竹中工务店对中高层木结构建筑的探索与展望

花井厚周

如今，木结构建筑已成为世界潮流。但是，今天的我们为什么选择了它呢？因为它能推动社会可持续发展的进程，回应气候变化，实现低碳乃至零碳社会的目标。树木在生长过程中吸收二氧化碳，而林业采伐是一种固碳的手段。因此，木材这种可再生资源的使用对于实现社会的可持续发展是不可或缺的。

当前，全球正处于SDGs和ESG投资时代，在实现社会可持续发展和应对气候变化的背景下，节能环保的木结构建筑正在成为世界的潮流。2016年，竹中工务店确立了“通过城市建设实现可持续发展社会”的CSR愿景，并领先于其他企业，率先成立了推进木结构及木质建筑的专项部门，旨在实现中高层木结构建筑的建设，并扩大其市场版图。2020年10月，日本政府宣布了2050年实现温室气体“总体零排放”的碳中和目标。为实现此目标，除了传统的小规模木结构住宅外，今后日本对木材使用量更大的非住宅类高层木结构建筑的需求将会进一步扩大。

本文将介绍竹中工务店关于CLT等木结构技术的开发与相关满足日本特有条件的中高层木结构建筑项目实例，并展望与扩展与高层木结构建筑相关的课题。

1 日本的法规

1.1 日本以往特有的灾害

过去在日本，建筑物大多数用木材建造，而大部分地区都处在地震、台风频发的区域中。因此，日本城市地区的木结构建筑，经常遭受台风、大地震（如关东大地震）以及震后大规模火灾等重大灾害。此外，受第二次世界大战的战火殃及，日本城市中的建筑物大多也都被损毁。

1.2 木结构建筑的限制

在此背景下，为了实现城市建筑防火的目标，日本政府在1950年制定了《建筑基准法》。基于当时的法规，日本的大部分城市地区都被指定为防火区，除了小型建筑物，其他建筑的建造都需要满足防火规范要求，比世界其他国家都要严苛。因此长期以来，除了小型住宅以外的其他建筑都不能使用木结构建造。直到 2000年《建筑基准法》被修改，木结构才允许被用于防火建筑物。

1.3 日本特有的防火建筑物

在日本以外的国家，建筑物在发生火灾时的防火性能要求是根据建筑物的规模和用途不同制定，只要建筑物内的人能够在规定时间内安全疏散，建筑物的坍塌是可以接受的。在具体的设计中，允许部分结构件的损失，只要确保建筑物由未被火灾摧毁的剩余结构截面来支撑。

日本特有的防火要求规定在正常火灾终止之前，建筑物不能倒塌或坍塌。具体来说，设计时需确保结构件不被烧毁，并能持续支持其自身的重量，直到火灾结束。此外，根据建筑的不同部分（柱、梁、墙和楼板）以及从建筑顶层开始计算的楼层数，各部分的防火性能规定也不相同（表1）。

2 竹中工务店的专利技术

Moen-Wood”防火集成材的开发

2.1 防火技术

法隆寺是日本最古老的木结构建筑。自古以来，日本木建筑的结构件大多暴露在外，没有用装饰材料覆盖。木材的香气和温和的触感是日本人一直追求的。因此，在使用木材建造时，大家都希望尽可能表现木结构，使其成为空间的一部分。

正如前文所述，日本法律规定4层以上的建筑必须具有防火性能，因此开发防火集成材对于实现中高层木结构建筑而言是至关重要的。防火集成材可分为覆盖型、钢混型、化学处理型三种主要类型（图1）。

第一种覆盖型，指用石膏等防火涂层对承重部分进行覆盖。木质部分被隐藏后，需要在防火涂层外添加木质装饰材料，以实现木材质感。此外，由于石膏耐水性不强，所以在施工过程中必须进行养护，以免受潮。或者在外墙结构完工后，在装修阶段再安装石膏，对施工工序的安排产生了制约。

第二种钢木混合型，指在钢构件外部包裹木材，以取代防火层。然而，这种技术是为钢结构而服务，与木结构无关。

第三种化学处理型，是在承重部分的外部附上经过防火剂化学处理的木材构件，以形成一个防火层。该技术的缺点是防火性能难以评估，后期维护难度较高。

不同于以上技术思路，竹中工务店所开发的“止燃型”防火集成材的必要性在于，它既能作为木结构构件，又能在空间中呈现木材自身的魅力。

“止燃型”防火集成材具有三层横截面结构，目的是在使用并呈现木材的同时提供防火性能（图2）。最外面是代燃层，会在火灾中碳化，并减少对构件内部的热传递。止燃层由高热容量的材料制成，吸收代燃层的热量并熄灭火灾。在火灾期间与火灾后，能够使承重部分保持在260℃（即木材的燃点）以下，保证建筑荷载支撑的安全性。

防火集成材“燃エンウッド（Moen -Wood）”这个名字是由日文“不易燃”和英文“Engineering Wood”组合而成的，其截面构造由表面的代燃层、止燃层、止燃连接层和承重部分组成（图3）。为了尽可能增加代燃层中裸露木材的选择，该产品的表层可以使用任何树种的木材，包括一般木材、集成材、LVL和CLT。止燃层使用的是砂浆或石膏基自流平材料，而用于连结代燃层与承重部分的木材被限定为一种具有高密度的落叶松木材。承重部分并不局限于国产木材，可包括外国木材等不同规格。

2.2 耐火试验

对防火建筑物的防火性能要求，主要基于《防火建筑规范执行令》规定的三项技术标准：非损伤性（火灾发生后建筑物不得倒塌）、热屏蔽（可燃材料不得在非加热面上发生燃烧）和火焰屏蔽（不得在非加热面上因裂缝产生火焰）等。耐火试验是按照ISO-834标准加热温度曲线所规定的加热负荷来进行的（表2）。加热结束后，将测试部件置于炉内，直到非加热的一面温度下降，最后判断是否达到所要求的性能。

如图4防火集成材“Moen-Wood”柱子的1h耐火测试显示，燃烧残留的黑色部分是非承重的代燃层，承重部分的温度没有达到260q C。此外，木材没有过度变形，能够应对恒荷载，由此证明其性能满足防火材料的要求。

3 竹中工务店的CLT应用技术

在日本，对结构件的防火要求取决于其承受恒荷载的能力。这是因为法律规定，在发生火灾时，建筑物必须继续承载其自身的重量，而不能发生倒塌或坍塌。换句话说，非承重的结构件，如抗震墙和只承受水平力的斜撑，则不需要达到防火构件的要求。

CLT作为一种板材，通常用于楼板或墙体。本章将介绍竹中工务店开发的CLT楼板和CLT墙体在中高层木结构中的应用技术。

3.1 CLT作为楼板的应用技术

当CLT应用于楼板时，如果承受恒荷载，则需在其顶部和底部的表面进行防火覆层处理。如图5所示2h耐火等级的CLT楼板的截面，CLT的底面覆盖了三层15mm厚的石膏板，最外层是15mm厚的硅酸钙板作为保护层，顶面覆盖了石膏基自流平材料层作为防火层。石膏基自流平材料的厚度根据耐火试验确定，图5所示的顶面混凝土厚度为80mm，以提高地板的隔音性能，确保楼板平面的结构刚度，并满足结构设计中刚性楼板的设定条件，但对防火的贡献不大。因此，如果在结构设计和隔音性能方面不需要混凝土，可以省略。

表1 防火建筑物性能指标

1 防火集成材的种类

2 防火集成材的概念图

3 防火集成材 Moen-Wood 的剖面构成

4 防火集成材Moen-Wood 柱1h 防火实验状况

表2 防火建筑物性能指标

如表3CLT楼板2h耐火测试结果所示，在同一CLT材料上浇筑厚度分别为50mm和60mm的石膏基自流平材料进行燃烧试验，后者更能使CLT的温度低于260℃。此外，如果CLT不承受恒荷载，则不需要在顶部或底部表面铺设防火覆盖层。

图6为CLT不受恒荷载影响时的剖面构造示，假设通过混凝土强度、截面厚度与钢筋的配置，使具有耐火性能的钢筋混凝土楼板承担所有的恒荷载和面内剪力，然后设置剪力连接件，使CLT板与钢筋混凝土楼板结合为一体。这时，CLT只对楼板的垂直刚度做出贡献。

3.2 CLT作为墙体的应用技术

当CLT用于墙体时，如果墙体承担恒荷载，CLT墙体的两侧需要设置防火覆层。

如表4CLT墙体的2h 耐火测试结果可知，CLT板一侧是三层21mm厚的石膏板防火层，附着在50mm厚的轻质钢架底座上，另一侧是石膏基自流平材料，防火层由同样的三层防火集成材“Moen-Wood”组成。止燃层由石膏基自流平材料和落叶松制成的，厚度为70mm，外部代燃层设定为30mm的木材。

耐火试验证实，当CLT墙体用于承受垂直荷载时，使用上述防火覆层可以确保其温度低于260℃。此外，由于CLT墙体的轻质钢架底座提供了50mm厚的空气层，作为住宅单元的墙体使用时，经测试证实隔音性能较好。

当CLT墙体仅抵抗水平力时（图7），由于不必承受恒荷载，所以不需要防火覆层。但是，由于其与上下钢梁连接固定，钢梁在连接处没有防火覆层。当发生火灾时，CLT墙体会随着燃烧变得越来越薄。钢梁较薄的部分会直接暴露在火中，强度和刚度会随着温度升高而下降，最终无法承受恒荷载。为了防止没有防火覆层的连接部分温度上升，在CLT墙体的上下方设置了无收缩砂浆层，以吸收向钢梁传递的热量，其厚度可通过耐火试验决定。

4 案例一：HULIC & New GINZA 8

4.1 项目简介

HULIC & New GINZA 8位于银座中央大街，是一座12层、钢木结构的商业建筑（表5）。建筑的外立面与内装尽可能多地使用木材与木结构，以回应业主的要求，并保留建筑物原有的功能性，不仅包括防火和抗震，还涉及到意匠性、可居住性和可更新性。

该建筑是高宽比接近7的细长塔楼，通过因地制宜地利用木结构和钢结构，成为日本最高的钢木混合结构建筑（图8）。建筑内部使用了防火集成材“Moen-Wood”的柱梁、CLT复合楼板、CLT抗震墙和隔震集成木柱等技术材料（图9,10）。外立面以树叶为意象，使用天然木质格栅装饰，反映季节与光线的变化。考虑到日晒雨淋和温差的影响，格栅由乙酰化的辐射松木材制成。

4.2 结构概述

由于该建筑处在银座一处狭窄的场地上，因此高宽比非常大。在整体的五跨结构中，有两跨柱梁全部采用了防火集成材“Moen-Wood”，柱梁连接处采用铰接，以确保防火性能，并提高施工效率（图11）。所有水平力都由钢结构承担。

楼板由36mm厚CLT板和钢筋混凝土复合板构成，恒荷载由钢筋混凝土楼板承担，因此不需要对CLT楼板加以覆盖，可以直接呈现木材的质感。CLT之间的接缝处埋设了插入式轨道，以消化施工误差，也可以用于铺设弱电线缆、安装照明设备等，实现了天花顶面设计的统合。

由于建筑的高宽比较大，为了防止地震与暴风时产生晃动，在设计中运用了CLT剪力墙，由CLT与阻尼装置组合而成。在这项技术中，我们利用CLT作为墙体，连接钢板的剪切屈曲起到了阻尼作用，从而实现木材质感的剪力墙，使得在室内配置减震构件成为可能。

5 满足防火性能要求的CLT楼板剖面构成图

6 CLT不受恒荷载影响时的剖面构造图

7 CLT墙体仅抵抗水平力的情况

表3 CLT 楼板的防火实验结果

表4 覆盖了石膏板以及石膏基自流平的CLT 墙体的防火实验结果

8 HULIC & New GINZA 8建筑物外观

9 HULIC & New GINZA 8建筑物内部

10 HULIC & New GINZA 8CLT抗震墙

11 HULIC & New GINZA 8结构架构透视图

5 案例二：TAKUMA新馆（研修中心）

5.1 项目简介

TAKUMA新馆（研修中心）是一座中高层木结构办公大楼，旨在提供培训空间和工作场所（表6）。为了实现业主扩大业务、提升社会影响力与环境贡献的目标，我们在设计中积极地使用了木材。同时，为了确保高抗震性能以及在发生灾害时不影响使用，建筑采用了抗震结构设计。

整个建筑外部都由通透的双层玻璃幕墙覆盖，北侧的柱子采用防火集成材“Moen-Wood”，核心筒的抗震墙采用CLT，外立面的窗挺也使用了集成材，建筑设计对木材质感进行了积极的表达（图12）。

5.2 结构概述

该建筑采用基础隔震式，主体结构采用钢结构与集成材，CLT抗震墙作为抗震构件（图13,14）。为满足通透的外观、抗震构件布置的条件限制以及重要功能设施的布局，我们采用了确保结构安全的隔震结构。对于结构高度为33.6m的建筑物，设计周期为1s左右，在尽可能保证核心筒刚度的情况下，延长其周期，并减少地震带来的震动感。

上部结构是由CLT抗震墙和钢框架组成的混合型框筒结构。在二到六层面向主干道的北面布置了2h防火等级的防火集成材“Moen-Wood”，其他三面则使用了集成材木窗挺，从而实现了木结构与钢结构的融合。

在这个项目中，CLT作为主要的抗震构件，承担了一半以上的抗震性能。由CLT钢混结构的概念可以看出（图15），CLT抗震墙对水平力的抵抗机制由CLT对角线方向的斜向压缩力和CLT两侧的抗拉构件的桁架效应构成。如果CLT安装在靠近柱子的位置，则不需要另设抗拉构件，因此本项目省略了抗拉构件以简化节点。压力通过CLT的承载力转移到钢梁上，而剪力则通过剪力连接部件传递。剪力连接部件采用钢板插入型的销钉连接方式，插入的钢板通过高强度螺栓与钢梁连接。CLT和钢梁之间的空间用无收缩砂浆填充，以确保压力的传递，并为钢梁提供防火覆层。

表5 HULIC & New GINZA 8 项目信息

表6 AKUMA 新馆（研修中心）项目信息

12 TAKUMA 外观

13 TAKUMACLT 抗震墙与钢结构框架构成的混合结构

6 挑战与机遇

伴随着木结构建筑高层化的趋势及中高层木建筑的普及，今后日本也会与欧美国家一样，进一步扩大木结构的市场，挑战与机遇并存。

6.1 超高层建筑的挑战和机遇

日本已经宣布，高度超过70m和100m的高层木结构建筑将分别在2023年和2025年开始建造。

随着木结构建筑的高层化，垂直承重的木构件将受到前所未有的巨大轴向力的作用。为了承载这些轴向力，结构部件需要非常大的截面尺寸，这对建筑设计造成了很大限制。为了减小截面尺寸，则需要使用比以往强度更大的材料，或者通过与钢架、钢筋混凝土构件结合，开发高轴向力的复合构件。

此外，超高层木结构建筑将会出现从未经历过的垂直方向的巨大蠕变量。在木结构与钢结构或钢筋混凝土结构的复合结构中，木质部分和非木质部分连接处的蠕变差异可能会导致吊顶和外装材料的安装问题，以及排水找坡方向与设计预期相反等问题。因此，在设计和施工过程中考虑应对措施，也是今后的课题之一。

6.2 市场扩张带来的挑战和机遇

随着中高层木结构建筑的普及，日本的中高层木结构建筑市场预计将在未来扩大到7 000亿日元以上，因此需要准备好充分的应对措施。

其中一种措施是通过增加供应商数量和扩大现有生产线来增加供应，但同时也需要提高生产效率。基于此，促进集成材截面的标准化非常重要。将薄板规格（宽度、厚度）、树种、强度和长度的规格进行标准化，可以简化材料采购的步骤，并可在一次胶合过程中压制最大数量的构件，从而提高生产效率。

另外，对欧美常见预制构件的推广也是非常必要的。日本的道路相对较窄，而且《道路交通法》对可运输物品的尺寸有限制。具体来说，在不申请特别许可的情况下，一般运输的最大宽度为2.5m。在这样的尺寸限制条件下，今后可以将饰面材料、设备线缆、机械设备等统合为符合搬运尺寸的预制箱型构件或CLT单元，在工厂预制后运到施工现场直接组装，从而减少施工现场的作业，提高生产效率。

此外，除了生产新的材料构件，如何回收利用现有建筑材料也是一个重要课题。为此需要制定关于再利用材料的建筑规范，并建立再利用材料退化的评估体系。从材料方面的策略来说，有必要对材料截面、宽度和长度、木材种类、强度、粘合剂类型、连接方法等进行标准化，并利用二维码等手段将这些信息记录在各个构件上，以建立起对任何类型的建筑而言都便于重复利用、可追溯管理的系统，进而促进材料的再利用和回收。

7 结语

14 TAKUMA 结构架构透视图

15 TAKUMACLT 钢混结构概念图

出于对全球环境问题的关注，积极建造运用CLT和其他木材的建筑，正成为一种全球趋势。虽然日本因特有的防火建筑规范，面对着比其他国家更为严苛的设计条件，但中高层木结构将进一步普及，未来也会有更多高层木建筑的建造需求。随着中高层木建筑市场的扩大，以及向零碳社会的努力，竹中工务店将继续致力于相关核心技术的开发，预计在不久的将来能实现像钢筋混凝土结构和钢结构那样的超高层木结构建筑。

图片来源

1−15 株式会社竹中工务店提供

表格来源

1−6 株式会社竹中工务店提供