當(dāng)代正交膠合木建筑的結(jié)構(gòu)與表層一體化設(shè)計(jì)策略研究＊

方澤儒 郭屹民

1 作為結(jié)構(gòu)表層一體化的正交膠合木板材

自19世紀(jì)50年代的“結(jié)構(gòu)理性主義”至20世紀(jì)70年代的“結(jié)構(gòu)表現(xiàn)主義”，再到20世紀(jì)90年代的“結(jié)構(gòu)建筑學(xué)”，結(jié)構(gòu)與建筑形態(tài)之間的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性在當(dāng)代已毋庸置疑。建筑的表層作為傳達(dá)建筑表情的媒介，毫無(wú)疑問(wèn)是最適宜于表現(xiàn)結(jié)構(gòu)建筑一體化的載體。這不僅能夠表現(xiàn)時(shí)下新興的技術(shù)力量與再現(xiàn)抽象隱匿的力學(xué)邏輯，也能在圖像上傳遞新時(shí)代作為“能指的狂歡”的信息化社會(huì)所具有的復(fù)雜含義[1]。

這樣一種特性在當(dāng)代新型木結(jié)構(gòu)正交膠合木（Cross-Laminated Timber，以下簡(jiǎn)稱CLT）結(jié)構(gòu)體系中得到了集中體現(xiàn)。CLT是指用至少三層針葉材或落葉材板，層與層之間垂直正交布置膠合而成的板型材（圖1），其在結(jié)構(gòu)、防火、熱工、環(huán)保等物理性能上的極大優(yōu)勢(shì)在近年已有大量國(guó)內(nèi)外研究證實(shí)[2?3]①。CLT作為建材最大的特點(diǎn)就是集約了良好的裝飾性能、結(jié)構(gòu)性能與熱工性能，并且可用于快捷施工的裝配式板片單元，同時(shí)作為空間要素與結(jié)構(gòu)要素而存在，使其具備如電腦建模般完全自由操作的可能性。

CLT的優(yōu)勢(shì)更在于其對(duì)木材單向力學(xué)性能的突破。在目前國(guó)家大力推行“雙碳”目標(biāo)的背景下，同樣具有固碳、儲(chǔ)碳作用的CLT在結(jié)構(gòu)性能上超越了GLT、LVL等新型重木結(jié)構(gòu)。由于不同順紋層板的垂直布置，板材在面內(nèi)雙向都具有同樣的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度，這使得原本各向異性的木材材料特性得到本質(zhì)上的突破。根據(jù)研究，CLT板材作為建材使用時(shí)，板坯尺寸最大可達(dá)寬4.8m、長(zhǎng)30m，厚度可在60～500mm區(qū)間（一般以30mm為模數(shù)），板材各向均質(zhì)，可自由開(kāi)洞且對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響甚微[2]。當(dāng)CLT板材由5層板組成、厚度在150mm以上時(shí)，即可當(dāng)作承重墻使用，本身的剛度足以承受豎向和側(cè)向的荷載，主要的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)也是位于連接構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)上。

當(dāng)CLT板材形成整體架構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)特性與板材大小、組合關(guān)系密切相關(guān)。CLT采用大板材組合情況下，面板尺寸大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，在上部可直接開(kāi)洞，整體剛度大（圖2）。與之相對(duì)的，CLT采取小板材組合方式時(shí)，其最小尺寸可以僅為一塊紅磚大小，既能做主體結(jié)構(gòu)，也可以混合其他結(jié)構(gòu)作為耐震壁等輔助結(jié)構(gòu)使用，在這個(gè)情況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，延性較高（圖3）。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)CLT抗震實(shí)驗(yàn)已證明，多塊小板材組合的模式相比于少量大板材組合的模式剛性較弱、延性較強(qiáng)[4?6]。因此CLT構(gòu)件雖然極具剛性，但是又能夠通過(guò)多節(jié)點(diǎn)、柔性連接的方式實(shí)現(xiàn)類似古代木構(gòu)中的“冗余度”[7]②。這種分工明確的結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的關(guān)系，自然而然地導(dǎo)向了建筑形態(tài)——一種基于不同板材單元組合又能夠滿足節(jié)能、結(jié)構(gòu)需求的自由設(shè)計(jì)與建造。

1 CLT 板材單元組成方式

2 CLT 大板材與小板材組合方式

3 CLT 大板材與小板材組合方式

2 CLT板材的表層構(gòu)成方式

國(guó)內(nèi)囿于政策法規(guī)對(duì)樹(shù)林砍伐的限制與思想觀念上的保守——一方面國(guó)內(nèi)木建材依賴進(jìn)口、成本極高；另一方面也對(duì)木結(jié)構(gòu)有認(rèn)知偏見(jiàn)，認(rèn)為其不安全、不環(huán)?！拗屏薈LT等新型木構(gòu)的大規(guī)模推廣，研究也多限于對(duì)結(jié)構(gòu)等性能的分析③。相比之下，日本、英國(guó)、加拿大、美國(guó)、瑞士等國(guó)家在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)了CLT的特點(diǎn)以來(lái)就逐步開(kāi)展研究，并于近10年開(kāi)展了相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)踐、性能研究以及規(guī)范制定，已形成了相對(duì)完善的體系，為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究提供了大量參考案例與文獻(xiàn)資料。本文篩選了以日本、英國(guó)為主的92個(gè)已建成的國(guó)外CLT實(shí)例[8?10]，通過(guò)將CLT板材和表層形態(tài)的關(guān)系類型化，歸納其在外圍護(hù)墻體上的構(gòu)成方法。因?yàn)榘咐龜?shù)量眾多，本文僅挑選具有代表性的案例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

由于作為建筑表層的外墻空間化已成定勢(shì)，表層墻體不僅在于一個(gè)單純的基準(zhǔn)面，而是作為一個(gè)有進(jìn)深與外延的三維整體呈現(xiàn)[11]④，因此需要從平面、立面兩個(gè)維度對(duì)案例進(jìn)行討論。首先，依據(jù)平面上板材的布置方向?qū)咐齽澐譃槊鎸捫?、進(jìn)深型、空間型三類。在此基礎(chǔ)之上，每一個(gè)平面類型內(nèi)又可根據(jù)不同的立面構(gòu)成細(xì)分為8個(gè)小類。其中面寬型包括豎帶式、斜帶式、橫帶式、棋盤式、均布式；進(jìn)深型包括直交式與斜交式；空間型不進(jìn)行細(xì)分。8種構(gòu)成類型的平立面與軸測(cè)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表1，下面進(jìn)行具體分類討論。

2.1 面寬型

在樓板邊緣的基準(zhǔn)面內(nèi)，CLT 板材作為一種面型構(gòu)件，在立面上的構(gòu)成關(guān)系可由板材單元之間的拼接進(jìn)行區(qū)別。拼接關(guān)系包括“豎向、橫向、斜向、無(wú)拼接”四種方式，依此大體上可分為以下五類。

（1）豎帶式

豎帶式是指CLT板材單元以豎向拼接為主，在立面上形成規(guī)則的豎向條帶分布狀的構(gòu)成類型。在豎帶式構(gòu)成的建筑中，住宅、公寓、小型事務(wù)所、大型辦公總部兼而有之。雖同為豎向構(gòu)成，其立面表達(dá)方式卻略有差別，相同點(diǎn)僅在于豎向板材都能夠起到橫向抗側(cè)與豎向承重的結(jié)構(gòu)作用。

在英國(guó)林肯郡格蘭瑟姆的林地信托總部大樓（Woodland Trust Headquarters）中，外立面上寬窄不一的長(zhǎng)條板材的羅列，實(shí)現(xiàn)了輕盈通透的外表（圖4）。這種做法一方面實(shí)現(xiàn)了外圍護(hù)上條帶式的抗側(cè)結(jié)構(gòu)作用，另一方面又形成了大量豎向長(zhǎng)窗，使得大樓的CLT部分成為一個(gè)能夠自然吸熱、散熱的“換熱器”。在CLT盒子的背面即是大樓的鋼筋混凝土部分，兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、熱工的集中效益，并在立面形式上得到了統(tǒng)合（圖5）。

具有此類效益的做法在酒店公寓、住宅中也可發(fā)現(xiàn)。在日本愛(ài)知縣的手工之家中，多塊尺寸為1 000mm? 3 000mm? 150mm的板材拼合成輔助性的耐震壁顯露在外表，其主體結(jié)構(gòu)為木框架，整體形象表現(xiàn)為大面積落地窗與實(shí)墻的結(jié)合（圖6）。在日本福島縣西白河郡阿伯熊水療酒店、靜岡縣濱松市白俄羅斯共同住宅等案例中，除CLT豎向表達(dá)以外的部分也多以大面積開(kāi)窗為主（圖7）。更有甚者，如高知縣高知市的ST柳町Ⅰ，將玻璃幕墻作為氣候邊界，而具有雙向結(jié)構(gòu)作用的豎向板材則退于幕墻之后，這一做法反而使得CLT不再需要構(gòu)造層，將材質(zhì)本身顯露出來(lái)（圖8）。

除了低/多層建筑，豎帶式構(gòu)成也出現(xiàn)于高層建筑，即將CLT板材與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，作為輔助抗震的二級(jí)結(jié)構(gòu)。在高達(dá)7層的日本高知縣香南市廳舍中，就是通過(guò)金屬構(gòu)件將CLT與RC框架梁連接起來(lái)，墻在內(nèi)部豎向?qū)ξ贿B續(xù)，并透過(guò)玻璃幕墻顯示在外觀上（圖9,10）。此做法也可見(jiàn)于位于日本東京都千代田區(qū)的14層高的神田駿河臺(tái)公寓，只不過(guò)在這里用特殊的鋸齒形構(gòu)造咬合CLT和RC框架，不再需要金屬構(gòu)件，避免了節(jié)點(diǎn)成為結(jié)構(gòu)薄弱處（圖11,12）。

4 林地信托總部大樓

5 林地信托總部大樓

6 手工之家

7 白俄羅斯共同住宅

8 ST柳町Ⅰ

9 香南市廳舍

10 香南市廳舍

表1 CLT 表層墻體構(gòu)成方式

（2）斜帶式

顧名思義，斜帶式是CLT板材在立面上以斜向條帶分布為主的構(gòu)成類型，板材與板材間的拼接仍然以豎向?yàn)橹?。斜向式?gòu)成由于板材、洞口皆不規(guī)則的特殊性，預(yù)制成本較高，在實(shí)例中較少見(jiàn)。

在日本北海道士別市Itoi集團(tuán)控股公司新辦公樓中，CLT斜向板材交錯(cuò)成V形并重疊剪力墻被重復(fù)運(yùn)用（圖13）。這在結(jié)構(gòu)上同時(shí)具備豎向和橫向作用，一方面實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部完全無(wú)柱的大辦公空間，另一方面則在建筑表層將公司的商標(biāo)圖像化、物質(zhì)化，具有符號(hào)學(xué)層面的象征性，可謂一石二鳥(niǎo)。CLT在內(nèi)部空間完全暴露，發(fā)揮了木材天然的裝飾作用，在外部則由于保溫、隔熱等構(gòu)造層的存在，需要有木色裝飾面來(lái)暗示與再現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身。

（3）橫帶式

橫帶式與豎帶式相對(duì)，是橫向拼接CLT板材來(lái)形成橫向條帶板與條窗的構(gòu)成類型。此類型由于無(wú)法發(fā)揮CLT在結(jié)構(gòu)上的雙向作用，僅能起到類似圈梁的效應(yīng)，在實(shí)例中也極少見(jiàn)。

位于英國(guó)倫敦的帷幔商住公寓（Curtain Place）是此類構(gòu)成的典型，其一至三層的CLT呈現(xiàn)為明顯的橫帶式布置。這個(gè)做法得益于其一至三層的鋼結(jié)構(gòu)加CLT的混合結(jié)構(gòu)模式，主體的鋼結(jié)構(gòu)框架使得CLT墻板不需要承受豎向荷載，而僅僅作為輔助結(jié)構(gòu)外圍護(hù)體而存在，使得底部獲得了開(kāi)放的辦公空間（圖14）。與之相對(duì)，四至六層是純CLT結(jié)構(gòu)，可以看到典型的均布式構(gòu)成，這一類型會(huì)在下面詳細(xì)描述。在這里，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的功能需求，并直接反映在了建筑表層上（圖15）。

（4）棋盤式

棋盤式是指將規(guī)則的CLT板材在立面上斜向布置，相互間隔形成如棋盤般錯(cuò)落布置的形式。這一類型的構(gòu)成與結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系明確，基本作為抗震、抗側(cè)的二級(jí)結(jié)構(gòu)而存在，不具備承載豎向荷載的作用。

例如在日本兵庫(kù)縣林業(yè)會(huì)館的設(shè)計(jì)中，為滿足嚴(yán)格的防火需求，采用鋼框架加CLT耐震壁的混合結(jié)構(gòu)，在立面上表達(dá)為退于幕墻之后的棋盤式（圖16）。在這里，CLT小板材作為一種抗側(cè)補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件，間隔并規(guī)律地內(nèi)嵌于鋼柱跨間，在力學(xué)上形成類似于斜撐的抗側(cè)效應(yīng)。外幕墻的設(shè)置及防火需求的滿足使得板材不再需要覆蓋防火涂料，CLT原始的外觀直接成為外立面上的點(diǎn)綴，是一種抗震形態(tài)的表達(dá)。在國(guó)內(nèi)CLT研究還處于起步階段的背景下，相比于純粹的CLT建筑，這類主體結(jié)構(gòu)加CLT二級(jí)結(jié)構(gòu)的做法似乎更值得學(xué)習(xí)和提倡。

（5）均布式

將CLT板材在各向進(jìn)行拼接形成完整連續(xù)的整體墻面，這一構(gòu)成為均布式。由于均布式最大程度上發(fā)揮了CLT雙向的結(jié)構(gòu)性能，類似于一整面自重較輕的剪力墻，并且極其便于自由設(shè)計(jì)、裝配式制作與施工，被大量用于宿舍、公寓、學(xué)校等，是已建成實(shí)例中應(yīng)用最多的類型。

由于均布式的板材單元性強(qiáng)、預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的特點(diǎn)，其立面構(gòu)成幾乎都是扁平、規(guī)律的，在外立面上顯得單調(diào)而呆板，極大程度上成為一種產(chǎn)品式的存在。為破除這一特點(diǎn)，一方面可以在飾面層上進(jìn)行豐富，另一方面則可以在板材、洞口的形狀與分布上進(jìn)行相對(duì)自由的組織。

在2014年建成的英國(guó)第一座CLT高層建筑默里格羅夫聯(lián)公寓（Stadthaus，又名Murray Grove）中，2 500塊標(biāo)準(zhǔn)CLT板以像素單元的方式均布在外墻上，導(dǎo)向一種無(wú)凹凸的扁平化立面風(fēng)格（圖17）。由于內(nèi)部住房單元的限制，外立面窗洞完全是均勻排布的，而像素式板材單元的外部裝飾層幫助破除了這一特點(diǎn)。然而，并非所有扁平化的外圍護(hù)體都能夠有這樣的外觀效果，在本文分析的92個(gè)案例中，均布式占據(jù)46個(gè)，半數(shù)以上案例靠裝飾層美化立面的效果只能說(shuō)差強(qiáng)人意。

因此在均布式構(gòu)成中，洞口的自由組織或成為更好的選擇。在英國(guó)肯特郡的希爾頓格蘭格預(yù)備學(xué)校（Hilden Grange Prepatory School）的擴(kuò)建項(xiàng)目中，一種以大小洞口組合的扁平化自由立面被展現(xiàn)出來(lái)（圖18）。對(duì)于教室內(nèi)部的采光需求，設(shè)計(jì)師霍金斯和布朗（Hawkins、Brown）采取的是在外墻和屋頂上打開(kāi)多個(gè)小窗洞的形式，這種建筑立面語(yǔ)言呈現(xiàn)出抽象、不確定的圖形特征，是一種二維的當(dāng)代信息化特征的表達(dá)。在結(jié)構(gòu)層面，隨機(jī)的窗洞位置并不影響板材的力學(xué)性能，無(wú)論是豎向還是橫向荷載都可以輕松消納，最終達(dá)到了簡(jiǎn)潔、豐富的結(jié)構(gòu)表層一體化的效果。再如英國(guó)斯托漢姆郡洛福特的亨賽特磨坊（Hunsett Mill），其相對(duì)復(fù)雜的表層由形狀各異、大小不同的CLT板材拼合而成（圖19,20）。只不過(guò)這樣的做法預(yù)制單元多、成本較高，而且板材受力不連續(xù)，無(wú)法適用于大部分建筑物。如果改用相對(duì)規(guī)整的大小板材組合，則能解決這個(gè)問(wèn)題。

11 神田駿河臺(tái)公寓

12 神田駿河臺(tái)公寓

13 Itoi 集團(tuán)控股公司CLT 新辦公樓

14 帷幔商住公寓

15 帷幔商住公寓

17 默里格羅夫聯(lián)公寓

18 希爾頓格蘭格預(yù)備學(xué)校

2.2 進(jìn)深型

在建筑的表層，結(jié)構(gòu)不僅可以順著面寬方向，也可同時(shí)垂直于樓板邊緣的基準(zhǔn)面布置，共同組成外圍護(hù)體。這里可根據(jù)CLT與基準(zhǔn)面的直交與斜交關(guān)系來(lái)分類，圍護(hù)邊緣基準(zhǔn)面的可以是CLT板、玻璃幕墻或其他材料，甚至在一些特殊的建筑類型里沒(méi)有氣候邊界存在。

（1）直交式

直交式即處于樓板邊緣外的CLT板材與基準(zhǔn)面垂直的布置方式。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，純CLT結(jié)構(gòu)建筑的布置大都為垂直相交方式，但外墻內(nèi)的垂直墻體并不能作為建筑表層來(lái)看待，因此直交式的垂直墻體多數(shù)是位于外墻之外。在結(jié)構(gòu)效應(yīng)上，此類型相比于面寬型構(gòu)成在進(jìn)深方向多了抗側(cè)作用，在空間形態(tài)方面更便于豐富表層空間層次，增加外與內(nèi)之間的灰空間。

在日本高知縣高岡郡的津野町森林組合事務(wù)所中，CLT板材在外墻外以1 900mm左右的窄間距垂直排布（圖21）。這主要與屋頂特殊的桁架結(jié)構(gòu)相關(guān)，為實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部的7m跨度，設(shè)計(jì)師采取了以12m長(zhǎng)、150mm厚的CLT板材為上弦，木梁為下弦的空間桁架梁作為樓板與屋頂架構(gòu)（圖22），而外部的垂直板材正是支撐木梁的板柱。這些板柱在結(jié)構(gòu)方面正好補(bǔ)足了進(jìn)深向的抗側(cè)力，在空間與形式上CLT材料的直接外顯暗示著建筑的結(jié)構(gòu)體系，是對(duì)CLT的創(chuàng)新性運(yùn)用。

直交式也可通過(guò)玻璃幕墻進(jìn)行抗震形態(tài)的表達(dá)。在坂茂設(shè)計(jì)并于2021年11月建成的日本愛(ài)知縣名古屋市塔馬迪克名古屋大廈中，直交式形態(tài)同時(shí)在建筑的兩個(gè)臨街面顯露（圖23）。在這個(gè)案例中，主體結(jié)構(gòu)雖為RC結(jié)構(gòu)，但CLT同時(shí)作為施工中的混凝土墻澆筑模板與最后的輔助抗震結(jié)構(gòu)存在，最大尺寸為3 900mm? 950mm? 150mm。這使得CLT作為混凝土結(jié)構(gòu)的表層，具有裝飾、防火、抗震與快速施工的集合功效，暴露于外部的CLT柱板與樓板形成了均質(zhì)化的網(wǎng)格布置，透過(guò)玻璃幕墻又可直接看到柱板形態(tài)，可以說(shuō)是對(duì)材料的完美利用與呈現(xiàn)。

然而，并非所有直交式的案例都有類似的巧妙做法。大部分案例的外露垂直板材只是作為整體垂直墻板的外延，就結(jié)構(gòu)外顯與進(jìn)深向的抗側(cè)而言是有效的，但外觀效果平平。其中做法較好的是日本高知縣南國(guó)市森連會(huì)館，主體為木框架結(jié)構(gòu)與CLT結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)體系，外部突出的CLT垂直板材在內(nèi)外起到了空間劃分與結(jié)構(gòu)的雙重作用，相對(duì)大的體量也使立面變化較豐富（圖24,25）。與之相對(duì)，日本的一些CLT共同住宅，垂直墻板突出作為側(cè)墻延伸，僅僅形成陽(yáng)臺(tái)與外廊，整體顯得呆滯而笨重。

（2）斜交式

CLT板材與樓板邊緣非垂直相交的布置方式為斜交式，往往能直接影響建筑的整體形態(tài)。由于斜交方式一方面很容易產(chǎn)生墻體偏心布置，影響整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度，另一方面空間易形成不規(guī)則分隔而影響使用，因而在實(shí)例中較為少見(jiàn)，主要見(jiàn)于亭、廁所等小體量服務(wù)建筑中。

19 亨賽特磨坊

20 亨賽特磨坊

21 津野町森林組合事務(wù)所

22 津野町森林組合事務(wù)所

23 塔馬迪克名古屋大廈

24 森連會(huì)館

25 森連會(huì)館

日本岡山縣真庭市的JR久世站前露臺(tái)是斜向偏心布置的典型案例。這個(gè)臨時(shí)性的建筑僅用三面最長(zhǎng)為1.2m的CLT板來(lái)支撐三塊屋面板，施工時(shí)間僅需半天。在這里，斜交的做法大量減少了墻體數(shù)量，也兼顧了CLT墻體的保養(yǎng)與維護(hù)，將其藏于屋頂之下，同時(shí)還退讓出了休息平臺(tái)，一舉三得（圖26）。與之類似的還有位于日本山口縣防府市的風(fēng)車學(xué)校，建筑外部使用的最大板材尺寸達(dá)到2 500 mm? 11 500 mm? 210mm，并且直接貫通二層形成斜向偏心布置（圖27）。板與板之間的“縫隙”形成采光口，不同基準(zhǔn)面的板材組合則形成外部陽(yáng)臺(tái)與灰空間，這些直接導(dǎo)向不規(guī)則的表層空間，也體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)本身。

斜交做法也有少量對(duì)稱布置的實(shí)例。在日本高知縣吾川郡的縣營(yíng)宇治團(tuán)地集會(huì)所中，斜向板材均勻?qū)ΨQ地位于四個(gè)角上，形成四面坡的角部板柱（圖28）。此做法在CLT臨時(shí)性休憩建筑也多有表現(xiàn)，只是對(duì)稱布置的做法如無(wú)精致的細(xì)節(jié)支撐，常常較為平淡。

2.3 空間型

空間型實(shí)例中，CLT板材的布置方式無(wú)法從面寬與進(jìn)深兩個(gè)維度來(lái)簡(jiǎn)單描述，往往互相組織形成總體空間架構(gòu)。這一架構(gòu)類型就像以往的空間結(jié)構(gòu)，以板材為基本構(gòu)件形成類似張弦梁、折板梁、井字梁、桁架、拱殼等結(jié)構(gòu)體，是對(duì)CLT板材結(jié)構(gòu)和形式特性的創(chuàng)新應(yīng)用（圖29?31）。在安格斯x Jx 麥克唐納的論述中，空間型架構(gòu)能夠使得構(gòu)件內(nèi)彎曲內(nèi)力大幅度減少而只受軸向內(nèi)力，從而由“非活性模式構(gòu)件”轉(zhuǎn)為“活性模式構(gòu)件”[12]⑤，結(jié)構(gòu)效率大大加強(qiáng)。但在CLT板材運(yùn)用中，以小板材組合形成的空間結(jié)構(gòu)雖然能夠更好地發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)跨度突破與增加抗震冗余度，但目前無(wú)論是連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造還是施工方式都尚未成熟，復(fù)雜的形態(tài)也難以發(fā)揮CLT的熱工性能優(yōu)勢(shì)，綜合考慮未必是一種更優(yōu)的選擇。

空間型構(gòu)成首先可以在墻體上形成構(gòu)架，將結(jié)構(gòu)形態(tài)直接作為表皮呈現(xiàn)。如日本岡山縣真庭市銘建工業(yè)總部事務(wù)所中，V字形CLT梁板作為架構(gòu)支撐上部折板屋頂，結(jié)合玻璃幕墻形成格構(gòu)式的立面（圖32,33）。相似的做法在日本高知縣高知市自治會(huì)館新廳舍里也能看到，CLT在建筑的三至六層被作為線性構(gòu)件使用，形成斜向交叉支撐的格構(gòu)式耐震壁，同樣在玻璃幕墻后顯露出來(lái)（圖34,35）。

除在外墻上的表現(xiàn)，空間型構(gòu)成更多地被作為建筑整體形態(tài)與結(jié)構(gòu)。在神奈川縣橫濱市的實(shí)驗(yàn)建筑“T”型木材空間中，門字型剛架的單邊變形使得垂直的板材主要承載豎向荷載，傾斜的板材主要抗側(cè)（圖36）。單榀門字框架板材之間采用鉸接，同時(shí)榀與榀之間采用銷接并列布置，最終形成了可以無(wú)限延展的類似巨型空間桁架的架構(gòu)。在板與板之間的交錯(cuò)下，柔和的漫射光投射入內(nèi)部，使室內(nèi)也成為結(jié)構(gòu)、空間一體化的表達(dá)。

26 JR 久世站前露臺(tái)

27 風(fēng)車學(xué)校

28 縣營(yíng)宇治團(tuán)地集會(huì)所

3 CLT結(jié)構(gòu)表層一體化的應(yīng)用策略

29 CLT 板材形成的空間架構(gòu)

30 CLT 板材形成的空間架構(gòu)

基于上述CLT實(shí)例可以得出基本的表層構(gòu)成類型，但就結(jié)構(gòu)與表層一體化的應(yīng)用，還需進(jìn)一步分析外觀、結(jié)構(gòu)的重要影響因素。下面從這兩方面綜合考慮，篩選出四類分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)92個(gè)案例進(jìn)行綜合歸納（表2）。

3.1 CLT板材規(guī)則性與拼接組合方式

除了受到運(yùn)輸條件制約外，CLT板材的大小規(guī)格、形狀與組合方式均比較靈活。在已有案例中，板材的分類可按三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）規(guī)則性：依據(jù)板材是否方正規(guī)整，可分為規(guī)則與不規(guī)則兩種類型。

31 CLT 板材形成的空間架構(gòu)

（2）拼接方向：按照板材之間的拼接方向，有豎向、橫向、斜向與無(wú)拼接四類。

（3）組合方式：按照板材尺寸與拼接洞口的方式，分為大板組合與小板組合兩種類型。

規(guī)則性板材在設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)效應(yīng)上一般優(yōu)于不規(guī)則板材，但不規(guī)則板材相對(duì)更有表現(xiàn)力；拼接方向決定了立面構(gòu)成類型；小板材與大板材組合在外觀表現(xiàn)上不明顯，結(jié)構(gòu)效應(yīng)則各有優(yōu)勢(shì)，在前文已有論述。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

CLT作為結(jié)構(gòu)單元，既可以自身形成純粹的CLT結(jié)構(gòu)整體，也可以與鋼、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等共同形成混合結(jié)構(gòu)體系。在純粹CLT結(jié)構(gòu)中，CLT板材間通過(guò)金屬構(gòu)件連接。混合結(jié)構(gòu)中，CLT則需要通過(guò)金屬連接件、拉桿、阻尼器或特殊構(gòu)造等與原有框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以增強(qiáng)原有結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。上述案例的結(jié)構(gòu)體系主要有四類：純CLT結(jié)構(gòu)、CLT與鋼結(jié)構(gòu)混合、CLT與鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)混合、CLT與木結(jié)構(gòu)混合。

3.3 受力機(jī)制

CLT處于表層的情況下，所承受荷載可分為承重與抗側(cè)的雙向軸向受力與僅做抗側(cè)的單向軸向受力。在空間型構(gòu)成的板材受力中則出現(xiàn)了第三維彎曲內(nèi)力，這三種受力機(jī)制下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)有所不同。

3.4 外觀要素

CLT板材本身雖然具備較好的熱工、防火等性能，也具備裝飾屬性，但為適應(yīng)地域氣候與規(guī)范要求等，在CLT墻體外附加構(gòu)造層是常見(jiàn)做法。而建筑表層也不會(huì)僅有CLT單一要素，而是如所有建筑一樣由多種要素形成。在案例中，影響外觀形式的要素有CLT板材、門窗洞口、裝飾面層、陽(yáng)臺(tái)等非結(jié)構(gòu)要素，以及除CLT以外的其他結(jié)構(gòu)要素。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可將CLT表層構(gòu)成類型與92個(gè)案例進(jìn)行分析，其中加粗部分為本文中詳細(xì)介紹的案例（表3）。

4 結(jié)語(yǔ)

最后，本文根據(jù)前述分析，就CLT建筑結(jié)構(gòu)表層一體化設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論：

（1）面寬型構(gòu)成類型

在純CLT建筑中，CLT板材構(gòu)件需要保持規(guī)整并進(jìn)行單向或雙向的拼接，以保證其作為表層形態(tài)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，為方便施工多以小板材組合為主；CLT與其他結(jié)構(gòu)混合的情況下，主要作為二級(jí)結(jié)構(gòu)起到抗側(cè)作用，拼接方式相對(duì)自由。此外，為保證表層形態(tài)的豐富與CLT板材的長(zhǎng)壽性，立面上多以裝飾材料與其他形態(tài)要素為主，CLT不直接顯露。

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

32 銘建工業(yè)總部事務(wù)所

33 銘建工業(yè)總部事務(wù)所

34 高知縣自治會(huì)館新廳舍

35 高知縣自治會(huì)館新廳舍

36 “T”型木材空間

表3 92 個(gè)案例分析匯總

（2）進(jìn)深型構(gòu)成類型

進(jìn)深型構(gòu)成中，以大小板材組合或小板材組合為主，形狀同樣應(yīng)保持規(guī)整。結(jié)構(gòu)體系以純CLT為主，板材需要結(jié)合屋頂或形成雙向布置才能獲得有效的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，且在不規(guī)則布置的情況下需要注意抗扭剛度。同時(shí)，進(jìn)深型易于形成檐下空間，對(duì)CLT墻板能起到保護(hù)作用，因此外觀上可以直接暴露，不做裝飾層。

（3）空間型構(gòu)成類型

空間型構(gòu)成中，多用不規(guī)則的CLT板材斜向拼接形成三維組合，將表層墻體與屋頂結(jié)合布置會(huì)形成更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。此類型不易于形成完整的氣候邊界，因此CLT在玻璃幕墻之內(nèi)，可以不做裝飾層。

適宜于材料特性的有效形式表達(dá)，是自古以來(lái)建筑結(jié)構(gòu)承載的使命。正如磚適宜于拱券、鋼適宜于桁架一樣，CLT這一以面型板材為結(jié)構(gòu)單元的材料也應(yīng)找到屬于自身的表現(xiàn)形態(tài)。在全球可持續(xù)建筑、舊建筑改造的熱潮與國(guó)內(nèi)碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)下，CLT這種新型綠色建材無(wú)疑是屬于未來(lái)的革命性材料。對(duì)CLT表層形態(tài)和結(jié)構(gòu)關(guān)系的考量，將讓我們重新審視木材這一中國(guó)傳統(tǒng)建筑材料作為結(jié)構(gòu)要素和建筑表情的潛力。

注釋

①目前加拿大、美國(guó)、瑞典、日本、中國(guó)等都已有CLT 綜合手冊(cè)，其中以加拿大版本最為全面細(xì)致，詳細(xì)綜述了CLT 在結(jié)構(gòu)、保溫隔熱、隔聲、防火、防潮、施工建造方面的性能與方式，并以全世界的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)踐進(jìn)行佐證。

② 根據(jù)內(nèi)藤?gòu)V在《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)講義》（參考文獻(xiàn)[7]）中木結(jié)構(gòu)一節(jié)所述，東亞以榫卯連接形成的木構(gòu)體系與西方精準(zhǔn)的桁架體系不同，是極具冗余度的、模糊又柔軟的結(jié)構(gòu)體系，而目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件尚未能實(shí)現(xiàn)對(duì)此類結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算。

③此結(jié)論根據(jù)國(guó)內(nèi)CLT 相關(guān)文獻(xiàn)綜述所得。

④ 對(duì)外墻的空間化理論證明詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]，下文研究建筑外圍護(hù)墻體的論文多引用此觀點(diǎn)。

⑤“活性模式構(gòu)件”是安吉爾（Engel）1976 年于《結(jié)構(gòu)體系》（Structure Systems）中提出的概念，主要依據(jù)構(gòu)件是否僅受軸向力判定。麥克唐納引用此概念對(duì)結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)力關(guān)系進(jìn)行分類討論，詳見(jiàn)《結(jié)構(gòu)與建筑》第四、五章（參考文獻(xiàn)[12]）。

圖片來(lái)源

1?3 作者自繪

4,5,13?15 來(lái)源于文獻(xiàn)[8]

17?20,27 來(lái)源于文獻(xiàn)[8]

6?12,16 來(lái)源于文獻(xiàn)[9]

21?26,28?36 來(lái)源于文獻(xiàn)[9]

表格來(lái)源

1?3 作者自繪