德国的高层木结构建筑——项目，经验及发展前景

1 引言

通常，高层建筑物高于地平面部分的平均高度至少22 米，等同于8 层或8 层以上的建筑。世界上大多数国家的建筑标准规范规定，超过这一高度的建筑仅允许使用不可燃材料与结构。这些规范的存在是基于建筑防火性能要求的考量——考虑到典型的使用相关的火灾荷载，高层建筑物的结构部分应该在没有消防队干预的情况下可经受住火灾的考验，从而避免坍塌和附带损害。这也间接成为德国（和许多其他国家）在第二次世界大战之后编写的建筑规章制度中，将可燃烧结构的使用限制在了低层建筑中（顶层高于地平面平均高度7 米）的原因。然而在过去的20 年中，整个欧洲和德国的政治形势连同建筑标准规范起了很大变化，也使得越来越多的多高层木结构建筑成为可能（图 1）。

图 1 欧洲木结构建筑（不含自动喷淋灭火系统）允许建造的最高楼层层数的发展情况 [1]

木结构建筑在全球城市建筑中受到积极重视，在德国亦是如此。德国已建成多栋最高八层的多高层木结构建筑被建成，另有一批项目正在设计开发过程中。这些建筑物大多超出了德国现行的建筑标准规定的允许范围，主要涉及防火安全方面的问题。

德国是一个由16 个州组成的联邦国家，且各州均保留有一定的行政自主权。建筑标准规范的制定属于各个州的责任范畴，也因此使得各州所制定的标准规范并不统一。其间为了协调，由建筑部长会议下发了一份示范性建筑规范，作为指导性文件。但其在各州制定的建筑规范中的实施情况却有着极其显著的差异。这份于2002 年出台的示范性建筑规范（model building code 简称MBO）[6] 确立了5 个建筑等级，其中涵盖了住宅建筑，办公建筑和特殊用途的建筑（集会，医院，酒店，工业建筑和仓库等），并提出了与这些建筑等级相对应的防火安全要求。在规定性要求的基础上，扩展了有关一般性防火安全要求的内容，以允许加入先进的工艺与性能设计。表1 系统性地总结了德国这一建筑等级体系，以及该示范性建筑规范中针对建筑构件和材料提出的规定性要求。表1 重点关注了德国现存的对使用生物基建筑产品的限制。

从表1 中可以看出，木结构构件因其生物基材料的特性导致在使用中受到了限制，并且在没有建筑监理机构特许的情况下，仅可在5 层及5 层以下的建筑中使用。约2010 年以前，德国在三层以上的木结构建筑领域仅仅积累了少量的实践经验，而且直到现在，此类建筑依旧须要取得建筑规范的豁免。

本文介绍了几种在实际工程建造中所使用的结构性解决方案。例如，为最大程度减少垂直和水平位移所做出的设计，特殊防火安全设计的概念，以及在与设计规划团队的协作，预制构件的生产和现场工作中积累的经验。此外，对不断增长的针对防水防潮问题研究的必要性进行了讨论。例如，随着建筑高度的增加，降水强度亦会急剧增加。在文中讨论的大多数实例中，笔者与他的建筑事务所作为设计单位或以监察工程师的身份参于其中。文中提到的众多案例中的三个多高层木结构建筑，建造在位于Mietraching（米特拉兴，德国慕尼黑东南部45 公里）的“City of Wood”（意译：木之城见图2）之中。负责该项目的B&O 公司正在致力于将这个前美国营房基地，转化为一个生态化的兼具生活和工作等多种功能区域的“零能耗城市”。

表 1 德国建筑等级和防火设计要求

图 2 位于米特拉兴，临近德国慕尼黑的“木之城” [2]

2 项目案例

2.1 结构设计

为分配垂直方向的荷载，框架结构和大体量实木板材被得以使用。工程建设过程中的首要任务是使荷载仅作用于木建筑构件的纤维方向，以消除垂直纤维方向的横纹压缩，从而在尽量小的建筑面积上实现高负载，并尽可能地限制垂直变形。兼顾德国对隔音的高要求，建筑的建设遵从了以下三个主要的原则：

（1） 框架结构与非承重的墙体相结合。

（2）由正交胶合木（CLT）构成的承重结构（墙体和层间楼板）与特殊工艺方案相结合，以过渡横向木材的垂直荷载。

（3）木结构承重墙与木材- 混凝土复合楼板相结合的混合结构或纯混凝土楼板。

这座位于柏林Esmarchstr.（音译：埃斯马赫大街）3 号，被称为“E3”的建筑是德国首批新型高层木结构建筑之一。这座建筑物由Kaden-Klingbeil（音译：卡登-克林拜尔）建筑设计事务所于2008 年设计（图 3）。

图 3 埃斯马赫大街3 号，柏林，建筑左侧的混凝土楼梯间（图片来源: Kaden-Klingbeil 建筑设计事务所）

“E3”的建造采用了框架式结构与大体量的肉眼可见的实木板材- 混凝土复合楼板相结合的方式。针对直接置于支撑构件上的楼板，研发了一种间接的轴承构造。作用于支撑构件上的所有的剪切力被分配到混凝土结构中，并且只有混凝土部分被直接置于支撑构件上。在所有其他情况下，载荷通过水平木构件在钢结构中得以分配（见图4）。

图 4 埃斯马赫大街3 号，柏林，建造工程中（图片来源:Kaden-Klingbeil 建筑设计事务所）

框架结构总是需要附加结构以抵抗横向载荷。在“E3”中，混凝土楼梯间位于建筑物一侧。由钢结构在集中水平荷载需要得到分配的地方构成水平支撑。另外，用于填充该框架结构的墙体被用作支撑构件（图 5）。这个案例表明，针对水平荷载的载荷分布情况必需进行详细的调查研究工作。因为支撑构件（钢交叉支撑，大规模层压木，木框架）的刚度，连接件的数量和类型等，共同影响着每个构件上的荷载情况。在设计时，更要将由灌浆锚杆所导致的垂直升降负荷纳入到调查研究之中。

图 5 埃斯马赫大街3 号，柏林，钢支撑（图片来源: Kaden-Klingbeil 建筑设计事务所）

实际上，德国目前最高的多高层木结构建筑是设计、建造于2011 年，坐落于Mietraching（米特拉兴）的“H8”（图 6 左）。与“E3”相反，它是由正交胶合板（CLT）建造而成的。CLT 作为建筑材料能够承受垂直和水平两方向的荷载。在“H8”中被用于墙体的建造。外墙承重结构如图 7 所示。一个集成在建筑中的预制钢筋混凝土楼梯间被用作逃生路线和电梯井（图 6 右）。这一结构承担了附加水平承重结构的作用。

在“H8”中，可见的正交胶合板（CLT）同样被用于楼板的建造。因此，一个特殊的结构细节被研发出来用于分配垂直方向的荷载。鉴于混凝土楼梯间结构和木结构是直接结合的，务必需要实现垂直位移的最小化。图 8 展示了预先在CLT 地板上的钻出的（半）孔。它们被置于内承重墙上方。在下一面墙体到来前，这些孔将被复合灌浆材料填充。

图 6 位于米特拉兴的“H8”，巴伐利亚州，德国慕尼黑东南部45 公里（左）; 水泥预制电梯井与逃生楼梯间（右）（图片来源：Huber&Sohn 建筑设计事务所，位于Bachmehring）

图 7 完全包覆，高度封闭的大体量实木板材横截面原理图，此项技术被应用于“H8”等建筑

图 8 将被复合灌浆材料填充的预制孔（图片来源:：Huber&Sohn 建筑设计事务所，位于Bachmehring）

该建筑的垂直位移至今依然被监控着。距现在最近的监测结果显示，在建筑交付后两年半的时间里垂直位移仅为12 毫米。这一结果与先前的计算结果相符。此后，没有监测到更进一步的位移情况。

在前文提到的“City of Wood”（木之城）之中，还有一栋五层高的被称为“H5”的混合结构建筑。它也是目前在该园区内最晚建成的（图 9）。这座采用了预应力混凝土空心楼板的新的五层木结构建筑和一栋现有的住宅建筑之间有一个混凝土楼梯间相连。

图 9 采用了预应力混凝土空心楼板的五层混合结构建筑（图片来源: B&O）

这一混凝土地板和木框架承重外墙的组合并不是出于防火安全的考虑（预应力混凝土空心楼板在某些情况下要比正交层胶板（CLT）更加棘手），而更多的是基于隔音要求和经济方面的原因（图10 和图11）。

图 10 正在建造工程中的地板结构

图 11 地板连接部分的3D 细节图（图片来源：Schankula 建筑设计事务所)

该建筑是作为一个住宅产业的样板房而设计建造的。它的结构配置反映了当前典型的在现有住宅建筑基础上提高城市建筑密集度的需求。

在德国，单从价格方面考虑，混凝土楼板与纯木或混和结构楼板系统相比更具竞争力。这是因为混凝土楼板无需利用额外的建筑工艺来隔绝冲击产生的噪声。然而，承重木框架墙面亦不失为一个经济的解决方案。尽管需要额外的螺栓使之与临层相连，利用单板胶合板（laminated veneer lumber 简称LVL）所制成的窗框来减少下沉，并使用双层防火板来达到提高其防火性能的目的。

2.2 结构物理

大多数高层建筑项目是与被动式房屋建筑在同时期建成。这些建筑都非常节能，热能耗约为25 kWh/m²a。利用良好的建筑面积/ 围护结构比与厚度为250至350 mm 的绝热层相结合的方式，有助于满足高节能要求。出色的气密性更是不言而喻。常规鼓风门气密性测试显示n50- 值在0.3/h 和0.8/h 之间。这些值有助于满足对湿度、噪声和能效要求，因此也是非常必要的。在许多情况下，具有热回收功能的通风系统也被使用，在暖通（heating, ventilation and air conditioning 简称HVAC）工程设计中通常会采用假定的数值。在德国，所有这些为保证充分的气密性所必需的细节设计已被使用了很长时间。它们对于高层建筑来说同样适用，且没有必要作出相应的改变。在实际的建筑项目中亦没有在这方面表现出任何问题。但外部防水防潮工作却是至关重要的，因为降雨强度所带来的影响会随着建筑物高度的增加成指数增长。

在以往，由强降雨造成的房屋损害，从瑞典西海岸、美国和加拿大西部的例子中便可见一斑。木结构建筑群落必须意识到这种风险，并应尽一切努力做好防水防潮措施。试图仅利用一层防水防潮层来保证长时间的坚固耐用性是远远不够的。

在将来有可能产生潮湿方面问题的地方，可以采用某种替代材料，如图12 所示，这个位于阳台区域外的左侧立柱是钢制的。

在一个目前正在进行中的欧洲研究项目“Tall TimberFacades” 中（自2014 年3 月起[3]），研究团队将进一步研发具体的细节构造，进行潮湿风险计算并针对安全级别提出相应的建议。

在住宅建筑中，客户通常期待建筑能够拥有良好的隔音性能。在德国，特别是体现较高建筑质量的木结构建筑，更是需要达到由建筑规范标准和附加规范所要求的隔音上限值，对此楼板的结构起着关键作用。这意味着楼板结构必须满足R’w ³ 55 dB(A) 的空气隔音值和L’n,w £ 46 dB(A) 的冲击声级。通常纯木结构是可以满足这些要求的，但是为了对木材较轻的自重进行补偿，需要利用混合结构或至少是地板上的附加重量（例如乳胶砂浆）。实践表明，这种木结构楼板成本较高，但其良好的隔音效果是致使更多利用混凝土楼板的混合式结构建筑被建造的原因（见“H5”）。

图 12 防潮系统：从内部避免对流引起的水气传输，从外部避免雨水的渗透

3 防火安全

3.1 结构防火安全

通常，德国各州的防火安全要求是REI 90，并且根据现行建筑等级，在5 级的建筑中仅允许使用不可燃材料（见表 1）。原则上，这意味着，建筑必须在没有消防干预的情况下经受住火灾的考验。目前在德国所建造的5 级木结构建筑项目均在使用了可燃材料的前提下，通过使用不可燃的、经测试符合欧洲标准 [3-4] 的K260 包覆性材料，从而满足了在起火90 分钟内免于倒塌的要求。图 11 展示了这种包覆厚度为2×18 mm 的石膏纤维板的REI90-K260 木框架墙面结构。这类结构在许多项目中得以使用，也可以与作为承重材料的正交胶合木（CLT）相结合（见图 7）。

然而，尽管这种结构具有高耐火性能，但由于使用了5 级建筑所不允许使用的可燃性材料—木材，建筑师必须为能取得建筑规范的豁免而提出申请。此外，鉴于木材能够提供良好的光学和触觉感受，许多建筑师和业主也希望将部分木材表面和结构在可见的地方保留下来。图 4 和图 8 中所展示的木结构楼板同样也被作为可见的木制天花板予以保留。

在上述所有偏差存在的情况下，为了获得建筑许可，就需要使用大体量的纯实木构件，并采取一些额外的措施以增加防火安全性。

大体量实木结构被用于内层，因为它们即使在火灾的情况下依旧能保证相当的强度。消防队的主要担忧在于探测和控制空洞火灾。当他们意识到大体量实木板材在火灾中的表现十分值得信赖，且火情易得到控制时，便被完全说服了。

此外，所有建筑物中都安装了烟雾和火灾探测报警装置，但没有任何自动喷淋灭火装置。这是因为在德国的住宅建筑中，安装喷淋灭火设施是非常不寻常的。在“H8”中，混凝土楼梯间亦可作为“安全逃生通道”。通过一个外部的拱廊可以进出所有的公寓。而这个楼梯间本身在火灾时就成为了一个无烟区域。

3.2 逃生路线

到目前为止，楼梯间的建造为了符合REI 90-A 的要求，便由（预制）钢筋混凝土完成。但是各种建筑结构的混合会引发一些例如垂直位移差等问题。前文第2.1 节中所描述的解决方案虽然可以将垂直位移减小到一个可接受的范围，但是针对建筑物第8 层中存在的10~15 mm 的位移仍有必要采取相应的建筑措施。为了减少差异而作出的第一个尝试是使用正交胶合木（CLT）作为楼梯间墙体。但是德国的建筑法规要求高层建筑中楼梯间的墙体需要达到“防火墙”的质量。它包括使用不可燃材料，90 分钟耐火性能（REI 90），以及在暴露于火焰90 分钟后仍具有一定的力学强度：其最终等级是REI 90-M，A 型材料。当然，楼梯间不应承担任何额外的火灾负载。

正交胶合木（CLT）作为结构材料具有可燃性。由两侧厚度为2×18 mm 的石膏防火板（K260）包覆的芯厚度为180 mm 的正交胶合木（CLT）制成墙体能够满足所有的防火要求。这种类型的楼梯间结构被用于巴登—符腾堡州KAMPA（音译：坎帕）公司的建筑项目中，与预制混凝土阶梯相结合。巴登—符腾堡州对高层建筑物的承重结构仅提出了REI 90 的要求（允许使用可燃材料）。仅楼梯结构需要取得建筑规范豁免的批准。

图 13 KAMPA innovation center（坎帕创新中心），位于德国Waldhausen（瓦尔德豪森）（图片来源：FlorianNagler 建筑事务所，位于慕尼黑)

图 14 楼梯剖面图 – 坎帕创新中心，位于德国瓦尔德豪森（图片来源：dHb 建筑工程公司，位于伊宁根）

3.3 建筑外立面

一些项目选择了基于矿棉的外保温复合系统（external thermal insulation composite systems 简称ETICs），但是如“H5”“H8”或坎帕创新中心亦计划并建造了通风的木材包层。特殊结构的使用，使得使用可燃材料建造建筑外立面成为可能。大量测试表明，通过将每个楼层的包层后方通风区域进行阻断，并与悬挑结构相结合的方式，足以满足对外墙性能的要求：火势仅在初始火灾发生区域外有限地蔓延，例如在房间内闪爆之后在窗口前面形成的火羽流。图 6 及图 14 展示了两个实例。有关木结构建筑外墙防火安全的更多信息可在参考文献[1] ，或在世界木结构大会（World Conferenceon Timber Engineering 简称WCTE）的会议记录，例如 在参考文献[4] 中找到。特别是对于建筑外立面和3D 细节设计中的细节部分开口处，在第2.2 节中给出的关于防水防潮安全的注释同样适用。

图 15 楼梯阶梯（混凝土- 绿色) 和木质楼梯间墙体（棕色）连接部分的垂直横截面 – 坎帕创新中心，位于德国瓦尔德豪森（图片来源：dHb 建筑工程公司，位于伊宁根）

图 16 楼梯间墙体 – 楼层间的连接 – 坎帕创新中心，位于德国瓦尔德豪森（图片来源：Bauart 建筑工程公司，位于慕尼黑）：1- 胶合板槽，2- 全螺纹螺钉8x350 mm，3- 石膏防火板18 mm，4- 弹性隔音，5- 矿棉10 mm

此外，应该指出的是，在德国，外保温复合系统（ETICs）需要在大量实验的基础上获得技术审批。但预制木结构房屋建筑业对外保温复合系统（ETICs）已经积累了40 多年积极的经验，甚至自20 世纪30 年代以来就在使用镁结合木棉作为石膏基。

4 进一步发展

4.1 防潮安全

由于木材是天然材料，所以设计者和建造者必须极其小心，以避免任何由潮湿和随之而来的霉菌引起的木材腐烂。 因此，为避免因潮湿对建筑物造成的任何破坏，“防潮安全理念”是十分必要的。 如上所述，在实际操作中已存在解决方案，但进一步的调查研究将在一项欧洲范围的研究项目“Tall Timber Facades”中实现。防潮安全概念必须包括以下方面：建筑外部降水，建筑内部可能引发水分和潮湿的因素，如设备安装造成的损坏，喷淋设备的启动和建筑的建造过程等。

4.2 防火安全

防火安全原则上仅仅是一个小问题！ REI 90 结构在木结构建筑中代表了目前技术发展的最高水平。在未来我们将能够证明，通过结构调整，例如使用略微升级过后的正交胶合木（CLT），木结构建筑也可以在没有消防干预的情况下在经历整场火灾后不发生倒塌。 坎帕创新中心的例子表明，REI 90-M 的木结构楼梯间和电梯井也是可行的。鉴于防火安全研究的成本较高，为了推行进一步的发展，加强世界范围内的合作及研究结果的广泛交流将是非常有帮助的。

图 17 通过在地板开口中加入轻质混凝土灌浆来使用防火百叶窗的示例 [5]

目前， 包括德国在内的国家中仍有一处空白，即足够的被批准的（由欧洲或国家技术审批）可使用于大径级实木材料和木框架结构的防火百叶窗和消防站。大多数防火百叶窗和消防站只被批准使用于混凝土，砖砌或（在最好的情况下）石膏板结构，并在许多情况下需要额外的适配性改造。图 17 给出了一个具体的示例。

4.3 建筑标准规范

建筑标准规范的制定应遵循“实际情况”。因此，德国针对中层建筑的新规定正在研发中。提案虽然尚未最终通过，但其中包含针对中层建筑（5 层）中使用REI 60 结构及高层建筑中使用REI 90 结构的建议 ——两者均具备可见的大体量实木结构。新规定还应包括适度的有关包覆工艺的标准，例如楼梯间结构可使用K230 和最高K260 的包覆材料。遗憾的是，新建筑标准规范的提案，讨论和最终实施通常需要经历相当长的时间跨度。这是因为不仅需要与消防机关进行必要的讨论，而且林业部门也期待与其他“有竞争关系”的材料业进行一场激烈的辩论。

4.4 工业化，质量管理与教育

前文所列出的多个项目表明，为了建筑工程最终能呈现出好的结果，选择具备良好组织结构的企业是非常有必要的。这类企业能够提供高标准的自有技术支持，充足的预制构件生产力，以及在建筑工地上的训练有素的工人。这些企业必须根据德国建筑法规进行认证，并运行由认证机构认证的生产控制系统。

如果这类企业能与一个有实力的拥有木结构建设经验的设计团队合作（建筑师、结构和防火工程师、建筑物理工程师、暖通工程师），可以在非常短的建设时间内（1~3 天/ 层），建造真正的高质量的高端住宅和办公写字楼。如图 6 所示的结构构件（地板，墙壁，屋顶），其预制化程度应当（并且在大多数项目中已经如此）在成本得到控制的基础上尽可能地提升。窗户应该被集成到墙体构件之中，屋顶构件上应当预先完成屋顶的铺设和连接件的预装等。所有这些措施都是在建设阶段防水防潮安全设计的一部分。

木结构建筑预制工艺在上文所列举的项目中已有了更高层次的发展。但到目前为止，在德国能够满足要求的企业最多有约50 家。设计团队也存在类似的情况。因此，为了给投资者和房地产企业提供一个充分开放的市场，需要全方面提供高水准的教育并进一步地推进标准化的进程。

基于所有这些要求及建筑业主的期望，德国不同于诸如北美市场的是，在许多情况下木结构建筑比混凝土或钢结构建筑更加昂贵。在德国，木结构建筑的成本在大多数情况下要高10 % 至 15 ％ , 这也是将木结构与混凝土楼板相结合的原因。相较于钢和混凝土结构，对于木结构而言制定更加严谨的平面图以优化荷载的分布更为重要。

如果施工工作不能符合上述标准 ，特别是建筑工程公司，结果有时是恼人的。对于木结构建筑的市场推广起不到任何积极意义，见图 18。

图 18 我们所不期待看到的：包覆，固定和防水防潮工作不到位（图片来源：KKA 建筑事务所, 位于柏林)

5 结论

在建造真正意义上的多高层木结构建筑之前，可以通过那些接近高层建筑的木结构建筑积累经验教训。防火安全和结构设计并不是最主要的限制其发展的因素。但是为了保证防水防潮安全，必须在将来更加有针对性地观察来自建筑外部的或源自内部（喷淋灭火装置）的水。

此外，工业化生产能够保证预制木结构较高的质量。这一点应当作为一个独特的卖点进一步得到发展，同时也需要由全方面高水准教育的配合。许多实际项目中混合结构（混凝土，钢铁，木材）的使用，也使我们意识到不同材料本身的建筑文化需要进一步协调发展。

参考文献

[1] Ostman, B. et.al.: Fire Safety in Timber Buildings. Technical Guideline. SP report No. 2010:19, 斯特哥尔摩,2010.

[2] City of Wood. B&O. www.brandeins.de/uploads/tx_b4/4_23_CoW_Bildstrecke.pdf .

[3] woodwisdom ERA-net research project Tall Timber Facades - Identification of Cost-effective and Resilient Envelopes for Wood Constructions – 欧洲研究项目, 项目负责慕尼黑工业大学与 NTNU， SINTEF, Trondheim, FCBA. Paris 等.

[4] Merk, M.; Winter, S.: Fire safe constructions of multi-storey wooden facades – using biogenic facade materials up to eight storeys. 第十届国际木材大会，2008,日本宫崎.

[5] Lippe, M; Wesche, J.; Rosenwirth, D.: Kommentar zur Muster-Leitungsanlagen-Richtlinie MLAR, 第四版, Feuer Trutz 出版社, 科隆, 2011.

[6] MBO 2002, Musterbauordnung （ 示范性建筑规范），更新于 2012 年, 仅德语版本.

[7] M-HFHHolzR 2004, Muster Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an hochfeuerhemmende Bauteile in Holzbauweise （多高层木结构建筑防火安全要求范本）, 仅德语版本.

[8] EN 14135:2004-11 Coverings – Determination of fire protection ability.

[9] EN 13501-2: 2010-02: Fire classification of construction products and building elements - Part 2: Classification using data from fire resistance tests, excluding ventilation services.

       致谢

非常感谢所有在欧洲和德国致力于高层木结构建筑发展的同仁，特别感谢所有业主和开发商对木材给予的信任，愿意并敢于参与到创新的项目中来！

作者

       德国慕尼黑工业大学土木、地理工程学院   Stefan Winter 姜嫄