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木建筑之美
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城市里的心动
前段时间，一条新闻吸引了小编的注意，CTBUH认证挪威布鲁蒙达尔一建筑Mjøstårnet为世界上最高的木构建筑，其高度为84.5米，是挪威第三高的楼。
听到这个消息的时候，小伙伴的反应是“什么？！这么高？”下面就来和小编来一起了解一下到底是什么神奇的木材吧。
这栋高楼所使用的木材为叫交合木和交叉层压木材CLT（cross laminated timber）。由于最近木材领域的研究有了巨大的进步，尤其是胶合木领域，木材开始作为一种结构构件材料出现在大家的视线中。
最难能可贵的是，木材也是世界上唯一真正可再生的建筑材料，因为它在整个生命周期中的碳排放量为负数。
一般来说，CLT板的长度可以到18米（甚至是30米），宽度可以到3米（甚至是4.8米）并且厚度基本在300-400mm之间。
先让我们看看几个CLT材料建成的建筑吧。
不列颠哥伦比亚大学的Brock Commons学生宿舍楼
英国自由民学校
“全木构”
游泳馆
通过上图我们其实可以看出，CLT木结构是可以迎合各种建筑形态的需求。
这种神奇的木材制造起来也是颇费一番功夫的。
1. 先把原材料干燥并按照强度和刚度分类
2. 去掉部分强度等级不符合要求的木材并把剩余的 板材按照节点分割成条板
3. 分割好的条板用粘合剂高压粘接成一个层板
4. 把各个层板按照规定的方向粘接成一块CLT板
5. 按照结构构件需要的长度来进行切割
一个典型的五层板的CLT构件成品如图所示。
经过几大工序制作出来的建材都有什么特性呢？
1. 强度
因为CLT是将板材正交叠加放置的，同时利用了顺纹抗拉性能和横纹的抗压性能，克服了木材各向异性的缺陷，拥有良好的双向受力能力。高压胶合的过程极大的减小了木材本身的收缩或者膨胀程度，从而使CLT板拥有极大的刚性，因此CLT构件既能作为水平构件，也能作为竖向构件使用。
2. 耐火
有人可能觉得木材的耐火性差且容易受到虫害，其实这是一个误区。CLT的耐火性能已经在欧洲得到了广泛的认证，在高温下，与氧气接触的木材外表面会形成碳化层，从而隔绝了火焰对内部木材的进一步碳化，使构件依然保持了大部分的承载能力。而且CLT板在具体施工时会配合石膏板等隔热防火措施，这些措施使其抗高温能力超过了一般的钢材（钢在450℃~650℃时会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢结构构件因变形太大而不能继续使用）。
图：在燃烧试验中表面被碳化的CLT结构构件
至于虫害方面，上文中提到CLT木材在使用时会经过过蒸气干燥处理，使其平均含水率在15%左右，而当木材的含水率在19%以下时，虫子就无法生存。而且现代的木结构建筑会在地基处设置防腐材料，进一步防止白蚁的侵蚀
3. 抗震
在地震频发的地区，主要考虑的就是结构体系的抗震能力。木结构建筑是由CLT板材和建筑中的连接件保证其有较强的抗震能力。它对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力，其结构框架能将荷载均匀分布传递。因为木材料自重轻，又有很强的结构冗余和吸收能量的作用，所以在地震多发的国家和地区都广泛的使用木结构建筑，比如北美的西海岸，日本，新西兰。
日本神户之前还在一个防震实验室里用CLT材料建造了一个7层建筑来进行一系列高强度的地震模拟测试，结果表明该CLT建筑没有出现持续明显的结构破坏。
图：七层木结构建筑的地震模拟测试
而且木建筑因为其重量大约只有混凝土建筑的1/7，为了防止其收到风荷载产生较大的晃动，一般较高的建筑都会在上部几层采用预制混凝土楼板或使用混凝土核心筒结构来增加建筑自重。
4. 绿色
钢材和混凝土材料是我们公认的碳密集材料，而在整个木结构建筑生命周期中，总的碳排放可能是负数。
举个例子：200m³的木材的二氧化碳净储存量为500吨左右，相当于93辆4.0L排量的轿车跑一年的二氧化碳排放量（我们假设一年的里程约为1万公里）。
有人可能会担心使用木材会导致森林环境被破坏，实则不然。森林中的树木生存时间长了之后，不仅容易受到虫害，材质下降，而且极易引起森林火灾。有数据表明，树木生长到之后，每天进行光合作用产生的氧气与其每天呼吸作用产生的CO2几乎等量。
介绍完了CLT材料，那么我们怎么定义木结构呢？
根据CTBUH修订的高层规范，木材结构的建筑其主要的竖向和水平结构构件和楼板平面系统都必须是木材，一个全木结构可以在木构件中局部使用非木材的连接构件。一个有混凝土厚铺的木楼板或者由木梁架起混凝土板的楼板系统的建筑物也认为是木结构建筑，因为混凝土构件并不是主要的结构元件。
目前的CLT板材普及度还不高，主要是因为其生产成本很高，而且对木材的需求量很大。但是考虑到施工时间，人力资源，节能环保等方面，CLT仍是一种替代钢和混凝土材料的好选择。
举个例子，在伦敦市区的文洛克路，一栋10层楼高的木结构公寓在建造的过程中，放眼望去，工地上只有不到10个工人。
下面就通过UCB大学的Brock Commons大楼来具体介绍一下这个结构体系和建造工艺。
如下图所示，这个18层的大楼采用了重型混合木结构体系。高度为53米，总面积达到15120㎡。首层是现浇的混凝土结构，中间是两个现浇混凝土核心筒，其余全部为胶合木板柱。建筑的外立面由阈值化的墙板系统组成，包括蓝色玻璃，饰面板以及金属装饰条。屋面组建为传统组合屋面系统置于金属面板之上并用钢梁支撑。
该项目还利用了BIM建筑信息模型来实现各个单位间的沟通和合作。
该楼考虑到重力荷载以及剪切荷载的传递，采用了多种连接类型：
1. 胶合柱和钢结构屋面：采用了类似柱与柱之间的连接，把支撑屋面梁的钢组件锚固到了胶合柱的顶部。
2. 胶合柱与CLT面板：采用圆形空心型钢紧固到钢板上，并将钢板用螺杆连接在每根柱子的顶部和底部，螺杆最后用环氧树脂粘合在柱子中。CLT面板支撑在下方柱子的顶部，并用四根螺杆栓接到钢板。
胶合柱和混凝土板：其连接方式类似于胶合柱之间的连接。如图所示。
4. CLT板和混凝土核心筒：CLT板通过角钢焊接到铸入核心筒壁的嵌入板，这种连接可以承受节点处的纵向以及横向剪力传递。
小编相信木结构是有很大的发展空间的或者说是未来建筑的发展趋势之一，木结构建筑的材料生产工艺决定了其建筑的必然是装配式。装配式木结构除了拥有装配式建筑固有的优点以外，还有一个最大的优点，就是超低能耗，而且装配式建筑的材料不可以被局限在混凝土、钢、木等单一建材，而是可以混合使用，找出最适合建筑本身的组合方式，实现资源的最大化利用。
参考资料
[1] R. Brandner1 • G. Flatscher1 • A. Ringhofer1 • G. Schickhofer1 • A. Thiel2Cross laminated timber (CLT):overview and development
[2]Production and Technology of Cross Laminated Timber (CLT):A state-of-the-art Report
[3]BROCK COMMONS高层木结构建筑
[4] CTUBH 报告http://www.ctbuh.org/news/mjostarnet-tallest-timber-building/
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