木材革命——西方重型木结构建筑的由来和设计实践

李樾祺 LI Yueqi

纽约Ennead Architects建筑师事务所

20世纪初的工业革命改变了人类建造房屋的方式，新兴的钢铁与混凝土技术很快取代了原始的木、砖、石体系，成为了建筑的新标准，并促成了摩天大楼的形成和当今城市的高密度立体化。然而，在这一百多年的发展过程中，人们也明显地看到钢材和混凝土建筑的若干弊端，其中最为显著的便是高能耗和高污染。

然而，缓解环境危机和住房危机的新材料可能恰恰出自最古老、最原始的树木。在过去的二十年间，重型木结构（Mass Timber Structures）取得了飞速的发展和广泛应用。与传统木结构不同，这是一种新兴的建筑结构系统，在小尺度、高层和大跨度建筑里都已成为钢材和混凝土的有效替代结构。

1 重型木结构的定义与常用材料

重型木结构是对使用大截面工程木材料搭建建筑的统称。相较于采用截面尺寸较小的木方做框架且层数不超3层的常规木建筑来说，重型木结构建筑具有可装配、大跨度、高层数等特点。重型木结构中常见的木材料包括层板胶合木（Glulam）、刨片层积材（LSL）、单板层积材（LVL）、钉接胶合木（NLT）、正交胶合木（CLT）等。在欧洲近十几年来的实践中，最有效且经济的做法是用层板胶合木做梁与柱，而墙板、楼盖、屋盖则由正交胶合木来承担。

层板胶合木，简称Glulam（Glue Laminated Timber），由多层单板胶黏而成。单板的木纹走向与胶合木长度方向平行。组成直胶合木的单板厚度通常为20～45mm不等（图1）。

正交胶合木，简称CLT（Cross Laminated Timber），由预先烘干并拼接好的板材（最常见的为云杉）通过机器叠加胶合而成，根据结构性能可有3、5、7或9层，成型的板材面积最大可达2.95m×16.5m，厚度为60～400mm不等（图2）。由于预先烘干并且正交拼接，正交胶合木有着很强的尺寸稳定性，并且双向受力，是实现重型木结构最重要的材料。

随着生产技术的发展，近几年来在欧美又出现了一种新的工程木产品——木销连接层积材（DLT）。这种材料由瑞士工程师发明，原理上与钉接胶合木类似，主要板材为软木，通过机器将硬木做的棍状木销串联，再通过硬木和软木膨胀的不同产生极大的摩擦力，进而形成一个稳固的板体（图3）。相较于正交胶合木，木销连接层积材是一种不含任何化学胶水的材料，其纯木构造的特性也让CNC二次加工造型变得简单易行；另外，在板材的凹缝里也可填充隔音材料，以提高材料的声学性能。

2 重型木结构的优势与缺陷分析

（1）重型木结构所用的木材是天然的有机材料，具有极高的可持续性。树木种子在生命期内通过光合作用吸收二氧化碳转化成固体木材的过程，相较于钢材和混凝土，并未排放多余的温室气体，且具有固存的作用，大大降低了对环境的破坏。据测算，每使用1m3的木材，就可以储存1t的碳排放；而建造一幢4层建筑的减排量相当于500辆汽车行驶1年所排放的废气量。

（2）重型木结构具有自重轻、强度大的特点。同样规模的木结构只有钢或混凝土结构重量的20%，可大大降低地基的深度和基坑建设的速度，另外也创造了更多加建的可能，例如澳大利亚墨尔本市正在建设中的Adina酒店，在现有的6层混凝土结构上加建了10层木结构（图4）。由于重型木结构自重轻，在地震时产生的结构内力小，而木材天然的柔韧性又能让木结构有效吸收和消耗外力，所以重型木结构不仅适用于地震频发地区，还可广泛用于高层，甚至超高层建筑的建设中。目前正在建造的最高重型木结构塔楼是24层、高84m的维也纳HoHo塔楼，而美国和日本的建筑师还分别设计了120m和350m高的重型木结构塔楼。

1 层板胶合木典型剖面图

2 正交胶合木构成

3 木销连接层积木局部

4 墨尔本Adina酒店外景

5 加拿大Brock Commons宿舍楼室内

6 加拿大Brock Commons宿舍楼外景

7 加拿大Brock Commons宿舍楼施工过程

8 碳化后的胶合木

9 澳大利亚25 King St大楼外景

10 澳大利亚25 King St大楼首层公共空间

11 波特兰Carbon 12住宅楼内景

（3）重型木结构的材料可工厂预制。不论是用于梁柱的Glulam层板胶合木，还是用于楼板和墙板的CLT正交胶合木或DLT木接层积材，都是在室内环境下大规模工厂预制而成。窑干后的木料达到一个平衡含水率（通常为10%～15%），防止了木料使用时的受潮变性问题。更重要的是，预制产品使得重型木结构建筑能够进行装配式施工，工程速度快，建造和连接精准，而且避免了实地安装的浪费。研究表明，施工阶段重型木结构相较于其他传统结构体系最高可缩短工期40%。2017年在加拿大建成的Brock Commons宿舍楼是一栋18层高53m的重型木结构建筑（图5～7），该楼主体结构施工时间不到10周，达到了平均每周近2层的搭建速度。

（4）重型木结构具有极好的耐火性能。虽然木材是可燃物，但大截面的重型木材料燃烧后会在表面留下碳化层，保护内部材料直接接触火焰和氧气。另外木材的碳化率恒定在0.7mm/min，可以根据防火设计要求推演出材料断面尺寸，确保结构的安全性。国外很多防火实验都已证明，重型木可以满足钢材或混凝土建筑所达到的同等防火标准（图8）。在需要3h或更高耐火极限的特殊墙体或楼板时，还可配上防火石膏板，增加耐火时限。

（5）重型木结构建筑具有节能保温的优势。在同样厚度的条件下，木材的隔热值比实心砖墙高3倍，比标准的混凝土高16倍，比钢材高400倍，比铝材高1 600倍，当前标准的重型木结构建筑的节能性能远高于中国现行规范要求。另外，工厂预制的重型木材料误差极低，在装配建造过程中也能显著提高各外墙屋面节点的契合度，进而有效提高房屋的气密和防水性能。澳大利亚目前最高的重型木结构建筑25 King St共10层，采用了多种高性能的遮阳幕墙配合纯木框架，达到澳大利亚绿星环保评级最高级6星标准，创造出宜人、自然的商务办公空间（图9，10）。

（6）木材具有特殊的质地、纹理和自然美感。研究表明，人在有天然木材的环境中生活或工作有益身心健康。重型木结构的所有材料都可以裸露在外，不必二次装修，可以给室内营造出温暖、舒适的氛围（图11）。

重型木结构作为一种新兴的结构体系，还处在发展和应用的初期。由于在全球范围内，生产厂商主要集中在欧洲地区，因而许多项目所需的工程木产品需要国际货运，通常情况下运输周期为45天。在经济性方面，胶合木结构的造价在中国和欧美市场平均比传统钢结构高15%左右，这也是制约其发展的一个瓶颈。但重型木结构可有效节省基础造价并缩短工期，项目总体造价可以做到与钢结构持平。

3 重型木结构在中国的发展

在欧洲，重型木结构已趋普及，从规范到市场等各个层面都有一套完整的标准。在北美，加拿大和美国近年来也在大力推广重型木结构。从法规层面到设计人员，再到生产厂商和地产开发公司，都相继投入到重型木结构的实践中，形成了一个成熟的产业链，其优势也得到充分证实。在这个大趋势下，全球CLT产量近十年持续增长，据估算到2025年将达到300万m3，是2013年产量的5倍。

当前，我国的木结构建筑还主要局限在小尺度低层住宅，对重型木结构的实践非常有限。可喜的是，我国于2017年11月发布了更新版的《木结构设计规范》（GB 50005-2017），并已于2018年8月1日开始实施。新规范中不仅新增了胶合木结构这一章节，并且在木结构建筑高度上不再限制在3层或以下，而是根据抗震烈度不同，最高可达到12层。除此之外，新出台的《多高层木结构建筑技术标准》（GB/T 51226-2017）也已经于2017年10月1日起发布实施，为在多高层木结构建筑中采用正交胶合木的设计提供了基本的技术支持，该标准适用于多层木结构民用建筑、高层木结构住宅建筑和办公建筑的设计，并且补充了正交胶合木剪力墙的设计计算方法。

12～16 Long Lodge“山间长屋”项目

17～20 软性基础设施：水坝上的重木公建

材料方面，除了进口的工程木，近年来在河北、山东、浙江等地也逐渐出现了国产木材。在福建，正在建设的中加绿色现代木结构产业园更是把生产规模提高了一个等级。产业园内的中加中心将是国内首个高层木结构建筑（共12层），该项目已于2018年7月在三明市奠基开工。使用重型木结构的一个重要原因是为了保护环境和实现可持续发展，为实现这一目标，必须建立严格的木材砍伐和补偿种植的管理机制，做到有节制的砍伐种植与保护，使得消耗的木材量小于木材的生长速率。如此，木结构材料才能真正成为高效的绿色建筑材料。

4 重型木结构建筑设计分析

在过去的几年里，笔者参与或主持了几个重型木结构建筑项目的设计。

4.1 Long Lodge“山间长屋”

Long Lodge“山间长屋”项目赢得了2018年缅因重型木设计竞赛（Maine Mass Timber）一等奖。竞赛的背景是为缅因州山林管委会搭建一座新的野外营地，供户外爱好者们使用。

与传统强调目的地到达感的营地不同，该设计最大的特点是把建筑当作登山路线的一部分，细长的空间可以由两个方向到达，流线从中穿堂而过，不仅将建筑有机分为公共娱乐和休憩调养两个部分，又框出美景和户外活动空间（图12）。

一层的房屋在结构上通过一个层板胶合木组成的反向桁架作为屋顶，形成了一个室外屋面为单坡、室内为双坡的空间基调。桁架的两端和中间由CLT墙板提供了重力的传递和横向荷载的抵抗。中间一排正交胶合木板的设计刻意地形成了一堵“厚墙”，既可作为结构，也包含了餐桌、储物、书柜等多个功能（图13）。外围护墙体则使用了三层中空玻璃和干挂幕墙系统（图14），该系统将装饰层与结构分开，将保温层外置，确保防水透气膜的连续性，有效保护内部的木结构（图15，16）。

4.2 软性基础设施：水坝上的重木公建

该项目是笔者在美国杜兰大学的毕业设计，获得了2013年建筑系的最佳毕业设计奖。

从城市规划的角度，项目探讨了未来新奥尔良市应如何应对极端飓风天气和海平面上升带来的一系列威胁。设计中提出了一个大胆的设想：放弃已经低于海平面的低洼地带，使之恢复城市开发前的湿地生态系统，而在城市内与海平面同标高的部分建造新的绿色防洪堤（图17，18）。

从建筑设计的角度，项目研究了在防洪堤坝基础上建立一系列公共建筑的可能性。为了将对防洪堤坝基础的影响降到最低，重型木结构便成为了最明智的选择，只有钢材或混凝土20%的重量却能达到同等的结构刚度，其固碳功效和环境保护的意义也直接呼应了项目主旨。结构上，设计使用层板胶合板作为梁和柱，形成了15ft×15ft（约4.5m×4.5m）的柱网。正交胶合板则作为3层建筑的楼盖、屋盖和墙体。楼板与墙板通过特制的钢板隐性连接，既提高了连接点的耐火性能，又充分展现了木材所带来的温暖和质朴的美感，同时还提供了极大的改造灵活性（图19，20）。

4.3 都会社区内的屋顶球场

“都会社区内的屋顶球场”项目是住宅体育场综合体，获得了2018年Archstorming国际竞赛的三等奖。该竞赛的目的是为2026世界杯在美国纽约设计一座能容纳6万人的FIFA标准场馆，选址在纽约布鲁克林区的麦卡伦公园内（图21）。因为选址在纽约这样的高密度城市，竞赛任务书要求体育馆还需要同时兼备住宅功能，设计将原有被公园截断的路网重新恢复，形成了12个新的街坊（图22，23）。

由外至内，每个街坊新建一座庭院式住宅建筑，高度由9层到2层递减，屋顶的空间从剖面上形成了3个层级的看台和场馆所需的交通、配套设施和商业空间。球场本身也架空在一个一层高的平台之上，其下空间用于球员休息和场馆后勤，保证街道的畅通（图24，25）。体育场与住宅的入口分别设在场馆的外街和内街上，互不干扰。不同层数的住宅也为市场提供了多样化的产品，包括联排别墅、高层公寓和顶层阁楼等。对住宅的隔音问题也在楼板细部进行了有效处理：在室内地板与胶合木楼板之间增加40mm厚的石棉保温隔音层，并在楼板下100mm处做双层隔音石膏吊顶，整体隔音能达到声音传播分级STC67的高分。所有结构都由大截面的工程木搭接完成，整个项目沿纵横两轴对称，充分发挥了装配式预制胶合木组装效率高的特点。

21～25 都会社区内的屋顶球场

4.4 长江口中华鲟自然保护区国际竞赛设计

笔者所在的纽约Ennead建筑事务所于2018年赢得该竞赛一等奖，项目坐落于长江口的上海市崇明岛上，建筑面积达39 670m2，位于占地17.5ha的风景保护区内。作为现有中华鲟保护基地的延伸，项目设计最大程度还原了中华鲟和江豚等珍惜保护动物的原生环境。整体设计极富生物动态美感，建筑外观形态与自然湿地环境交相辉映（图26）。

为了实现这种有机的空间形态并满足养殖池的尺度，项目采用了大跨度胶合木桁架与梁柱结合的结构形式，外表皮则主要使用ETFE屋面膜材，保证良好的透光性和保温功能，同时也可自清洁（图27，28）。场地内还规划了由土生和水生植物共同构成的湿地，以达到快速碳固存和场馆用水净化的作用。设计期望通过本真的材料与结构体系呼吁整个社会共同保护长江生态环境，在拯救中华鲟等濒危物种的同时，最大程度降低过去人类活动对生态环境造成的负面影响，并竭力恢复该地区原本的生态多样性。

项目的设计响应了长江经济带发展及生态保护议题，从公民教育角度出发创造出富有互动性的展示空间。重型木结构在这种规模和跨度的建筑中使用，在国内还是第一次，建成后将成为新时代生态平衡的重要建筑典范。

5 结语

重型木结构是由各种工程木材料装配建造形成的一种新型结构体系。在材料层面上，它代表了最新工业创新的智慧；在建造层面上，它彰显了预制装配式工程的多项优点；在绿色环保层面上，它是当前工程结构体系里可持续性最强的，能有效降低建筑业对全球气候变化带来的影响；在可适性层面上，它可以胜任多类型、多规模的建筑结构，并且有利于人体健康。通过吸收欧美的实践经验，积极推动重型木结构在中国的发展，不仅符合建筑行业自身升级的需求，也是我国节能减排和经济转向高质量发展新常态下一项意义深远的事业。

图片来源

图1、2来源于文献[3]，图5～7来源于文献[5]，图3、4、8～11来源于网络，其余图片均为作者自绘或自摄。