段景頤

全木高層建筑

2017年的—天，在倫敦東部一個非常普通的工地上，一棟建筑正拔地而起。它總高七層，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和樓梯已經(jīng)安裝到位，工人們正在進行涂漆和布線。這個工地看上去十分整潔、安靜，還散發(fā)著好聞的味道。在這里，既看不到進進出出運送混凝土的大型車，也聽不到澆筑混凝土的噪聲。最引人注意的是，地上堆放著大量木質(zhì)材料，而一棟七層建筑一股情況下完全用不到這么多木質(zhì)材料。

原來，之所以需要這么多木質(zhì)材料，是因為這座建筑幾乎完全由木質(zhì)材料建成。在傳統(tǒng)混凝土建筑中鋼筋是重要的支撐材料，但支撐這座木質(zhì)建筑的墻壁和樓板都是木材，螺栓、鋼板和細鋼梁等鋼材占建材總體的比例很小。

相比鋼筋混凝土建筑，木質(zhì)建筑在建筑環(huán)節(jié)有許多優(yōu)點。因為木質(zhì)建筑的總重只有相同體積混凝土建筑的20%，木質(zhì)建筑的垂直荷載遠小于鋼筋混凝土建筑，所以木質(zhì)建筑的地基深度也比同等規(guī)模的鋼筋混凝土建筑更淺。又因為木質(zhì)建筑的構(gòu)件高度模塊化，所以安裝和拆解都十分方便：如果要臨時在兩層之間加裝一個樓梯，那么只需要擰下一根支撐梁，然后用電鋸在樓板上開一個洞，就能很方便地安裝樓梯。

位于倫敦東部的這棟木質(zhì)建筑，主要由交錯層壓膠合板（簡稱CLT）構(gòu)成。工地上堆放的每個CLT板3米見方，厚25厘米，板材表面隨處可見節(jié)眼和毛刺。不過，這些缺陷并不會影響CLT板的強度——恰恰相反，CLT材料比同體積的普通木材有更強的支撐性。CLT材料的這種強韌特性來自其特殊的制造工藝。木筷子很容易折斷，這是因為木纖維沿單一方向生長，無法很好地抵抗和纖維走向不同的應(yīng)力;而CLT板分為三層，每層之間彼此垂直，這種結(jié)構(gòu)很好地彌補了木材只能單向受力的不足。經(jīng)過膠合和壓實等處理，CLT板可以在多個方向上都具有很高的強度。CLT板墻體不但可以為建筑提供垂直方向的支撐，而且能為上方的樓板提供水平方向的支撐，還能起到類似橫梁的作用。

CLT材料是按照木材的生長方向交錯層壓而成，在各個方向都有很高的強度。

CLT高層木建筑?

CLT加工過程

1疊放 切割成1厘米厚的云杉或冷杉板被一層一層依次疊放，每一層的紋路都與其上下層的紋路正交（90°）。層與層之間有膠水層。

2壓成型 在巨大壓力下木板被擠壓到一起，維持一段時間后，松散的木板形成牢固的整體。

3打磨拋光 板材邊緣會被打磨光滑。如果需要更長的板，成型的CLT板材邊緣會被加工成鋸齒接口，并通過膠水粘合在一起，從而拼成最長23.7米的板材。

4切割 根據(jù)設(shè)計師或者施工團隊發(fā)來的3D數(shù)據(jù)文件，生產(chǎn)商會將CLT板材切割成符合要求的形狀。

應(yīng)縣木塔

位于山西省朔州市應(yīng)縣的佛宮寺釋迦塔是全世界現(xiàn)存最古老、最高的木塔，俗稱應(yīng)縣木塔。它大約建于遼代，其后曾被多次修葺。雖然歷經(jīng)多次大地震和炮擊，但應(yīng)縣木塔的塔身從未傾倒。應(yīng)縣木塔主體結(jié)構(gòu)全為木材，塔通高67.31米，塔頂為鐵質(zhì)塔剎。全塔共計出現(xiàn)54種不同造型的斗拱。

CLT還能建高樓

GLT的發(fā)明可以追溯到20世紀90年代。奧地利有富足的林業(yè)資源，其47%的國土面積被森林覆蓋。面對家具和造紙行業(yè)對木材的需求逐年下降。奧地利人不斷尋找新的木材市場。雖然木質(zhì)建筑能夠消化大量木材，但能夠作為建材的往往都是生長年份長的樹木，其數(shù)量極其有限。鑒于此，奧地利人研發(fā)出了GLT技術(shù)這種高效利用木材的方式。

奧地利所出產(chǎn)的CLT板和普通膠合板有所不同。常見的膠合板或中密度纖維板含有10%的黏合劑（一般是脲醛樹脂），它會釋放甲醛;而CLT的黏合劑為生物基聚氨酯，并且含量不到1%。在GLT的制造過程中，木材在受熱和受壓下釋放自身含有的水分參與黏合過程，因此黏合CLT板只需要少量黏合劑。奧地利的許多CLT工廠將小樹枝和樹皮等生產(chǎn)廢料用于生物質(zhì)發(fā)電，一些工廠不但能在電力方面自給自足，還有余力為周邊社區(qū)供電。

雖然GLT屬奧地利人首創(chuàng)，但在很長一段時間里，奧地利的CLT建筑都只是簡單的兩層樓房一雖然很漂亮，但土地利用率不高，兩層以上的建筑依然采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。機緣巧合下，倫敦一家建筑事務(wù)所看中了CLT的潛力，并于2009年在倫敦建成了一棟CLT結(jié)構(gòu)的九層公寓樓。它的建成讓奧地利人感到震驚——他們沒想到CLT居然也能建造高樓。此后，CLT結(jié)構(gòu)的高層建筑在全世界各地逐漸出現(xiàn)：加拿大建成一座55米高的CLT建筑，奧地利建成的84米高的“嚯嚯塔”是目前全世界次高的木質(zhì)建筑。

位于奧地利維也納的一棟CLT木質(zhì)建筑的內(nèi)部。

安裝方便 抗震耐火

許多CLT構(gòu)件可以在工廠預(yù)先加工?，F(xiàn)場施工時，工人只需要進行簡單組裝，這能大大降低施工的勞動成本，縮短施工時間，節(jié)約施工現(xiàn)場的能源消耗。一棟由200多個套件構(gòu)成的CLT公寓住宅樓只需要16周就能建成，而建造同等規(guī)模的鋼筋混凝土建筑至少需要26周。同時，CLT結(jié)構(gòu)建筑使用的建材量更少。一棟占地面積16萬平方米的CLT建筑所需的所有CLT板只需92車次就能運輸完，而相同規(guī)模的鋼筋混凝土建筑光是主體框架所需的混凝土就需要多達1000車次才能運輸完。

一家奧地利CLT制造公司表示，從2013年開始他們的訂單主要來自奧地利和北歐國家，但是從2017年起，來自日本、法國、澳大利亞、拉脫維亞和加拿大的訂單數(shù)量迅速增加。CLT所具有的一些優(yōu)勢對日本等地震帶國家尤其有吸引力，因為人們發(fā)現(xiàn)CLT建筑在地震測試中的表現(xiàn)優(yōu)異。意大利和日本組成的聯(lián)合科研小組在模擬地震活動的“搖晃臺”上搭建了一座七層樓的CLT建筑。測試結(jié)果顯示，該建筑能夠承受相當于1995年日本“阪神大地震”的搖晃。阪神大地震又稱神戶大地震，是日本戰(zhàn)后50年中遭遇的最具破壞性的地震，超過5萬棟建筑毀于這次地震。

CLT配合石膏阻燃板燃燒實驗（上）實驗結(jié)束后，房屋結(jié)構(gòu)完整，石膏板防火效果顯著（下）

CLT材料繼承了傳統(tǒng)木質(zhì)建筑所擁有的優(yōu)異抗震性。CLT材料既有剛性又富有韌性，因此能通過形變來吸收并耗散地震波的能量。不僅如此，CST構(gòu)件即便損壞也能在震后很方便地進行更換，不影響建筑在日后的抗震性。

和直覺相悖的是，CLT板材在火災(zāi)中也有很好的表現(xiàn)。CIST板材可以承受最高270℃的環(huán)境溫度，若溫度更高則其表面開始碳化。薄薄的碳化層中充滿空氣，可以將內(nèi)部和火焰隔絕開，相當于在CLT板材外形成一層阻燃層。燃燒試驗顯示，當同一個火場中的混凝土開裂、剝落時，鋼材因高溫而開始彎曲，但CLT板材依然保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。

固碳生力軍——生長中的小樹

我們依賴鋼筋和混凝土建造從住宅到體育場館的一切建筑，但很少有人知道，混凝土產(chǎn)業(yè)的碳排放占全球每年人類活動碳排放總量的4%～8%。因此，新型建筑材料成為建筑業(yè)關(guān)注的話題，這些新建材中包括CLT等新型木質(zhì)建材。作為木質(zhì)建材的樹木在生長過程中只產(chǎn)生極其有限的二氧化碳。不僅如此，樹木長至能使用的1立方米木材，就等于吸收1噸的二氧化碳（等于350升汽油燃燒所產(chǎn)生的碳排放量）。

面對日益加劇的氣候變暖，通過大規(guī)模植樹來固定二氧化碳的呼聲日益高漲。不過許多人并不知道，固碳的主力軍是成長中的小樹。云杉等針葉喬木需要80年才能成年，在這期間它們是碳的凈吸收者;而一旦成年，它們落下的針葉和落枝被微生物分解而產(chǎn)生的碳量與它們吸收的碳量就大致相同。

20世紀90年代的奧地利就遇到了這種情況。由于紙張和家具市場萎縮，木材需求急劇下降，奧地利國內(nèi)大量林場停工。然而，許多成年的針葉喬木不但不再吸收二氧化碳，還產(chǎn)生大量酸性的松針和枯枝。只要發(fā)生森林火災(zāi)，一旦火線移動到鋪滿干松針的區(qū)域，火勢就會更旺，這帶來了很大的消防壓力。雖然保護森林很重要，但森林也需要有序、可持續(xù)的管理。

這樣看來，理想的管理模式是將一部分不再吸收碳、樹齡較大的樹木砍掉。這樣不但可以利用木材，還可得到木材銷售收入，并能防止林地積累大量干枯松針，從而降低野火風險。如果按照在每砍伐一棵大齡樹的同時補種2～3棵小耐的比例對林場進行有序砍伐，那么不但能夠維持林場的現(xiàn)有規(guī)模，而且能夠提高林場吸收二氧化碳的效率。

雖然CLT具有那么多優(yōu)點，但并不是所有人都認為CLT就是未來建材的發(fā)展趨勢。一些材料科學家表示：木材目前還不會取代混凝土成為主要建材，而是只可能作為一種替代性建材小批量使用。雖然混凝土會帶來種種環(huán)境問題。但其所具有的堅固、耐火和廉價等優(yōu)點決定了它依然是一種優(yōu)良的建材。

混凝土建筑的壽命一股都超過100年，那么木質(zhì)建筑的壽命有多久呢？如果木材腐爛或被燃燒，那么其之前封存的碳就會被釋放出來?？茖W家預(yù)計，未來木質(zhì)建筑的木材中50%會被填埋，36%會被回收利用，剩下的14%會作為生物質(zhì)燃燒或發(fā)電。雖然存在年限問題，但一些科學家對木質(zhì)建筑依然充滿信心，他們認為木質(zhì)建筑屹立50年基本沒問題。同時，另一些科學家也在探索其他材料作為未來建筑材料的可能性。