碳中和戰(zhàn)略下正交膠合木技術對澳大利亞可持續(xù)建筑發(fā)展的作用及案例分析

鮑鼎文 談卓鏵 陳錫 賈亦森 嚴鑫

當前世界正處于環(huán)境危機之中，隨著溫室氣體的大量排放，全球氣候正在發(fā)生變化。自20世紀初前工業(yè)時代以來，全球平均溫度已上升1.2q C，接近2016年巴黎協定中設定的1.5q C上限。這導致了洪水、干旱和風暴等極端天氣狀況更加頻繁地發(fā)生，正在影響人們的日常生活，尤其是發(fā)展中國家的人們相對更加容易受到影響。隨著極端天氣現象的出現，全球變暖融化了極地冰帽，導致海平面上升。對于澳大利亞來說，85%的人口都生活在沿海地區(qū)。據統(tǒng)計，若海平面上升50cm，澳大利亞的洪水事件發(fā)生概率將增加300倍。同時，原先為百年一遇的洪水而設計的基礎設施每年將面臨多次洪水的威脅。由于氣候變化已經對人類的生產生活產生了巨大影響，我們有必要探討使用可持續(xù)性更高的材料進行建筑生產的可能性。為了迎合聯合國可持續(xù)發(fā)展目標（Sustainable Development Goals）中第九條與第十一條“推動城市、人居建筑與工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的策略”，在歐盟率先提出碳中和戰(zhàn)略（Carbon Neutralization Strategy）后不久，澳大利亞前總理斯科特x 莫里森便提出為期30年的碳中和目標，其中包括使用更環(huán)保的材料作為主要建筑結構材料的內容。而木質結構可以將建筑相關碳排放量減少一半，并作為碳能量的儲存容器使整個城市成為“碳匯”（Carbon Sinks）[1]。得益于此，澳洲的CLT技術在近幾年蓬勃發(fā)展。

1 CLT材料及特性

盡管自然界中存在6 000種不同的木材品種，但木材的使用取決于其承受能力、相對重量強度比、含水量等。然而，隨著鋼筋混凝土、砌體和鋼等新型結構材料的出現，木材逐漸被取代。木材作為一種天然生長材料，不具有相同的均勻性，但因其各向異性，在樹木種類、細胞結構、含水量和可變載荷特性方面有所不同。隨著黏合、機械連接、分級和計算機建模方面的技術進步，工程木材產品的興起為木制建筑的潛在復興開辟了道路。正交膠合木（Cross-Laminated Timber，CLT）材料由橫向和縱向交替層制成的膠合和機械壓制層壓板組成。板材被切割成精確的規(guī)格，并經烘干以減少收縮和膨脹，但在其他方面保留了木材的許多天然優(yōu)勢。得益于西澳大利亞和塔斯馬尼亞豐富的木材資源，澳大利亞的CLT建造工廠已經從早期依賴進口歐洲冷杉木轉而采用本地供應的輻射松或道格拉斯冷杉，進一步提高了CLT制造-交付的靈活性，并降低了時間和制造成本[2]。

全球碳排放5%～8%來自于水泥生產，而木材作為唯一有能力長期大量儲存碳的材料（含有大約50%的碳），CLT展示了將建筑變成碳匯的可能性，同時對施工時間、運輸和吊裝方面的較低要求也減少了相關過程中溫室氣體的排放。在CLT建筑的拆卸過程中，面板可以按照安裝方式拆卸，因此，每一層CLT都可以被重復使用。如果沒有重復利用的場景，面板也可以被轉換為生物質燃料回收。因此，歷史上城市發(fā)展和建設對環(huán)境的負面影響可以通過在棕地的CLT建筑來緩解，其作為一種可持續(xù)建筑材料的潛力將逐漸得以顯現。

2 澳大利亞CLT制造業(yè)發(fā)展概況

盡管CLT已經在歐洲被發(fā)明三十年，但其在澳大利亞仍屬于新的建筑材料。第一座大型CLT住宅樓Forte Melbourne于2012年建成，第一座公共建筑Library at the Dock于2013年完工，第一座辦公樓International House Sydney于2017年完工。近年來，重型木結構在澳大利亞的應用逐漸廣泛，自2014年以來項目數量大約翻了一番。澳大利亞有兩家CLT制造商，規(guī)模較大的一家是XLam Ltd.，其位于新南威爾士州的工廠年產量超過60 000m3；另一家本地生產商是西澳大利亞的CrossLam Australia，目前處于初創(chuàng)階段，生產小批量材料。

在澳大利亞，CLT采用來自本國可再生林的木材制成，大部分選取輻射松與少量道格拉斯冷杉，這樣可以盡可能減少建筑的碳足跡。輻射松原產于加利福尼亞中部海岸，但在澳洲廣泛種植，占塔斯馬尼亞木材種植總量的28%，被認為是當地主要的通用木材。

3 案例分析

3.1 應用于建筑的主結構

3.1.1 大跨度建筑：Erina 倉庫（Erina Warehouse）

在澳大利亞，過去幾十年來木材建筑逐漸興起并引起了人們的興趣。一方面是為了減少建筑中CO2排放，另一方面由于建筑規(guī)范的演變，新的工程木制品、工具和機械設備的出現都拓寬了木材建造的可能性。

Vistek Structural Engineers是一家始建于1998年的墨爾本當地致力于低碳及可持續(xù)設計的結構工程公司，近年他們的工作重心和施工建造方向逐漸開始由傳統(tǒng)結構向更低碳化的CLT結構轉型。為了探索研究可持續(xù)木材在建筑中的結構作用，他們完成了位于新南威爾士州Erina地區(qū)的三個重型木結構倉庫的工程設計。該項目幾乎完全由木材建造，包括兩層樓的零售、辦公和工業(yè)空間，屋頂結構為29m跨度的CLT桁架，用以替代傳統(tǒng)大跨建筑中的鋼桁架[3]（圖1,2）。但Vistek的工程師們也表明他們并非純粹的木材主義者，在這個項目中考慮到CLT與其他建筑材料或預制件之間的搭配，因此采用鋼制門式框架來降低工廠的設計成本和搭建難度[3]。除此之外，項目的墻壁及地板部分均使用XLam公司生產的CLT以最大可能地減少碳排放?？紤]到工業(yè)生產設計中廠房或倉庫對大跨度和施工速度的高要求，由CLT預制的重型木結構將在這一領域有積極的應用前景。

3.1.2 高層建筑

除了跨度，另一個大規(guī)模木結構建筑的發(fā)展方向便是高度。從歷史上看，在澳大利亞，由于缺乏提供結構支撐的內墻，木材通常不被考慮用于中高層商業(yè)建筑。然而，隨著工程木材的創(chuàng)新和CLT的快速發(fā)展，位于布里斯班25 King St 的開放式辦公綜合體得以落成，高10 層，共52m，是澳大利亞目前最高的重型木結構建筑（圖3）。建筑的平面布局為6m? 8m 的木結構網格[4]，材料則采用由歐洲云杉木制成的 CLT 墻、屋頂和地板，以及同樣材料的膠合木柱子和梁，其中部分梁通過單板膠合硬木來加固（圖4）。作為一棟商用寫字樓，建筑以其靈活高效的開放式平面布局吸引了不同需求的租戶。

此外，CLT材料得益于良好的耐火性能，還被用于25 King St 大廈的電梯井和逃生樓梯（圖5）。在建筑外部，大片玻璃幕墻表達了CLT木材的使用程度，室內則將木材和原材料暴露在外，整個建筑看上去像一個完全通透的大型木屋。與傳統(tǒng)混凝土建筑相比，隱藏碳含量減少了74%，能源消耗減少了46%，重量減輕了20%[5]。

談到施工周期，CLT的使用優(yōu)勢和劣勢其實是并行的。一方面，設計師和工人們需要仔細核查前期的檔案和圖紙數據，因為預制好的大型木結構往往很難在現場進行調整，需要采用多樣化的方法來解決設計、采購和服務以及施工前期出現的細節(jié)問題。另一方面，由于所有木材構件都是在場外制造的，可以有效減少浪費并方便運輸?，F場施工時，這些CLT預制件將顯著縮短施工時間。在這個項目中，平均每層僅用8天即可建造完成，施工時間總計僅15個月，與同類鋼筋混凝土建筑相比，減少了20%[4]。

1 Erina Warehouses 施工現場

2 Erina Warehouses 施工吊裝CLT 桁架

3 25 King St Tower

4 25 King St Tower 中CLT 的應用

5 25 King St Tower 中CLT 的應用

6 悉尼國際大廈中CLT 的應用

7 悉尼國際大廈中CLT 的應用

8 悉尼國際大廈中CLT 的應用

9 悉尼國際大廈中CLT 的應用

基于25 king St大廈在可持續(xù)建造上的杰出貢獻，它不僅獲得了6星級的設計與建造綠色建筑獎（Design and As Built Green Star rating），以及澳洲環(huán)保建筑（NABERS）下包括6星能源評級、4星水資源收集與重復利用評級在內的多個憑證，更是在2020年拿到了昆士蘭州首個白金級WELL 核心與外表皮認證（WELL Core and Shell Certification）[5]。

另一個同樣在可持續(xù)建造領域獲獎無數的大型木結構建筑則是悉尼國際大廈（International House Sydney），該項目不僅是 2017 年澳大利亞木材設計大獎（ATDA）中公共或商業(yè)建筑類別和可持續(xù)性類別獎項的獲得者，同時也是澳大利亞第一座商業(yè)工程木結構建筑。大廈的可持續(xù)性較之25 King St 大廈更勝一籌，地面之上的結構全部是木材，超過3 000m3的CLT涵蓋了樓板、柱子、墻壁、屋頂、電梯核心筒及樓梯立管等核心部位（圖6?9）[6]。這些可再生木材甚至有一些是由其他建筑工地中回收并曬干，然后重新碾壓成木板并返回工廠使用的。同時，預制的木結構構件也是通過螺栓固定在一起，意味著在項目壽命結束時這些木材構件可以被拆除并重新使用。材料和結構上的可持續(xù)性，使得悉尼國際大廈成為了迄今為止澳大利亞最接近凈零排放（Net Zero Emission）的商業(yè)建筑[6]（圖10,11）。

3.1.3 裝配式建筑

使用CLT結構組成單元化建筑的設計方法，最近在酒店、宿舍等大規(guī)模居住類建筑中愈發(fā)常見。位于塔斯馬尼亞大學的Inveresk學生公寓是2016年的澳大利亞木材設計大獎（ATDA）工程木材獎獲得者，它通過預制模塊化木結構建筑系統(tǒng)將120間獨立的學生公寓堆疊成三層樓高的大型建筑，且無需額外的支撐結構（圖12）。

項目的設計團隊為了實現發(fā)展當地C LT行業(yè)與創(chuàng)新的可持續(xù)設計這兩個目標，與塔斯馬尼亞大學建筑中心就可持續(xù)木材建筑展開了密切合作。他們使用當地工廠制造的CLT木材模塊，完成了包括支柱、框架、公寓地板、天花板的支撐結構、樓板、樓梯、屋頂桁架和屏風以及底層墻壁和立面的全部制作，并將他們拼合在一起作為一個完整的建筑模組，最終完成搭建[7]。由于CLT結構輕質靈活的屬性，建筑可以與大多數組件一起被拆除。獨立的模塊化公寓、模塊化屋頂和模塊化裝飾墻可以在另一個位置重復使用。木材在低碳概念的執(zhí)行、減少地基系統(tǒng)負荷的輕質結構和可再生資源的使用方面具備天然優(yōu)勢，它們的廣泛使用對實現建筑的可持續(xù)性目標起到了至關重要的作用。

同時，設計師還確保所有公寓都可以獲得最大的太陽能增益、交叉通風和隔熱效果，從而達到澳大利亞全國房屋能源評級計劃（NatHERS）的8 星級能源效率。相關模擬表明，與傳統(tǒng)住宅相比，這座學生公寓的能源消耗減少了三分之二[8]。

10 悉尼國際大廈

11 悉尼國際大廈內部結構

12 塔斯馬尼亞大學Inveresk 學生公寓

3.2 應用于建筑的外墻結構

3.2.1 作為裸露的結構立面

和悉尼國際大廈一樣，Macquariex 大學創(chuàng)意中心同樣是2017年澳大利亞木材設計大獎（ATDA）多個類別的獲得者（圖13）。在項目伊始，設計重點就被放在了建筑未來的拆卸、搬遷和重新組裝的可能性上，所以CLT等工程木材產品就因創(chuàng)新、預制化、快速施工和較小的施工誤差等特性而被選擇作為主要建筑材料。

整個創(chuàng)意中心的主次梁、樓板和屋頂都由CLT制成，立面的雙層玻璃木窗被安裝在結構橫梁之下[9]。設計團隊將木門窗集成到鑲板木立面中，一個個單獨的立面單元確保了建筑單元的預制程度，加快了整個立面方案從采購到施工的“一條龍”過程（圖14）。在這個項目中，由CLT木材打造的立面結構體現出預制程度高、施工速度快、制造誤差小和未來可拆除等優(yōu)勢，使得建筑的創(chuàng)新性與可持續(xù)性目標保持一致。

3.2.2 作為裝飾性立面

作為公共社區(qū)資源的一部分，The Dock 圖書館融合了自身傳統(tǒng)角色和當代社區(qū)中心的角色，在互動式的學習環(huán)境中增加了咖啡館、錄音室、會議和娛樂空間等，這樣靈活多變的空間組成同樣反映在與空間對應的立面效果上。來自維多利亞港南碼頭的不同再生木材構成了外立面CLT的部分，作為風格統(tǒng)一但顏色各異的裝飾性外立面與靠近碼頭的長廊相得益彰（圖15）。

使用這些木材的初衷是因為圖書館坐落在一個有著 75 年歷史的碼頭上，如果不額外打樁，它的結構將無法支撐鋼筋混凝土建筑的重量。為此，正交膠合木（CLT）、膠合木和回收硬木被大量使用以減輕建筑的整體重量，與混凝土和鋼材替代品相比，建筑重量約減少了30%[10]。

此外，木材的使用顯著減少了建筑的碳足跡。大約 50% 的木材干重是碳，并被儲存在材料的整個生命周期內，且比使用鋼筋混凝土等材料的能量消耗低。不僅如此，建筑的可持續(xù)性還包括被動通風、自然采光、低揮發(fā)性有機化合物和甲醛材料、雨水收集，屋頂還安裝了85kW 光伏電池板，可以滿足建筑約 30% 的電力需求。因此，根據澳大利亞綠色建筑委員會的公共建筑評級標準，The Dock圖書館獲得了綠色6星級評級[10]。

3.3 應用于建筑的室內裝飾

3.3.1 用于住宅建筑室內

與其他木材類似，CLT材質的自然美感和明亮屬性使得它們常常被用來做室內裝飾。位于維多利亞洲的一幢木結構住宅直接以CLT來命名，表明了設計者從一開始就打算采用CLT作為建筑材料的初衷（圖16）。

建筑整體采用T字形平面布局（圖17），屋內則采用裸露的未經處理的CLT木墻、地板和天花板作為內部裝飾，以保持質樸和自然之美，甚至木構件的螺絲部件也展示出連接系統(tǒng)的自然美感。諸如書架、書桌、樞軸門和酒吧單元等家具也由CLT制成，更加強調這一材料的使用。為了不打破木材這一裝飾元素的統(tǒng)一性，所有照明也都被集成在天花板橫梁和墻壁中。

從結構圖解中不難看出，CLT板材構成了整個房屋的主要部分（圖18），最明顯的外部特征是CLT鋸齒形屋頂形成了抒情又理性的韻律感。這些傾斜屋頂還集成了一個完整覆蓋的太陽能電池陣列，頂部的高側窗可以全天捕捉不斷變化的光線。大量CLT材料的使用以及被動式設計使建筑具有產碳量少、可持續(xù)性強、維護成本低等特點。據統(tǒng)計，用于該項目的CLT合計為147.601m3，制造這些CLT需要108棵原木材料，即森林木材每公頃產量的27%[11]。同時，項目隔離并儲存了259t碳，這些物質或能量可以在未來的生產建設中被繼續(xù)使用以達到可持續(xù)建設的目標。

13 Macquariex 大學創(chuàng)意中心

14 Macquariex 大學創(chuàng)意中心門窗單元

15 The Dock 圖書館

16 CLT House

17 CLT House 一層平面圖

18 CLT House 結構圖解

19 Strongbuild 總部室內CLT 應用

20 Strongbuild 總部室內CLT 應用

3.3.2 用于商業(yè)建筑室內

Strongbuild作為一家澳洲本土專注于工程木材建造的公司，其位于Bella Vista工廠的新總部被兼作工作區(qū)和陳列室。建筑室內裝飾大部分都是用膠合木和CLT工程木材建造，以向員工與客戶展示這些材料的設計潛力（圖19）。

對于他們來說，該項目為結構、裝飾和細部木材提供了完美的試驗場，柱子、橫梁、桁架、墻板和屋頂板都是用云杉CLT制成的，并暴露于室內（圖20）。其他家具則由塔斯馬尼亞黑木制成，深色的輪廓和醒目的紋理與較淺的云杉形成鮮明對比，使其成為長凳、鑲板和樓梯扶手的絕佳選擇。對于Strongbuild來說，他們堅信木材對工作場所的影響，暴露在室內的木材無論是外觀還是氣味都對員工們有明顯的鎮(zhèn)靜作用，營造出豐富多樣的、激勵員工創(chuàng)造更多生產力的工作場所[12]。

4 結語

綜上，CLT這一創(chuàng)新性低碳木質材料在可持續(xù)建筑領域有著獨特的優(yōu)勢。首先，它作為低碳時代的新材料，不僅可以減少建筑CO2的排放，也有著卓越的強度和韌性。CLT可以作為大跨度建筑中的桁架材料，也可以用于高層建筑中的承重內墻，其良好的耐火性和隔熱性可完美替代鋼筋混凝土，實現包含電梯井和消防樓梯的核心筒結構。其次，CLT作為靈活且輕質的模塊化預制木結構，很大程度減少了建造時間、施工誤差和運輸成本。CLT模塊既可以被用于快速建設低碳且牢固的大型建筑，也可以在拆除時回收再利用，實現澳大利亞對于可再生資源和持續(xù)性建造的愿景。最后，CLT依舊保持著傳統(tǒng)木材的紋理、質感和性能，無論是作為建筑的外立面、裸露的結構，還是內部裝飾，都有著獨特的自然美。同時，木材本身的固碳性也有助于大量吸收建設過程以及室內使用中產生的CO2。

可以看到，CLT技術在澳大利亞的可持續(xù)建筑市場具有很大的潛力。作為應對氣候變暖的重要策略之一，過去十年建筑行業(yè)在不斷地探索CLT設計和用途的各種可能性。未來，隨著人們對建筑需求的不斷增加，對CLT的需求將同步增長，CLT技術也將持續(xù)完善。針對結構性能的最優(yōu)化、木材的含水性、市場的進一步開發(fā)，以及施工前期材料預制細節(jié)等問題的研究和解決，也將影響著未來CLT技術對澳大利亞可持續(xù)建筑發(fā)展的作用。

圖片來源

1,2 來源于www.vistek.com.au

3?5 來源于文獻[5]

6?9 來源于www.archdaily.com

10,11 來源于文獻[6]

12 來源于文獻[7]

13,14 來源于文獻[9]

15 來源于www.claredesign.com.au

16 來源于www.fmdarchitects.com.au

17,18 來源于文獻[11]

19,20 來源于文獻[12]