用木材建高楼

全木高层建筑

2017年的—天,在伦敦东部一个非常普通的工地上,一栋建筑正拔地而起。它总高七层,基础结构和楼梯已经安装到位,工人们正在进行涂漆和布线。这个工地看上去十分整洁、安静,还散发着好闻的味道。在这里,既看不到进进出出运送混凝土的大型车,也听不到浇筑混凝土的噪声。最引人注意的是,地上堆放着大量木质材料,而一栋七层建筑一股情况下完全用不到这么多木质材料。

原来,之所以需要这么多木质材料,是因为这座建筑几乎完全由木质材料建成。在传统混凝土建筑中钢筋是重要的支撑材料,但支撑这座木质建筑的墙壁和楼板都是木材,螺栓、钢板和细钢梁等钢材占建材总体的比例很小。

相比钢筋混凝土建筑,木质建筑在建筑环节有许多优点。因为木质建筑的总重只有相同体积混凝土建筑的20%,木质建筑的垂直荷载远小于钢筋混凝土建筑,所以木质建筑的地基深度也比同等规模的钢筋混凝土建筑更浅。又因为木质建筑的构件高度模块化,所以安装和拆解都十分方便:如果要临时在两层之间加装一个楼梯,那么只需要拧下一根支撑梁,然后用电锯在楼板上开一个洞,就能很方便地安裝楼梯。

位于伦敦东部的这栋木质建筑,主要由交错层压胶合板(简称CLT)构成。工地上堆放的每个CLT板3米见方,厚25厘米,板材表面随处可见节眼和毛刺。不过,这些缺陷并不会影响CLT板的强度——恰恰相反,CLT材料比同体积的普通木材有更强的支撑性。CLT材料的这种强韧特性来自其特殊的制造工艺。木筷子很容易折断,这是因为木纤维沿单一方向生长,无法很好地抵抗和纤维走向不同的应力;而CLT板分为三层,每层之间彼此垂直,这种结构很好地弥补了木材只能单向受力的不足。经过胶合和压实等处理,CLT板可以在多个方向上都具有很高的强度。CLT板墙体不但可以为建筑提供垂直方向的支撑,而且能为上方的楼板提供水平方向的支撑,还能起到类似横梁的作用。

CLT材料是按照木材的生长方向交错层压而成,在各个方向都有很高的强度。CLT高层木建筑 

CLT加工过程

1叠放 切割成1厘米厚的云杉或冷杉板被一层一层依次叠放,每一层的纹路都与其上下层的纹路正交(90°)。层与层之间有胶水层。

2压成型 在巨大压力下木板被挤压到一起,维持一段时间后,松散的木板形成牢固的整体。

3打磨抛光 板材边缘会被打磨光滑。如果需要更长的板,成型的CLT板材边缘会被加工成锯齿接口,并通过胶水粘合在一起,从而拼成最长23.7米的板材。

4切割 根据设计师或者施工团队发来的3D数据文件,生产商会将CLT板材切割成符合要求的形状。

应县木塔

位于山西省朔州市应县的佛宫寺释迦塔是全世界现存最古老、最高的木塔,俗称应县木塔。它大约建于辽代,其后曾被多次修葺。虽然历经多次大地震和炮击,但应县木塔的塔身从未倾倒。应县木塔主体结构全为木材,塔通高67.31米,塔顶为铁质塔刹。全塔共计出现54种不同造型的斗拱。

CLT还能建高楼

GLT的发明可以追溯到20世纪90年代。奥地利有富足的林业资源,其47%的国土面积被森林覆盖。面对家具和造纸行业对木材的需求逐年下降。奥地利人不断寻找新的木材市场。虽然木质建筑能够消化大量木材,但能够作为建材的往往都是生长年份长的树木,其数量极其有限。鉴于此,奥地利人研发出了GLT技术这种高效利用木材的方式。

奥地利所出产的CLT板和普通胶合板有所不同。常见的胶合板或中密度纤维板含有10%的黏合剂(一般是脲醛树脂),它会释放甲醛;而CLT的黏合剂为生物基聚氨酯,并且含量不到1%。在GLT的制造过程中,木材在受热和受压下释放自身含有的水分参与黏合过程,因此黏合CLT板只需要少量黏合剂。奥地利的许多CLT工厂将小树枝和树皮等生产废料用于生物质发电,一些工厂不但能在电力方面自给自足,还有余力为周边社区供电。

虽然GLT属奥地利人首创,但在很长一段时间里,奥地利的CLT建筑都只是简单的两层楼房一虽然很漂亮,但土地利用率不高,两层以上的建筑依然采用钢筋混凝土结构。机缘巧合下,伦敦一家建筑事务所看中了CLT的潜力,并于2009年在伦敦建成了一栋CLT结构的九层公寓楼。它的建成让奥地利人感到震惊——他们没想到CLT居然也能建造高楼。此后,CLT结构的高层建筑在全世界各地逐渐出现:加拿大建成一座55米高的CLT建筑,奥地利建成的84米高的“嚯嚯塔”是目前全世界次高的木质建筑。

位于奥地利维也纳的一栋CLT木质建筑的内部。

安装方便 抗震耐火

许多CLT构件可以在工厂预先加工。现场施工时,工人只需要进行简单组装,这能大大降低施工的劳动成本,缩短施工时间,节约施工现场的能源消耗。一栋由200多个套件构成的CLT公寓住宅楼只需要16周就能建成,而建造同等规模的钢筋混凝土建筑至少需要26周。同时,CLT结构建筑使用的建材量更少。一栋占地面积16万平方米的CLT建筑所需的所有CLT板只需92车次就能运输完,而相同规模的钢筋混凝土建筑光是主体框架所需的混凝土就需要多达1000车次才能运输完。

一家奥地利CLT制造公司表示,从2013年开始他们的订单主要来自奥地利和北欧国家,但是从2017年起,来自日本、法国、澳大利亚、拉脱维亚和加拿大的订单数量迅速增加。CLT所具有的一些优势对日本等地震带国家尤其有吸引力,因为人们发现CLT建筑在地震测试中的表现优异。意大利和日本组成的联合科研小组在模拟地震活动的“摇晃台”上搭建了一座七层楼的CLT建筑。测试结果显示,该建筑能够承受相当于1995年日本“阪神大地震”的摇晃。阪神大地震又称神户大地震,是日本战后50年中遭遇的最具破坏性的地震,超過5万栋建筑毁于这次地震。

CLT配合石膏阻燃板燃烧实验(上)实验结束后,房屋结构完整,石膏板防火效果显著(下)

CLT材料继承了传统木质建筑所拥有的优异抗震性。CLT材料既有刚性又富有韧性,因此能通过形变来吸收并耗散地震波的能量。不仅如此,CST构件即便损坏也能在震后很方便地进行更换,不影响建筑在日后的抗震性。

和直觉相悖的是,CLT板材在火灾中也有很好的表现。CIST板材可以承受最高270℃的环境温度,若温度更高则其表面开始碳化。薄薄的碳化层中充满空气,可以将内部和火焰隔绝开,相当于在CLT板材外形成一层阻燃层。燃烧试验显示,当同一个火场中的混凝土开裂、剥落时,钢材因高温而开始弯曲,但CLT板材依然保持良好的结构完整性。

固碳生力军——生长中的小树

我们依赖钢筋和混凝土建造从住宅到体育场馆的一切建筑,但很少有人知道,混凝土产业的碳排放占全球每年人类活动碳排放总量的4%~8%。因此,新型建筑材料成为建筑业关注的话题,这些新建材中包括CLT等新型木质建材。作为木质建材的树木在生长过程中只产生极其有限的二氧化碳。不仅如此,树木长至能使用的1立方米木材,就等于吸收1吨的二氧化碳(等于350升汽油燃烧所产生的碳排放量)。

面对日益加剧的气候变暖,通过大规模植树来固定二氧化碳的呼声日益高涨。不过许多人并不知道,固碳的主力军是成长中的小树。云杉等针叶乔木需要80年才能成年,在这期间它们是碳的净吸收者;而一旦成年,它们落下的针叶和落枝被微生物分解而产生的碳量与它们吸收的碳量就大致相同。

20世纪90年代的奥地利就遇到了这种情况。由于纸张和家具市场萎缩,木材需求急剧下降,奥地利国内大量林场停工。然而,许多成年的针叶乔木不但不再吸收二氧化碳,还产生大量酸性的松针和枯枝。只要发生森林火灾,一旦火线移动到铺满干松针的区域,火势就会更旺,这带来了很大的消防压力。虽然保护森林很重要,但森林也需要有序、可持续的管理。

这样看来,理想的管理模式是将一部分不再吸收碳、树龄较大的树木砍掉。这样不但可以利用木材,还可得到木材销售收入,并能防止林地积累大量干枯松针,从而降低野火风险。如果按照在每砍伐一棵大龄树的同时补种2~3棵小耐的比例对林场进行有序砍伐,那么不但能够维持林场的现有规模,而且能够提高林场吸收二氧化碳的效率。

虽然CLT具有那么多优点,但并不是所有人都认为CLT就是未来建材的发展趋势。一些材料科学家表示:木材目前还不会取代混凝土成为主要建材,而是只可能作为一种替代性建材小批量使用。虽然混凝土会带来种种环境问题。但其所具有的坚固、耐火和廉价等优点决定了它依然是一种优良的建材。

混凝土建筑的寿命一股都超过100年,那么木质建筑的寿命有多久呢?如果木材腐烂或被燃烧,那么其之前封存的碳就会被释放出来。科学家预计,未来木质建筑的木材中50%会被填埋,36%会被回收利用,剩下的14%会作为生物质燃烧或发电。虽然存在年限问题,但一些科学家对木质建筑依然充满信心,他们认为木质建筑屹立50年基本没问题。同时,另一些科学家也在探索其他材料作为未来建筑材料的可能性。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:30。
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