李靜,徐洪澎,林中法,張超/LI Jing, XU Hongpeng, LAM Frank, ZHANG Chao
木材作為健康、可再生的固碳型建筑材料,其工廠化程度高、視覺表現(xiàn)力強(qiáng)[1-3]。在采用新技術(shù)后,重木(Mass Timber)等工程木制品被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域,積極地推動(dòng)了現(xiàn)代木構(gòu)建筑的發(fā)展[4-6]。盡管中國(guó)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的成就舉世矚目,但是現(xiàn)代木構(gòu)建筑的發(fā)展卻明顯落后[7-8]。然而,在北美,尤其在加拿大,重木在不同功能、不同體量、不同高度的建筑中均得到廣泛應(yīng)用[9-10]。
英屬哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia)作為全球頂級(jí)的綜合研究型大學(xué)和最頂尖的20 所公立大學(xué)之一,是最早采用重木作為主要建筑材料的國(guó)際高校。同時(shí),其作為推動(dòng)加拿大綠色建筑的先行者,校園建筑應(yīng)用大量木材,旨在為在校學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)溫暖和受歡迎的學(xué)習(xí)環(huán)境,同時(shí)努力減少建筑在建造和運(yùn)行過程中的能源消耗及溫室氣體排放。初步統(tǒng)計(jì),校園內(nèi)有200 多棟建筑,其中木構(gòu)建筑占總數(shù)的30%以上。其中遍布著全美領(lǐng)先的各式重型木構(gòu)建筑典范,以森林學(xué)院(Forest Science Centre)、布羅克公寓(Brock Commons)、可持續(xù)互動(dòng)研究中心(Centre for Interactive Research on Sustainability)、地球科學(xué)大樓(Earth Sciences Building)、校園能源中心(Campus Energy Centre)等最為著名。UBC每年都會(huì)接納來自世界各地的現(xiàn)代木構(gòu)建筑從業(yè)者進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí),據(jù)統(tǒng)計(jì),已有百余位從事木結(jié)構(gòu)研究的中國(guó)高校學(xué)者來訪和學(xué)習(xí)考察。
重型木構(gòu)建筑的先進(jìn)性探索是英屬哥倫比亞大學(xué)建筑文化的特色體現(xiàn),也是其秉持引領(lǐng)突破的創(chuàng)作觀念的體現(xiàn)。其中有3 個(gè)關(guān)鍵因素促使其木構(gòu)建筑不斷取得突破性進(jìn)展:首先,盛產(chǎn)木材。英屬哥倫比亞(British Columbia)省是北美最大的木材產(chǎn)品出口基地。該省近60%的土地資源屬于多產(chǎn)森林,這些森林的木材蘊(yùn)藏量約為110 億m3,其通過認(rèn)證的環(huán)保和可持續(xù)森林?jǐn)?shù)量位居世界前列[11-12]。且擁有重木生產(chǎn)的核心技術(shù)與先進(jìn)設(shè)備[13];其次,政策鼓勵(lì)。英屬哥倫比亞省于2009 年出臺(tái)了“木材第一法案(The Wood First Act)”,該法案要求在所有省級(jí)資助的新建和擴(kuò)建建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中必須考慮使用木材[10,14];第三,學(xué)校對(duì)綠色可持續(xù)發(fā)展的承諾,英屬哥倫比亞大學(xué)立志到2050 年實(shí)現(xiàn)校園建造的零碳排放[15]。
本文通過對(duì)英屬哥倫比亞大學(xué)重型木構(gòu)建筑創(chuàng)作的解析,進(jìn)一步了解這所百年高校是如何使最古老的、同時(shí)又是最新的建筑材料做到世界聞名、且能夠滿足現(xiàn)代建筑科學(xué)所面對(duì)的挑戰(zhàn)。研究旨在向國(guó)內(nèi)業(yè)界展示重型木構(gòu)建筑的發(fā)展前景,及其顯著的可持續(xù)性特征,以期為我國(guó)的現(xiàn)代木構(gòu)建筑發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo)。
利用規(guī)格木材通過膠合、加壓、釘接、機(jī)械加固等加工工藝來形成更大尺寸結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程木統(tǒng)稱為重木[16]。應(yīng)用重木通過特殊設(shè)計(jì)的金屬連接件和精細(xì)的數(shù)控加工預(yù)制來形成板柱或梁柱結(jié)構(gòu)的建筑形式被稱為重型木構(gòu)建筑。在實(shí)際建筑工程中以表1 所示的6 種重木的應(yīng)用為主[17]。
重木技術(shù)和系統(tǒng)的進(jìn)步推動(dòng)了現(xiàn)代木構(gòu)建筑的迅速發(fā)展。英屬哥倫比亞大學(xué)的木構(gòu)建造可謂是重木創(chuàng)新應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。建筑類型包括能源供應(yīng)站、教研中心、活動(dòng)中心、住宅以及學(xué)生公寓等(表2)。其中1996 年建成的蔡章閣大樓(C·K·Choi Building)是其校園建筑對(duì)重木的最早應(yīng)用。其后建成的森林學(xué)院,是對(duì)PSL 應(yīng)用的成功范例。此后,又建造了北美第一個(gè)應(yīng)用CLT 的生物能源研究與示范設(shè)施建設(shè)基地(Bioenergy Research & Demonstration Facility Building),以及建成時(shí)世界最高的布羅克公寓等一系列重型木構(gòu)建筑。從表2 可以看出,自2010 年以來校園內(nèi)每年都會(huì)應(yīng)用重木進(jìn)行建造,且要求所有新建項(xiàng)目都要符合LEED 綠色建筑認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[18]。帕金斯-威爾 (Perkins &Will)工作室作為業(yè)內(nèi)致力于推進(jìn)重型木構(gòu)建筑的先行者,積極參與了校園內(nèi)的多項(xiàng)木構(gòu)建筑設(shè)計(jì)。
表1 實(shí)際建筑工程中主要應(yīng)用的重木類型(繪制:李靜,改繪自參考文獻(xiàn)[21])
表2 英屬哥倫比亞大學(xué)的重型木構(gòu)建筑(繪制:李靜)
表2 所示的范例是英屬哥倫比亞大學(xué)在其溫哥華校區(qū)內(nèi)具有里程碑意義的重型木構(gòu)建筑創(chuàng)作。這些建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下兩方面。
結(jié)構(gòu)選材根據(jù)不同建材的性能進(jìn)行優(yōu)化。將不同類型的重木進(jìn)行組合應(yīng)用,有利于更好地發(fā)揮各自的性能,以滿足不同建筑功能對(duì)純木構(gòu)空間的要求。如棒球訓(xùn)練中心,該項(xiàng)目創(chuàng)新性的應(yīng)用GLT 梁柱系統(tǒng)和LSL 墻體及屋面板系統(tǒng),木結(jié)構(gòu)體系滿足了棒球訓(xùn)練中心對(duì)于高挑空和大跨度建筑空間的需求,如全尺寸擊球籠和投球區(qū)(圖1、2)。而將重木與混凝土等其他建材綜合應(yīng)用,則可有效提高重木在大跨和高層及超高層建筑中應(yīng)用的機(jī)會(huì)。如布羅克公寓,通過重木與混凝土的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了建成時(shí)世界上最高的木構(gòu)建筑創(chuàng)作之舉。再如地球科學(xué)大樓,建筑功能被組織成兩個(gè)翼,并由一個(gè)5 層通高的中庭和自由流動(dòng)的懸臂式木質(zhì)樓梯連接(圖3-5)。其南翼是混凝土結(jié)構(gòu),并在外廊配有CLT遮蓬和GLT 立柱。北翼和中庭使用重木作為主要結(jié)構(gòu)材料,包括GLT 梁柱,CLT 屋蓋以及由LSL、隔音材料和混凝土澆頭的混合樓板系統(tǒng)。大樓應(yīng)用重木和混凝土的混合結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個(gè)具有獨(dú)特視覺體驗(yàn)的項(xiàng)目,且此混合系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)具備更好的減震性能,以及吸聲和吸濕性能。
表達(dá)清晰精煉的技術(shù)邏輯是英屬哥倫比亞大學(xué)重木建造致力引領(lǐng)的發(fā)展趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)合理性與技術(shù)邏輯性的表現(xiàn),也是實(shí)現(xiàn)木構(gòu)建筑創(chuàng)作的有力保障。其中,從可持續(xù)互動(dòng)研究中心的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可見梁柱穿插的連接技術(shù)(圖6);從地球科學(xué)大樓的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可見木柱與木-混凝土混合樓板的連接技術(shù)(圖7);從布羅克公寓的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可見木柱與木樓板的連接技術(shù)(圖8)。此構(gòu)造技術(shù)是工程界的一個(gè)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用重木進(jìn)行高層建筑創(chuàng)作。設(shè)計(jì)師巧妙地在上下柱與樓板連接處設(shè)計(jì)傳力剪環(huán),實(shí)現(xiàn)將上柱傳下來的荷載通過剪環(huán)直接傳遞給下柱,避免樓板橫紋受壓破壞,為整體結(jié)構(gòu)落成提供必要技術(shù)支撐。校園內(nèi)重型木構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)多是可拆解和重構(gòu)的,整體設(shè)計(jì)提倡簡(jiǎn)潔可靠的解決方案,以消除不必要的材料和工作成本。
1 棒球訓(xùn)練中心的全尺寸擊球籠(圖片來源:MichaelGreen Architecture. (June 2016) UBC BASEBALL. http://mg-architecture.ca/wp-content/uploads/2016/06/MGA_UBCBaseball_Int01_emapeter.jpg)
2 棒球訓(xùn)練中心的投球區(qū)(圖片來源:Seagatestructures.(September 2016) UBC Baseball Indoor TrainingCentre. https://seagatestructures.com/wp-content/uploads/2016/09/ubcbaseball_08.jpg)
3 地球科學(xué)大樓懸臂樓梯(攝影:李靜)
4 地球科學(xué)大樓一層平面(圖片來源:ArchDaily.(Marth 2013) Earth Sciences Building. https://www.archdaily.com/343465/earth-sciences-building-perkins-will/51406cd0b3fc4b7556000059-earth-sciences-building-perkins-will-floor-plan)
5 地球科學(xué)大樓通高中庭(圖片來源:UBC Wood BuildingsInteractive Tour. (February 2014) Uses of Wood in theEarth Sciences Building. http://woodtour.sites.olt.ubc.ca/files/2014/02/ESBUsesofWood12-W1200.jpg)
6 穿插的木梁柱連接
7 木柱與木-混凝土混合樓板連接
8 木柱與木樓板連接 (6-8繪制:李靜)
9 地球科學(xué)大樓的休息廳(圖片來源:https://cdn.shortpixel.ai/client/q_glossy,ret_img,w_1600,h_1067/https://www.thinkwood.com/wp-content/uploads/2020/08/02-ubc-earth-sciences-interior.jpg)
10 奧查德公寓的休息廳(攝影:李靜)
11 布羅克公寓的休息室(圖片來源:Moudgil M. Feasibilitystudy of using Cross-Laminated Timber core for the UBC TallWood Building[D]. University of British Columbia, 2017.)
12 棒球訓(xùn)練中心的訓(xùn)練室(圖片來源:Seagatestructures.(September 2016) UBC Baseball Indoor Training Centre.https://seagatestructures.com/wp-content/uploads/2016/09/ubcbaseball_09.jpg)
13 學(xué)生活動(dòng)中心休息廳(攝影:李靜)
15 可持續(xù)互動(dòng)中心中庭(圖片來源:Naturally Wood.(November 2012) Center for Interactive Research onSustainability. https://www.naturallywood.com/sites/default/files/documents/resources/centre-for-interactive-research-onsustainability-case-study.pdf)
16 學(xué)生活動(dòng)中心中庭
17 森林學(xué)院中庭(16.17攝影:李靜)
相關(guān)研究表明建筑空間中可視的木材利于提升工作效率和減少壓力[19]。這是在時(shí)代快速發(fā)展以及人居環(huán)境不斷惡化的背景下木構(gòu)建筑受到更多關(guān)注的原因之一。重木具有足夠的體積和橫截面尺寸,在防火、防腐及聲光熱等性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)大量木材外露[5,20]。重型木構(gòu)建筑外露的木構(gòu)件承擔(dān)了結(jié)構(gòu)和美學(xué)的雙重功能。英屬哥倫比亞大學(xué)廣泛應(yīng)用重木為在校學(xué)生創(chuàng)造充滿活力的學(xué)習(xí)環(huán)境,成功展現(xiàn)了高校建筑該有的態(tài)度和文化底蘊(yùn)。置身于這些木構(gòu)空間中可以感受到鮮有的平靜、溫暖和舒適。同時(shí),得益于重木的可塑性強(qiáng)、類型多樣,對(duì)其的靈活應(yīng)用更是增加了建筑空間的視覺多樣性。
18 裝配化的行為優(yōu)勢(shì)(繪制:李靜)
由于各類重木產(chǎn)品的原材料和加工工藝不同,表現(xiàn)出的紋理和色澤有很大差異,不同類型重木的組合應(yīng)用,可利于營(yíng)造富于變化的空間環(huán)境。而將不同類型的重木在空間界面的多個(gè)部位應(yīng)用更是增加了空間的視覺多樣性。根據(jù)空間界面所起的作用,重木的應(yīng)用可分為地面、墻體、屋面、梁和柱5 個(gè)部位。只在屋面部位應(yīng)用重木的空間顯得簡(jiǎn)潔、通透(圖9);整齊排列的木梁柱可增加空間的視覺韻律感(圖10);而在屋面、墻體和梁、柱部位同時(shí)應(yīng)用不同類型的重木又可表現(xiàn)出線、面、體的界面變化,增加空間的視覺多樣性(圖11、12)。
于木構(gòu)空間而言,多數(shù)情況下活躍的構(gòu)件形態(tài)與木材的自然屬性更為契合。這里所指的形態(tài)包含木構(gòu)件自身的形狀和其在建筑空間中的構(gòu)架狀態(tài)兩方面信息。首先,得益于重木良好的可塑性,采用曲面形狀的木構(gòu)件可增強(qiáng)建筑空間的藝術(shù)性與表現(xiàn)力。如學(xué)生活動(dòng)中心的弓形GLT 柱和可持續(xù)互動(dòng)研究中心的拱形GLT 梁(圖13、14);其次,由于木構(gòu)件的細(xì)長(zhǎng)特性,在結(jié)構(gòu)上常表現(xiàn)出線構(gòu)形態(tài),將結(jié)構(gòu)的格構(gòu)變異,可將平面線構(gòu)進(jìn)行空間拓展,使其更富動(dòng)感。如在可持續(xù)互動(dòng)研究中心表現(xiàn)出的斜交與穿插的GLT 梁柱(圖15)。如學(xué)生活動(dòng)中心的中庭,設(shè)計(jì)師將大面積的屋面設(shè)計(jì)成鋸齒狀,通過木構(gòu)件的傾斜交叉使原本平淡的屋面營(yíng)造成空間中的視覺顯著點(diǎn)(圖16)。再如森林學(xué)院的中庭,設(shè)計(jì)師通過將桿件在三維空間的組合變換,充分表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在張力,構(gòu)成極具趣味性的樹狀結(jié)構(gòu)形式,這一設(shè)計(jì)手法使得4 層通高的中庭空間更富于變化,也更接近人的尺度(圖17)。
重木具有很高的固碳能力,1m3重木可固定1tCO2[21]。且重型木構(gòu)建筑是高度預(yù)制化的裝配式建筑體系,在建筑物壽命結(jié)束時(shí)其主體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行回收和再利用,最后產(chǎn)生少量的建筑垃圾再以CO2的形式被植物吸收。所以,就建筑行業(yè)而言,充分合理的應(yīng)用重木建造將成為其可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
重型木構(gòu)建筑的建造速度相比一般木構(gòu)建筑快10%~30%。得益于重木的可塑性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)的工廠化程度高,木構(gòu)件可在全年的任何氣候條件下生產(chǎn),并在施工現(xiàn)場(chǎng)快速完成安裝。現(xiàn)以6 層規(guī)模的建筑為例進(jìn)行建造效益的比較分析。裝配化建筑的結(jié)構(gòu)、管線及室內(nèi)外維護(hù)墻體和部品在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,并在工廠以構(gòu)件的形式完成預(yù)制,構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)再統(tǒng)一安裝。由于實(shí)現(xiàn)了大量工作的同步進(jìn)行,所以裝配化的設(shè)計(jì)建造比常規(guī)模式可縮短5 ~9 個(gè)月的工期[22],見圖18 所示。同時(shí),預(yù)制的大量工作都在工廠的特定環(huán)境中進(jìn)行,不但可有效提高施工質(zhì)量和精度,節(jié)省建造成本,還可對(duì)周邊環(huán)境的影響降到最低。
英屬哥倫比亞大學(xué)的重型木構(gòu)建筑均強(qiáng)調(diào)預(yù)制裝配以實(shí)現(xiàn)施工周期節(jié)約的建造理念,雖然預(yù)制程度因項(xiàng)目而異,但設(shè)計(jì)組都將木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)制工作列為優(yōu)先事項(xiàng)。表2 中所示的所有項(xiàng)目的重木結(jié)構(gòu)構(gòu)件均是工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝。其中,棒球訓(xùn)練中心和布羅克公寓的裝配化程度相對(duì)較高。前者采用預(yù)制的GLT 梁柱和LSL 墻體及屋面板系統(tǒng),主體結(jié)構(gòu)在7 天內(nèi)便完成安裝;后者從預(yù)制的結(jié)構(gòu)柱到樓板,再到全預(yù)制的外掛墻體(圖19-22),自預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)起,完成建筑主體建造僅用時(shí)67 天,施工進(jìn)度比同類型常規(guī)項(xiàng)目提前4 個(gè)月完工[23-24]。預(yù)制裝配化的建造方式成本低,建造速度快,噪音小,產(chǎn)生的垃圾少,完全不影響周邊建筑的正常使用。且易拆卸,在建筑使用壽命終結(jié)時(shí)其預(yù)制木構(gòu)件還可回收再利用。
19 布洛克公寓的裝配化建造預(yù)制構(gòu)件(圖片來源:參考文獻(xiàn)[23])
20 布洛克公寓的裝配化建造立柱
21 布洛克公寓的裝配化建造吊裝樓板
22 布洛克公寓的裝配化建造外掛墻體(20-22圖片來源:參考文獻(xiàn)[24])
23 生命周期分析:重型木構(gòu)建筑
24 生命周期分析:混凝土建筑(23.24圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
25 生命周期分析:建筑運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響(繪制:李靜)
相關(guān)研究采用生命周期分析(Life Cycle Analysis)的方法,將鋼和混凝土建筑與GLT 和CLT 建筑進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,使用重木建造可以減少全球18%的CO2排放[25]。英屬哥倫比亞大學(xué)立志成為世界一流研究型大學(xué)中碳排放量最低的高校,以溫哥華市校園標(biāo)準(zhǔn)碳排放為基礎(chǔ)在2015、2020 和2050 年 分 別 減 少 碳 排 放33%、67% 和100%[25-26]。校園建筑應(yīng)用大量重木進(jìn)行建造,極大地降低了整體的碳排放。
重型木構(gòu)建筑的木材用量是輕型木結(jié)構(gòu)的3 ~5 倍,由此便產(chǎn)生了可觀的碳匯。其中,僅在可持續(xù)互動(dòng)研究中心、地球科學(xué)大樓和布羅克公寓中應(yīng)用的重木就減少了5632tCO2排放,相當(dāng)于8531輛汽車在路上行駛一年的碳排放量[21,27-28]。同時(shí),重型木構(gòu)建筑的構(gòu)件大都是在工廠進(jìn)行精密加工,所以其氣密性可得到更好保證,從而節(jié)約保溫材料的使用。相關(guān)學(xué)者將布羅克公寓和與其相同規(guī)模、相同類型設(shè)計(jì)的純混凝土結(jié)構(gòu)的公寓進(jìn)行了生命周期分析。結(jié)果顯示,應(yīng)用重木的混合結(jié)構(gòu)比純混凝土結(jié)構(gòu)建筑的CO2排放降低25%,SO2排放降低12%,對(duì)化石能源的消耗降低18%[29](圖23-25)??梢?,重型木構(gòu)建筑從建筑材料到建筑運(yùn)行的整個(gè)過程都具有顯著的低碳減排優(yōu)勢(shì)。這也是英屬哥倫比亞大學(xué)廣泛應(yīng)用重木進(jìn)行建造的重要原因。
英屬哥倫比亞大學(xué)的重型木構(gòu)建筑創(chuàng)作以實(shí)現(xiàn)更好的生態(tài)效益和充分發(fā)揮重木優(yōu)勢(shì)為主要目標(biāo),為校園整體實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供保障,并形成了一個(gè)產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的全球性示范基地。
首先,通過結(jié)構(gòu)體系和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性與創(chuàng)新性增加木構(gòu)技術(shù)表現(xiàn)的效果。開發(fā)新的結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計(jì)解決方案,為重木的推廣應(yīng)用創(chuàng)造一個(gè)平臺(tái),并在市場(chǎng)上占有重要地位和先機(jī)是其不斷進(jìn)行創(chuàng)作的一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)機(jī)。
其次,盡可能通過設(shè)計(jì)行為提高校園建筑空間環(huán)境的質(zhì)量,為學(xué)生提供舒適放松的學(xué)習(xí)環(huán)境是校園木構(gòu)建筑建造的首要目標(biāo),通過大量重木外露形成具有人文關(guān)懷又高效靈活的空間場(chǎng)所,是其校園建筑文化的體現(xiàn)。
再次,努力拓展可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的可能性,推進(jìn)可持續(xù)技術(shù)和建筑實(shí)踐方面的創(chuàng)新。努力實(shí)現(xiàn)建筑行為的裝配化建造和低碳減排。木材一再被證明可以增加人類感知自然的概率,對(duì)于木材的應(yīng)用也更利于提升建筑空間品質(zhì)和降低建筑環(huán)境污染。目前,國(guó)內(nèi)在重木應(yīng)用技術(shù)和木材應(yīng)用的合理性等方面已進(jìn)行了初步探索,但還缺乏系統(tǒng)的理論疏導(dǎo)和實(shí)踐[30-31]。因此,英屬哥倫比亞大學(xué)的重型木構(gòu)建筑創(chuàng)作實(shí)踐可以為我國(guó)現(xiàn)代木構(gòu)建筑的發(fā)展提供實(shí)際的借鑒意義?!?/p>