@ 2014.02.28 , 15:38

世界上最高级的建材,是木材

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某年10月初的一天,天空中布满了阴云, 伦敦东区Shoreditch一处公寓高楼的工地上,一个男人正围着地基打转,他就是建筑师Andrew Waugh。1940年9月7日至1941年5月10日期间,德国对伦敦发动76个昼夜的轰炸,超过4.3万名市民死亡,并有约10万幢房屋被摧毁。伦敦因此成为第二次世界大战期间遭受轰炸最为严重的城市之一,Shoreditch地区受损严重。“城市重建,这就是德国空军给伦敦的见面礼。”Waugh说——几十年时间里Shoreditch的建筑慢慢腐烂,没有人理睬。可是最近这块被人遗忘的区域却重新恢复了活力。夜总会、技术创业公司纷纷在此落户,因为这里房租廉价,随后这里的居民也渐渐多了。一起来到这里的还有建筑师、城市规划师和工程师,许多人是慕名前来瞻仰一座高耸的建筑,也正是Waugh绕圈的建筑。

这栋建筑名为Stadthaus,是Waugh和合作伙伴Anthony Thistleton联手设计的作品,从外观上看这座九层楼房并没有什么特别的亮点。灰白色的外墙基色很好地与伦敦阴沉的天空融合,但是这座建筑的内部却大有乾坤——相较传统的钢筋混凝土结构,这座建筑的地面、天花板、电梯井乃至楼梯井完完全全是木质结构。

木材不是普通的木材,为了能够支撑起整栋楼的重量,设计师选用了一种名叫交错层压木材(CLT)的材料来提供足够的强度。这些木板厚约半英尺(15.24厘米)。制作方法是将几层平行放置的板条垂直重叠,用胶合剂粘牢就形成了钢铁一样强硬的材料。“与传统木框架设计相比,这种结构更类似预制水泥。”Thistleton说。许多工程师都叫这种材料为“打了类固醇的胶合板”。

这栋建筑于2009年正式开放,到目前为止,Stadthaus都是全世界最高的现代木质建筑,随后CLT材料建造的高楼在全球各地纷纷竖立。2011年,挨着Stadthaus,Waugh Thistleton又修建了一栋7层木质公寓楼,建筑结构参照了加拿大Prince George的一栋90英尺(27.4米)高的木质建筑。2012年,Stadthaus的世界最高木质建筑的桂冠被墨尔本一栋10层木质公寓夺去,这座建筑叫做Forté。

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木材即是可再生资源,又是一种碳汇渠道

更高的木质建筑还在规划中,瑞典当局已经批准了在首都斯德哥尔摩修建一栋34层的木质建筑;温哥华建筑师Michael Green正在申请在温哥华修建一栋30层的木质高楼。芝加哥建筑设计巨擘Skidmore, Owings & Merrill公司近日公布了一份可行性研究,内容是一栋大量使用CLT构建的42层高楼。

攀比谁会是下一个最高木质建筑已经成为了设计领域的一项比赛,British Columbia大学木建筑设计和构造Frank Lam教授说。

那么为什么建筑界突然对木结构建筑那么感兴趣?与钢材或混凝土相比,CLT更便宜,组装更便捷,由于CLT的表面碳化,这种材料也更耐火。CLT是一种可再生资源,树木可以重复载重生长,可以有效吸收空气中的二氧化碳,即便制成木材,还是能够吸收二氧化碳。根据Waugh Thistleton的估算,Stadthaus大厦已经吸收了186吨碳,而要建造相同规模的大厦,所用钢筋和混凝土在生产过程中会产生137吨二氧化碳。所以木质建筑总功能节省232323吨碳排量。

人口学家预测地区的城市人口数量在未来的36年时间里会翻倍。越来越拥挤的城市对更高建筑的需求越来越高。用CLT这种可再生资源和用钢筋混凝土等不可再生资源,对环境健康的影响是巨大的。未来的建筑希望恰恰建立在人类最古老的建筑材料——木材上。

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木质建筑让大多数想到气球(balloon)——更确切说应该是(Balloon frame 轻便木质龙骨构架)房屋,是一种19世纪中叶被引进的民居建造方法,具有重量轻、坚固的特点。(人们都说房子轻的能飘走)。这种建筑结构也被叫做“芝加哥构造”,因为芝加哥是最先流行使用这种便宜简单模式建造房屋的城市。低层建筑使用这种结构的确坚固,但是一旦楼层增加,很快建筑就无法承受巨大的重量崩塌。

这个难题困扰着19世纪晚期的建筑师,随着城市发展底层建筑逐渐无法满足要求。幸运的是,几乎是同一时期,建筑师和工程师们相处了如何利用钢筋和混凝土搭建高层建筑,这种高楼可以远远超过木质建筑的高度。

困扰木质建筑的又一大难题是防火安全,19世纪末期和20世纪初期,巴尔第摩、芝加哥和旧金山等大城市接连发生恐怖的城区大火,火势横扫好几平方英里的木质房屋和公寓楼。这又一次重创了人们对木质建筑的信心。此后,城市立法者规定用于居住的木质建筑不能超过5层楼。

在20世纪最高的几栋摩天大楼里,几乎全是钢筋混凝土结构建筑。

但是在过去的20年里,建筑师和工程师开始重新构思使用木材作为建筑材料的可行性。20世纪90年代中期,奥利地政府资助了一家合资商业学术研究院开发一项新的项目——开发出结构更强的“工程用木料”,吸收奥地利过量的木材供应。结果就诞生了CLT——一种轻型超坚固材料,不但可以预制构件还能定制切割。

CLT交错层压木材之所以性能强悍,在于其垂直多层结构无论在垂直方向还是水平方向都有很好的强度,而普通木材仅仅在垂直方向满足强度,横向强度都偏弱。由于CLT采用多层更小的木梁合成,即便木材形状奇怪、生节,也可以制造,降低了废物率。

在过去,设计先手绘出建筑草图,完成的草图再交给工程师,工程师将草图中的线条替代为木梁或钢板,图纸会交给工厂,工厂将木料和钢材切割、成型,一件一件地现场完成——整个过程耗时又昂贵,而且不精确。

现在,多亏有了电脑,建筑设计师可以用3D AutoCAD软件设计,程序生成了材料规格会发送给机器人木材或钢材加工生产线负责成型,精度可以到毫米。几个工人在几周内就可以生产出好几个街区所需要的建材。Stadthaus所配备的木材耗去了四个工人27天,每周只上3天班。

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CLT生产中采用的交错层压技术让CLT成为建筑设计师口中的“打了类固醇的胶合板”。

1) 叠放
木梁,通常是云杉木,被一层一层依次叠放,每一层都与下一层正交(90°),形成一块半英尺厚的多层木板。每层之间有薄薄的胶水层连接。

2) 压成型
在巨大压力下木板被挤压到一起。

3) 打磨光滑
板材边缘会被打磨光滑,如果需要更长的板,边缘会被手动加工成锯齿接口,用胶水相连,就能拼成长达78英尺(23.7米)的板材。

4) 切割
根据设计师或者施工团队发来的3D数据文件,板材根据客户要求的规格切割成型。

本文译自 popsci,由译者 王大发财 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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