裝配式木結構建筑未來可期,讓木結構建筑重返現(xiàn)代！
“木曰曲直”，在傳統(tǒng)的陰陽五行觀中，“木”象征著旺盛的生長，其溫熱而性仁，可采天地之陽，寓意美好。加之木材易于采集、運輸和加工，因此，自蒙昧初開的巢居干欄居，到明清紫禁城的建筑技藝大成，木結構始終是中國建筑史中當之無愧的主角，在華夏大地留下了璀璨的建筑成就?！坝F千里目”的渴望，讓古代匠人憑借智慧與最樸素的工具和材料，不斷挑戰(zhàn)著尚未被認知的重力，筑起一幢幢華美入云的高層樓閣。
近代以來，人口的增長與城市的快速擴張帶來了新的發(fā)展需求，使充滿工業(yè)力量的鋼筋、水泥與玻璃，取代木材成為了構成城市表皮的主體材料，在天際線上筑起一片又一片的混凝土森林，包容下紛繁精彩的城市生活，也讓“登高望遠”成為了生活的一種尋常。然而以鋼筋水泥為代表的建筑工業(yè)在快速支撐起城市建設，改善人民生活的東西，也產生了巨大的能源消耗與環(huán)境污染。
因此，尋找更加綠色的建材與建造模式成為了建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要面臨的一個重要議題。在此背景下，更加符合綠色建筑要求的裝配式建筑開始被人們寄予更多的關注，住建部于2020年3月發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動方案》、《裝配式建筑示范城市管理辦法》、《裝配式建筑產業(yè)基地管理辦法》三項文件，全面推進國內的裝配式建筑發(fā)展。
而裝配式技術的發(fā)展，結合木結構天然的節(jié)能減排的優(yōu)勢，也使得木結構建筑有機會以一種全新的形態(tài)回歸到現(xiàn)代城市之中，甚至可以擺脫重力的束縛，成為城市高層天際線的組成部分。
01
現(xiàn)代的木結構的特點與分類
木結構能夠在鋼筋混凝土林立的今天，再度走進人們的視野并得到進一步發(fā)展，除了因為其天然親生物特性帶來的居住舒適感以及優(yōu)越的抗震性能之外，還要得益于今天人們對于環(huán)保議題的關注。
木材在種植成材的過程中，可以通過光合作用實現(xiàn)固碳目標，作為生命周期內的碳排放補償。且由于材料特性，木材在加工成型的過程中所產生的碳排放量也要遠遠低于鋼材、混凝土等高能耗產業(yè)產品。加之木材密度較小，約為鋼筋混凝土的四分之一，因此更加利于運輸和吊裝，因此可以大幅度縮短施工周期，從而減少施工過程中的能耗。以加拿大一棟18層的重型木結構學生宿舍為例（Brock Commons Tallwood House），其木結構部分施工周期僅為2個月，遠遠低于現(xiàn)代主流的建筑結構形式。木材本身便具有很強的裝飾性，因此在內裝過程中，可以直接作為室內材料暴露，無需額外的裝飾，從而也減少了內裝作業(yè)的工作量。根據美國Bruce Lippke等的研究報告在全生命周期內，木結構建筑的碳排量相比鋼結構建筑降低了74%，相比于混凝土建州降低了69%，因此現(xiàn)代木結構有望成為助力“雙碳”目標達成的一柄利器。同時，在木材產能充沛、現(xiàn)代木結構技術先進的國家或地區(qū)（如加拿大與日本），據ThinkWood組織統(tǒng)計，同等規(guī)模的辦公類建筑，木結構的建造成本相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構，可以降低約20%~30%的碳排量。
人們對于木結構建筑的顧慮則主要在于其防火安全性能，這也是木結構建筑發(fā)展過程中必須面對的一個挑戰(zhàn)。
目前現(xiàn)代木結構的防火主要有以下幾種方式：
阻燃/防火劑改性法：由硼酸和磷酸脒基脲（GUP）等磷酸脂類成分制成的木材阻燃劑，在充分滲透木材后，在遭遇火情時，能夠分解產生不燃性氣體和不揮發(fā)的酸性熔融物質，降低體系溫度與氧氣濃度并屏蔽火焰的熱輻射作用，因此可以阻滯火勢的蔓延。目前常見的阻燃劑改性方法有①真空加壓法（效果最佳）②浸泡法③涂刷法④噴涂法。經上述過程處理后的木材，燃燒性能可以達到B1級以上。
防火石膏板包覆法：即根據防火需求，采用單層或者多層防火石膏板對木構件的表面進行包覆保護。依靠石膏板優(yōu)異的防火性能，提高結構整體的耐火極限，從而滿足消防逃生的需要。
防火石膏板復合法：將木材與防火石膏板做成三明治夾心結構，來確保木質承重構建在遭遇火災時，能夠得到石膏板的保護而不至于過早失去結構能力。
大截面表面碳化防火法：大截面表面碳化法則是通過增大木質承重構件的截面積，在遭遇火災時，通過在木材表面形成一道能夠隔離火焰與高溫的碳化層，大幅度延長木質構件的耐火極限，使其能夠滿足現(xiàn)代建筑的火災逃生要求。
而相比于傳統(tǒng)建筑木結構，現(xiàn)代木結構體系為了適應當代社會發(fā)展中繁雜的建筑需求，在充分吸收和集成其經驗的基礎上，融入了更新、更先進的木結構設計方法、木材加工技術、材料連接構造、智能建造技術等現(xiàn)代的工業(yè)科技成果。其差異主要體現(xiàn)在木材的材料加工方式與連接方法上。如現(xiàn)代木結構體系中的使用的木材，多經過現(xiàn)代技術的防火、防腐、防蛀處理具有更強的耐候性能，且很少直接使用原木，取而以各種新型復合板材。在連接方法上，現(xiàn)代木結構更傾向于使用加工精度高、連接強度大、施工效率高的金屬連接件。
傳統(tǒng)木結構
——梁思成《<營造法式>注釋》宋代大木作廳堂做法
傳統(tǒng)木結構多依靠木材自身在重力作用下的咬合連接，即榫卯結構
現(xiàn)代木結構
——加拿大Brock Commons Tallwood House
現(xiàn)代木結構更傾向于使用加工精度高、連接強度大、施工效率高的金屬連接件
加拿大非營利性機構ThinkWood將現(xiàn)代木結構建筑分為以下幾類：
預制輕型木框架體系（Light-frame）
重型木結構體系（Mass Timber）
軟木類體系（Sofewood Species）
1、預制輕型木框架體系（Light-frame）
輕型木框架（Light—frame）是一種通過木材加工成輕質框架、龍骨來實現(xiàn)建筑建造的結構體系。因為其木構件往往質輕且截面較小而得名，經濟環(huán)保，而且及其適合工業(yè)化的預制生產。常被用于住宅、商鋪等單層、低層建筑的建造。
根據木料選材與連接的工法差異，該體系可以進一步細分為Balloon Framing（便捷木框架式）和Platform Framing（平臺木框架式）兩種。Balloon體系在北美有著二百余年的歷史，是18世界初，在頻繁的拓荒運動與缺少職業(yè)工匠的現(xiàn)實問題催生出的一種簡易建筑體系。特點是木框架采用標準截面的長尺寸木材，木材長度往往與建筑高度一致，因此構件總數較少，且木材之間主要依靠釘子作為連接件，不需要專業(yè)建筑工人也可以輕易完成建造。但由于Balloon體系對于木材的要求較高，此外在遭遇火災時，用于連接木材的釘子極其容易松脫，導致房屋快速解體。因而催生出了Platform體系，該體系使用較短的木材逐層完成房屋的搭建工作，因此在遭遇火災時不易發(fā)生整體性的垮塌。由于結構和用材的特點，在建造過程中，也不需要以來腳手架的輔助，減少了施工總量。
在現(xiàn)代木結構技術的幫助下，輕型木框架體系建筑的防火能力與結構安全性都有了極大的提升，因此在北美的很多地區(qū)，仍舊擁有著可觀的市場占比。
2、重型木材（Mass Timber）
重型木材（Mass Timber）結構則是當下人們能夠使用木結構實現(xiàn)大體量建筑建造的關鍵。該結構是現(xiàn)代木結構的代表類型，其使用的木材為各類大幅面實木木材制成的層積板，因此具有相對較大的自重與較高的承重能力。
根據基材之間連接方式的不同，該類產品分為正交膠合木(Cross Laminated Timber，CLT)、層板銷合木(Dowel Laminated Timber，DLT)、層板釘合木(Nail Laminated Timber，NLT)和層板膠合木 (Glu-Lam Timber，GLT)四個類別。其中，正交膠合木CLT通常由3層、5層或者7層90度交錯的木材粘合而成，因此板材可以獲得良好的結構穩(wěn)定性。層板銷合木(Dowel Laminated Timber，DLT)的優(yōu)勢在于，其加工過程不需要任何粘合劑或金屬件，該類木材主要由軟木材條板與硬質木材銷釘陣列組成，硬質木銷釘按規(guī)律穿插在軟質木條板的預制孔洞中，通過摩擦固定形成一個整體。如果希望增強結構穩(wěn)定性，還可以將硬質木銷釘與軟木條板傾斜一定角度排列。層板釘合木(Nail Laminated Timber，NLT)與DLT有一定的相似性，區(qū)別在于NLT中軟木條板的連接需要用到金屬釘或者螺栓。層板膠合木(Glu-Lam Timber，GLT)的生產需要將木材條板根據它們的應力方向特性，每層交錯半個柱徑的距離粘合在一起，該結構使板材能夠獲取更大的跨度。
3、軟木類體系（Sofewood Species）
軟木類體系（Sofewood Species）被劃分為一個獨立體系，主要是因為ThinkWood組織所在的北美盛產針葉林木，軟木來自當地豐富的針葉樹，或圓錐樹林場。該類木材質地溫和，質感優(yōu)雅，是極佳的建筑與室內裝修材料。該類目中的木材產品由于具有堅韌柔軟的質地，因而也具備著不錯的結構性能，上文中重型木材體系中的多數板材，都是由軟木類材料與其它特性的木材復合而成。
同時，軟木類建材因其優(yōu)越的可塑性和獨特的質感肌理，成為建筑大師們的靈感繆斯，在大跨度的體育建筑中也大放異彩。
02
裝配式木結構建筑的優(yōu)點
1、保證工程質量
裝配式建筑構件在預制工廠生產，生產過程中可對溫度、濕度等條件進行控制，構件的質量更容易得到保證。
2、降低安全隱患
裝配式建筑的構件運輸到現(xiàn)場后，由專業(yè)安裝隊伍嚴格遵循流程進行裝配，大大提高了工程質量并降低了安全隱患。
3、提高生產效率
裝配式建筑的構件由預制工廠批量生產，既保證了裝修質量，又能加快工程整體進度，尤其是生產形式較復雜的構件時，優(yōu)勢更為明顯。同時省掉了相應的施工流程，大大提高了時間利用率。
4、降低人力成本
裝配式建筑由于采用預制工廠施工、現(xiàn)場裝配施工，機械化程度高，減少現(xiàn)場施工及管理人員數量，從而節(jié)省了可觀的人工費，提高了勞動生產率。
5、節(jié)能環(huán)保，減少污染
裝配式建筑節(jié)省了大量腳手架和模板作業(yè)，節(jié)約了很多資源。此外，由于構件在工廠生產，現(xiàn)場濕作業(yè)少，大大減少了噪音。
03
是否安全、耐用？
首先，現(xiàn)代木結構建筑是否安全耐用，海外的客觀數據可以給出間接的回答。
加拿大木業(yè)協(xié)會市場及傳訊總監(jiān)陶亮表示，在擁有豐富林業(yè)資源的加拿大，木結構在低層建筑中占到90%的份額，即使在中高層也占到10%的份額。
與此同時，加拿大每年都會出口大量木材。作為全球第二大的林業(yè)資源出口國，加拿大45%的木材出口到美國，30%出口到中國，20%出口到日本。然而從出口木材的用途來看，美國和日本從加拿大進口的木材80%以上均用于木結構建筑，其中絕大部分都是用于建造住宅，而中國從加拿大進口的木材只有10%-20%直接或間接用于木結構建筑，比例相差甚遠。
"從我們的經驗來看，阻礙中國開發(fā)商采用木結構建筑的一個重要原因，就是擔心木材易燃，不夠安全，"陶亮說，"但實際上在消防方面，現(xiàn)代木結構建筑可以通過材料設計和安裝耐火材料等手段充分滿足消防法規(guī)對耐火時間的要求。現(xiàn)行GB50016建筑設計防火規(guī)范對木結構部分有詳細明確的規(guī)定。木結構建筑在法規(guī)上完全沒有障礙。"
陶亮介紹，以輕型木結構建筑為例，其主要原理是通過耐火石膏板將木材和火源進行隔離，其所有結構木材都會用耐火石膏板封閉起來，項目完成后看不到一塊木材。"目前加拿大最高的木結構建筑是一棟18層的學生公寓，也是利用這個原理，單面用了3層15公分的耐火石膏板，可以達到2個小時的耐火時間，非常安全，這意味著2個小時墻都不會燒穿。"
位于加拿大溫哥華、全球最高的18層全木結構大樓——UBC學生公寓Brock Commons，攝于2016年9月，此時主體結構和外立面已經完工，樓高53米。
另一大類被稱為重型木結構建筑，結構材料主要使用膠合木，其消防原理是利用大尺寸膠合木的碳化特性。這類木結構建筑的結構膠合木是裸露在外的，但在火中燃燒時，其以每分鐘0.64毫米的速度勻速碳化，碳化層本身具有一定的隔熱效果，有助于保護構件內部免受火焰的進一步侵襲。設計師可以據此精確預測多長時間以后木材會燒去多少，然后根據耐火時間要求，計算出建筑所需的膠合木尺寸，保證在給定時間長度燃燒以后，整體建筑仍能保持一定的結構完整性，為消防員救援滅火提供時間依據。
至于耐用性方面，使用經過特殊處理的木材、對建筑物進行合理的防潮設計及施工，可以讓木結構勝任大多數場景下對永久建筑的要求，但這一點也和其經濟成本相關。陶亮坦承，盡管在緯度低的地區(qū)也有不少木結構建筑，但由于往往需要進行額外的防潮和防蟲處理，木結構建筑在這些地區(qū)的成本就會比較高。
04
是否經濟？
其次，影響木結構建筑普及的另一大因素就是建造成本。
目前國內木結構建筑的絕對造價，平均而言要高于混凝土和鋼結構，根據項目規(guī)模、設計、用途的不同，在每平方米3000元至6000元的區(qū)間波動。
然而在加拿大，木結構建筑的造價比混凝土結構平均要低30%。對此陶亮指出，影響國內木結構建筑造價的最主要原因并不是材料，而是產業(yè)鏈規(guī)模和成熟度。
目前國內99%的現(xiàn)代木結構建筑使用進口木材，從2001年起，我國就對進口木材實行零關稅政策，主要進口來源包括俄羅斯、加拿大和歐洲等地，木材成本在木結構建筑的造價中占比僅為10%左右。
"雖然國內木結構的建筑施工企業(yè)也有200-300家，但仍舊不是一個充分競爭的市場，價格透明度和混凝土、鋼結構還是不能相比的。與此同時，國內專業(yè)從事木結構產業(yè)的人員也比較缺乏，高校的課程設置和人才培養(yǎng)也處在相對劣勢的地位，不像在北美有非常成熟的產業(yè)鏈配套。設計人員比較缺、施工人員比較缺，可選擇的余地就小，相關的費用就會比較貴。"陶亮指出。
但如果換個角度，從項目綜合成本思考，即便在目前國內的環(huán)境下，木結構建筑相比混凝土和鋼結構仍具備不少優(yōu)勢；綜合考慮下來，有的項目采用木結構設計，整體成本和混凝土相近，卻能獲得更好的建筑效果。
具體而言，現(xiàn)代木結構建筑的施工速度比較快，由于是裝配式建造，其施工周期僅為一般混凝土結構的三分之一左右，可以節(jié)約建筑人力成本；如果是用于租賃的旅游酒店項目，提早完工可以讓項目更快投入運營，加快資金流動，更早產生收益。
同時，一些重型木結構項目，因為木材暴露在外，本身結構就是裝修，不需要進行額外內裝，而內裝往往占到整個房地產開發(fā)成本的30%。在這種情況下，木結構的造價雖然可能比混凝土高，但節(jié)約的內裝成本將足夠抵消其造價上的劣勢，使其在整體項目成本上具備較強的競爭力。
另外，木結構本身建筑造型獨特，區(qū)別于司空見慣的混凝土建筑，有助于提升項目的檔次。如果采用木結構設計，酒店項目可以租得更貴，長期來看，經濟效益更明顯。
05
前景
由于木質材料的特性，現(xiàn)階段國內木結構建筑更容易在文化、旅游、醫(yī)療、養(yǎng)老等"文旅康養(yǎng)"領域進行推廣。這些領域的建筑一般都屬于低密度建筑，強調建筑的舒適性、健康性和與人的親近感。
未來，國內或將允許建造更高層數（超過5層）的木結構建筑。
陶亮透露，加拿大木業(yè)協(xié)會正在跟住建部合作，選擇與兩個地方政府合作，各做一個中高層（6-8層）的全木結構項目。"已經選了天津和河北兩個地方在談，但還沒有最終確定。"
目前木結構建筑的層高受限，主要還是由于監(jiān)管部門在消防規(guī)范上比較審慎。住建部試點更高層數的木結構建筑，意味著未來有可能進一步放寬層數要求，屆時木結構建筑的使用場景將進一步拓寬。
"中高層的木結構建筑可以定位在一線城市周邊以及二三線城市，一般這些地方5-6層的建筑會比較多。"陶亮表示。
與此同時，木結構還可以和混凝土、鋼結構混合使用，并不互斥。項目開發(fā)方可以綜合木結構和其他結構的優(yōu)勢，找到混合的平衡點，尋求最大的經濟效益。
從政府決策者角度考量，木結構建筑行業(yè)的發(fā)展將帶動配套的木材加工產業(yè)和輔料（包括保溫棉、金屬連接件等）及輔料上游產業(yè)，并催生后期的運營和其他市場需求。此外，木結構的施工也是一套全新的體系，這些都意味著發(fā)展木結構建筑將帶來新的增量需求和就業(yè)機會。
