确实存在着巨大的变革潜力。

  Tamedia Office Building是瑞士第一座七层大规模木制建筑,占据了锡赫尔河畔的一块显要位置。其木材骨架暴露在外,建筑的玻璃外层将其包裹。

  它的预制框架由 2,000 立方米的胶合层压木材(glued-laminated timber)制成,是由日本建筑师Ban与瑞士工程师Hermann Blumer合作开发的新型结构系统,完全不用螺丝或钉子将木材固定到一起。

  这一创新的想法来自于建筑师Ban的美学考虑,他认为其他材质的连接固件会破坏木结构在外的整体自然美感,因此必须全力创造出新的解决方案,使之成为可能。

  这座建筑在建造之初收到了防火规范的限制,最后在建筑师与政府的协商下解决了这个问题。Tamedia Office Building竣工两年后,瑞士当局还修改了防火法规,允许建造任何类型的木材建筑,包括高层建筑和摩天大楼。

  建筑结构分为8个部分,每个部分由四根柱子(总高度21米)和五根双横梁组成,双横梁的两端呈叉形,可在柱子两侧安装。

  同时,连接点上预留了孔洞,允许穿过一根水平横梁,横梁穿过行中的每根立柱,有效地将所有不同的元素锁在一起。该系统借鉴了瑞士的传统工艺和日本宫大木工的精巧手艺——日本拥有一些目前世界上保存时间最长的木结构建筑,例如奈良的法隆寺。

  木材则是选择了来自邻近奥地利的施泰尔马克山区树木牛宝体育,与生长速度较快的树木相比,海拔高、生长周期长的条件使木材具有更好的特性,稳定性更高。

  我们最后提到的案例是位于美国密尔洛基的25层木制建筑Ascent,建于2022年,高度达到86.6米,是目前世界最高的木制建筑。整体结构也完全以交叉层压木板(CLT)和胶合层压木板(胶合木)为主。

  Korb建筑团队曾经表示:“成为最高从来都不是我们的目标”。他们更在意的是材料的可持续性。团队表示,在 2022 年竣工时,他们已经优化了木材的使用,使塔楼使用的木材在 不到 25 分钟 内就能被北美森林中自然生长的木材所取代。

  同时,建筑团队还认为,与创纪录的高度相比,Ascent 的建筑价值中更重要的是概念的验证和与市政官员合作建造大型木材建筑的参考模式。

  建筑底部是六层高的混凝土框架裙楼,19 层高的木质塔楼从裙楼之上拔地而起。支柱和横梁都由胶合木制成,地板则由 CLT 制成。

  包含电梯井和楼梯的核心部分由混凝土制成,承受所有的侧向力,以帮助建筑应对风力和地震变化,同时也是出于消防安全的考虑。

  这座建筑背后体现出项目团队与城市之间的合作至关重要牛宝体育,因为美国在大规模木材建筑方面的法规滞后,导致这项技术的推进速度缓慢。就像Korb建筑团队合伙人说过,像这样的开发项目 以特点吸引人们前往城市核心生活,而不是无序扩张 是一件 好事。

  开头提到,专家通常会对建筑进行全生命周期评估,但这一过程不会考虑到森林里发生的任何事情。同样,从气候和生物多样性的角度来看,对于森林的土地管理也非常重要,但这一点同样也是被忽略的。

  由于大规模木材建筑的建造数量极少,更不用说拆除了,因此研究人员也无法通过数据可靠地预测“工程木材”(engineered wood)在使用寿命结束后会发生什么,以及会产生什么排放。如果建筑行业要在不对环境造成不利影响的情况下可持续地发展,就迫切需要解决这个问题。

  同时,砍伐一片森林中的所有树木,即所谓的 “清伐,会扰乱土壤并释放其储存的碳,从而产生大量排放,这些碳几乎占森林总碳储量的 75%。国际可持续发展研究所认为,如果再加上其他有害的做法,如将原始森林改建为植树造林,这实际上会使木材建筑比混凝土建筑的排放更密集。这更加证明了木材来源的重要性。

  如果一栋建筑是“可拆解”的,也就是说其木质部件可被重新利用,这将带来巨大的碳生态系统效益——能够提供持续的长期碳储存,同时减少对重新伐木以及排放密集型钢材和混凝土的需求。

  正如我们案例中所讲的那样,少数建筑师已经开始设计可拆卸的大体量木材建筑,以促进材料的再利用。然而牛宝体育,如今大多数木材拆解之后不是被填埋,就是被送进焚化炉,这两种情况都会造成又进一步的净排放。根据所在国家的不同,废料的处理方式也大相径庭。

  在焚烧的情况下,储存在木材中的所有碳都会释放到空气中,这样也就抵消了前期储存的好处,但如果作为生物质能源燃烧,则有可能在此过程中产生可再生能源。

  因此,我们作为建筑师,面临着很多问题,摆在我们眼前的也有很多可能的解决方案。我们需要更好的透明度和可追溯性。当建筑师使用“工具”时,他们并不一定知道工具背后代表着什么,这就会导致误解。而试图消除这些误解,寻求真知,正是交给当代建筑师的一大议题。

  我们不希望看到这样一个世界:人们停止一切工作,重新制定所有规则,以确保环境能够承载人类生活。从现在开始,我们应该以可持续性为目标,并提高建筑透明度,继续探索木材作为建筑材料的无限可能性。

  对于建筑从业人员而言看懂施工图纸是一项非常重要的专业技能。刚参加工作和工作了很多年但远离施工现场的工程师,乍一看建筑施工图会有点“丈二和尚摸不着头脑”的感觉。其实施工图并不难看懂,难就难在没有耐心和兴致看下去。

  本书是一部详尽的建筑构造施工节点技术工具书,与以往的图集相比,本书的特点是直击建筑构造设计痛点。集结了近年来已经完成的众多经典工程项目中精彩的144个建筑设计施工图常用节点,以CAD图、3D图、文字说明形式呈现在读者面前牛宝体育。