現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)：一種新型建筑結(jié)構(gòu)體系

張岱遠(yuǎn) 龔蒙

摘要：隨著建筑行業(yè)越來(lái)越倡導(dǎo)可再生建材的利用，木材這種綠色可再生材料越來(lái)越多的出現(xiàn)在房屋建造中，其中以正交膠合木為代表的工程木材作為主要木構(gòu)件的現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)打破了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的層高限制，對(duì)木材在建筑行業(yè)中的應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用。另外，現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑在縮短建造時(shí)間、增強(qiáng)抗震性能、節(jié)約能源等多方面也有著明顯的優(yōu)勢(shì)。歐美地區(qū)近10年來(lái)對(duì)現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了廣泛的研究和推廣，許多國(guó)家都已經(jīng)建造了10多層以上的高層混合木結(jié)構(gòu)建筑。經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展，現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)出現(xiàn)了幾種比較成熟的混合結(jié)構(gòu)體系，其中以上下混合式結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和木-鋼混合結(jié)構(gòu)三種方式為主。

關(guān)鍵字：混合木結(jié)構(gòu)，建筑，工程木材

1. 引言

位于加拿大大不列顛哥倫比亞省的大溫地區(qū)本拿比市的Escala項(xiàng)目是一個(gè)公寓（圖1）。該項(xiàng)目由一棟52層的高層公寓樓和兩棟多層建筑組成。這兩棟多層建筑采用的是上下混合式結(jié)構(gòu)，即底部?jī)蓪訛榛炷两Y(jié)構(gòu)，上部四層為木結(jié)構(gòu)?；旌夏窘Y(jié)構(gòu)作為一種新型建造形式在北美、歐洲以及日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家已經(jīng)越來(lái)越被廣泛采用，成為了一種重要的新型建造形式。世界各國(guó)科學(xué)家、工程師和建筑師通過(guò)多年的探索已經(jīng)發(fā)展出相對(duì)成熟的混合木結(jié)構(gòu)建筑體系和規(guī)范，對(duì)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著積極的作用。

2. 混合木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展

混合木結(jié)構(gòu)是一種古老的建筑形式，歐洲在中世紀(jì)就開(kāi)始建造木石混合結(jié)構(gòu)的建筑。位于特蘭西瓦尼亞北部的Barsana教堂（圖2）是這類(lèi)建筑的典型代表。這座建筑高56 m，建于1720年，主要結(jié)構(gòu)特征是在巨大的石塊之上采用櫟木梁柱進(jìn)行支撐。與傳統(tǒng)的混合木結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)大量采用了工程木材取代了原木作為主要材料，并通過(guò)和鋼材和混凝土材料的配合使用來(lái)建造傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑難以建造的高層建筑。從2000年左右開(kāi)始，全世界許多國(guó)家都開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的研究。日本是一個(gè)有悠久木結(jié)構(gòu)建筑歷史的國(guó)家，1999年，東京大學(xué)和日本建筑研究所就開(kāi)展了一個(gè)為期5年的混合木結(jié)構(gòu)研究項(xiàng)目。在此項(xiàng)目的研究成果基礎(chǔ)上，日本于2005年建成了國(guó)內(nèi)首棟5層混合木結(jié)構(gòu)建筑（圖3），該建筑首層為混凝土結(jié)構(gòu)，2至5層為內(nèi)置鋼材的混合木結(jié)構(gòu)[1]。2000年，新西蘭坎特伯雷大學(xué)開(kāi)展了關(guān)于高層預(yù)應(yīng)力木混合結(jié)構(gòu)的研究，建成了一個(gè)6層的預(yù)應(yīng)力木-混凝土實(shí)驗(yàn)建筑[2]。美國(guó)2005年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金主持開(kāi)展了一個(gè)叫做NEESWood的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目建成了一個(gè)7層的混合木結(jié)構(gòu)建筑（圖4），其中底層為鋼結(jié)構(gòu)，上部6層為輕木結(jié)構(gòu)[3]。

2009年12月哥本哈根世界氣候大會(huì)的召開(kāi)讓世界各國(guó)意識(shí)到了控制碳排放的重要性，這也增加了世界各國(guó)對(duì)更大規(guī)模木結(jié)構(gòu)建筑的需求，而混合木結(jié)構(gòu)就是提高木材在建筑中使用比例的最重要方式之一。加拿大大不列顛哥倫比亞省于2009年提出了《木材優(yōu)先計(jì)劃》[4]，要求高等院校和研究機(jī)構(gòu)積極進(jìn)行高層木結(jié)構(gòu)的研究。歐盟也于2010年提出了《歐洲木材可持續(xù)發(fā)展動(dòng)員令：優(yōu)秀案例說(shuō)明》[5]。歐洲非常重視新型混合木結(jié)構(gòu)建筑的推廣和應(yīng)用，2008年瑞典的韋克舍建成了一棟8層的上下式混合木結(jié)構(gòu)住宅（圖5）（Limnologen項(xiàng)目）[6]，2011年德國(guó)巴德艾比林建成一棟8層商用住宅用的建筑（圖6）（Holz 8項(xiàng)目），主體結(jié)構(gòu)由混凝土核心筒和正交膠合木（CLT）剪力墻組成。奧地利多恩比恩在2012年建成了一個(gè)叫做LifeCycle Tower One （LCT ONE）的8層混合木結(jié)構(gòu)建筑（圖7），該建筑采用混凝土核心筒、CLT剪力墻和膠合木梁柱的混合結(jié)構(gòu)形式，且底部為混凝土結(jié)構(gòu)[7]。挪威2015年在卑爾根市建成了一棟14層的混合木結(jié)構(gòu)住宅建筑（Treet）（圖8）。主體結(jié)構(gòu)為膠合木梁柱配合CLT剪力墻，每4層鋪設(shè)一層混凝土板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，建筑的底下車(chē)庫(kù)部分為混凝土結(jié)構(gòu)[8]。北美也是混合木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展較快的地區(qū)，美國(guó)2009年在西雅圖建成一棟26 m的7層混合木結(jié)構(gòu)Marselle Condominiums公寓（圖9），其底部?jī)蓪訛榛炷两Y(jié)構(gòu)，上部5層為輕型木結(jié)構(gòu)[6]。

加拿大UBC大學(xué)2017年建成的一棟18層高的學(xué)生公寓（圖10），一度是世界上最高的木結(jié)構(gòu)建筑。該建筑采用的是混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)通高的混凝土核心筒和一層混凝土平臺(tái)，其余17層為CLT樓板和膠合木柱構(gòu)成的木結(jié)構(gòu)體系[7]。2019年3月，挪威的Brumunddal市建成了一座18層的木-鋼混合結(jié)構(gòu)（圖11），是目前世界上最高的混合木結(jié)構(gòu)建筑。相比于UBC的18層學(xué)生宿舍，該建筑的高度提高到了85.4 m。該建筑主體結(jié)構(gòu)采用的是鋼構(gòu)件連接的重型木結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑坐落于一個(gè)混凝土平臺(tái)之上。為防建筑在風(fēng)中搖晃，頂部7層采用混凝土樓板來(lái)增加建筑自重（表1）。

我國(guó)混合木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展相對(duì)歐洲和北美等地區(qū)要緩慢的很多，目前主要以1+n類(lèi)型的上下混合木結(jié)構(gòu)為主，目前已建成項(xiàng)目中最高是‘1+3共四層的組合結(jié)構(gòu)。這主要是由于我國(guó)2003年修訂的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)的限制較為嚴(yán)格，僅用于1-3層民用建筑。加拿大在2008年汶川地震之后援建的成都青白江華嚴(yán)小學(xué)采用的是1+2的混合木結(jié)構(gòu)，其中一層為混凝土結(jié)構(gòu)，上面2層為輕型木結(jié)構(gòu)。河北省建筑科技研發(fā)中心項(xiàng)目建有一棟1+3形式的混合木結(jié)構(gòu)住宅，兩棟1+1結(jié)構(gòu)的混合木結(jié)構(gòu)公共建筑。我國(guó)2014年頒布的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）允許建造7層，24 m以下的混合木結(jié)構(gòu)建筑，但其中輕型木結(jié)構(gòu)建筑層數(shù)仍然限定在3層?？梢灶A(yù)見(jiàn)上下混合木結(jié)構(gòu)將會(huì)是我國(guó)混合木結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。

從以上所提及的近年來(lái)建成的現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑可以發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)體系主要有上下混合木結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒木結(jié)構(gòu)和木-鋼混合結(jié)構(gòu)三種方式。Escala項(xiàng)目中的混合木結(jié)構(gòu)建筑采用的就是典型的上下混合木結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)很好地將混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了一起，底層的混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防火性能，且能形成大空間。上部的木結(jié)構(gòu)在抗震、施工速度、保溫節(jié)能和隔音效果方面具有更好的表現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)還具有得房率高的特點(diǎn)，這使得住戶能享受到更多的實(shí)惠。另外，建筑中木結(jié)構(gòu)的存在使得同等高度下地基的負(fù)荷降低，進(jìn)而降低了建筑的地基成本。加拿大UBC大學(xué)的18層學(xué)生宿舍則是混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的代表作，這種結(jié)構(gòu)中混凝土核心筒主要作用是提供豎向消防通道和提高建筑的抗側(cè)性能[9]。木-鋼混合結(jié)構(gòu)體系的代表是加拿大溫哥華設(shè)計(jì)師Michael Green在2012年提出的‘在樹(shù)木中找到森林概念設(shè)計(jì)FFTT（Finding the Forest Through Tress）。該結(jié)構(gòu)體系使用CLT構(gòu)成豎向承重結(jié)構(gòu)，采用鋼梁并通過(guò)螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接，作為弱連接構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震理念，其混凝土僅用于地下室和地基部分[6]。

3. 混合木結(jié)構(gòu)建筑中的現(xiàn)代工程木材

在現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑中使用的木質(zhì)材料并不是來(lái)自森林的自然長(zhǎng)成的原木或方材。由于天然缺陷的影響和尺寸的限制，天然原木并不適合作為現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)用材。為了充分利用木材，減少木材天然缺陷和各向異性對(duì)木材的負(fù)面影響，采用現(xiàn)代化加工工藝制造的工程木材逐漸成為多層和高層混合木結(jié)構(gòu)建筑中的主要用材，其中包括膠合木（glue laminated timber，Glulam）、單板層積材（laminated veneer lumber，LVL）、刨花層積材（Laminated strand lumber，LSL）、正交膠合木（cross laminated timber，CLT）等。Glulam是一種多層鋸材（含指接材）加壓膠合制成的構(gòu)件，這種構(gòu)件在制作時(shí)可以彎曲定型，可用作木結(jié)構(gòu)的梁、柱等構(gòu)件[10]。LVL是將原木去皮后旋切，制成一定規(guī)格的單板，再將這些單板以相同紋理方向疊加膠合起來(lái)制成的一種工程材料，主要用作梁和柱[11]。LSL是一種將刨切的薄木片按木材紋理方向膠壓而成的板件，廣泛用于梁和柱。CLT是鋸材（含指接材）相互垂直正交組坯后膠合而成的，通常為3-7層的單數(shù)層。CLT板材正交雙向膠合的特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了木材順紋和橫紋受力性能差異大的缺點(diǎn)，形成良好的平面抗壓能力和抗剪強(qiáng)度，主要用于墻體或樓板[12]。由于CLT板材可以在廠內(nèi)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝，所以極大地提高了建造速度。近10年來(lái)，CLT逐漸成為許多混合木結(jié)構(gòu)高層建筑的墻板主要用材，北美地區(qū)和歐洲已經(jīng)頒布了用于多層木結(jié)構(gòu)建筑的CLT產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南[13-14]。

4. 混合木結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)勢(shì)

木材作為一種綠色環(huán)保材料最大的優(yōu)勢(shì)就是其可再生、可持續(xù)使用的特點(diǎn)。定向刨花板（OSB）和LVL等工程木材在木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用，使得楊木等速生樹(shù)種成為木結(jié)構(gòu)材料的主要來(lái)源。這也促進(jìn)了人工速生林種植規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)森林資源的可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。另一方面，木材是建筑行業(yè)大規(guī)模減少碳排放和在建筑中儲(chǔ)存碳的最佳工具。研究表明，每立方米木材在其生命周期內(nèi)可平均儲(chǔ)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級(jí)1.1 t左右。因此，每使用1 m3木材相當(dāng)于減少了2 t的CO2排放[15]。德國(guó)Holz 8項(xiàng)目的混合木結(jié)構(gòu)建筑使用了570 m3的冷杉木，可以儲(chǔ)存超過(guò)500 t的CO2。

除了綠色環(huán)保和固碳能力優(yōu)異以外，混合木結(jié)構(gòu)建筑廣泛采用裝配式建筑技術(shù)，即所有木質(zhì)構(gòu)件都可以在工廠提前加工好，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)直接組裝，從而大大縮短建造周期、節(jié)約人工成本，做到無(wú)粉塵污染。Michael Green對(duì)FFTT混合木結(jié)構(gòu)體系和同等規(guī)模傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)體系的建造周期進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)FFTT體系的建造周期能縮短10周。2012年墨爾本市建造的一棟10層混合木結(jié)構(gòu)建筑Forte一共使用了760塊CLT面板，由于CLT單元在工廠預(yù)制時(shí)已經(jīng)設(shè)好門(mén)窗洞口，現(xiàn)場(chǎng)只需要吊裝到位后拼裝，所以施工時(shí)4名工人就能實(shí)現(xiàn)3天一層的建造進(jìn)度[16]。加拿大UBC大學(xué)的18層學(xué)生宿舍樓建筑面積逾15 000 m2，在不到80天時(shí)間內(nèi)就完成了結(jié)構(gòu)整體及外墻的安裝。

由于木材自身細(xì)胞構(gòu)成內(nèi)存在大量空腔，所以相比混凝土和鋼材，其導(dǎo)熱性能差、保溫性能好，可以有效降低建筑物在使用階段的能源消耗。澳大利亞的Forte項(xiàng)目所建的10層混合木結(jié)構(gòu)住宅與體量的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，在保溫隔熱方面能節(jié)約25%的能源消耗。

建筑的抗震性能與自身質(zhì)量呈一定的比例關(guān)系，因此混合木結(jié)構(gòu)建筑相對(duì)同規(guī)模的混凝土建筑受地震引起的破壞作用相對(duì)較小。另外，由于木材本身及木結(jié)構(gòu)中所使用的聯(lián)接件具有較好的延展性，所以混合木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)地震所產(chǎn)生的沖擊載荷有很強(qiáng)的抵抗性能，其在抗倒塌性能方面也明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)的建筑。同樣，由于自身質(zhì)量較小的關(guān)系，混合木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)地基的要求也會(huì)降低，可有效地降低建筑成本。

在建筑設(shè)計(jì)上，混合木結(jié)構(gòu)建筑能讓建筑師在應(yīng)對(duì)空間不同功能需求時(shí)做出更好的選擇，例如商住兩用建筑設(shè)計(jì)中，底層混凝土結(jié)構(gòu)能滿足商業(yè)空間大跨度的需求，上層木結(jié)構(gòu)住宅因其墻面厚度的減少?gòu)亩芴岣咦舻膶?shí)際使用面積，滿足住宅空間的需求。

5. 混合木結(jié)構(gòu)建筑安全性研究

5.1 混合木結(jié)構(gòu)建筑的抗震抗風(fēng)性能

抗震性能是混合木結(jié)構(gòu)建筑研究中最重要的領(lǐng)域之一，其中重點(diǎn)在于研究混合結(jié)構(gòu)的抗震特性，為混合木結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前主要研究手段為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和有限元分析模擬。前者已經(jīng)在日本、意大利、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家都進(jìn)行了7層以內(nèi)的混合木結(jié)構(gòu)建筑的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[17-19]，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。例如美國(guó)規(guī)范中提出整體結(jié)構(gòu)自振周期不得大于上部較柔結(jié)構(gòu)自振周期的1.1倍和下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的比值不應(yīng)小于10等具體細(xì)則。高層混合木結(jié)構(gòu)建筑的抗風(fēng)性能研究主要通過(guò)有限元建模分析。挪威的研究者對(duì)14層高的Treet大樓進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)大樓頂層樓板在風(fēng)載荷作用下的加速度響應(yīng)略微超出ISO 10137標(biāo)準(zhǔn)“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：建筑物和走道防震功能的適用性”的推薦值，但仍處于可接受的范圍以內(nèi)[20]。針對(duì)瑞典22層CLT混合木結(jié)構(gòu)大樓Hallonbergen進(jìn)行抗風(fēng)性能研究，通過(guò)分析11種不同結(jié)構(gòu)體系的有限元模型在風(fēng)載荷作用下的頂點(diǎn)位移和加速度響應(yīng)，確定了其中有4種可以滿足動(dòng)態(tài)性能的要求[21]。另外，研究表明，由于木結(jié)構(gòu)本身自重較小，在建筑的高層采用混凝土樓板能有效增強(qiáng)建筑的抗側(cè)性能，這種方法已經(jīng)在許多高層混合木結(jié)構(gòu)建筑中得到應(yīng)用。

5.2 混合木結(jié)構(gòu)建筑的防火性能

木材作為一種可再生資源在建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐步成為共識(shí)，然而，使用者對(duì)于木結(jié)構(gòu)建筑防火安全的擔(dān)憂卻成為限制混合木結(jié)構(gòu)建筑的高度和規(guī)模的主要原因之一，這也是由于傳統(tǒng)輕型木結(jié)構(gòu)建筑防火性能較差所帶來(lái)的固有印象。輕型木結(jié)構(gòu)建筑中墻板內(nèi)部的大量結(jié)構(gòu)空腔是其防火性能差的關(guān)鍵因素。墻板內(nèi)龍骨截面尺寸較小、結(jié)構(gòu)空腔較大使得燃燒時(shí)空氣流通迅速，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生后能夠迅速蔓延?，F(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑主要采用CLT等工程木材，屬于木構(gòu)件截面尺寸大于150 mm×150 mm的重木結(jié)構(gòu)建筑。重型木結(jié)構(gòu)體系中木構(gòu)件的抗火性能取決于木材炭化后的阻燃性能。木材燃燒時(shí)其表層在300 ℃的情況下可形成炭化保護(hù)層，直接起到隔離明火與內(nèi)部木材的作用[22]。除去炭化層，木構(gòu)件內(nèi)部未被燃燒的部分仍具有承載力，因此只要在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑物的耐火極限要求和木材炭化速率計(jì)算出木構(gòu)件需要的安全尺寸就能保證木構(gòu)件建筑具備良好的抗火性能[23]。

CLT是目前混合木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用最廣泛的工程木材料，雖然其屬于實(shí)木構(gòu)件，但卻是由膠黏劑膠合而成的多層復(fù)合板材，因此外層板材全部炭化脫落之后，原本內(nèi)側(cè)的板材會(huì)直接接觸火災(zāi)而導(dǎo)致炭化速率再次上升。因此研究CLT板材的抗火性能需要考慮單層板材的抗火性能。研究發(fā)現(xiàn)，在總厚度相同的情況下，層板的數(shù)量越少，單層板厚度越大，其碳化速率也就越低。除此以外，許多研究也證明在CLT板材外部包裹防火石膏板可以有效提高CLT墻體的耐火性[24-26]。2010年加拿大木基產(chǎn)品和建筑體系創(chuàng)新戰(zhàn)略項(xiàng)目的研究表明，普通CLT構(gòu)件和普通混凝土材料有著同等的抗火性能，經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的CLT構(gòu)件能達(dá)到3 h以上的阻燃效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加拿大國(guó)家防火安全法規(guī)中對(duì)結(jié)構(gòu)用材耐火極限的要求[27]。

6. 結(jié)語(yǔ)

本文旨在通過(guò)簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)這種建筑形式的發(fā)展歷程、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，讓廣大普通百姓和從業(yè)人員更好地了解利用現(xiàn)代工程木材建造的這種綠色可持續(xù)發(fā)展的新型建筑模式。隨著工程木材的發(fā)展和成熟和混合木結(jié)構(gòu)建筑地震和防火安全性研究的日益完善，世界各國(guó)對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的高度和規(guī)模的限制在逐步放寬。混合木結(jié)構(gòu)建筑是木結(jié)構(gòu)建筑向更高層發(fā)展的有效方法，其研究重點(diǎn)落在性能更加優(yōu)越的工程木材、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、抗側(cè)性能、樓板振動(dòng)、節(jié)點(diǎn)連接方式、高層混合木結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)性能，以及防火性能等方面。

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