鮑鼎文 談卓鏵 陳錫 賈亦森 嚴(yán)鑫

當(dāng)前世界正處于環(huán)境危機(jī)之中，隨著溫室氣體的大量排放，全球氣候正在發(fā)生變化。自20世紀(jì)初前工業(yè)時(shí)代以來，全球平均溫度已上升1.2q C，接近2016年巴黎協(xié)定中設(shè)定的1.5q C上限。這導(dǎo)致了洪水、干旱和風(fēng)暴等極端天氣狀況更加頻繁地發(fā)生，正在影響人們的日常生活，尤其是發(fā)展中國家的人們相對更加容易受到影響。隨著極端天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，全球變暖融化了極地冰帽，導(dǎo)致海平面上升。對于澳大利亞來說，85%的人口都生活在沿海地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若海平面上升50cm，澳大利亞的洪水事件發(fā)生概率將增加300倍。同時(shí)，原先為百年一遇的洪水而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施每年將面臨多次洪水的威脅。由于氣候變化已經(jīng)對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響，我們有必要探討使用可持續(xù)性更高的材料進(jìn)行建筑生產(chǎn)的可能性。為了迎合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（Sustainable Development Goals）中第九條與第十一條“推動(dòng)城市、人居建筑與工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的策略”，在歐盟率先提出碳中和戰(zhàn)略（Carbon Neutralization Strategy）后不久，澳大利亞前總理斯科特x 莫里森便提出為期30年的碳中和目標(biāo)，其中包括使用更環(huán)保的材料作為主要建筑結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)容。而木質(zhì)結(jié)構(gòu)可以將建筑相關(guān)碳排放量減少一半，并作為碳能量的儲(chǔ)存容器使整個(gè)城市成為“碳匯”（Carbon Sinks）[1]。得益于此，澳洲的CLT技術(shù)在近幾年蓬勃發(fā)展。

1 CLT材料及特性

盡管自然界中存在6 000種不同的木材品種，但木材的使用取決于其承受能力、相對重量強(qiáng)度比、含水量等。然而，隨著鋼筋混凝土、砌體和鋼等新型結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，木材逐漸被取代。木材作為一種天然生長材料，不具有相同的均勻性，但因其各向異性，在樹木種類、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、含水量和可變載荷特性方面有所不同。隨著黏合、機(jī)械連接、分級和計(jì)算機(jī)建模方面的技術(shù)進(jìn)步，工程木材產(chǎn)品的興起為木制建筑的潛在復(fù)興開辟了道路。正交膠合木（Cross-Laminated Timber，CLT）材料由橫向和縱向交替層制成的膠合和機(jī)械壓制層壓板組成。板材被切割成精確的規(guī)格，并經(jīng)烘干以減少收縮和膨脹，但在其他方面保留了木材的許多天然優(yōu)勢。得益于西澳大利亞和塔斯馬尼亞豐富的木材資源，澳大利亞的CLT建造工廠已經(jīng)從早期依賴進(jìn)口歐洲冷杉木轉(zhuǎn)而采用本地供應(yīng)的輻射松或道格拉斯冷杉，進(jìn)一步提高了CLT制造-交付的靈活性，并降低了時(shí)間和制造成本[2]。

全球碳排放5%～8%來自于水泥生產(chǎn)，而木材作為唯一有能力長期大量儲(chǔ)存碳的材料（含有大約50%的碳），CLT展示了將建筑變成碳匯的可能性，同時(shí)對施工時(shí)間、運(yùn)輸和吊裝方面的較低要求也減少了相關(guān)過程中溫室氣體的排放。在CLT建筑的拆卸過程中，面板可以按照安裝方式拆卸，因此，每一層CLT都可以被重復(fù)使用。如果沒有重復(fù)利用的場景，面板也可以被轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)燃料回收。因此，歷史上城市發(fā)展和建設(shè)對環(huán)境的負(fù)面影響可以通過在棕地的CLT建筑來緩解，其作為一種可持續(xù)建筑材料的潛力將逐漸得以顯現(xiàn)。

2 澳大利亞CLT制造業(yè)發(fā)展概況

盡管CLT已經(jīng)在歐洲被發(fā)明三十年，但其在澳大利亞仍屬于新的建筑材料。第一座大型CLT住宅樓Forte Melbourne于2012年建成，第一座公共建筑Library at the Dock于2013年完工，第一座辦公樓International House Sydney于2017年完工。近年來，重型木結(jié)構(gòu)在澳大利亞的應(yīng)用逐漸廣泛，自2014年以來項(xiàng)目數(shù)量大約翻了一番。澳大利亞有兩家CLT制造商，規(guī)模較大的一家是XLam Ltd.，其位于新南威爾士州的工廠年產(chǎn)量超過60 000m3；另一家本地生產(chǎn)商是西澳大利亞的CrossLam Australia，目前處于初創(chuàng)階段，生產(chǎn)小批量材料。

在澳大利亞，CLT采用來自本國可再生林的木材制成，大部分選取輻射松與少量道格拉斯冷杉，這樣可以盡可能減少建筑的碳足跡。輻射松原產(chǎn)于加利福尼亞中部海岸，但在澳洲廣泛種植，占塔斯馬尼亞木材種植總量的28%，被認(rèn)為是當(dāng)?shù)刂饕耐ㄓ媚静摹?/p>

3 案例分析

3.1 應(yīng)用于建筑的主結(jié)構(gòu)

3.1.1 大跨度建筑：Erina 倉庫（Erina Warehouse）

在澳大利亞，過去幾十年來木材建筑逐漸興起并引起了人們的興趣。一方面是為了減少建筑中CO2排放，另一方面由于建筑規(guī)范的演變，新的工程木制品、工具和機(jī)械設(shè)備的出現(xiàn)都拓寬了木材建造的可能性。

Vistek Structural Engineers是一家始建于1998年的墨爾本當(dāng)?shù)刂铝τ诘吞技翱沙掷m(xù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工程公司，近年他們的工作重心和施工建造方向逐漸開始由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)向更低碳化的CLT結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。為了探索研究可持續(xù)木材在建筑中的結(jié)構(gòu)作用，他們完成了位于新南威爾士州Erina地區(qū)的三個(gè)重型木結(jié)構(gòu)倉庫的工程設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目幾乎完全由木材建造，包括兩層樓的零售、辦公和工業(yè)空間，屋頂結(jié)構(gòu)為29m跨度的CLT桁架，用以替代傳統(tǒng)大跨建筑中的鋼桁架[3]（圖1,2）。但Vistek的工程師們也表明他們并非純粹的木材主義者，在這個(gè)項(xiàng)目中考慮到CLT與其他建筑材料或預(yù)制件之間的搭配，因此采用鋼制門式框架來降低工廠的設(shè)計(jì)成本和搭建難度[3]。除此之外，項(xiàng)目的墻壁及地板部分均使用XLam公司生產(chǎn)的CLT以最大可能地減少碳排放?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中廠房或倉庫對大跨度和施工速度的高要求，由CLT預(yù)制的重型木結(jié)構(gòu)將在這一領(lǐng)域有積極的應(yīng)用前景。

3.1.2 高層建筑

除了跨度，另一個(gè)大規(guī)模木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展方向便是高度。從歷史上看，在澳大利亞，由于缺乏提供結(jié)構(gòu)支撐的內(nèi)墻，木材通常不被考慮用于中高層商業(yè)建筑。然而，隨著工程木材的創(chuàng)新和CLT的快速發(fā)展，位于布里斯班25 King St 的開放式辦公綜合體得以落成，高10 層，共52m，是澳大利亞目前最高的重型木結(jié)構(gòu)建筑（圖3）。建筑的平面布局為6m? 8m 的木結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[4]，材料則采用由歐洲云杉木制成的 CLT 墻、屋頂和地板，以及同樣材料的膠合木柱子和梁，其中部分梁通過單板膠合硬木來加固（圖4）。作為一棟商用寫字樓，建筑以其靈活高效的開放式平面布局吸引了不同需求的租戶。

此外，CLT材料得益于良好的耐火性能，還被用于25 King St 大廈的電梯井和逃生樓梯（圖5）。在建筑外部，大片玻璃幕墻表達(dá)了CLT木材的使用程度，室內(nèi)則將木材和原材料暴露在外，整個(gè)建筑看上去像一個(gè)完全通透的大型木屋。與傳統(tǒng)混凝土建筑相比，隱藏碳含量減少了74%，能源消耗減少了46%，重量減輕了20%[5]。

談到施工周期，CLT的使用優(yōu)勢和劣勢其實(shí)是并行的。一方面，設(shè)計(jì)師和工人們需要仔細(xì)核查前期的檔案和圖紙數(shù)據(jù)，因?yàn)轭A(yù)制好的大型木結(jié)構(gòu)往往很難在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，需要采用多樣化的方法來解決設(shè)計(jì)、采購和服務(wù)以及施工前期出現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題。另一方面，由于所有木材構(gòu)件都是在場外制造的，可以有效減少浪費(fèi)并方便運(yùn)輸?，F(xiàn)場施工時(shí)，這些CLT預(yù)制件將顯著縮短施工時(shí)間。在這個(gè)項(xiàng)目中，平均每層僅用8天即可建造完成，施工時(shí)間總計(jì)僅15個(gè)月，與同類鋼筋混凝土建筑相比，減少了20%[4]。

1 Erina Warehouses 施工現(xiàn)場

2 Erina Warehouses 施工吊裝CLT 桁架

3 25 King St Tower

4 25 King St Tower 中CLT 的應(yīng)用

5 25 King St Tower 中CLT 的應(yīng)用

6 悉尼國際大廈中CLT 的應(yīng)用

7 悉尼國際大廈中CLT 的應(yīng)用

8 悉尼國際大廈中CLT 的應(yīng)用

9 悉尼國際大廈中CLT 的應(yīng)用

基于25 king St大廈在可持續(xù)建造上的杰出貢獻(xiàn)，它不僅獲得了6星級的設(shè)計(jì)與建造綠色建筑獎(jiǎng)（Design and As Built Green Star rating），以及澳洲環(huán)保建筑（NABERS）下包括6星能源評級、4星水資源收集與重復(fù)利用評級在內(nèi)的多個(gè)憑證，更是在2020年拿到了昆士蘭州首個(gè)白金級WELL 核心與外表皮認(rèn)證（WELL Core and Shell Certification）[5]。

另一個(gè)同樣在可持續(xù)建造領(lǐng)域獲獎(jiǎng)無數(shù)的大型木結(jié)構(gòu)建筑則是悉尼國際大廈（International House Sydney），該項(xiàng)目不僅是 2017 年澳大利亞木材設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)（ATDA）中公共或商業(yè)建筑類別和可持續(xù)性類別獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得者，同時(shí)也是澳大利亞第一座商業(yè)工程木結(jié)構(gòu)建筑。大廈的可持續(xù)性較之25 King St 大廈更勝一籌，地面之上的結(jié)構(gòu)全部是木材，超過3 000m3的CLT涵蓋了樓板、柱子、墻壁、屋頂、電梯核心筒及樓梯立管等核心部位（圖6?9）[6]。這些可再生木材甚至有一些是由其他建筑工地中回收并曬干，然后重新碾壓成木板并返回工廠使用的。同時(shí)，預(yù)制的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件也是通過螺栓固定在一起，意味著在項(xiàng)目壽命結(jié)束時(shí)這些木材構(gòu)件可以被拆除并重新使用。材料和結(jié)構(gòu)上的可持續(xù)性，使得悉尼國際大廈成為了迄今為止澳大利亞最接近凈零排放（Net Zero Emission）的商業(yè)建筑[6]（圖10,11）。

3.1.3 裝配式建筑

使用CLT結(jié)構(gòu)組成單元化建筑的設(shè)計(jì)方法，最近在酒店、宿舍等大規(guī)模居住類建筑中愈發(fā)常見。位于塔斯馬尼亞大學(xué)的Inveresk學(xué)生公寓是2016年的澳大利亞木材設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)（ATDA）工程木材獎(jiǎng)獲得者，它通過預(yù)制模塊化木結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)將120間獨(dú)立的學(xué)生公寓堆疊成三層樓高的大型建筑，且無需額外的支撐結(jié)構(gòu)（圖12）。

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為了實(shí)現(xiàn)發(fā)展當(dāng)?shù)谻 LT行業(yè)與創(chuàng)新的可持續(xù)設(shè)計(jì)這兩個(gè)目標(biāo)，與塔斯馬尼亞大學(xué)建筑中心就可持續(xù)木材建筑展開了密切合作。他們使用當(dāng)?shù)毓S制造的CLT木材模塊，完成了包括支柱、框架、公寓地板、天花板的支撐結(jié)構(gòu)、樓板、樓梯、屋頂桁架和屏風(fēng)以及底層墻壁和立面的全部制作，并將他們拼合在一起作為一個(gè)完整的建筑模組，最終完成搭建[7]。由于CLT結(jié)構(gòu)輕質(zhì)靈活的屬性，建筑可以與大多數(shù)組件一起被拆除。獨(dú)立的模塊化公寓、模塊化屋頂和模塊化裝飾墻可以在另一個(gè)位置重復(fù)使用。木材在低碳概念的執(zhí)行、減少地基系統(tǒng)負(fù)荷的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和可再生資源的使用方面具備天然優(yōu)勢，它們的廣泛使用對實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)性目標(biāo)起到了至關(guān)重要的作用。

同時(shí)，設(shè)計(jì)師還確保所有公寓都可以獲得最大的太陽能增益、交叉通風(fēng)和隔熱效果，從而達(dá)到澳大利亞全國房屋能源評級計(jì)劃（NatHERS）的8 星級能源效率。相關(guān)模擬表明，與傳統(tǒng)住宅相比，這座學(xué)生公寓的能源消耗減少了三分之二[8]。

10 悉尼國際大廈

11 悉尼國際大廈內(nèi)部結(jié)構(gòu)

12 塔斯馬尼亞大學(xué)Inveresk 學(xué)生公寓

3.2 應(yīng)用于建筑的外墻結(jié)構(gòu)

3.2.1 作為裸露的結(jié)構(gòu)立面

和悉尼國際大廈一樣，Macquariex 大學(xué)創(chuàng)意中心同樣是2017年澳大利亞木材設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)（ATDA）多個(gè)類別的獲得者（圖13）。在項(xiàng)目伊始，設(shè)計(jì)重點(diǎn)就被放在了建筑未來的拆卸、搬遷和重新組裝的可能性上，所以CLT等工程木材產(chǎn)品就因創(chuàng)新、預(yù)制化、快速施工和較小的施工誤差等特性而被選擇作為主要建筑材料。

整個(gè)創(chuàng)意中心的主次梁、樓板和屋頂都由CLT制成，立面的雙層玻璃木窗被安裝在結(jié)構(gòu)橫梁之下[9]。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將木門窗集成到鑲板木立面中，一個(gè)個(gè)單獨(dú)的立面單元確保了建筑單元的預(yù)制程度，加快了整個(gè)立面方案從采購到施工的“一條龍”過程（圖14）。在這個(gè)項(xiàng)目中，由CLT木材打造的立面結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出預(yù)制程度高、施工速度快、制造誤差小和未來可拆除等優(yōu)勢，使得建筑的創(chuàng)新性與可持續(xù)性目標(biāo)保持一致。

3.2.2 作為裝飾性立面

作為公共社區(qū)資源的一部分，The Dock 圖書館融合了自身傳統(tǒng)角色和當(dāng)代社區(qū)中心的角色，在互動(dòng)式的學(xué)習(xí)環(huán)境中增加了咖啡館、錄音室、會(huì)議和娛樂空間等，這樣靈活多變的空間組成同樣反映在與空間對應(yīng)的立面效果上。來自維多利亞港南碼頭的不同再生木材構(gòu)成了外立面CLT的部分，作為風(fēng)格統(tǒng)一但顏色各異的裝飾性外立面與靠近碼頭的長廊相得益彰（圖15）。

使用這些木材的初衷是因?yàn)閳D書館坐落在一個(gè)有著 75 年歷史的碼頭上，如果不額外打樁，它的結(jié)構(gòu)將無法支撐鋼筋混凝土建筑的重量。為此，正交膠合木（CLT）、膠合木和回收硬木被大量使用以減輕建筑的整體重量，與混凝土和鋼材替代品相比，建筑重量約減少了30%[10]。

此外，木材的使用顯著減少了建筑的碳足跡。大約 50% 的木材干重是碳，并被儲(chǔ)存在材料的整個(gè)生命周期內(nèi)，且比使用鋼筋混凝土等材料的能量消耗低。不僅如此，建筑的可持續(xù)性還包括被動(dòng)通風(fēng)、自然采光、低揮發(fā)性有機(jī)化合物和甲醛材料、雨水收集，屋頂還安裝了85kW 光伏電池板，可以滿足建筑約 30% 的電力需求。因此，根據(jù)澳大利亞綠色建筑委員會(huì)的公共建筑評級標(biāo)準(zhǔn)，The Dock圖書館獲得了綠色6星級評級[10]。

3.3 應(yīng)用于建筑的室內(nèi)裝飾

3.3.1 用于住宅建筑室內(nèi)

與其他木材類似，CLT材質(zhì)的自然美感和明亮屬性使得它們常常被用來做室內(nèi)裝飾。位于維多利亞洲的一幢木結(jié)構(gòu)住宅直接以CLT來命名，表明了設(shè)計(jì)者從一開始就打算采用CLT作為建筑材料的初衷（圖16）。

建筑整體采用T字形平面布局（圖17），屋內(nèi)則采用裸露的未經(jīng)處理的CLT木墻、地板和天花板作為內(nèi)部裝飾，以保持質(zhì)樸和自然之美，甚至木構(gòu)件的螺絲部件也展示出連接系統(tǒng)的自然美感。諸如書架、書桌、樞軸門和酒吧單元等家具也由CLT制成，更加強(qiáng)調(diào)這一材料的使用。為了不打破木材這一裝飾元素的統(tǒng)一性，所有照明也都被集成在天花板橫梁和墻壁中。

從結(jié)構(gòu)圖解中不難看出，CLT板材構(gòu)成了整個(gè)房屋的主要部分（圖18），最明顯的外部特征是CLT鋸齒形屋頂形成了抒情又理性的韻律感。這些傾斜屋頂還集成了一個(gè)完整覆蓋的太陽能電池陣列，頂部的高側(cè)窗可以全天捕捉不斷變化的光線。大量CLT材料的使用以及被動(dòng)式設(shè)計(jì)使建筑具有產(chǎn)碳量少、可持續(xù)性強(qiáng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于該項(xiàng)目的CLT合計(jì)為147.601m3，制造這些CLT需要108棵原木材料，即森林木材每公頃產(chǎn)量的27%[11]。同時(shí)，項(xiàng)目隔離并儲(chǔ)存了259t碳，這些物質(zhì)或能量可以在未來的生產(chǎn)建設(shè)中被繼續(xù)使用以達(dá)到可持續(xù)建設(shè)的目標(biāo)。

13 Macquariex 大學(xué)創(chuàng)意中心

14 Macquariex 大學(xué)創(chuàng)意中心門窗單元

15 The Dock 圖書館

16 CLT House

17 CLT House 一層平面圖

18 CLT House 結(jié)構(gòu)圖解

19 Strongbuild 總部室內(nèi)CLT 應(yīng)用

20 Strongbuild 總部室內(nèi)CLT 應(yīng)用

3.3.2 用于商業(yè)建筑室內(nèi)

Strongbuild作為一家澳洲本土專注于工程木材建造的公司，其位于Bella Vista工廠的新總部被兼作工作區(qū)和陳列室。建筑室內(nèi)裝飾大部分都是用膠合木和CLT工程木材建造，以向員工與客戶展示這些材料的設(shè)計(jì)潛力（圖19）。

對于他們來說，該項(xiàng)目為結(jié)構(gòu)、裝飾和細(xì)部木材提供了完美的試驗(yàn)場，柱子、橫梁、桁架、墻板和屋頂板都是用云杉CLT制成的，并暴露于室內(nèi)（圖20）。其他家具則由塔斯馬尼亞黑木制成，深色的輪廓和醒目的紋理與較淺的云杉形成鮮明對比，使其成為長凳、鑲板和樓梯扶手的絕佳選擇。對于Strongbuild來說，他們堅(jiān)信木材對工作場所的影響，暴露在室內(nèi)的木材無論是外觀還是氣味都對員工們有明顯的鎮(zhèn)靜作用，營造出豐富多樣的、激勵(lì)員工創(chuàng)造更多生產(chǎn)力的工作場所[12]。

4 結(jié)語

綜上，CLT這一創(chuàng)新性低碳木質(zhì)材料在可持續(xù)建筑領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，它作為低碳時(shí)代的新材料，不僅可以減少建筑CO2的排放，也有著卓越的強(qiáng)度和韌性。CLT可以作為大跨度建筑中的桁架材料，也可以用于高層建筑中的承重內(nèi)墻，其良好的耐火性和隔熱性可完美替代鋼筋混凝土，實(shí)現(xiàn)包含電梯井和消防樓梯的核心筒結(jié)構(gòu)。其次，CLT作為靈活且輕質(zhì)的模塊化預(yù)制木結(jié)構(gòu)，很大程度減少了建造時(shí)間、施工誤差和運(yùn)輸成本。CLT模塊既可以被用于快速建設(shè)低碳且牢固的大型建筑，也可以在拆除時(shí)回收再利用，實(shí)現(xiàn)澳大利亞對于可再生資源和持續(xù)性建造的愿景。最后，CLT依舊保持著傳統(tǒng)木材的紋理、質(zhì)感和性能，無論是作為建筑的外立面、裸露的結(jié)構(gòu)，還是內(nèi)部裝飾，都有著獨(dú)特的自然美。同時(shí)，木材本身的固碳性也有助于大量吸收建設(shè)過程以及室內(nèi)使用中產(chǎn)生的CO2。

可以看到，CLT技術(shù)在澳大利亞的可持續(xù)建筑市場具有很大的潛力。作為應(yīng)對氣候變暖的重要策略之一，過去十年建筑行業(yè)在不斷地探索CLT設(shè)計(jì)和用途的各種可能性。未來，隨著人們對建筑需求的不斷增加，對CLT的需求將同步增長，CLT技術(shù)也將持續(xù)完善。針對結(jié)構(gòu)性能的最優(yōu)化、木材的含水性、市場的進(jìn)一步開發(fā)，以及施工前期材料預(yù)制細(xì)節(jié)等問題的研究和解決，也將影響著未來CLT技術(shù)對澳大利亞可持續(xù)建筑發(fā)展的作用。

圖片來源

1,2 來源于www.vistek.com.au

3?5 來源于文獻(xiàn)[5]

6?9 來源于www.archdaily.com

10,11 來源于文獻(xiàn)[6]

12 來源于文獻(xiàn)[7]

13,14 來源于文獻(xiàn)[9]

15 來源于www.claredesign.com.au

16 來源于www.fmdarchitects.com.au

17,18 來源于文獻(xiàn)[11]

19,20 來源于文獻(xiàn)[12]