“雙碳”目標(biāo)背景下的木結(jié)構(gòu)建筑
——簡(jiǎn)述常州市武進(jìn)區(qū)淹城初級(jí)中學(xué)體育館設(shè)計(jì)

文／藍(lán) 健 南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 總建筑師 研究員級(jí)高級(jí)建筑師

引言

全球氣候變暖已經(jīng)成為威脅人類生存與發(fā)展的重大環(huán)境問題，溫室氣體增加是造成氣候變暖的主要原因，而溫室氣體中對(duì)氣候變暖影響最直接的是CO2的排放。

針對(duì)全世界共同面對(duì)的問題，2021年3月11日，第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)第四次會(huì)議批準(zhǔn)的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中指出，制定2030年碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，錨定努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，采取更加有力的政策和措施。2021年4月22日國(guó)家主席習(xí)近平在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)上發(fā)表重要講話指出，中國(guó)將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目。此外，中國(guó)已決定接受《〈蒙特利爾協(xié)定書＞基加利修正案》，加強(qiáng)非二氧化碳溫室氣體管控，還將啟動(dòng)全國(guó)碳市場(chǎng)上線交易。2021年11月1日，習(xí)主席向《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第二十六次締約方大會(huì)世界領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)發(fā)表書面致辭，中國(guó)已發(fā)布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，形成了碳達(dá)峰、碳中和“1+N”政策體系，明確了時(shí)間表、路線圖、施工圖。

1 建筑業(yè)碳排放現(xiàn)狀

低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)氣候變化的重要發(fā)展模式，建筑業(yè)是節(jié)能減排、低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。隨著城鎮(zhèn)化率的提升，至2020年，中國(guó)建筑業(yè)能源消耗比重達(dá)到全國(guó)一次能耗總量的三分之一。我國(guó)粗鋼產(chǎn)量已占全球近一半，CO2排放約13億噸，約占我國(guó)總排放量的12%。我國(guó)水泥產(chǎn)量占全球一半以上，水泥工業(yè)年消耗標(biāo)煤約2億多噸，占建材行業(yè)能源消耗總量的75%。我國(guó)建筑業(yè)碳排放所占比重達(dá)到了50%。水泥、鋼材等材料均產(chǎn)自不可再生資源，且其生產(chǎn)能耗大、污染重。

在建筑的全生命周期中，建筑總的碳排放量是建造階段、運(yùn)行階段和拆除階段三個(gè)階段的碳排放之和。在建造階段體現(xiàn)在建材生產(chǎn)能耗和建設(shè)過程能耗；在運(yùn)行階段體現(xiàn)在建筑使用中消耗的能源、資源所形成的碳排放；在拆除階段體現(xiàn)在拆除過程中的能耗。

在建設(shè)過程中優(yōu)先選用低碳環(huán)保的建筑材料和結(jié)構(gòu)體系可以有效減少碳排放量，對(duì)于裝配式建筑而言，建材生產(chǎn)階段的碳排放量與建筑材料消耗量、生產(chǎn)加工工藝、材料性質(zhì)、能源供應(yīng)體系等有關(guān)。建筑運(yùn)行過程中產(chǎn)生的碳排放量在建筑的全生命周期中比重最高，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，需要建立低碳建筑監(jiān)管平臺(tái)，長(zhǎng)期有效地在線監(jiān)測(cè)自身管理建筑的能源使用情況、分析統(tǒng)計(jì)建筑碳排放情況、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用能負(fù)載情況、節(jié)能降碳輔助決策等，形成能耗與資源使用分析等多功能的可視化集成運(yùn)維體系，從而形成長(zhǎng)期有效的降碳減碳效果。建筑拆除過程中，建筑材料的回收利用是高效節(jié)能、節(jié)約資源的有效措施，材料回收避免了新材料在開采、生產(chǎn)過程中CO2的排放，減少建筑材料生產(chǎn)階段的耗能，形成碳排放量計(jì)算的負(fù)增加。由此可見，大量選擇可回收建筑材料也是減少碳排放的有效途徑。

2 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

森林是陸地上最大的碳素儲(chǔ)存庫，大約80%的地上碳素儲(chǔ)存量和40%的地下碳素儲(chǔ)存量存在于森林生態(tài)系統(tǒng)中，森林具有碳匯和碳源雙重作用。樹木通過光合作用吸收大氣中的CO2，再將碳素儲(chǔ)存在體內(nèi)，可以降低大氣中CO2的濃度，減緩溫室效應(yīng)。木材做為樹木的主體，是一種環(huán)保、節(jié)能、可再生以及可循環(huán)利用的生態(tài)材料，木材加工利用是對(duì)樹木碳素儲(chǔ)存作用的延伸，將林木生長(zhǎng)過程中所形成的碳轉(zhuǎn)變?yōu)槟静牡男问接枰詢?chǔ)存。木材中含有的碳超過50%，發(fā)揮樹木的固碳能力，通過林業(yè)碳增匯方式來吸收CO2，從而減少大氣中溫室氣體含量。因此，利用木材固定和儲(chǔ)存碳素，是平衡大氣中CO2含量、節(jié)能減排及提高生態(tài)效益的有效途徑，具有不可替代的內(nèi)在價(jià)值。

本項(xiàng)目地處江蘇，有著采用木結(jié)構(gòu)的得天獨(dú)厚的條件。截至2015年，江蘇省林木覆蓋率22.5%，全省活立木總蓄積9000萬m3。江蘇省培育了全國(guó)最大的楊木速生林資源，全省楊樹資源總面積1391.6萬畝，蓄積6841萬m3，楊樹面積占全省喬木林面積的67.4%，楊樹蓄積量占全省林木總蓄積量的81.2%。楊樹資源構(gòu)成了江蘇省森林資源的主體，同時(shí)其面積與蓄積量均位居全國(guó)第一。基于速生楊木的研究具有一定基礎(chǔ)以及具有木材加工經(jīng)驗(yàn)的楊木人造板企業(yè)轉(zhuǎn)型，形成江蘇省基于速生材的木結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

木結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)為最生態(tài)的低碳建筑結(jié)構(gòu)形式。木材可再生，且木結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的污染比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)少很多。鋼結(jié)構(gòu)的水污染指數(shù)是木結(jié)構(gòu)的120倍，木結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)能8%～16%，每立方米木材將儲(chǔ)存0.9噸當(dāng)量的CO2，同時(shí)在木材生產(chǎn)制造階段還可減少1.1噸碳排放。

木結(jié)構(gòu)是中國(guó)傳統(tǒng)建筑文化的重要載體和記憶，現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)文化傳承的研究與結(jié)構(gòu)材料美學(xué)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)和材料的完美結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)做為新材料、新技術(shù)的示范目標(biāo)。常州市武進(jìn)區(qū)淹城初級(jí)中學(xué)位于淹城遺址公園北側(cè)，因“春秋淹城”而得名。體育館造型中汲取了春秋時(shí)期臺(tái)榭建筑的土臺(tái)、木構(gòu)、屋頂三段式造型元素，十根支撐屋面的巨型拼接木柱與類似斗拱層層出挑的倒錐形木結(jié)構(gòu)檐口組合成體育館的古典樣式。古典形制與現(xiàn)代構(gòu)造相結(jié)合，形成新的木結(jié)構(gòu)審美。

3 木結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

項(xiàng)目地塊位于常州市武進(jìn)區(qū)虹西路以北、西園路以東、淹城初級(jí)中學(xué)內(nèi)西側(cè)用地，緊鄰學(xué)校體育場(chǎng)?？偨ㄖ娣e為3899.10m2，建筑高度約為18.10m，結(jié)構(gòu)體系為單層大跨木結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)組合的建筑體系，是一座典型的裝配式木結(jié)構(gòu)建筑，由我院與工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)。體育館主體部分采用木結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制裝配式建造技術(shù)，裝配式木結(jié)構(gòu)范圍為57×31.2m，檐口懸挑6.1m。木結(jié)構(gòu)南北向?yàn)?跨，柱跨13.9m，東西向?yàn)橐豢纾?0.55m，為國(guó)內(nèi)目前建成的跨度最大的木結(jié)構(gòu)體育館。通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化加工和安裝，木結(jié)構(gòu)裝配部分的預(yù)制裝配率達(dá)到90%以上。

裝配式木結(jié)構(gòu)體系采用木柱與木桁架組成主體結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用十根組合木柱支撐上部屋蓋，屋蓋采用主次木桁架形式，基礎(chǔ)類型為獨(dú)立基礎(chǔ)。組合木柱為異形拼接格構(gòu)柱，由四根400×400mm木柱組合而成的格構(gòu)柱中部設(shè)置100×100mm鋼管做為連接核心。格構(gòu)柱底部采用裝配式螺栓節(jié)點(diǎn)，與基礎(chǔ)形成半剛性連接。在主體結(jié)構(gòu)中四根木柱組合的格構(gòu)柱與若干150×400mm的木梁疊合形成的現(xiàn)代斗拱組合而成木結(jié)構(gòu)豎向承重體系，這種結(jié)構(gòu)組合沿用了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，受力合理，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，為體現(xiàn)傳統(tǒng)建筑藝術(shù)的現(xiàn)代柱梁結(jié)構(gòu)體系。

屋面主體結(jié)構(gòu)由五榀雙拼大跨膠合木桁架與縱向木桁架組合形成，桁架之間通過設(shè)置木檁條提高屋面結(jié)構(gòu)的整體性。樓蓋頂棚采用雙向木龍骨形成的格柵作為承重構(gòu)件，格柵頂板為膠合木板（OSB）、底部為水泥壓力板，中部空腔填充A級(jí)燃燒性能的保溫巖棉。頂部采用木桁架結(jié)構(gòu)找坡，有效地減輕找坡層的自重，木桁架上平鋪膠合木板、防水層和鋁板飾面層作為屋面構(gòu)造。

膠合木構(gòu)件的耐火極限為1小時(shí)，從體現(xiàn)結(jié)構(gòu)美學(xué)與材料美學(xué)的角度出發(fā)，采用木結(jié)構(gòu)自身的耐火極限進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，通過暴露結(jié)構(gòu)原始材料的方式進(jìn)一步表現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料的美學(xué)特征，使木結(jié)構(gòu)的裝修成本相對(duì)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑要低很多，從而使木結(jié)構(gòu)建筑的綜合建造成本與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑基本相當(dāng)。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中采用全專業(yè)、全過程的BIM設(shè)計(jì)，并且利用BIM技術(shù)進(jìn)行綠色仿真模擬計(jì)算。通過BIM技術(shù)進(jìn)行木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件模型的實(shí)時(shí)瀏覽與更新，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件部品生產(chǎn)工廠化、施工安裝裝配化、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息化以及建筑項(xiàng)目生產(chǎn)集成化等裝配式要求。裝配式建筑的核心是“集成”，而BIM技術(shù)是“集成”的重要技術(shù)手段，能夠串聯(lián)起設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和管理的全過程，服務(wù)于裝配式建筑的全生命周期。

在BIM設(shè)計(jì)過程中，通過構(gòu)建分析整理，創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)的BIM預(yù)制構(gòu)件庫，既滿足了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，又滿足了工廠規(guī)?；?、自動(dòng)化加工，同時(shí)滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的高效組裝的要求。完成三維深化設(shè)計(jì)模型后，快速生成構(gòu)件的平、立面圖，并通過對(duì)模型任意剖切生成剖面圖，避免了傳統(tǒng)CAD二維工作模式所帶來的錯(cuò)、漏、碰、缺以及設(shè)計(jì)精度等問題。

利用BIM技術(shù)的三維可視化、一體化協(xié)同平臺(tái)，基于多專業(yè)、多環(huán)節(jié)、相關(guān)方信息共享，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修設(shè)計(jì)一體化。此外，基于BIM模型的預(yù)制裝配式構(gòu)件計(jì)算機(jī)輔助加工（CAM）技術(shù)以及構(gòu)件生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)BIM信息直接導(dǎo)入工廠中央控制系統(tǒng)與加工設(shè)備對(duì)接，通過設(shè)計(jì)信息與加工信息協(xié)同共享而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-加工一體化。在施工過程中，通過BIM模擬安裝，準(zhǔn)確顯示出構(gòu)件應(yīng)在的位置和搭接順序，確保施工安裝能夠順利完成，實(shí)現(xiàn)施工安裝裝配化。