“双碳”目标背景下的木结构建筑——简述常州市武进区淹城初级中学体育馆设计

文／蓝 健 南京市建筑设计研究院有限责任公司 总建筑师 研究员级高级建筑师

引言

全球气候变暖已经成为威胁人类生存与发展的重大环境问题，温室气体增加是造成气候变暖的主要原因，而温室气体中对气候变暖影响最直接的是CO2的排放。

针对全世界共同面对的问题，2021年3月11日，第十三届全国人民代表大会第四次会议批准的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出，制定2030年碳排放达峰行动方案，锚定努力争取2060年前实现碳中和，采取更加有力的政策和措施。2021年4月22日国家主席习近平在领导人气候峰会上发表重要讲话指出，中国将严控煤电项目。此外，中国已决定接受《〈蒙特利尔协定书＞基加利修正案》，加强非二氧化碳温室气体管控，还将启动全国碳市场上线交易。2021年11月1日，习主席向《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会世界领导人峰会发表书面致辞，中国已发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》，形成了碳达峰、碳中和“1+N”政策体系，明确了时间表、路线图、施工图。

1 建筑业碳排放现状

低碳经济已经成为应对气候变化的重要发展模式，建筑业是节能减排、低碳转型的关键领域之一。随着城镇化率的提升，至2020年，中国建筑业能源消耗比重达到全国一次能耗总量的三分之一。我国粗钢产量已占全球近一半，CO2排放约13亿吨，约占我国总排放量的12%。我国水泥产量占全球一半以上，水泥工业年消耗标煤约2亿多吨，占建材行业能源消耗总量的75%。我国建筑业碳排放所占比重达到了50%。水泥、钢材等材料均产自不可再生资源，且其生产能耗大、污染重。

在建筑的全生命周期中，建筑总的碳排放量是建造阶段、运行阶段和拆除阶段三个阶段的碳排放之和。在建造阶段体现在建材生产能耗和建设过程能耗；在运行阶段体现在建筑使用中消耗的能源、资源所形成的碳排放；在拆除阶段体现在拆除过程中的能耗。

在建设过程中优先选用低碳环保的建筑材料和结构体系可以有效减少碳排放量，对于装配式建筑而言，建材生产阶段的碳排放量与建筑材料消耗量、生产加工工艺、材料性质、能源供应体系等有关。建筑运行过程中产生的碳排放量在建筑的全生命周期中比重最高，持续时间最长，需要建立低碳建筑监管平台，长期有效地在线监测自身管理建筑的能源使用情况、分析统计建筑碳排放情况、实时监测用能负载情况、节能降碳辅助决策等，形成能耗与资源使用分析等多功能的可视化集成运维体系，从而形成长期有效的降碳减碳效果。建筑拆除过程中，建筑材料的回收利用是高效节能、节约资源的有效措施，材料回收避免了新材料在开采、生产过程中CO2的排放，减少建筑材料生产阶段的耗能，形成碳排放量计算的负增加。由此可见，大量选择可回收建筑材料也是减少碳排放的有效途径。

2 木结构的优势

森林是陆地上最大的碳素储存库，大约80%的地上碳素储存量和40%的地下碳素储存量存在于森林生态系统中，森林具有碳汇和碳源双重作用。树木通过光合作用吸收大气中的CO2，再将碳素储存在体内，可以降低大气中CO2的浓度，减缓温室效应。木材做为树木的主体，是一种环保、节能、可再生以及可循环利用的生态材料，木材加工利用是对树木碳素储存作用的延伸，将林木生长过程中所形成的碳转变为木材的形式予以储存。木材中含有的碳超过50%，发挥树木的固碳能力，通过林业碳增汇方式来吸收CO2，从而减少大气中温室气体含量。因此，利用木材固定和储存碳素，是平衡大气中CO2含量、节能减排及提高生态效益的有效途径，具有不可替代的内在价值。

本项目地处江苏，有着采用木结构的得天独厚的条件。截至2015年，江苏省林木覆盖率22.5%，全省活立木总蓄积9000万m3。江苏省培育了全国最大的杨木速生林资源，全省杨树资源总面积1391.6万亩，蓄积6841万m3，杨树面积占全省乔木林面积的67.4%，杨树蓄积量占全省林木总蓄积量的81.2%。杨树资源构成了江苏省森林资源的主体，同时其面积与蓄积量均位居全国第一。基于速生杨木的研究具有一定基础以及具有木材加工经验的杨木人造板企业转型，形成江苏省基于速生材的木结构优势。

木结构相对于钢结构和混凝土结构为最生态的低碳建筑结构形式。木材可再生，且木结构对环境的污染比钢结构、混凝土结构少很多。钢结构的水污染指数是木结构的120倍，木结构比混凝土结构节能8%～16%，每立方米木材将储存0.9吨当量的CO2，同时在木材生产制造阶段还可减少1.1吨碳排放。

木结构是中国传统建筑文化的重要载体和记忆，现代装配式木结构通过传统文化传承的研究与结构材料美学的设计，实现建筑、结构和材料的完美结合，从而实现木结构做为新材料、新技术的示范目标。常州市武进区淹城初级中学位于淹城遗址公园北侧，因“春秋淹城”而得名。体育馆造型中汲取了春秋时期台榭建筑的土台、木构、屋顶三段式造型元素，十根支撑屋面的巨型拼接木柱与类似斗拱层层出挑的倒锥形木结构檐口组合成体育馆的古典样式。古典形制与现代构造相结合，形成新的木结构审美。

3 木结构技术应用

项目地块位于常州市武进区虹西路以北、西园路以东、淹城初级中学内西侧用地，紧邻学校体育场。总建筑面积为3899.10m2，建筑高度约为18.10m，结构体系为单层大跨木结构与钢筋混凝土框架结构组合的建筑体系，是一座典型的装配式木结构建筑，由我院与工业大学设计院联合设计。体育馆主体部分采用木结构，采用预制装配式建造技术，装配式木结构范围为57×31.2m，檐口悬挑6.1m。木结构南北向为5跨，柱跨13.9m，东西向为一跨，柱跨30.55m，为国内目前建成的跨度最大的木结构体育馆。通过BIM技术实现精细化加工和安装，木结构装配部分的预制装配率达到90%以上。

装配式木结构体系采用木柱与木桁架组成主体结构，整个结构采用十根组合木柱支撑上部屋盖，屋盖采用主次木桁架形式，基础类型为独立基础。组合木柱为异形拼接格构柱，由四根400×400mm木柱组合而成的格构柱中部设置100×100mm钢管做为连接核心。格构柱底部采用装配式螺栓节点，与基础形成半刚性连接。在主体结构中四根木柱组合的格构柱与若干150×400mm的木梁叠合形成的现代斗拱组合而成木结构竖向承重体系，这种结构组合沿用了传统木结构的结构特征，受力合理，为国内首创，为体现传统建筑艺术的现代柱梁结构体系。

屋面主体结构由五榀双拼大跨胶合木桁架与纵向木桁架组合形成，桁架之间通过设置木檩条提高屋面结构的整体性。楼盖顶棚采用双向木龙骨形成的格栅作为承重构件，格栅顶板为胶合木板（OSB）、底部为水泥压力板，中部空腔填充A级燃烧性能的保温岩棉。顶部采用木桁架结构找坡，有效地减轻找坡层的自重，木桁架上平铺胶合木板、防水层和铝板饰面层作为屋面构造。

胶合木构件的耐火极限为1小时，从体现结构美学与材料美学的角度出发，采用木结构自身的耐火极限进行防火设计，通过暴露结构原始材料的方式进一步表现结构与材料的美学特征，使木结构的装修成本相对于现浇钢筋混凝土结构建筑要低很多，从而使木结构建筑的综合建造成本与现浇钢筋混凝土结构建筑基本相当。

4 BIM技术应用

本项目在设计过程中采用全专业、全过程的BIM设计，并且利用BIM技术进行绿色仿真模拟计算。通过BIM技术进行木结构构件的可视化设计，实现预制构件模型的实时浏览与更新，实现工业化建筑设计标准化、构件部品生产工厂化、施工安装装配化、生产经营信息化以及建筑项目生产集成化等装配式要求。装配式建筑的核心是“集成”，而BIM技术是“集成”的重要技术手段，能够串联起设计、生产、施工和管理的全过程，服务于装配式建筑的全生命周期。

在BIM设计过程中，通过构建分析整理，创建了标准的BIM预制构件库，既满足了设计的标准化，又满足了工厂规模化、自动化加工，同时满足施工现场的高效组装的要求。完成三维深化设计模型后，快速生成构件的平、立面图，并通过对模型任意剖切生成剖面图，避免了传统CAD二维工作模式所带来的错、漏、碰、缺以及设计精度等问题。

利用BIM技术的三维可视化、一体化协同平台，基于多专业、多环节、相关方信息共享，实现建筑、结构、机电、装修设计一体化。此外，基于BIM模型的预制装配式构件计算机辅助加工（CAM）技术以及构件生产管理系统，实现BIM信息直接导入工厂中央控制系统与加工设备对接，通过设计信息与加工信息协同共享而实现设计-加工一体化。在施工过程中，通过BIM模拟安装，准确显示出构件应在的位置和搭接顺序，确保施工安装能够顺利完成，实现施工安装装配化。