国外多高层木结构建筑发展概况及趋势

1 前言

木结构发展历史悠久，中国是最早应用木结构的国家之一。中国从唐朝开始已经形成了严谨的《营造法式》。中国的多高层木结构建筑以塔类为主，如华严寺（43.5米）、应县木塔（67.31 米）如图1（a）等。近些年多高层木结构建筑的发展，除了建筑技术的迈进，绿色低碳理念引导着人类对木结构建筑萌生全新的想法，如加拿大于2016 年建成的高达18 层的UBC 宿舍楼[1]，如图1(b) 所示。澳大利亚于2012 年建成的高达10 层的Fotre Tower，如图1(c) 所示等。现代多高层木结构建筑的建成是依靠先进的技术、特殊的结构形式及木材本身的优势。与高层钢筋混凝土结构相比，木材的可持续性和环保节能保证了多高层木结构建筑的发展顺应时代的潮流。同时，多高层木结构建筑有的施工周期较短，这有效地降低了多高层木结构建筑的建造成本。木材的可再生性，以及当今世界木材资源的剩余降低了材料成本, 都为多高层木结构建筑提供了良好的竞争力。本文对已建的多高层木结构建筑进行整理汇总，归纳国内外的多高层木结构建筑发展情况及趋势。

图1 多高层木结构建筑

2 建筑类型

2.1 相应规范

近些年，国外的多高层木结构建筑发展迅速，制订了相应的规范或手册。《欧洲标准5》《 CLT设计手册》（美国）《胶合木结构技术规范》《Mid-rise Wood-Frame construction Handbook》《Wood Handbook》(201004)，以及《Technical Guide for the Design and Construction of Tall Wood Buildings》等，这些规范或手册对多高层木结构建筑作出了相应合理的规定。这些规定既保障了木结构设计计算的基本理论，也有利于多高层木结构建筑建造的安全性。国外多高层木结构建筑的建成说明这些规范能在多高层木结构建筑建造设计中有效使用。有效的规范在建筑设计建造可以提供方向性的指导，是一个经过严格审查的科学的体系。规范在建筑的消防安全，节能保温，以及结构构造等方面上作出的规定满足了建筑建造的要求，降低或削减了不必要的风险。可见，一部完善的多高层木结构建筑规范对其发展有多么至关重要。

2.2 建筑概况

根据90% 以上已建的多高层木结构建筑高度在10层以下，以及《加拿大高层木结构建筑设计和建造技术指南》[2] 中的相关规定，本文将国内外现有的10 层及其以上的木结构建筑定义为高层木结构建筑，将国内外现有的5 层以上10 层以下的木结构建筑定义为多高层木结构建筑。现有的高层木结构建筑还包括塔类的建筑，高度均在30 米以上。奥地利于2013 年建造了一座名为“Pyramidenkogel”的塔，高度达到100 米，在现有的塔类木结构建筑中为最高。图2 汇总了国内外已建的多高层木结构建筑各个高度对应的建筑数量。图3 汇总了处于设想中的多高层木结构建筑的高度[3]。图2 显示国内外已建的多高层木结构建筑高度以5 层～ 10 层为主，说明现在木结构建筑的发展以多高层木结构为主，但相对于低层木结构建筑具有较大突破。图3 显示近些年（2008—2015 年）提出的多高层木结构建筑构想，这些建筑在高度上明显高于多高层木结构建筑，其中最高的建筑达到102 层。将图2 和图3 对比，表明今后多高层木结构建筑将往高层木结构建筑的方向发展，建筑高度将达到30 ～ 50 层为主。

图2 已建的多高层木结构建筑的高度

图3 设想中的多高层木结构建筑的高度

多高层木结构建筑主要分布在欧洲。欧洲先进的技术使现有的多高层木结构建筑大多位于欧洲，包括英国、德国和挪威等国家。截至2016 年，已建多高层木结构建筑：英国10 栋，德国5 栋，瑞士5 栋，挪威5 栋，奥地利4 栋，意大利3 栋，法国3 栋，波兰、西班牙和芬兰也已建有多高层木结构建筑。表1 选取了建成时间在2010—2015 年之间的位于欧洲的多高层木结构建筑。这些建筑数量占据了已建的多高层木结构建筑数量的80% 以上，表明了现代多高层木结构建筑的兴起。美洲的多高层木结构建筑主要位于加拿大和美国。加拿大的多高层木结构建筑发展迅速，如于2016 年建成高达18层的UBC 学生宿舍楼。亚洲主要地区为澳大利亚。澳大利亚的多高层木结构建筑已建成2 栋，分别为FotreTower 和Verde Living。

表1 欧洲国家已建的多高层木结构建筑

3. 结构体系

随着对木结构的深入研究及科学技术的提高，现代多高层木结构建筑结构体系呈现多方面发展。目前，已建的多高层木结构建筑结构体系主要有：梁柱—支撑结构，CLT 剪力墙结构，核心筒结构三类[4]。对于多高层木结构建筑，其结构体系应具有必要的承载能力和刚度，本节主要对梁柱—支撑结构，剪力墙结构和核心筒—木结构，这三类结构体系进行介绍。

3.1 梁柱—支撑结构

在梁柱—支撑结构体系中，以梁和柱为主要的受力构件来承受垂直和水平方向上的荷载。这种结构的传力明确，有利于抵抗水平和竖向荷载，有较强的抗震能力。其中典型的建筑为2013 年建于意大利的Panorama Giustinelli，如图4 所示。该建筑采用胶合木的梁柱—支撑结构体系。承受垂直荷载的结构体系由用于支撑的胶合木和胶合木梁柱组成，这样的胶合木梁柱体系有利于抵抗地震荷载作用。这种解决方案能够给予更多空间用于减少噪音和隔热。梁柱—支撑结构体系还包括2015年建成于波兰的Framework，如图5 所示。

图4 Panorama Giustinelli

图5 Framework

图6 Bridport Housing

3.2 CLT 剪力墙结构

CLT 剪力墙结构是以CLT 墙板代替结构中的梁、柱和填充墙，作为主要的受力构件承担竖直和水平方向的荷载。由于CLT 制成的墙体需要起到围护和分隔的作用，所以此类结构体系的墙体必须在平面布置和结构布置上同时满足要求。这种结构有较强的承载能力和抗侧力能力，可以用于建造较高的木结构建筑。典型的有2011 年建于英国的Bridport Housing（图6）。这些内墙经常被支撑在交叉点处，而不是之间，这就允许墙板作为单跨或双跨的深梁来使用。

3.3 核心筒结构

在现有的多高层木结构体系中，核心筒结构由于拥有较大的内部使用空间、承载能力和抗倾覆能力而被广泛使用。根据核心的使用材料可分为混凝土核心筒结构和CLT 核心筒结构。梁柱—核心筒结构在传力时，竖直方向上的荷载主要由木柱承担，水平方向的荷载由铰接的连接传递给楼板承担，再由楼板向下传递给基础。

在混凝土核心筒结构体系中，典型的建筑如LCTONE、Banyan Warf 等。LCT ONE 如图7 所示。该建筑核心筒由混凝土结构建成，围绕核心筒依次建造外围1 ～ 8 层木质框架。建筑的基础和核心筒现场施工建造，其他构件由预制而成，现场装配模式有效地加快了施工进度。

CLT 核心筒结构典型的建筑，如Murray Grove Tower, Woodcube 和WIDC[5] 等。Murray Grove（图8），建筑除了底座采用的是钢筋混凝土之外，其他构件包括核心筒均由CLT 制成。建筑所有的墙都是承重的，墙和地板形成一个蜂窝形状自立式的承重框架，没有轻质隔墙[6]。

图7 混凝土核心筒结构

图8 CLT 核心筒结构

4 防护技术

4.1 防火技术

对于木结构建筑，通常被考虑到影响其安全的因素是火灾。因而，在木结构建筑中，如何提高木结构的耐火极限，减缓火灾的蔓延速度及保障生命财产安全显得极为重要。

（1）材料耐火处理

已建的多高层木结构建筑使用胶合木和CLT 作为主要建材。胶合木是通过二层或二层以上的木板叠层胶合制作。CLT 是采用小截面规格以正交叠放方式胶合成实木材[7]。现代生产制造工艺的提高，制作的胶合木和CLT 的各方面性能均优于普通木材。当二者遭受火灾时，外部碳化层增强木材的隔热性能，胶合木和CLT 耐火极限可达到1 小时。因而，现代多高层木结构建筑采取增加木板厚度以延长建筑抵抗火灾的时间，如Scotia Place、8-storey timber building 等。

（2）建筑布局和消防系统

建筑布局主要通过对整个建筑的立、平面布置，以此增加木建筑耐火时间，如MFH Holzenhausen，通过对建筑的立面进行水平划分，从而制造出分割的空间，以防止火灾蔓延。设置安全通道和消防楼梯等撤离通道，如Scotia Place[8]，建筑内部建造水平的安全通道，经过安全通道通向外部的楼梯。同时，在多高层木结构建筑内设置自动喷淋保护系统、火灾自动报警系统、烟雾报警器和消防软管卷盘等，如Life Cycle Tower、UBC 宿舍楼等。

（3）构造防火

图9 防火构造

图10 内墙防火构造

多高层木结构建筑通常使用特殊的构造来达到消防的目的。例如the Earth Sciences Building（图9），上下两层内柱互相拼接，以及连接端切成马鞍形让横梁通过，形成简单有效的木材与木材的连接。在双层高度和梁制作的外柱使用预制铝燕尾连接系统，构成可靠的耐火体系。8-STOREY TIMBER BUILDING 用一个混凝土楼梯井达到防火要求等。构造防火最基础的方法是封装。封装材料主要有石膏和混凝土。建筑Limnologen是典型之一，它的防火措施是用石膏板覆盖在外墙、分隔墙和内墙上，如图10 所示。Via Cennia di Cambiamento和IIIwerke Zentrum Montafon 也有此类构造。

4.2 围护结构

图11 玻璃幕墙

图12 外部围护构造

围护结构一般是在主体结构建造完后再建造，主要目的是对结构进行优化，会基于建筑功能要求而采取不同的措施，也会根据建筑要求的环保节能需求设计不同的构造。设计良好的围护结构不仅可以提供舒适的生活条件，更有利于保证木材的耐久性，增加木结构建筑的使用年限。在现代的多高层木结构建筑中，玻璃幕墙或者利用CLT 的优点而设计的大窗构造这二者较为常用。如Tamedia Office Building 根据气候和通风条件外部采用木支撑和玻璃幕墙，如图11 所示。THEMATAE 外部采用金属板和混凝土及大窗户的应用，保证了楼体通光（图12），以及Bullitt Center 采用了三层玻璃幕墙系统。

5 总结

现今的多高层木结构建筑发展趋势是结构体系大多采用核心筒结构，其中 CLT 作为墙板，胶合木作为梁柱，混凝土作为基础。特别是欧洲国家将先进技术应用于多高层木结构建筑的建造，使得多高层木结构建筑在节能减排、防火保温及保证结构稳定性等方面上得到有效提高。往后其建造高度可能将达到30 层以上, 各个地区将建造不同特色的多高层木结构建筑。

木结构建筑从最初的低层木结构发展到现在的多高层木结构建筑，往后的多高层木结构建筑将必然会出现更多的可能性和创造性。今后，各国会进一步深化中高层木结构建筑的研究，低碳环保将更切身地融入日常生活。与此同时，现今的多高层木结构建筑建造仍存在一定缺陷：①在多高层木结构建筑的结构节点连接、保证多高层木结构建筑的整体性等方面还需进一步研究。②木结构建筑建造受高度限制，如何提高木结构建筑的高度以保证楼层剪力传递，仍值得探讨。③在木混结构中，有效地混合木材和其他建筑材料并增强结构刚度，也需深化。④多高层木结构建筑在将来的建筑中要占据主流，必须完善相关法律法规。一个完善的建筑体系能不断推进多高层木结构建筑建造的步伐。

参考文献

[1] Acton Ostry Architects. Student Residence at Brock Commons.2015.

[2] Karacabeyli et al., Erol Karacabeyli, Conroy Lum. Technical Guide for the Design and Construction of Tall Wood Buildings in Canada.

[3] Mgb ARCHITECTURE+DESIGN. The Case For Tall Wood Buildings.

[4] Technical Standard of High-rise Timber Structure.

[5] PRINCE GEORGE, BC. Wood Innovation and Design Centre.

[6] Waugh Thistleton, Detail: Sustainable use of wood and wood product. 2009.

[7] Karacabeyli et al., Erol Karacabeyli, P.Eng., FPInnovations, Brad Douglas, P.E.,AWC. CLT Handbook. 2013.

[8] Mark Moore, Scotia Place – 12 Story Apartment Building. ISSUE 1 VOLUME 10, WCTE2000.

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