美国中高层木结构建筑

1 美国的建筑规范和标准

在美国，州或者地方政府具有颁布实施建筑技术法规的权力。建筑规范在被州或地方政府采用之前是不具备法律效力的。换句话说，建筑规范是法律管辖区在制定法律法规时所依据的“模式”， 也称模式规范。模式规范由一些全国组织负责制订。 其中三个历史最悠久的全国组织是国际建筑官员与规范管理者联合会(BOCA，成立于1915 年)，国际建筑官员联合会 (ICBO，成立于1922 年) 和南方建筑规范国际联合会 (SBCCI，成立于1940 年) 。他们所制定的模式规范分别广泛应用于美国的东部、西部和南部。1994 年，这三个组织决定联合起来组建一个非营利组织，即国际规范委员会(ICC)。国际规范委员会颁布了15 个模式规范 (I-Codes)，其中包括国际建筑规范 (IBC)，国际住宅规范 (IRC)，国际防火规范 (IFC) 等。作为整个I － Codes 系列规范的基础，IBC 涵盖了中高层木结构建筑。IBC 已被美国50 个州和一些其他国家所使用或采纳。ICC 通过其受到高度推崇的规范制定流程以三年为周期对IBC 进行修订。北美各地数以百计的专家参与修订的工作。最新版IBC 颁布于2018 年。

IBC 要求将现有或新建的所有建筑物和结构按照用途和结构类型进行分类。一些常见的建筑用途包括餐厅(A-2) 、图书馆 (A-3) 、办公室 (B) 、旅馆 (R-1) 、公寓(R-2) 、宿舍 (R-2) 、百货商场 (M) 、仓库 (S-1) 、停车场 (S-2) ，等等。

按照不同的防火要求和可燃材料的使用，建筑结构类型可分为五类 (I 到V)。尽管在某些特殊情况下允许使用木材，第一类 (Type I) 和第二类 (Type II) 建筑结构类型通常限于不可燃材料。

第三类 (Type III) 建筑结构类型允许所有内部构件使用包括木材在内的规范许可的任何材料。耐火等级不高于两小时的外墙允许使用经过防火处理的木框架。

第四类 (Type IV) 建筑结构类型，也被称为重型木(HT) 结构，要求在没有密闭空间的前提下内部构件使用实木、层压木、重型木材或者结构复合木材 (SCL)。规范规定了许可材料的最小尺寸，这些材料包括实木、胶合木、结构复合木材和正交胶合木 (cross-laminatedtimber, 简称 CLT)。如果CLT 的外表面受到经过防火处理的木护墙板，石膏板或者不可燃材料的保护，它也可用于厚度不小于6 英寸，耐火等级不高于两小时的外墙。

第五类 (Type V) 建筑结构类型允许所有框架构件使用包括木材在内的规范许可的任何材料。

美国木业协会 (AWC) 制定的美国木结构设计规范(NDS) 和防风与抗震特殊设计规范 (SDPWS) 被美国国家标准协会 (ANSI) 审核批准成为国家标准。它们也被IBC 参考用作木结构设计的条文。NDS 定义了不同类型的木材产品，例如目测和机械分级木材、结构胶合木、预制工字木梁及SCL 结构用板等的结构设计方法。它也适用于使用不同类型紧固件的机械连接的工程设计，并且建立了适用于所有木结构构件和连接的防火设计准则。自2015 年以来，NDS 增加了有关CLT 设计的一个新章节——第十章。这一章包含了CLT的参考设计值、调整系数、以及针对CLT 的特殊设计考虑因素等内容。SDPWS 包含了防风和抗震设计中，木材构件、紧固件和组件所使用的材料、设计和施工方法等内容。最新版的NDS 和SDPWS 分别于2015 年和2018 年颁布。

2 中高层木结构建筑

根据2018 IBC 第202 节的规定，高层建筑是指有人员载荷的楼层高于消防车所能达到最低楼层75 英尺(23 米) 以上的建筑。IBC 或其他标准中对于中层建筑没有明确的定义。由于三层 (35 英尺，11 米) 以下的建筑通常被认为是低层建筑，中层建筑就是指层数在四层到十层之间，或者高度在35 英尺 (11 米) 到85 英尺 (26米) 之间的建筑（表1）。

表1 建筑的层数和高度限值

中高层木结构一般属于第三类、第四类、第五类结构类型。IBC 对不同用途和结构类型的建筑规定了高度和层数上限。建筑规模的增加使得防火变得更加重要。表1 列出了对于配备有NFPA 13 自动喷水灭火系统建筑物的高度和层数上限的部分要求。NFPA 13 是由美国国家防火协会 (NFPA) 制定的自动喷水灭火系统安装标准。根据建筑构件的整体防火保护分为A 和B 两个子类别。IBC 表601 规定了对于不同建筑构件耐火等级的要求。

3 正交胶合木

作为一种新型的工程木材产品， CLT 主要应用于中高层木结构建筑中。CLT 性能评价标准ANSI/APAPRG 320 于2001 年问世。它是由ANSI 认证的国家标准开发机构——美国工程木材协会（APA），依照共识标准开发过程所制定的国家标准。该标准在美国和加拿大均被认可。它列出了CLT 产品的材料要求、性能标准、产品认证、质量保证等内容，并从2015 年开始被IBC和NDS 引用。最新版颁布于2018 年。ANSI/APA PRG320 定义了七种标准的CLT 构造，即E1 到E4，以及V1 到V3，并针对这七种构造提供了容许应力设计法中的参考设计值 ( 适用于美国)， 以及极限状态设计法中的刚度和强度 ( 适用于加拿大)。根据标准中的规定和要求，经过认可的机构也可以对其他CLT构造进行认证。

4 中高层木结构建筑举例

4.1 T3

T3 是坐落于明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座七层 220,000 平方英尺 (20,450 平方米) 的商用建筑。它于2016 年9 月建成，是当时美国最大的现代重型木结构建筑。T3 使用了胶合木梁柱和NLT (nail-laminated timber) 楼板。9.5 周就完成了180,000 平方英尺 (16,700平方米) 木结构的建造。据估算，T3 的重量比同等设计的钢结构或后张法混凝土结构分别减少了30% 和60%（图1）。

图1 T3 Minneapolis, Minneapolis, Minnesota ( 图片来源:www.woodworks.org)

4.2 Albina Yard

Albina Yard 是坐落于俄勒冈州波特兰市的一座四层16,000 平方英尺 (1,500 平方米) 的办公楼，也是美国第一座使用国产CLT 作为主要结构材料的建筑。它使用了胶合木梁柱以及CLT 楼板/ 屋顶（图2）。

图2 Albina Yard, Portland, Oregon ( 图片来源: www.woodworks.org)

4.3 Carbon12

Carbon12 是坐落于俄勒冈州波特兰市的一座高85英尺 (26 米) 的八层建筑。一楼商用，楼上是住宅单位。它于2017 年建成，是美国目前最高的重型木结构和CLT 建筑（图3）。

图3 Carbon12, Portland, Oregon ( 图片来源: www.nextportland.com)

4.4 Cityville Cityplace

Cityville Cityplace 是位于德克萨斯州达拉斯市中心的一个626,500 平方英尺 (58,200 平方米) 的混合用途城市填充项目。它包含了五层的木框架结构。这个项目于2013 年建成，共能容纳356 个住宅单位和两个商业单位( 图4)。

图4 Cityville Cityplace, Dallas, Texas ( 图片来源: www.woodworks.org)

5 结论

随着新型工程木材产品被建筑规范和标准所采用，中高层木结构在美国日益流行。全国各地已经建成或者正在筹划越来越多的中高层木结构建筑。为了支持修订2021 IBC，使建造更高木结构成为可能，很多工作都在紧锣密鼓地进行中。

参考文献

[1]2018 International Building Code, InternationalCode Council (ICC), 2017.

[2]National Design Specification (NDS) for Wood Construction, American Wood Council, Leesburg, VA, 2018.

[3]ANSI/APA PRG 320-2018, Standard for Performance-Rated Cross-Laminated Timber, APA-The Engineered Wood Association, Tacoma, WA, 2018.

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