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摩天“木”楼何日划破天际 新技术让木材重回建筑舞台

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英国伦敦市中心规划中的80层木质摩天大楼 图片来源:PLP Architecture

  道格拉斯冷杉(花旗松)堪称自然界的工程奇迹。只有几毫米长的死细胞组成了高达100米的树干。在狂风暴雨面前,它依旧可以岿然而立,并足以支撑自己160吨的庞大身躯。

  而要论强度,冷杉木制成的木梁是钢筋的3.5倍。如果有足够的时间,一棵树可以吸收达自重一半的质量的碳,并化为己用。另外,冷杉木材可以被雕刻成几乎任何形状。

  就在距离加拿大冷杉林不远的地方,一栋特殊的建筑悄然耸立。这是目前世界上最高的木制建筑,坐落于距离温哥华市中心几公里远的英属哥伦比亚大学校园内。

  建一座木高楼

  工人正在为这座18层的高楼完成最后的建造工序。这座楼四四方方,虽然其貌不扬,但这代表了建筑领域的一次飞跃:因易燃、脆弱、容易形变而退出的木材,重回建筑材料舞台。

  《科学》杂志报道称,世界各地的科学家和建筑师,正在努力将木材这一古老的建筑材料重新带入现代化城市中。而木材加工技术的革新与环保意识的增强,激励了这种理念。人们试着推动木制建筑的限高节节攀升以及木材应用范围不断扩大。

  “我们还处于初步尝试阶段,”温哥华建筑师Michael Green说,“就目前看来,我挺享受这种类似120年前‘钢铁革命’时的感觉。”

  而温哥华的这座建筑在“世界最高木结构大楼”的宝座上坐不了多久。因为工程师们正在构思和设计高达80层的“木制摩天大楼”,那时,木质建筑就能与钢筋混凝土大厦并肩站立了。

  实验室研究让人们能窥见木材在21世纪城市中的应用潜力。科学家正在进行耐力测试,检验和更新木门、木墙、木梁、木天花板加工工艺。他们的目标只有一个:让木材更安全,在跌倒的地方重新爬起来。

  2013年,Green的乔治王子城设计中心就是一座29米高的木质建筑,也是当时北美地区最高的现代木质建筑。之所以这个“最高”带有修饰词,是因为Green办公室不远处就有一座111岁的木质建筑,34米高。该建筑使用了大量冷杉木材。

  Green也承认:“我只是在努力达到几百年前的建筑水平,很难有成就感。”

  木质建筑的真正衰败始于19世纪末,那时,人们开始建造摩天大楼。木材的缺点也被暴露无遗。木质细胞有点像海绵,在吸收和释放水分时会出现膨胀和收缩。与钢筋相比,木头脆弱、易折,形变完全无法预计。它会长蘑菇,还会燃烧。

  防火工程师及英国奥雅纳公司木建筑专家David Barber指出,在1851年和1906年的美国旧金山;1871年的芝加哥;1872年的波士顿:火焰在吞噬了无数房屋之后,也燃尽了木材作为现代大型建筑材料的最后一丝希望,并最终沦为郊区低层住宅的材料。

  然而,建造现代木质高建筑所用的多层复合板,与自然木材相去甚远。与树木粗削不同,它由不同层、纤维方向垂直的木料胶合而成。对于高建筑而言,一个重要的创新就是交叉复合木材(CLT)。

  各有利弊

  这种材料诞生于上世纪90年代的欧洲,相对于传统木料,它的强度更大,抗形变,组合使用效果更佳。CLT能在18米的跨度内保持坚挺。温哥华FPInnovations 实验室资深工程师Erol Karacabeyli提到, “CLT有点像触发器”,能让高层木质建筑一触即发。

  尽管CLT已经出现了1/4个世纪,但高大的木制建筑才刚刚开始成型。美国农业部森林产品实验室建筑和火灾研究负责人Sam Zelinka指出,这也和当前环保热点及计算机技术进步密不可分。“木材代表了可持续性和绿色环保。”他说。

  树木可以固碳,吸收二氧化碳,释放氧气。然而,制作钢筋混凝土,则需要碳的燃烧,产生碳氧化物。来自新西兰坎特伯雷大学的一份报告表明,同样一座建筑,木质会比钢筋混凝土减少1/3的碳消耗。

  2014年,《可持续林业杂志》的一项调查发现,全球范围内,如果复合木板能取代钢铁,那么二氧化碳的排放将会减少15%~20%。“这很惊人。”来自耶鲁大学全球林业可持续研究所的报告主笔Chad Oliver如此评价。

  当然,质疑的声音也不少。伯灵顿市佛蒙特大学的William Keeton在2010年研究发现,在过去一个世纪里,在新英格兰,未开发的森林比相同大小、被大面积开发的森林多储存1/3的碳。他还警告说,目前木材和钢铁决不能简单地一对一交换,例如,材料会影响设计,原本用钢铁能非常容易达到的设计,换成木材就可能困难得多。“木材不是万能的。”Keeton说。

  而且,木材的大量使用可能会对森林产生极大影响,Oliver 估计,将钢筋全部换成木材,可能需要消耗40%的每年生长的森林,这计划相当于目前木材砍伐量的3倍。“可能会给地球的森林系统带来毁灭性打击。”他说。

  木质环保革命将会到来

  但用木材盖高楼突然变成了一种竞赛。除了温哥华这幢学生宿舍外,在荷兰阿姆斯特丹,一幢21层的木制住宅楼也在规划中,并将于2017年破土动工。今年4月,英国剑桥大学建筑师兼结构工程师Michael Ramage发布计划,称将在伦敦建造一座80层的木制摩天大楼。他预计这座高楼将在10年内建成,他正在和助手们讨论是否要在建筑中加入钢质连接器。

  当然,在北美许多地方,木头都不能通过当地的消防验收。温哥华的学生宿舍就是一个很好的例子,建造者必须要向政府申请特别豁免权。当然,他们也必须采取一些额外安全措施,比如在木板层中隔入石膏层,一些建筑的内核也换成了其他材料。

  “除非这种设计最终被建筑规范允许,否则纯木建筑不可能推广开来。”来自温哥华一家咨询中心的工程师Eric Karsh说。

  实际上,与其说木制建筑现在正在被广泛接收,倒不如说它们还处于实验阶段。目前,政府、科研机构和企业正在一丝不苟地对木质建筑进行测试,以便未来建筑规范能对其更“友好”。温哥华木制学生宿舍的表面将会布满各种位移传感器和湿度传感器,以便观察在400个学生入住以后,这座建筑是否可以经受住考验。

  与此同时,在美国加州大学圣地亚哥分校,科学家计划在2020年建造一座10层的木制建筑,并研究其防震特性。另外还有一组研究人员正在研究木制建筑的防爆性。还有人计划模拟CLT公寓的内部燃烧情况。

  Barber还提到,对于消防工程师而言,把树枝易燃的概念引申到巨大的木材上是没有任何根据的。巨大的木制结构,不仅承受火焰的能力不低,甚至在它真的燃烧起来时,燃烧速度反而更容易判断。他指出,科学研究已经证明,这将有助于更好地设计逃生方案等。

  这些努力初见成效,在北美一些地方,建筑规范开始慢慢接受木质高楼。同时,一些美国建筑开发商则更进了一步。在耶鲁大学任教的建筑师Alan Organschi计划在纽黑文市中心的4个街区建设6至8层不等的木质中高层楼群。

  “如果我们未来可以高效而稳健地建造8到10层高的木制建筑,就会具有深远的意义。至少,它能鼓励我们去思考如何将城市建造得更环保。”Organschi说。(张章编译)

  《中国科学报》 (2016-10-24 第3版 国际)

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