英属哥伦比亚大学的重型木构建筑创作解析

李静，徐洪澎，林中法，张超/LI Jing, XU Hongpeng, LAM Frank, ZHANG Chao

1 引言

木材作为健康、可再生的固碳型建筑材料，其工厂化程度高、视觉表现力强[1-3]。在采用新技术后，重木（Mass Timber）等工程木制品被广泛应用于建筑领域，积极地推动了现代木构建筑的发展[4-6]。尽管中国传统木构建筑的成就举世瞩目，但是现代木构建筑的发展却明显落后[7-8]。然而，在北美，尤其在加拿大，重木在不同功能、不同体量、不同高度的建筑中均得到广泛应用[9-10]。

英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）作为全球顶级的综合研究型大学和最顶尖的20 所公立大学之一，是最早采用重木作为主要建筑材料的国际高校。同时，其作为推动加拿大绿色建筑的先行者，校园建筑应用大量木材，旨在为在校学生创造一个温暖和受欢迎的学习环境，同时努力减少建筑在建造和运行过程中的能源消耗及温室气体排放。初步统计，校园内有200 多栋建筑，其中木构建筑占总数的30%以上。其中遍布着全美领先的各式重型木构建筑典范，以森林学院（Forest Science Centre）、布罗克公寓（Brock Commons）、可持续互动研究中心（Centre for Interactive Research on Sustainability）、地球科学大楼（Earth Sciences Building）、校园能源中心（Campus Energy Centre）等最为著名。UBC每年都会接纳来自世界各地的现代木构建筑从业者进行参观和学习，据统计，已有百余位从事木结构研究的中国高校学者来访和学习考察。

重型木构建筑的先进性探索是英属哥伦比亚大学建筑文化的特色体现，也是其秉持引领突破的创作观念的体现。其中有3 个关键因素促使其木构建筑不断取得突破性进展：首先，盛产木材。英属哥伦比亚（British Columbia）省是北美最大的木材产品出口基地。该省近60%的土地资源属于多产森林，这些森林的木材蕴藏量约为110 亿m3，其通过认证的环保和可持续森林数量位居世界前列[11-12]。且拥有重木生产的核心技术与先进设备[13]；其次，政策鼓励。英属哥伦比亚省于2009 年出台了“木材第一法案（The Wood First Act）”，该法案要求在所有省级资助的新建和扩建建筑项目的设计过程中必须考虑使用木材[10,14]；第三，学校对绿色可持续发展的承诺，英属哥伦比亚大学立志到2050 年实现校园建造的零碳排放[15]。

本文通过对英属哥伦比亚大学重型木构建筑创作的解析，进一步了解这所百年高校是如何使最古老的、同时又是最新的建筑材料做到世界闻名、且能够满足现代建筑科学所面对的挑战。研究旨在向国内业界展示重型木构建筑的发展前景，及其显著的可持续性特征，以期为我国的现代木构建筑发展提供借鉴和指导。

2 重木技术推动下的现代木构建筑创作

利用规格木材通过胶合、加压、钉接、机械加固等加工工艺来形成更大尺寸结构构件的工程木统称为重木[16]。应用重木通过特殊设计的金属连接件和精细的数控加工预制来形成板柱或梁柱结构的建筑形式被称为重型木构建筑。在实际建筑工程中以表1 所示的6 种重木的应用为主[17]。

重木技术和系统的进步推动了现代木构建筑的迅速发展。英属哥伦比亚大学的木构建造可谓是重木创新应用的实验场。建筑类型包括能源供应站、教研中心、活动中心、住宅以及学生公寓等（表2）。其中1996 年建成的蔡章阁大楼（C·K·Choi Building）是其校园建筑对重木的最早应用。其后建成的森林学院，是对PSL 应用的成功范例。此后，又建造了北美第一个应用CLT 的生物能源研究与示范设施建设基地（Bioenergy Research & Demonstration Facility Building），以及建成时世界最高的布罗克公寓等一系列重型木构建筑。从表2 可以看出，自2010 年以来校园内每年都会应用重木进行建造，且要求所有新建项目都要符合LEED 绿色建筑认证标准[18]。帕金斯-威尔 （Perkins &Will）工作室作为业内致力于推进重型木构建筑的先行者，积极参与了校园内的多项木构建筑设计。

表1 实际建筑工程中主要应用的重木类型（绘制：李静，改绘自参考文献[21]）

表2 英属哥伦比亚大学的重型木构建筑（绘制：李静）

表2 所示的范例是英属哥伦比亚大学在其温哥华校区内具有里程碑意义的重型木构建筑创作。这些建筑的设计特点主要表现为以下两方面。

2.1 聚焦多种结构材料的有效应用

结构选材根据不同建材的性能进行优化。将不同类型的重木进行组合应用，有利于更好地发挥各自的性能，以满足不同建筑功能对纯木构空间的要求。如棒球训练中心，该项目创新性的应用GLT 梁柱系统和LSL 墙体及屋面板系统，木结构体系满足了棒球训练中心对于高挑空和大跨度建筑空间的需求，如全尺寸击球笼和投球区（图1、2）。而将重木与混凝土等其他建材综合应用，则可有效提高重木在大跨和高层及超高层建筑中应用的机会。如布罗克公寓，通过重木与混凝土的综合应用实现了建成时世界上最高的木构建筑创作之举。再如地球科学大楼，建筑功能被组织成两个翼，并由一个5 层通高的中庭和自由流动的悬臂式木质楼梯连接（图3-5）。其南翼是混凝土结构，并在外廊配有CLT遮蓬和GLT 立柱。北翼和中庭使用重木作为主要结构材料，包括GLT 梁柱，CLT 屋盖以及由LSL、隔音材料和混凝土浇头的混合楼板系统。大楼应用重木和混凝土的混合结构创造了一个具有独特视觉体验的项目，且此混合系统相比传统的混凝土结构具备更好的减震性能，以及吸声和吸湿性能。

2.2 提倡简洁高效的构造技术

表达清晰精炼的技术逻辑是英属哥伦比亚大学重木建造致力引领的发展趋势。节点的构造设计是结构合理性与技术逻辑性的表现，也是实现木构建筑创作的有力保障。其中，从可持续互动研究中心的节点构造可见梁柱穿插的连接技术（图6）；从地球科学大楼的节点构造可见木柱与木-混凝土混合楼板的连接技术（图7）；从布罗克公寓的节点构造可见木柱与木楼板的连接技术（图8）。此构造技术是工程界的一个创新，实现了应用重木进行高层建筑创作。设计师巧妙地在上下柱与楼板连接处设计传力剪环，实现将上柱传下来的荷载通过剪环直接传递给下柱，避免楼板横纹受压破坏，为整体结构落成提供必要技术支撑。校园内重型木构造的节点多是可拆解和重构的，整体设计提倡简洁可靠的解决方案，以消除不必要的材料和工作成本。

3 建构校园建筑文化的木构空间设计

1 棒球训练中心的全尺寸击球笼（图片来源：MichaelGreen Architecture. (June 2016) UBC BASEBALL. http://mg-architecture.ca/wp-content/uploads/2016/06/MGA_UBCBaseball_Int01_emapeter.jpg）

2 棒球训练中心的投球区（图片来源：Seagatestructures.(September 2016) UBC Baseball Indoor TrainingCentre. https://seagatestructures.com/wp-content/uploads/2016/09/ubcbaseball_08.jpg）

3 地球科学大楼悬臂楼梯（摄影：李静）

4 地球科学大楼一层平面（图片来源：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 地球科学大楼通高中庭（图片来源：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 穿插的木梁柱连接

7 木柱与木-混凝土混合楼板连接

8 木柱与木楼板连接 （6-8绘制：李静）

9 地球科学大楼的休息厅（图片来源：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 奥查德公寓的休息厅（摄影：李静）

11 布罗克公寓的休息室（图片来源：Moudgil M. Feasibilitystudy of using Cross-Laminated Timber core for the UBC TallWood Building[D]. University of British Columbia, 2017.）

12 棒球训练中心的训练室（图片来源：Seagatestructures.(September 2016) UBC Baseball Indoor Training Centre.https://seagatestructures.com/wp-content/uploads/2016/09/ubcbaseball_09.jpg）

13 学生活动中心休息厅（摄影：李静）

15 可持续互动中心中庭（图片来源：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 学生活动中心中庭

17 森林学院中庭（16.17摄影：李静）

相关研究表明建筑空间中可视的木材利于提升工作效率和减少压力[19]。这是在时代快速发展以及人居环境不断恶化的背景下木构建筑受到更多关注的原因之一。重木具有足够的体积和横截面尺寸，在防火、防腐及声光热等性能方面具有显著优势，可实现大量木材外露[5,20]。重型木构建筑外露的木构件承担了结构和美学的双重功能。英属哥伦比亚大学广泛应用重木为在校学生创造充满活力的学习环境，成功展现了高校建筑该有的态度和文化底蕴。置身于这些木构空间中可以感受到鲜有的平静、温暖和舒适。同时，得益于重木的可塑性强、类型多样，对其的灵活应用更是增加了建筑空间的视觉多样性。

18 装配化的行为优势（绘制：李静）

3.1 重木在空间界面的多维应用

由于各类重木产品的原材料和加工工艺不同，表现出的纹理和色泽有很大差异，不同类型重木的组合应用，可利于营造富于变化的空间环境。而将不同类型的重木在空间界面的多个部位应用更是增加了空间的视觉多样性。根据空间界面所起的作用，重木的应用可分为地面、墙体、屋面、梁和柱5 个部位。只在屋面部位应用重木的空间显得简洁、通透（图9）；整齐排列的木梁柱可增加空间的视觉韵律感（图10）；而在屋面、墙体和梁、柱部位同时应用不同类型的重木又可表现出线、面、体的界面变化，增加空间的视觉多样性（图11、12）。

3.2 木构形态强化的空间特征建构

于木构空间而言，多数情况下活跃的构件形态与木材的自然属性更为契合。这里所指的形态包含木构件自身的形状和其在建筑空间中的构架状态两方面信息。首先，得益于重木良好的可塑性，采用曲面形状的木构件可增强建筑空间的艺术性与表现力。如学生活动中心的弓形GLT 柱和可持续互动研究中心的拱形GLT 梁（图13、14）；其次，由于木构件的细长特性，在结构上常表现出线构形态，将结构的格构变异，可将平面线构进行空间拓展，使其更富动感。如在可持续互动研究中心表现出的斜交与穿插的GLT 梁柱（图15）。如学生活动中心的中庭，设计师将大面积的屋面设计成锯齿状，通过木构件的倾斜交叉使原本平淡的屋面营造成空间中的视觉显著点（图16）。再如森林学院的中庭，设计师通过将杆件在三维空间的组合变换，充分表现结构的内在张力，构成极具趣味性的树状结构形式，这一设计手法使得4 层通高的中庭空间更富于变化，也更接近人的尺度（图17）。

4 实证重型木构建筑的可持续性性能

重木具有很高的固碳能力，1m3重木可固定1tCO2[21]。且重型木构建筑是高度预制化的装配式建筑体系，在建筑物寿命结束时其主体结构还可以进行回收和再利用，最后产生少量的建筑垃圾再以CO2的形式被植物吸收。所以，就建筑行业而言，充分合理的应用重木建造将成为其可持续发展的重要途径。

4.1 高度装配化建造的效益比较

重型木构建筑的建造速度相比一般木构建筑快10%～30%。得益于重木的可塑性强，可实现的工厂化程度高，木构件可在全年的任何气候条件下生产，并在施工现场快速完成安装。现以6 层规模的建筑为例进行建造效益的比较分析。装配化建筑的结构、管线及室内外维护墙体和部品在设计阶段进行统筹规划，并在工厂以构件的形式完成预制，构件运输到施工现场再统一安装。由于实现了大量工作的同步进行，所以装配化的设计建造比常规模式可缩短5 ～9 个月的工期[22]，见图18 所示。同时，预制的大量工作都在工厂的特定环境中进行，不但可有效提高施工质量和精度，节省建造成本，还可对周边环境的影响降到最低。

英属哥伦比亚大学的重型木构建筑均强调预制装配以实现施工周期节约的建造理念，虽然预制程度因项目而异，但设计组都将木结构构件的预制工作列为优先事项。表2 中所示的所有项目的重木结构构件均是工厂预制、现场吊装。其中，棒球训练中心和布罗克公寓的装配化程度相对较高。前者采用预制的GLT 梁柱和LSL 墙体及屋面板系统，主体结构在7 天内便完成安装；后者从预制的结构柱到楼板，再到全预制的外挂墙体（图19-22），自预制构件运输到施工现场起，完成建筑主体建造仅用时67 天，施工进度比同类型常规项目提前4 个月完工[23-24]。预制装配化的建造方式成本低，建造速度快，噪音小，产生的垃圾少，完全不影响周边建筑的正常使用。且易拆卸，在建筑使用寿命终结时其预制木构件还可回收再利用。

19 布洛克公寓的装配化建造预制构件（图片来源：参考文献[23]）

20 布洛克公寓的装配化建造立柱

21 布洛克公寓的装配化建造吊装楼板

22 布洛克公寓的装配化建造外挂墙体（20-22图片来源：参考文献[24]）

23 生命周期分析：重型木构建筑

24 生命周期分析：混凝土建筑（23.24图片来源：参考文献[2]）

25 生命周期分析：建筑运行对环境的影响（绘制：李静）

4.2 持续低碳减排的定量验证

相关研究采用生命周期分析（Life Cycle Analysis）的方法，将钢和混凝土建筑与GLT 和CLT 建筑进行比较，结果显示，使用重木建造可以减少全球18%的CO2排放[25]。英属哥伦比亚大学立志成为世界一流研究型大学中碳排放量最低的高校，以温哥华市校园标准碳排放为基础在2015、2020 和2050 年 分 别 减 少 碳 排 放33%、67% 和100%[25-26]。校园建筑应用大量重木进行建造，极大地降低了整体的碳排放。

重型木构建筑的木材用量是轻型木结构的3 ～5 倍，由此便产生了可观的碳汇。其中，仅在可持续互动研究中心、地球科学大楼和布罗克公寓中应用的重木就减少了5632tCO2排放，相当于8531辆汽车在路上行驶一年的碳排放量[21,27-28]。同时，重型木构建筑的构件大都是在工厂进行精密加工，所以其气密性可得到更好保证，从而节约保温材料的使用。相关学者将布罗克公寓和与其相同规模、相同类型设计的纯混凝土结构的公寓进行了生命周期分析。结果显示，应用重木的混合结构比纯混凝土结构建筑的CO2排放降低25%，SO2排放降低12%，对化石能源的消耗降低18%[29]（图23-25）。可见，重型木构建筑从建筑材料到建筑运行的整个过程都具有显著的低碳减排优势。这也是英属哥伦比亚大学广泛应用重木进行建造的重要原因。

5 结语

英属哥伦比亚大学的重型木构建筑创作以实现更好的生态效益和充分发挥重木优势为主要目标，为校园整体实现绿色可持续发展提供保障，并形成了一个产学研紧密结合的全球性示范基地。

首先，通过结构体系和节点构造的合理性与创新性增加木构技术表现的效果。开发新的结构类型的设计解决方案，为重木的推广应用创造一个平台，并在市场上占有重要地位和先机是其不断进行创作的一个关键动机。

其次，尽可能通过设计行为提高校园建筑空间环境的质量，为学生提供舒适放松的学习环境是校园木构建筑建造的首要目标，通过大量重木外露形成具有人文关怀又高效灵活的空间场所，是其校园建筑文化的体现。

再次，努力拓展可持续建筑设计的可能性，推进可持续技术和建筑实践方面的创新。努力实现建筑行为的装配化建造和低碳减排。木材一再被证明可以增加人类感知自然的概率，对于木材的应用也更利于提升建筑空间品质和降低建筑环境污染。目前，国内在重木应用技术和木材应用的合理性等方面已进行了初步探索，但还缺乏系统的理论疏导和实践[30-31]。因此，英属哥伦比亚大学的重型木构建筑创作实践可以为我国现代木构建筑的发展提供实际的借鉴意义。□