现代混合木结构：一种新型建筑结构体系

张岱远 龚蒙

摘要：随着建筑行业越来越倡导可再生建材的利用，木材这种绿色可再生材料越来越多的出现在房屋建造中，其中以正交胶合木为代表的工程木材作为主要木构件的现代混合木结构建筑已经打破了传统木结构建筑的层高限制，对木材在建筑行业中的应用起到了巨大的推动作用。另外，现代混合木结构建筑在缩短建造时间、增强抗震性能、节约能源等多方面也有着明显的优势。欧美地区近10年来对现代混合木结构建筑进行了广泛的研究和推广，许多国家都已经建造了10多层以上的高层混合木结构建筑。经过多年的探索和发展，现代混合木结构建筑已经出现了几种比较成熟的混合结构体系，其中以上下混合式结构、混凝土核心筒结构和木-钢混合结构三种方式为主。

关键字：混合木结构，建筑，工程木材

1. 引言

位于加拿大大不列颠哥伦比亚省的大温地区本拿比市的Escala项目是一个公寓（图1）。该项目由一栋52层的高层公寓楼和两栋多层建筑组成。这两栋多层建筑采用的是上下混合式结构，即底部两层为混凝土结构，上部四层为木结构。混合木结构作为一种新型建造形式在北美、欧洲以及日本等发达地区和国家已经越来越被广泛采用，成为了一种重要的新型建造形式。世界各国科学家、工程师和建筑师通过多年的探索已经发展出相对成熟的混合木结构建筑体系和规范，对建筑行业的可持续发展有着积极的作用。

2. 混合木结构建筑的发展

混合木结构是一种古老的建筑形式，欧洲在中世纪就开始建造木石混合结构的建筑。位于特兰西瓦尼亚北部的Barsana教堂（图2）是这类建筑的典型代表。这座建筑高56 m，建于1720年，主要结构特征是在巨大的石块之上采用栎木梁柱进行支撑。与传统的混合木结构相比，现代混合木结构大量采用了工程木材取代了原木作为主要材料，并通过和钢材和混凝土材料的配合使用来建造传统木结构建筑难以建造的高层建筑。从2000年左右开始，全世界许多国家都开始进行现代混合木结构建造技术的研究。日本是一个有悠久木结构建筑历史的国家，1999年，东京大学和日本建筑研究所就开展了一个为期5年的混合木结构研究项目。在此项目的研究成果基础上，日本于2005年建成了国内首栋5层混合木结构建筑（图3），该建筑首层为混凝土结构，2至5层为内置钢材的混合木结构[1]。2000年，新西兰坎特伯雷大学开展了关于高层预应力木混合结构的研究，建成了一个6层的预应力木-混凝土实验建筑[2]。美国2005年由美国国家科学基金主持开展了一个叫做NEESWood的研究项目，该项目建成了一个7层的混合木结构建筑（图4），其中底层为钢结构，上部6层为轻木结构[3]。

2009年12月哥本哈根世界气候大会的召开让世界各国意识到了控制碳排放的重要性，这也增加了世界各国对更大规模木结构建筑的需求，而混合木结构就是提高木材在建筑中使用比例的最重要方式之一。加拿大大不列颠哥伦比亚省于2009年提出了《木材优先计划》[4]，要求高等院校和研究机构积极进行高层木结构的研究。欧盟也于2010年提出了《欧洲木材可持续发展动员令：优秀案例说明》[5]。欧洲非常重视新型混合木结构建筑的推广和应用，2008年瑞典的韦克舍建成了一栋8层的上下式混合木结构住宅（图5）（Limnologen项目）[6]，2011年德国巴德艾比林建成一栋8层商用住宅用的建筑（图6）（Holz 8项目），主体结构由混凝土核心筒和正交胶合木（CLT）剪力墙组成。奥地利多恩比恩在2012年建成了一个叫做LifeCycle Tower One （LCT ONE）的8层混合木结构建筑（图7），该建筑采用混凝土核心筒、CLT剪力墙和胶合木梁柱的混合结构形式，且底部为混凝土结构[7]。挪威2015年在卑尔根市建成了一栋14层的混合木结构住宅建筑（Treet）（图8）。主体结构为胶合木梁柱配合CLT剪力墙，每4層铺设一层混凝土板进行结构加固，建筑的底下车库部分为混凝土结构[8]。北美也是混合木结构建筑发展较快的地区，美国2009年在西雅图建成一栋26 m的7层混合木结构Marselle Condominiums公寓（图9），其底部两层为混凝土结构，上部5层为轻型木结构[6]。

加拿大UBC大学2017年建成的一栋18层高的学生公寓（图10），一度是世界上最高的木结构建筑。该建筑采用的是混凝土核心筒结构，包括两个通高的混凝土核心筒和一层混凝土平台，其余17层为CLT楼板和胶合木柱构成的木结构体系[7]。2019年3月，挪威的Brumunddal市建成了一座18层的木-钢混合结构（图11），是目前世界上最高的混合木结构建筑。相比于UBC的18层学生宿舍，该建筑的高度提高到了85.4 m。该建筑主体结构采用的是钢构件连接的重型木结构，整个建筑坐落于一个混凝土平台之上。为防建筑在风中摇晃，顶部7层采用混凝土楼板来增加建筑自重（表1）。

我国混合木结构建筑的发展相对欧洲和北美等地区要缓慢的很多，目前主要以1+n类型的上下混合木结构为主，目前已建成项目中最高是‘1+3共四层的组合结构。这主要是由于我国2003年修订的《木结构设计规范》对轻型木结构的限制较为严格，仅用于1-3层民用建筑。加拿大在2008年汶川地震之后援建的成都青白江华严小学采用的是1+2的混合木结构，其中一层为混凝土结构，上面2层为轻型木结构。河北省建筑科技研发中心项目建有一栋1+3形式的混合木结构住宅，两栋1+1结构的混合木结构公共建筑。我国2014年颁布的《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）允许建造7层，24 m以下的混合木结构建筑，但其中轻型木结构建筑层数仍然限定在3层。可以预见上下混合木结构将会是我国混合木结构建筑的主要结构形式。

从以上所提及的近年来建成的现代混合木结构建筑可以发现，其结构体系主要有上下混合木结构、混凝土核心筒木结构和木-钢混合结构三种方式。Escala项目中的混合木结构建筑采用的就是典型的上下混合木结构。这种结构很好地将混凝土结构和木结构的优点结合在了一起，底层的混凝土结构具有良好的结构强度和防火性能，且能形成大空间。上部的木结构在抗震、施工速度、保温节能和隔音效果方面具有更好的表现，木结构还具有得房率高的特点，这使得住户能享受到更多的实惠。另外，建筑中木结构的存在使得同等高度下地基的负荷降低，进而降低了建筑的地基成本。加拿大UBC大学的18层学生宿舍则是混凝土核心筒结构的代表作，这种结构中混凝土核心筒主要作用是提供竖向消防通道和提高建筑的抗侧性能[9]。木-钢混合结构体系的代表是加拿大温哥华设计师Michael Green在2012年提出的‘在树木中找到森林概念设计FFTT（Finding the Forest Through Tress）。该结构体系使用CLT构成竖向承重结构，采用钢梁并通过螺栓与主体结构连接，作为弱连接构件，实现了“强柱弱梁”的抗震理念，其混凝土仅用于地下室和地基部分[6]。

3. 混合木结构建筑中的现代工程木材

在现代混合木结构建筑中使用的木质材料并不是来自森林的自然长成的原木或方材。由于天然缺陷的影响和尺寸的限制，天然原木并不适合作为现代混合木结构建筑的结构用材。为了充分利用木材，减少木材天然缺陷和各向异性对木材的负面影响，采用现代化加工工艺制造的工程木材逐渐成为多层和高层混合木结构建筑中的主要用材，其中包括胶合木（glue laminated timber，Glulam）、单板层积材（laminated veneer lumber，LVL）、刨花层积材（Laminated strand lumber，LSL）、正交胶合木（cross laminated timber，CLT）等。Glulam是一种多层锯材（含指接材）加压胶合制成的构件，这种构件在制作时可以弯曲定型，可用作木结构的梁、柱等构件[10]。LVL是将原木去皮后旋切，制成一定规格的单板，再将这些单板以相同纹理方向叠加胶合起来制成的一种工程材料，主要用作梁和柱[11]。LSL是一种将刨切的薄木片按木材纹理方向胶压而成的板件，广泛用于梁和柱。CLT是锯材（含指接材）相互垂直正交组坯后胶合而成的，通常为3-7层的单数层。CLT板材正交双向胶合的特点，有效弥补了木材顺纹和横纹受力性能差异大的缺点，形成良好的平面抗压能力和抗剪强度，主要用于墙体或楼板[12]。由于CLT板材可以在厂内预制、现场安装，所以极大地提高了建造速度。近10年来，CLT逐渐成为许多混合木结构高层建筑的墙板主要用材，北美地区和欧洲已经颁布了用于多层木结构建筑的CLT产品设计指南[13-14]。

4. 混合木结构建筑的优势

木材作为一种绿色环保材料最大的优势就是其可再生、可持续使用的特点。定向刨花板（OSB）和LVL等工程木材在木结构建筑中应用，使得杨木等速生树种成为木结构材料的主要来源。这也促进了人工速生林种植规模的扩大，对森林资源的可持续发展起到积极的促进作用。另一方面，木材是建筑行业大规模减少碳排放和在建筑中储存碳的最佳工具。研究表明，每立方米木材在其生命周期内可平均储存0.8 t—0.9 t的CO2，另外其所替代的混凝土的碳排放量可降级1.1 t左右。因此，每使用1 m3木材相当于减少了2 t的CO2排放[15]。德国Holz 8项目的混合木结构建筑使用了570 m3的冷杉木，可以储存超过500 t的CO2。

除了绿色环保和固碳能力优异以外，混合木结构建筑广泛采用装配式建筑技术，即所有木质构件都可以在工厂提前加工好，再运输到现场直接组装，从而大大缩短建造周期、节约人工成本，做到无粉尘污染。Michael Green对FFTT混合木结构体系和同等规模传统混凝土结构体系的建造周期进行分析，发现FFTT体系的建造周期能缩短10周。2012年墨尔本市建造的一栋10层混合木结构建筑Forte一共使用了760块CLT面板，由于CLT单元在工厂预制时已经设好门窗洞口，现场只需要吊装到位后拼装，所以施工时4名工人就能实现3天一层的建造进度[16]。加拿大UBC大学的18层学生宿舍楼建筑面积逾15 000 m2，在不到80天时间内就完成了结构整体及外墙的安装。

由于木材自身细胞构成内存在大量空腔，所以相比混凝土和钢材，其导热性能差、保温性能好，可以有效降低建筑物在使用阶段的能源消耗。澳大利亚的Forte项目所建的10层混合木结构住宅与体量的混凝土或钢结构建筑相比，在保温隔热方面能节约25%的能源消耗。

建筑的抗震性能与自身质量呈一定的比例关系，因此混合木结构建筑相对同规模的混凝土建筑受地震引起的破坏作用相对较小。另外，由于木材本身及木结构中所使用的联接件具有较好的延展性，所以混合木结构建筑对地震所产生的冲击载荷有很强的抵抗性能，其在抗倒塌性能方面也明显优于其他结构的建筑。同样，由于自身质量较小的关系，混合木结构建筑对地基的要求也会降低，可有效地降低建筑成本。

在建筑设计上，混合木结构建筑能让建筑师在应对空间不同功能需求时做出更好的选择，例如商住两用建筑设计中，底层混凝土结构能满足商业空间大跨度的需求，上层木结构住宅因其墙面厚度的减少从而能提高住户的实际使用面积，满足住宅空间的需求。

5. 混合木结构建筑安全性研究

5.1 混合木结构建筑的抗震抗风性能

抗震性能是混合木结构建筑研究中最重要的领域之一，其中重点在于研究混合结构的抗震特性，为混合木结构建筑的抗震设计提供理论依据。目前主要研究手段为振动台试验和有限元分析模拟。前者已经在日本、意大利、美国、中国等国家都进行了7层以内的混合木结构建筑的振动台试验[17-19]，并根据试验结果和理论分析，制定了相应的设计规范。例如美国规范中提出整体结构自振周期不得大于上部较柔结构自振周期的1.1倍和下部结构与上部结构抗侧刚度的比值不应小于10等具体细则。高层混合木结构建筑的抗风性能研究主要通过有限元建模分析。挪威的研究者对14层高的Treet大楼进行有限元分析，发现大楼顶层楼板在风载荷作用下的加速度响应略微超出ISO 10137标准“结构设计基础：建筑物和走道防震功能的适用性”的推荐值，但仍处于可接受的范围以内[20]。针对瑞典22层CLT混合木结构大楼Hallonbergen进行抗风性能研究，通过分析11种不同结构体系的有限元模型在风载荷作用下的顶点位移和加速度响应，确定了其中有4种可以满足动态性能的要求[21]。另外，研究表明，由于木结构本身自重较小，在建筑的高层采用混凝土楼板能有效增强建筑的抗侧性能，这种方法已经在许多高层混合木结构建筑中得到应用。

5.2 混合木结构建筑的防火性能

木材作为一种可再生资源在建筑领域的优势已经逐步成为共识，然而，使用者对于木结构建筑防火安全的担忧却成为限制混合木结构建筑的高度和规模的主要原因之一，这也是由于传统轻型木结构建筑防火性能较差所带来的固有印象。轻型木结构建筑中墙板内部的大量结构空腔是其防火性能差的关键因素。墙板内龙骨截面尺寸较小、结构空腔较大使得燃烧时空气流通迅速，導致火灾发生后能够迅速蔓延。现代混合木结构建筑主要采用CLT等工程木材，属于木构件截面尺寸大于150 mm×150 mm的重木结构建筑。重型木结构体系中木构件的抗火性能取决于木材炭化后的阻燃性能。木材燃烧时其表层在300 ℃的情况下可形成炭化保护层，直接起到隔离明火与内部木材的作用[22]。除去炭化层，木构件内部未被燃烧的部分仍具有承载力，因此只要在设计时根据建筑物的耐火极限要求和木材炭化速率计算出木构件需要的安全尺寸就能保证木构件建筑具备良好的抗火性能[23]。

CLT是目前混合木結构建筑中应用最广泛的工程木材料，虽然其属于实木构件，但却是由胶黏剂胶合而成的多层复合板材，因此外层板材全部炭化脱落之后，原本内侧的板材会直接接触火灾而导致炭化速率再次上升。因此研究CLT板材的抗火性能需要考虑单层板材的抗火性能。研究发现，在总厚度相同的情况下，层板的数量越少，单层板厚度越大，其碳化速率也就越低。除此以外，许多研究也证明在CLT板材外部包裹防火石膏板可以有效提高CLT墙体的耐火性[24-26]。2010年加拿大木基产品和建筑体系创新战略项目的研究表明，普通CLT构件和普通混凝土材料有着同等的抗火性能，经过特别设计的CLT构件能达到3 h以上的阻燃效果，远远高于加拿大国家防火安全法规中对结构用材耐火极限的要求[27]。

6. 结语

本文旨在通过简单介绍现代混合木结构这种建筑形式的发展历程、研究和应用现状，让广大普通百姓和从业人员更好地了解利用现代工程木材建造的这种绿色可持续发展的新型建筑模式。随着工程木材的发展和成熟和混合木结构建筑地震和防火安全性研究的日益完善，世界各国对木结构建筑的高度和规模的限制在逐步放宽。混合木结构建筑是木结构建筑向更高层发展的有效方法，其研究重点落在性能更加优越的工程木材、结构体系设计、抗侧性能、楼板振动、节点连接方式、高层混合木结构抗震抗风性能，以及防火性能等方面。

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