現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)環(huán)境和氣候的影響?

曹麗莎 沈和定 徐偉濤 毛 安

（1.國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，泰安 271018）

木材作為天然、可再生的建筑材料，不僅可以改善室內(nèi)微環(huán)境，提升居室的舒適和溫馨感，也可以對(duì)外界生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定積極作用。木結(jié)構(gòu)建筑有著悠久的發(fā)展歷史，我國(guó)的傳統(tǒng)建筑以木結(jié)構(gòu)為主。目前北美建筑中不僅住宅廣泛采用木結(jié)構(gòu)，在非住宅建筑中，木結(jié)構(gòu)的使用也十分普遍[1-4]。木結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能、抗震、環(huán)保、耐久等方面的性能，均優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑。隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，綠色、環(huán)保、可持續(xù)性的設(shè)計(jì)愈發(fā)受到重視，也有更多的人開(kāi)始關(guān)注建筑形式對(duì)環(huán)境的影響。

1 木結(jié)構(gòu)建筑種類

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是基于木質(zhì)工程材料和先進(jìn)的設(shè)計(jì)、加工及建造技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)建筑材料和建造形式的不同，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)可分為原木結(jié)構(gòu)、輕木結(jié)構(gòu)、梁柱結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)等四種類型。原木結(jié)構(gòu)采用規(guī)格及形狀統(tǒng)一的圓木、木方或膠合木構(gòu)件層疊制作，集承重與圍護(hù)功能于一體，具有優(yōu)良的保溫、保濕、隔音、阻燃等性能，適用于住宅、度假村、醫(yī)院、幼兒園、體育場(chǎng)館等各類民、商用建筑。輕型木結(jié)構(gòu)是由規(guī)格材及結(jié)構(gòu)板材制作的木構(gòu)架墻體、樓板和屋蓋系統(tǒng)組成的單層或多層建筑結(jié)構(gòu)。墻體內(nèi)部填充巖棉、玻璃纖維棉或聚氨酯發(fā)泡材料，具有較好的隔音隔熱效果，常用于建造居住建筑、旅游建筑、商業(yè)建筑等；梁柱結(jié)構(gòu)是指承重構(gòu)件主要采用層板膠合木構(gòu)件制作的單層或多層建筑結(jié)構(gòu)，墻體一般采用輕型木結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻、砌體墻等結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件之間主要通過(guò)螺栓、銷釘、剪板以及各種金屬連接件進(jìn)行連接。梁柱結(jié)構(gòu)多用于單層工業(yè)建筑和大中型公共建筑，如大空間、大跨度的體育場(chǎng)館、音樂(lè)廳和展覽場(chǎng)館等?；旌辖Y(jié)構(gòu)是指由木結(jié)構(gòu)及其構(gòu)、部件和鋼材、混凝土、砌體及其構(gòu)、部件共同組成、共同受力的結(jié)構(gòu)體系，具有較強(qiáng)的實(shí)用性[5-7]。

2 木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)環(huán)境的影響

20 世紀(jì)70 年代，受到石油危機(jī)的影響，西方國(guó)家開(kāi)始重視可持續(xù)發(fā)展的資源。北美采用生命周期評(píng)估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)化系統(tǒng)生產(chǎn)的木材建筑產(chǎn)品，從資源開(kāi)采到產(chǎn)品制造、使用以及廢棄后處理，或再利用的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行跟蹤和定量分析與定性評(píng)估（圖1），從而系統(tǒng)地評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境的影響[6-9]。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，建立與生產(chǎn)、使用、維護(hù)、再利用和處置輕型建筑中使用的替代木質(zhì)和非木質(zhì)材料有關(guān)的環(huán)境影響數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中不僅包括對(duì)生產(chǎn)的所有資源和能源投入以及所有產(chǎn)出（產(chǎn)品、副產(chǎn)品、排放物、廢水和廢物）的計(jì)量，即木結(jié)構(gòu)建筑在制造過(guò)程中的能耗、其他環(huán)境因素以及木材產(chǎn)品的LCA，同時(shí)還分析了鋸材、膠合板、定向刨花板等主要木質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的影響，提供了從可再生木質(zhì)資源生長(zhǎng)和獲取、產(chǎn)品制造、建筑設(shè)計(jì)和施工、使用、拆除和回收等各個(gè)生命周期階段的環(huán)境數(shù)據(jù)。LCA經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整和完善，已成為評(píng)估木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)環(huán)境影響的最主要方法之一[10-13]。

圖1 LCA生命周期分析流程圖Fig. 1 Flow chart of LCA life cycle analysis

2.1 使用木材可節(jié)約建筑能耗

傳統(tǒng)建筑行業(yè)嚴(yán)重依賴混凝土和鋼材這兩種主要材料?；炷辆哂懈呶廴镜奶攸c(diǎn)，生產(chǎn)混凝土需要大量的沙石，占全球采礦總量的85%；鋼材制造能耗大，鐵礦石的采掘、冶煉過(guò)程能耗巨大，產(chǎn)生大量的廢料、廢氣、廢水，對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重。而木材在生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源遠(yuǎn)低于鋼材和混凝土，且能源利用效率高，用木材來(lái)取代能源密集型材料是減輕人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的一個(gè)重要方法。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑大量采用工程木制品。正交層積材（Cross Laminated Timber，CLT）是一種新型的工程木制產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的木材產(chǎn)品相比，CLT既保留了木材的特性，在尺寸上也更加穩(wěn)定，可以最大限度地發(fā)揮木材用于建筑構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)。除此以外，CLT具有優(yōu)良的保溫、保濕、隔音、阻燃等特性，是一種優(yōu)秀的綠色節(jié)能建筑材料，符合可持續(xù)發(fā)展的需要。由于每層的木板是垂直方向膠合，所以CLT在各方向的受力都非常均勻，適合用來(lái)作為平面構(gòu)件，在歐美廣泛用于民用和商用建筑的屋頂、地板和墻體，但在國(guó)內(nèi)的發(fā)展仍處于起步階段[14-15]。以CLT為代表的工程木制品的使用，可取代混凝土和鋼材等能源密集型材料。同樣高度的建筑，采用工程木制品建造的重量一般只有混凝土建筑的五分之一，因此建筑的重量可大幅度降低，由此可減少地基中混凝土的使用。在傳統(tǒng)混凝土建筑中一般需要用大量的鋼構(gòu)件作為支撐和連接，而在木結(jié)構(gòu)建筑中，鋼材只需要用在一些木構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)上，使鋼材使用量大大減少。采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的工程木制品建造的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在拆除后，幾乎所有的連接部件都可以回收和重復(fù)利用，主材重復(fù)使用率可達(dá)80%以上。

木結(jié)構(gòu)在建造過(guò)程中消耗的能源比傳統(tǒng)混凝土和鋼材建筑更少，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響更小[16-17]。1996 年，美國(guó)15 家科研機(jī)構(gòu)共同成立了可再生工業(yè)材料研究聯(lián)合會(huì)（The Consortium for Research on Renewable Industrial Materials, CORRIM），主要任務(wù)是評(píng)估用于房屋建造的各類材料的生命周期性能。CORRIM的一項(xiàng)研究將美國(guó)Minneapolis地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)房屋和Atlanta地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)房屋分別與相應(yīng)木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行對(duì)比（表1）[4]，發(fā)現(xiàn)在能源消耗方面，建造鋼結(jié)構(gòu)房屋比木結(jié)構(gòu)房屋多耗用17%的能源，建造混凝土結(jié)構(gòu)房屋比木結(jié)構(gòu)房屋多耗用16%的能源。這里的能源不僅指電能，還包括在建筑材料運(yùn)輸過(guò)程中消耗的燃油，以及建造過(guò)程中消耗的天然氣等資源[18]。從表1 可以看出，3 種材料中，木材建造房屋能耗最小，對(duì)環(huán)境的影響最小。雖然短期內(nèi)樹(shù)木難以快速生長(zhǎng)到可利用的狀態(tài)，但長(zhǎng)遠(yuǎn)看木材資源是可持續(xù)發(fā)展的，因此對(duì)森林資源進(jìn)行合理經(jīng)營(yíng)和管理，保證其可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于木材資源利用來(lái)說(shuō)非常重要。另外，木結(jié)構(gòu)建筑中大量采用的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化工程木制品構(gòu)件可以創(chuàng)建高效的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提高整體隔熱保溫性，減少升溫降溫過(guò)程中的能源浪費(fèi)，使木結(jié)構(gòu)建筑在使用過(guò)程中更加節(jié)約能耗。

表1 住宅建筑的環(huán)境性能指標(biāo)Tab.1 Environmental performance index of residential buildings

2.2 木結(jié)構(gòu)建筑具有固碳作用

碳排放量是指在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用及回收某產(chǎn)品時(shí)所產(chǎn)生的平均溫室氣體排放量，溫室氣體主要組成成分是二氧化碳，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（U.S. Environmental Protection Agency, USEPA）認(rèn)為，人類大規(guī)模排放二氧化碳等溫室氣體足以引發(fā)全球變暖等氣候變化。據(jù)估計(jì)，建筑業(yè)每年的溫室氣體排放在全球溫室氣體排放量中占比高達(dá)30%，另?yè)?jù)估計(jì)，建筑業(yè)使用的混凝土占全球碳排放的4 %～ 8%，因此減少建筑行業(yè)的碳排放在減緩全球氣候變化方面有著重要的作用[19-20]。木材不僅在生產(chǎn)加工制造的過(guò)程中比混凝土和鋼材消耗更少的能量，排放更少的碳，其生長(zhǎng)本身也需要吸收大量的碳。因此，基于木材制造的木結(jié)構(gòu)建筑可起到固碳的作用。木材來(lái)自于森林，樹(shù)木通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳，并釋放出氧氣。許多松樹(shù)和杉樹(shù)的成材期一般是80～100 年左右，樹(shù)木到了成材期后其吸收二氧化碳的速度會(huì)大大下降，如果沒(méi)有遭到砍伐或其他外部干預(yù)，樹(shù)木最后會(huì)死亡腐爛然后分解釋放出二氧化碳。在這之前，如果對(duì)森林進(jìn)行合理的砍伐和利用，同時(shí)培育新的樹(shù)苗，使其替代砍伐的樹(shù)木，能保持森林不斷地更新和可持續(xù)發(fā)展。將砍伐的木材制造成經(jīng)久耐用的木建筑和其他木制品，是一種固碳方式，將碳儲(chǔ)存從森林中轉(zhuǎn)移到了建筑中（圖2）。據(jù)估計(jì)，從可持續(xù)管理的森林開(kāi)采的木材，每1 m3可存儲(chǔ)約1 t的二氧化碳，相當(dāng)于燃燒350 L汽油產(chǎn)生的碳排放[21]。在英國(guó)，每年新建建筑中的15%～28%會(huì)采用木結(jié)構(gòu)，這些木結(jié)構(gòu)建筑每年可存儲(chǔ)約100 萬(wàn)t的二氧化碳。如果這一比例進(jìn)一步提高，固碳效應(yīng)可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

圖2 碳儲(chǔ)存的循環(huán)路徑Fig. 2 Cycle path of carbon storage

木質(zhì)材料可用于建筑物的外墻、樓板、屋頂以及其他承重和連接結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到固碳的目的[22-26]。例如，為氣候寒冷地區(qū)設(shè)計(jì)的被動(dòng)式房屋有兩種可相互替代的建筑外墻系統(tǒng)：用保溫絕熱材料填充的木框架墻體和用可發(fā)性聚苯乙烯保溫板絕熱的混凝土墻體[27-34]。由于大量的碳可固定在建筑物的木制構(gòu)件中，需要科學(xué)的設(shè)計(jì)、合理的施工以及良好的維護(hù)保養(yǎng)來(lái)延長(zhǎng)碳儲(chǔ)存的時(shí)間，因此對(duì)木制構(gòu)件通常作防腐處理以延長(zhǎng)使用壽命。當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑拆解后，木制構(gòu)件可以循環(huán)再利用，仍然可起到固碳的作用，即使不再重新使用，還可用作生物能源燃料。隨著木結(jié)構(gòu)在全球建筑市場(chǎng)上的廣泛應(yīng)用，將成為人類應(yīng)對(duì)氣候變化的一項(xiàng)有力措施[35-44]。

2.3 促進(jìn)森林資源可持續(xù)利用

在傳統(tǒng)觀念中，木材砍伐很容易與破壞森林資源聯(lián)系起來(lái)，實(shí)際上科學(xué)合理的森林資源開(kāi)發(fā)和木材利用有利于促進(jìn)森林資源建設(shè)，也有利于森林生態(tài)效益的發(fā)揮，對(duì)環(huán)境具有積極的作用。林業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)是建立起完善的生態(tài)體系和發(fā)達(dá)的林產(chǎn)工業(yè)體系，兩個(gè)體系建設(shè)緊密聯(lián)系：生態(tài)體系的主體是生態(tài)林建設(shè)，林產(chǎn)工業(yè)體系的基礎(chǔ)是商品林建設(shè)，商品林要最大限度生產(chǎn)木材，發(fā)揮生態(tài)效益就要做好森林培育與開(kāi)發(fā)利用的有機(jī)結(jié)合。只有做到合理輪伐，為社會(huì)持續(xù)提供木材，才能最大限度地發(fā)揮森林的固碳作用以及實(shí)現(xiàn)其他生態(tài)效益。

木結(jié)構(gòu)建筑有利于木材及林產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展，增加林業(yè)生產(chǎn)的附加值，為社會(huì)提供更多的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、復(fù)合板材、標(biāo)準(zhǔn)型材，有利于林產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)力合理布局和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[23-25]。但是，木材在建筑領(lǐng)域的使用必須遵守可持續(xù)發(fā)展原則，與森林管理、環(huán)境保護(hù)和有規(guī)劃的森林培育有機(jī)結(jié)合。木材資源的合理、有效利用，不僅不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，反而能夠促進(jìn)森林培育和環(huán)境保護(hù)，減緩全球氣候變化[11-12]。

3 木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展方向

木結(jié)構(gòu)建筑的可持續(xù)健康發(fā)展，需要對(duì)森林資源合理開(kāi)發(fā)和利用，這不僅有利于擴(kuò)大森林面積，而且有利于培育優(yōu)良樹(shù)種、提高木材質(zhì)量；合理采伐使木材充分發(fā)揮固碳作用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展效益[4]。從保護(hù)環(huán)境、減緩氣候變化等方面，木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展方向如下：

1）優(yōu)化木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)，高效利用可再生資源，減少生命周期過(guò)程中的能耗，延長(zhǎng)建筑使用壽命；

2）優(yōu)化木質(zhì)建筑組件的設(shè)計(jì)和制造工藝，提高產(chǎn)品使用價(jià)值，擴(kuò)大產(chǎn)品使用功能，充分發(fā)揮固碳作用；

3）進(jìn)一步加強(qiáng)森林資源管理，完善生態(tài)體系，促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展和更新，建立發(fā)達(dá)的林產(chǎn)工業(yè)體系，為木結(jié)構(gòu)建筑提供充足的優(yōu)質(zhì)木材原料；

4）基于生命周期分析，強(qiáng)化環(huán)境污染管控，提高對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑拆除后廢舊物的回收利用；

5）采用更多標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的木材構(gòu)件，提高運(yùn)輸、組裝效率。