裝配式木結(jié)構(gòu)建筑未來可期,讓木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。“欲窮千里目”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(gòu)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(shè)，改善人民生活的東西，也產(chǎn)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(guān)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(chǎn)業(yè)基地管理辦法》三項文件，全面推進國內(nèi)的裝配式建筑發(fā)展。
而裝配式技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合木結(jié)構(gòu)天然的節(jié)能減排的優(yōu)勢，也使得木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點與分類
木結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)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(chǎn)生的碳排放量也要遠遠低于鋼材、混凝土等高能耗產(chǎn)業(yè)產(chǎn)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(jié)構(gòu)學生宿舍為例（Brock Commons Tallwood House），其木結(jié)構(gòu)部分施工周期僅為2個月，遠遠低于現(xiàn)代主流的建筑結(jié)構(gòu)形式。木材本身便具有很強的裝飾性，因此在內(nèi)裝過程中，可以直接作為室內(nèi)材料暴露，無需額外的裝飾，從而也減少了內(nèi)裝作業(yè)的工作量。根據(jù)美國Bruce Lippke等的研究報告在全生命周期內(nèi)，木結(jié)構(gòu)建筑的碳排量相比鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有望成為助力“雙碳”目標達成的一柄利器。同時，在木材產(chǎn)能充沛、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)先進的國家或地區(qū)（如加拿大與日本），據(jù)ThinkWood組織統(tǒng)計，同等規(guī)模的辦公類建筑，木結(jié)構(gòu)的建造成本相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以降低約20%~30%的碳排量。
人們對于木結(jié)構(gòu)建筑的顧慮則主要在于其防火安全性能，這也是木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生不燃性氣體和不揮發(fā)的酸性熔融物質(zhì)，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(jīng)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(jù)防火需求，采用單層或者多層防火石膏板對木構(gòu)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(jié)構(gòu)整體的耐火極限，從而滿足消防逃生的需要。
防火石膏板復(fù)合法：將木材與防火石膏板做成三明治夾心結(jié)構(gòu)，來確保木質(zhì)承重構(gòu)建在遭遇火災(zāi)時，能夠得到石膏板的保護而不至于過早失去結(jié)構(gòu)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(zhì)承重構(gòu)件的截面積，在遭遇火災(zāi)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(zhì)構(gòu)件的耐火極限，使其能夠滿足現(xiàn)代建筑的火災(zāi)逃生要求。
而相比于傳統(tǒng)建筑木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系為了適應(yīng)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(jīng)驗的基礎(chǔ)上，融入了更新、更先進的木結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、木材加工技術(shù)、材料連接構(gòu)造、智能建造技術(shù)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(jié)構(gòu)體系中的使用的木材，多經(jīng)過現(xiàn)代技術(shù)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(fù)合板材。在連接方法上，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
——梁思成《<營造法式>注釋》宋代大木作廳堂做法
傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)多依靠木材自身在重力作用下的咬合連接，即榫卯結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)
——加拿大Brock Commons Tallwood House
現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)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(gòu)ThinkWood將現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑分為以下幾類：
預(yù)制輕型木框架體系（Light-frame）
重型木結(jié)構(gòu)體系（Mass Timber）
軟木類體系（Sofewood Species）
1、預(yù)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(zhì)框架、龍骨來實現(xiàn)建筑建造的結(jié)構(gòu)體系。因為其木構(gòu)件往往質(zhì)輕且截面較小而得名，經(jīng)濟環(huán)保，而且及其適合工業(yè)化的預(yù)制生產(chǎn)。常被用于住宅、商鋪等單層、低層建筑的建造。
根據(jù)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(gòu)件總數(shù)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(zāi)時，用于連接木材的釘子極其容易松脫，導(dǎo)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(zāi)時不易發(fā)生整體性的垮塌。由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)的幫助下，輕型木框架體系建筑的防火能力與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)則是當下人們能夠使用木結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大體量建筑建造的關(guān)鍵。該結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)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(jù)基材之間連接方式的不同，該類產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhì)木材銷釘陣列組成，硬質(zhì)木銷釘按規(guī)律穿插在軟質(zhì)木條板的預(yù)制孔洞中，通過摩擦固定形成一個整體。如果希望增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可以將硬質(zhì)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(chǎn)需要將木材條板根據(jù)它們的應(yīng)力方向特性，每層交錯半個柱徑的距離粘合在一起，該結(jié)構(gòu)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(chǎn)針葉林木，軟木來自當?shù)刎S富的針葉樹，或圓錐樹林場。該類木材質(zhì)地溫和，質(zhì)感優(yōu)雅，是極佳的建筑與室內(nèi)裝修材料。該類目中的木材產(chǎn)品由于具有堅韌柔軟的質(zhì)地，因而也具備著不錯的結(jié)構(gòu)性能，上文中重型木材體系中的多數(shù)板材，都是由軟木類材料與其它特性的木材復(fù)合而成。
同時，軟木類建材因其優(yōu)越的可塑性和獨特的質(zhì)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(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點
1、保證工程質(zhì)量
裝配式建筑構(gòu)件在預(yù)制工廠生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中可對溫度、濕度等條件進行控制，構(gòu)件的質(zhì)量更容易得到保證。
2、降低安全隱患
裝配式建筑的構(gòu)件運輸?shù)浆F(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(zhì)量并降低了安全隱患。
3、提高生產(chǎn)效率
裝配式建筑的構(gòu)件由預(yù)制工廠批量生產(chǎn)，既保證了裝修質(zhì)量，又能加快工程整體進度，尤其是生產(chǎn)形式較復(fù)雜的構(gòu)件時，優(yōu)勢更為明顯。同時省掉了相應(yīng)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(yù)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(shù)量，從而節(jié)省了可觀的人工費，提高了勞動生產(chǎn)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(gòu)件在工廠生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)建筑是否安全耐用，海外的客觀數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑，比例相差甚遠。
"從我們的經(jīng)驗來看，阻礙中國開發(fā)商采用木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑可以通過材料設(shè)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(shè)計防火規(guī)范對木結(jié)構(gòu)部分有詳細明確的規(guī)定。木結(jié)構(gòu)建筑在法規(guī)上完全沒有障礙。"
陶亮介紹，以輕型木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大樓——UBC學生公寓Brock Commons，攝于2016年9月，此時主體結(jié)構(gòu)和外立面已經(jīng)完工，樓高53米。
另一大類被稱為重型木結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)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(gòu)件內(nèi)部免受火焰的進一步侵襲。設(shè)計師可以據(jù)此精確預(yù)測多長時間以后木材會燒去多少，然后根據(jù)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(jié)構(gòu)完整性，為消防員救援滅火提供時間依據(jù)。
至于耐用性方面，使用經(jīng)過特殊處理的木材、對建筑物進行合理的防潮設(shè)計及施工，可以讓木結(jié)構(gòu)勝任大多數(shù)場景下對永久建筑的要求，但這一點也和其經(jīng)濟成本相關(guān)。陶亮坦承，盡管在緯度低的地區(qū)也有不少木結(jié)構(gòu)建筑，但由于往往需要進行額外的防潮和防蟲處理，木結(jié)構(gòu)建筑在這些地區(qū)的成本就會比較高。
04
是否經(jīng)濟？
其次，影響木結(jié)構(gòu)建筑普及的另一大因素就是建造成本。
目前國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑的絕對造價，平均而言要高于混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)項目規(guī)模、設(shè)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(jié)構(gòu)建筑的造價比混凝土結(jié)構(gòu)平均要低30%。對此陶亮指出，影響國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑造價的最主要原因并不是材料，而是產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模和成熟度。
目前國內(nèi)99%的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑使用進口木材，從2001年起，我國就對進口木材實行零關(guān)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(jié)構(gòu)建筑的造價中占比僅為10%左右。
"雖然國內(nèi)木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)還是不能相比的。與此同時，國內(nèi)專業(yè)從事木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的人員也比較缺乏，高校的課程設(shè)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(chǎn)業(yè)鏈配套。設(shè)計人員比較缺、施工人員比較缺，可選擇的余地就小，相關(guān)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(nèi)的環(huán)境下，木結(jié)構(gòu)建筑相比混凝土和鋼結(jié)構(gòu)仍具備不少優(yōu)勢；綜合考慮下來，有的項目采用木結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生收益。
同時，一些重型木結(jié)構(gòu)項目，因為木材暴露在外，本身結(jié)構(gòu)就是裝修，不需要進行額外內(nèi)裝，而內(nèi)裝往往占到整個房地產(chǎn)開發(fā)成本的30%。在這種情況下，木結(jié)構(gòu)的造價雖然可能比混凝土高，但節(jié)約的內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計，酒店項目可以租得更貴，長期來看，經(jīng)濟效益更明顯。
05
前景
由于木質(zhì)材料的特性，現(xiàn)階段國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑更容易在文化、旅游、醫(yī)療、養(yǎng)老等"文旅康養(yǎng)"領(lǐng)域進行推廣。這些領(lǐng)域的建筑一般都屬于低密度建筑，強調(diào)建筑的舒適性、健康性和與人的親近感。
未來，國內(nèi)或?qū)⒃试S建造更高層數(shù)（超過5層）的木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)項目。"已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(shù)的木結(jié)構(gòu)建筑，意味著未來有可能進一步放寬層數(shù)要求，屆時木結(jié)構(gòu)建筑的使用場景將進一步拓寬。
"中高層的木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)還可以和混凝土、鋼結(jié)構(gòu)混合使用，并不互斥。項目開發(fā)方可以綜合木結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，找到混合的平衡點，尋求最大的經(jīng)濟效益。
從政府決策者角度考量，木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)的發(fā)展將帶動配套的木材加工產(chǎn)業(yè)和輔料（包括保溫棉、金屬連接件等）及輔料上游產(chǎn)業(yè)，并催生后期的運營和其他市場需求。此外，木結(jié)構(gòu)的施工也是一套全新的體系，這些都意味著發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑將帶來新的增量需求和就業(yè)機會。
