非住宅型混合木結(jié)構(gòu)案例分析

馬天英

前言

紐芬蘭與拉布拉多（Newfoundland and Labrador）是加拿大大西洋四省中面積最大的省份，由兩部分組成，即位于北美大陸以東的紐芬蘭島和附近島嶼，以及位于大陸東岸和紐芬蘭島隔海相望的拉布拉多地區(qū)及其附屬島嶼，總占地40 5720 km2。這片陸地?fù)碛?0%以上的森林覆蓋率，其中可供或部分可供采伐的生產(chǎn)性林地約為78 750 km2，主要樹種為云杉和冷杉，主要林產(chǎn)品是紙漿、紙張和木材。紐芬蘭與拉布拉多省的大部分土地是人跡罕至的森林、沼澤、湖泊和山嶺，自然風(fēng)光旖旎壯麗，為該省提供了豐富的旅游資源，比如每年六月中下旬冰山欣賞，見圖1。該省的木結(jié)構(gòu)建筑到處可見，主要為三層及三層以下低層住宅和商用建筑。該省積極推廣可持續(xù)發(fā)展森林管理政策，以保護(hù)為原則，綜合管理和有效利用林業(yè)資源，大力發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑。本文對兩個(gè)獲得大西洋木結(jié)構(gòu)建筑獎(jiǎng)的項(xiàng)目，通過從項(xiàng)目背景、建筑設(shè)計(jì)、工程結(jié)構(gòu)、木材利用及規(guī)范要求等方面進(jìn)行簡要分析和介紹。

曼紐爾斯河希伯尼亞接待中心

項(xiàng)目介紹

曼紐爾斯河希伯尼亞接待中心（Manuels River Hibernia Interpretation Centre）是一個(gè)公共教育中心，隸屬于曼紐爾斯河自然遺產(chǎn)協(xié)會，位于加拿大紐芬蘭與拉布拉多省幻想海灣南側(cè)的曼紐爾斯河畔。該中心的建造目的就是為了“保護(hù)并詮釋曼紐爾斯河的自然、文化和地理歷史”，接待中心陳列著很多舉世聞名的化石標(biāo)本，成為古生物學(xué)資源研究的場所。自2013年竣工以來，該中心已經(jīng)成為所在社區(qū)及周邊地區(qū)家喻戶曉的旅游景點(diǎn)，更是當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)的火車頭。該中心不僅能滿足游客追求獨(dú)特體驗(yàn)的要求，還能夠作為教育資源使用，為學(xué)生和游客普及該地區(qū)的地質(zhì)知識和具有五億多年歷史的三葉蟲化石的研究價(jià)值。作為省內(nèi)和附近社區(qū)的主要旅游景點(diǎn)，該中心與周邊自然環(huán)境融為一體，是建筑如何更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的典范之作?；谙冗M(jìn)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念，該中心采用多種木質(zhì)材料和其他構(gòu)件，組成了一個(gè)完整的兩層混合結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)利用地?zé)釤岜孟到y(tǒng)將能耗和運(yùn)營成本控制到最低。該中心占地約1 200 m2，建筑師通過巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了場地利用的最大化。中心配套設(shè)施寬敞明亮、引人入勝，能有效增添參觀樂趣，提升游覽體驗(yàn)。該中心還包含一個(gè)可以容納60人的教室，一個(gè)由Lord文化資源公司和Mystus展覽工作室共同承辦的互動(dòng)展覽層，一個(gè)咖啡館，一個(gè)52座的劇院，一個(gè)禮品店，以及辦公室、廚房，還有一個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)空間專門用來舉辦音樂會、商務(wù)會議、文化活動(dòng)以及其他私人活動(dòng)等。該中心與周圍四通八達(dá)的林間小道相連，其所處的曼紐爾斯部分河段上有著世界上最古老的、大約有五億年歷史的化石，悠悠述說著關(guān)于這一地質(zhì)奇跡的故事。圖2和圖3分別展示了該中心的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4展示了該中心的建筑設(shè)計(jì)。

建筑設(shè)計(jì)

作為一個(gè)非營利組織，曼紐爾斯河自然遺產(chǎn)協(xié)會采用了一個(gè)高效率低人力的設(shè)計(jì)模式，來盡可能地最小化后期運(yùn)營以及維護(hù)成本。禮品店和咖啡館的位置位于二樓樓梯的頂部，靠近陽臺和大玻璃窗，這樣的位置選擇很有戰(zhàn)略性，可以充分發(fā)揮該場所的零售潛能。該中心位于托普斯路（Topsail Road）和進(jìn)城主要高速幻想海灣高速的交界處，為凸顯中心，建筑師采用了燈光投射并使用大片玻璃（圖4），不僅給夜晚的中心建筑賦予了戲劇化的光影效果，還將中心建筑和周圍的森林以及地形輪廓完美的融合到了一起，使其成為一個(gè)為婚禮及其他大型活動(dòng)提供場地租賃服務(wù)的首選。樓梯北面的墻體有一個(gè)大型開口，用于在晚間照亮三葉蟲化石藝術(shù)作品對其進(jìn)行展示。所有使用的材料都與該地的自然特點(diǎn)相稱，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)高效、施工節(jié)約以及降低維護(hù)需求的特點(diǎn)。該中心設(shè)計(jì)選擇了鋼材與膠合木桁架體系的混合結(jié)構(gòu)，在滿足了凈跨度的長度要求之外，也構(gòu)成了一個(gè)非常有趣的視覺元素。使用企口接合的重型木屋面板、木柱以及簡單的貼裝結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，最大限度地保存了木材天然的美觀。為了尋求更高要求的建筑性能，建筑師們增加了絕緣材料的使用。高性能的玻璃采光系統(tǒng)，做到在公共區(qū)域最大化地利用自然光。另外，該中心還安裝了熱傳感器、污染傳感器，以及運(yùn)動(dòng)觸控的照明系統(tǒng)。圖5展示了該中心的平面圖，呈放射狀，充分利用曼紐爾斯河的自然美景，有助于把人們的注意力吸引到臨近停車場的主入口，還便于日后向外側(cè)進(jìn)行擴(kuò)建。圖6展示了該中心的立面圖，利用了地貌外形，做到錯(cuò)落有致。

工程結(jié)構(gòu)

該中心合理搭配使用膠合木和鋼材，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，利用高抗壓強(qiáng)度的膠合木和高抗拉強(qiáng)度鋼筋，搭建起一個(gè)混合型桁架中柱屋架系統(tǒng)，圖7。鋼材和木質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的連接用鉚釘進(jìn)行固定。鋼木混合結(jié)構(gòu)體系還包括支撐云杉屋面板的膠合木梁以及隨機(jī)分部的云杉屋面板，即使大樓的幾何設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，也能在施工階段減少浪費(fèi)。通過對比分析多種施工系統(tǒng)以及材料組合的成本，與其他體系相比，膠合木、規(guī)格材以及鋼結(jié)構(gòu)混合的結(jié)構(gòu)體系最為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。外墻使用的是典型的雨幕結(jié)構(gòu)，由38×140 mm的木墻骨柱構(gòu)成，絕緣材料使用RSI 3.5玻璃纖維棉，墻體內(nèi)側(cè)使用0.15 mm聚乙烯充當(dāng)隔汽層并用13 mm的石膏板覆面，墻體外側(cè)使用16 mm的膠合板覆面，見圖8。整棟建筑像是一個(gè)被白杉底板和木瓦包裹起來的空氣屏障。

木材利用

整個(gè)建筑的外部全都使用了木材。外墻由輕型木框架組成，使用膠合板覆面，充當(dāng)剪力墻，提供結(jié)構(gòu)側(cè)向阻力。在建筑外立面使用東部白杉鋸木屋面瓦和外露膠合木封檐板以及木挑檐板，將建筑與自然環(huán)境完美融合到了一起，同時(shí)最大限度地減少維護(hù)和維修，見圖9。使用外露的企口接合屋面板、天然杉木窗臺、木纖維覆膜吸聲板，以及多功能廳里外露的重型木柱和上部的鋼木混合桁架，使得建筑內(nèi)部木材的使用也得到了充分的體現(xiàn)，見圖10。

規(guī)范要求

建筑占用類型為A組2類，即餐飲類人員密集場所。該建筑的兩層都安裝了消防噴淋系統(tǒng)，最大占地面積可達(dá)2 400 m2，同時(shí)具有可燃和不可燃結(jié)構(gòu)。建筑使用者出入口相關(guān)要求均符合加拿大國家建筑規(guī)范【NBCC】。二樓的地板吊頂是由混凝土板覆壓型鋼板構(gòu)成的非額定防火隔離（0分鐘）。主會議廳的頂蓋隔音板是由可持續(xù)管理認(rèn)證的木纖維制成，這種纖維具有很高的回收率。劇院周圍使用了傳聲等級STC 57 隔音墻，在更高STC等級需求的區(qū)域，使用隔音墊片加以強(qiáng)化。屋頂是非防火裝配要求，因此允許使用木材或其他可燃物建設(shè)。

保羅雷納茲社區(qū)中心

項(xiàng)目介紹

保羅雷納茲社區(qū)中心（Paul Reynolds Community Centre）位于紐芬蘭與拉布拉多省的韋奇伍德鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)于1992年與省會圣約翰市合并為一座城市。在2008-2018年度圣約翰城市休閑及公園總體規(guī)劃中指出，這座城市需要一個(gè)設(shè)施齊全、能給居民帶來美好使用感受和自豪感的場所。正因如此，建筑設(shè)計(jì)師們將正交膠合木（CLT）用于大部分的屋頂建造。由于正交膠合木產(chǎn)品是預(yù)制構(gòu)件，在安裝時(shí)省時(shí)快捷，與使用其他建筑材料的完整體系相比，具有明顯的成本競爭力。圖11是該中心建成后的外觀圖，使用了巨型玻璃幕墻。保羅雷納茲社區(qū)中心已經(jīng)成為一個(gè)設(shè)施齊全的娛樂中心，配備有六賽道專業(yè)泳池、休閑泳池、水上滑梯以及一座占地約620 m2的體育館（圖12、13），一個(gè)面積為140 m2的幼兒日托和老年活動(dòng)場中心，戶外操場，及其他多用途空間。

建筑設(shè)計(jì)

鑒于該中心周邊是城郊，居民樓又多為低層住宅，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到新建筑不應(yīng)打破原有的靜謐，做到既能提升品味，陶冶社區(qū)，又能親近自然，真正實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的相互統(tǒng)一。同時(shí)，建筑的朝向也經(jīng)過仔細(xì)斟酌，一是要避免陽光直射和正面迎風(fēng)，二是要保證開闊的視野。所以，屋頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)外構(gòu)件都十分堅(jiān)固。整個(gè)屋頂使用了CLT，縮短了工期。并且其單面向住宅區(qū)的方向傾斜，見圖14。這不僅有助于調(diào)整建筑物的大小，也是場館入口的一個(gè)重要指引標(biāo)志。該中心在建設(shè)中使用了Revit三維建筑信息模型（BIM）軟件來創(chuàng)建施工文件，對房屋進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)空間的可視化，解決一些復(fù)雜的連接細(xì)節(jié)問題。該建模軟件還作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)工具，和實(shí)體紙質(zhì)模型配合使用，使建筑公司可以從三個(gè)維度方向去觀察到每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，去檢查對太陽炫光的把控情況，以減少強(qiáng)烈日光對泳池和體育館的影響。該建模軟件還能輕松計(jì)算水域的面、體積，來確定泳池使用人數(shù)的最大承載量。中心使用地?zé)嵯到y(tǒng)供暖，并配有高效熱回收系統(tǒng)，在使用中能夠直接降低運(yùn)營成本，減少城市能耗。

工程結(jié)構(gòu)

該建筑采用鋼材和混凝土的混合結(jié)構(gòu)體系，CLT主要用于體育館和游泳池的屋面板材。現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件用于建造地基，混凝土柱和混凝土夾層。屋面板由200塊寬、長、厚約2.2 m 、12 m、250 mm的CLT板材組成，安放在橫跨泳池空間、主大廳和體育館的深層結(jié)構(gòu)鋼梁上。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，對屋頂容許荷載進(jìn)行了計(jì)算，除考慮到CLT板的自重，還根據(jù)圣約翰市的氣象資料推算了雪載等其他荷載。CLT板材在工廠預(yù)制完成，運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場后即進(jìn)行快速裝配，見圖15、16。鋼和CLT的連接都進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)注，見圖17。

因?yàn)樵撝行氖窃谝粋€(gè)島上，要通過駁船和渡輪將建筑材料適時(shí)地運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。該建筑設(shè)計(jì)獨(dú)特，用料復(fù)雜，包括使用了CLT為板材的大型斜坡屋頂和一面高達(dá)10 m至12 m的幾乎從樓面板一直延伸到天花板的玻璃幕墻。屋面板經(jīng)過精準(zhǔn)建模，做到與屋頂?shù)膸缀涡螤钔昝榔鹾?，完成對CLT屋蓋和屋檐系統(tǒng)的安裝。CLT屋面板用標(biāo)準(zhǔn)海運(yùn)罐運(yùn)輸。在裝運(yùn)之前，對每一塊板材都進(jìn)行了檢驗(yàn)，確保無損。屋面板現(xiàn)場貯存是以在施工過程被使用的順序相反的順序進(jìn)行分類和堆疊，保證屋面板的快速高效安裝。

木材利用

該建筑使用了3到7層的正交膠合木（CLT）板材，做到工廠預(yù)制和現(xiàn)場裁剪。CLT板材承重且堅(jiān)固，可以直接用作隔板或剪力墻，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中高層建筑中的樓板、墻體以及屋面板。木材紋理外露的CLT面板給建筑內(nèi)部整體增添了溫暖的感覺。與易被高濕度和游泳池化學(xué)品腐蝕的金屬材料的屋面相比，CLT屋面板的使用還幫助減少了泳池區(qū)域所需的維護(hù)。木材的優(yōu)良保溫性能幫助減少熱橋效應(yīng)以及裝配式屋頂構(gòu)件中容易出現(xiàn)的冷凝現(xiàn)象。另外，CLT板材還可以減少聲音混響，這一特性在體育館和游泳池這樣的大型開闊空間里更顯可貴。

規(guī)范要求

該建筑被歸類為A-3競技場類型人員密集場所。根據(jù)加拿大國家建筑規(guī)范（NBCC）規(guī)定，在單層或雙層A-3建筑中允許使用重型木結(jié)構(gòu)屋頂，保羅雷納茲社區(qū)中心的設(shè)計(jì)完全符合此情況。該建筑整體做了不可燃處理。建筑最大容量為1947人，設(shè)計(jì)了13個(gè)出口。在出口樓梯和服務(wù)室周圍，使用了一些防火等級為一小時(shí)的隔離來分割建筑。在標(biāo)準(zhǔn)鋼柱墻體空腔內(nèi)填充了絕緣吸聲棉，為建筑提供了優(yōu)良的隔聲性能。在某些特殊部位，利用中空的雙層墻體來提供額外的隔聲性能。體育館和泳池上方的CLT木屋面板本身就具有優(yōu)越的吸聲屬性，與鋼結(jié)構(gòu)屋面板相比，有效解決了大型開放空間的回聲問題。