竹中工務店對中高層木結構建筑的探索與展望

花井厚周

如今，木結構建筑已成為世界潮流。但是，今天的我們?yōu)槭裁催x擇了它呢？因為它能推動社會可持續(xù)發(fā)展的進程，回應氣候變化，實現(xiàn)低碳乃至零碳社會的目標。樹木在生長過程中吸收二氧化碳，而林業(yè)采伐是一種固碳的手段。因此，木材這種可再生資源的使用對于實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展是不可或缺的。

當前，全球正處于SDGs和ESG投資時代，在實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展和應對氣候變化的背景下，節(jié)能環(huán)保的木結構建筑正在成為世界的潮流。2016年，竹中工務店確立了“通過城市建設實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會”的CSR愿景，并領先于其他企業(yè)，率先成立了推進木結構及木質建筑的專項部門，旨在實現(xiàn)中高層木結構建筑的建設，并擴大其市場版圖。2020年10月，日本政府宣布了2050年實現(xiàn)溫室氣體“總體零排放”的碳中和目標。為實現(xiàn)此目標，除了傳統(tǒng)的小規(guī)模木結構住宅外，今后日本對木材使用量更大的非住宅類高層木結構建筑的需求將會進一步擴大。

本文將介紹竹中工務店關于CLT等木結構技術的開發(fā)與相關滿足日本特有條件的中高層木結構建筑項目實例，并展望與擴展與高層木結構建筑相關的課題。

1 日本的法規(guī)

1.1 日本以往特有的災害

過去在日本，建筑物大多數(shù)用木材建造，而大部分地區(qū)都處在地震、臺風頻發(fā)的區(qū)域中。因此，日本城市地區(qū)的木結構建筑，經常遭受臺風、大地震（如關東大地震）以及震后大規(guī)?；馂牡戎卮鬄暮Α４送?，受第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)火殃及，日本城市中的建筑物大多也都被損毀。

1.2 木結構建筑的限制

在此背景下，為了實現(xiàn)城市建筑防火的目標，日本政府在1950年制定了《建筑基準法》?；诋敃r的法規(guī)，日本的大部分城市地區(qū)都被指定為防火區(qū)，除了小型建筑物，其他建筑的建造都需要滿足防火規(guī)范要求，比世界其他國家都要嚴苛。因此長期以來，除了小型住宅以外的其他建筑都不能使用木結構建造。直到 2000年《建筑基準法》被修改，木結構才允許被用于防火建筑物。

1.3 日本特有的防火建筑物

在日本以外的國家，建筑物在發(fā)生火災時的防火性能要求是根據(jù)建筑物的規(guī)模和用途不同制定，只要建筑物內的人能夠在規(guī)定時間內安全疏散，建筑物的坍塌是可以接受的。在具體的設計中，允許部分結構件的損失，只要確保建筑物由未被火災摧毀的剩余結構截面來支撐。

日本特有的防火要求規(guī)定在正?；馂慕K止之前，建筑物不能倒塌或坍塌。具體來說，設計時需確保結構件不被燒毀，并能持續(xù)支持其自身的重量，直到火災結束。此外，根據(jù)建筑的不同部分（柱、梁、墻和樓板）以及從建筑頂層開始計算的樓層數(shù)，各部分的防火性能規(guī)定也不相同（表1）。

2 竹中工務店的專利技術

Moen-Wood”防火集成材的開發(fā)

2.1 防火技術

法隆寺是日本最古老的木結構建筑。自古以來，日本木建筑的結構件大多暴露在外，沒有用裝飾材料覆蓋。木材的香氣和溫和的觸感是日本人一直追求的。因此，在使用木材建造時，大家都希望盡可能表現(xiàn)木結構，使其成為空間的一部分。

正如前文所述，日本法律規(guī)定4層以上的建筑必須具有防火性能，因此開發(fā)防火集成材對于實現(xiàn)中高層木結構建筑而言是至關重要的。防火集成材可分為覆蓋型、鋼混型、化學處理型三種主要類型（圖1）。

第一種覆蓋型，指用石膏等防火涂層對承重部分進行覆蓋。木質部分被隱藏后，需要在防火涂層外添加木質裝飾材料，以實現(xiàn)木材質感。此外，由于石膏耐水性不強，所以在施工過程中必須進行養(yǎng)護，以免受潮。或者在外墻結構完工后，在裝修階段再安裝石膏，對施工工序的安排產生了制約。

第二種鋼木混合型，指在鋼構件外部包裹木材，以取代防火層。然而，這種技術是為鋼結構而服務，與木結構無關。

第三種化學處理型，是在承重部分的外部附上經過防火劑化學處理的木材構件，以形成一個防火層。該技術的缺點是防火性能難以評估，后期維護難度較高。

不同于以上技術思路，竹中工務店所開發(fā)的“止燃型”防火集成材的必要性在于，它既能作為木結構構件，又能在空間中呈現(xiàn)木材自身的魅力。

“止燃型”防火集成材具有三層橫截面結構，目的是在使用并呈現(xiàn)木材的同時提供防火性能（圖2）。最外面是代燃層，會在火災中碳化，并減少對構件內部的熱傳遞。止燃層由高熱容量的材料制成，吸收代燃層的熱量并熄滅火災。在火災期間與火災后，能夠使承重部分保持在260℃（即木材的燃點）以下，保證建筑荷載支撐的安全性。

防火集成材“燃エンウッド（Moen -Wood）”這個名字是由日文“不易燃”和英文“Engineering Wood”組合而成的，其截面構造由表面的代燃層、止燃層、止燃連接層和承重部分組成（圖3）。為了盡可能增加代燃層中裸露木材的選擇，該產品的表層可以使用任何樹種的木材，包括一般木材、集成材、LVL和CLT。止燃層使用的是砂漿或石膏基自流平材料，而用于連結代燃層與承重部分的木材被限定為一種具有高密度的落葉松木材。承重部分并不局限于國產木材，可包括外國木材等不同規(guī)格。

2.2 耐火試驗

對防火建筑物的防火性能要求，主要基于《防火建筑規(guī)范執(zhí)行令》規(guī)定的三項技術標準：非損傷性（火災發(fā)生后建筑物不得倒塌）、熱屏蔽（可燃材料不得在非加熱面上發(fā)生燃燒）和火焰屏蔽（不得在非加熱面上因裂縫產生火焰）等。耐火試驗是按照ISO-834標準加熱溫度曲線所規(guī)定的加熱負荷來進行的（表2）。加熱結束后，將測試部件置于爐內，直到非加熱的一面溫度下降，最后判斷是否達到所要求的性能。

如圖4防火集成材“Moen-Wood”柱子的1h耐火測試顯示，燃燒殘留的黑色部分是非承重的代燃層，承重部分的溫度沒有達到260q C。此外，木材沒有過度變形，能夠應對恒荷載，由此證明其性能滿足防火材料的要求。

3 竹中工務店的CLT應用技術

在日本，對結構件的防火要求取決于其承受恒荷載的能力。這是因為法律規(guī)定，在發(fā)生火災時，建筑物必須繼續(xù)承載其自身的重量，而不能發(fā)生倒塌或坍塌。換句話說，非承重的結構件，如抗震墻和只承受水平力的斜撐，則不需要達到防火構件的要求。

CLT作為一種板材，通常用于樓板或墻體。本章將介紹竹中工務店開發(fā)的CLT樓板和CLT墻體在中高層木結構中的應用技術。

3.1 CLT作為樓板的應用技術

當CLT應用于樓板時，如果承受恒荷載，則需在其頂部和底部的表面進行防火覆層處理。如圖5所示2h耐火等級的CLT樓板的截面，CLT的底面覆蓋了三層15mm厚的石膏板，最外層是15mm厚的硅酸鈣板作為保護層，頂面覆蓋了石膏基自流平材料層作為防火層。石膏基自流平材料的厚度根據(jù)耐火試驗確定，圖5所示的頂面混凝土厚度為80mm，以提高地板的隔音性能，確保樓板平面的結構剛度，并滿足結構設計中剛性樓板的設定條件，但對防火的貢獻不大。因此，如果在結構設計和隔音性能方面不需要混凝土，可以省略。

表1 防火建筑物性能指標

1 防火集成材的種類

2 防火集成材的概念圖

3 防火集成材 Moen-Wood 的剖面構成

4 防火集成材Moen-Wood 柱1h 防火實驗狀況

表2 防火建筑物性能指標

如表3CLT樓板2h耐火測試結果所示，在同一CLT材料上澆筑厚度分別為50mm和60mm的石膏基自流平材料進行燃燒試驗，后者更能使CLT的溫度低于260℃。此外，如果CLT不承受恒荷載，則不需要在頂部或底部表面鋪設防火覆蓋層。

圖6為CLT不受恒荷載影響時的剖面構造示，假設通過混凝土強度、截面厚度與鋼筋的配置，使具有耐火性能的鋼筋混凝土樓板承擔所有的恒荷載和面內剪力，然后設置剪力連接件，使CLT板與鋼筋混凝土樓板結合為一體。這時，CLT只對樓板的垂直剛度做出貢獻。

3.2 CLT作為墻體的應用技術

當CLT用于墻體時，如果墻體承擔恒荷載，CLT墻體的兩側需要設置防火覆層。

如表4CLT墻體的2h 耐火測試結果可知，CLT板一側是三層21mm厚的石膏板防火層，附著在50mm厚的輕質鋼架底座上，另一側是石膏基自流平材料，防火層由同樣的三層防火集成材“Moen-Wood”組成。止燃層由石膏基自流平材料和落葉松制成的，厚度為70mm，外部代燃層設定為30mm的木材。

耐火試驗證實，當CLT墻體用于承受垂直荷載時，使用上述防火覆層可以確保其溫度低于260℃。此外，由于CLT墻體的輕質鋼架底座提供了50mm厚的空氣層，作為住宅單元的墻體使用時，經測試證實隔音性能較好。

當CLT墻體僅抵抗水平力時（圖7），由于不必承受恒荷載，所以不需要防火覆層。但是，由于其與上下鋼梁連接固定，鋼梁在連接處沒有防火覆層。當發(fā)生火災時，CLT墻體會隨著燃燒變得越來越薄。鋼梁較薄的部分會直接暴露在火中，強度和剛度會隨著溫度升高而下降，最終無法承受恒荷載。為了防止沒有防火覆層的連接部分溫度上升，在CLT墻體的上下方設置了無收縮砂漿層，以吸收向鋼梁傳遞的熱量，其厚度可通過耐火試驗決定。

4 案例一：HULIC & New GINZA 8

4.1 項目簡介

HULIC & New GINZA 8位于銀座中央大街，是一座12層、鋼木結構的商業(yè)建筑（表5）。建筑的外立面與內裝盡可能多地使用木材與木結構，以回應業(yè)主的要求，并保留建筑物原有的功能性，不僅包括防火和抗震，還涉及到意匠性、可居住性和可更新性。

該建筑是高寬比接近7的細長塔樓，通過因地制宜地利用木結構和鋼結構，成為日本最高的鋼木混合結構建筑（圖8）。建筑內部使用了防火集成材“Moen-Wood”的柱梁、CLT復合樓板、CLT抗震墻和隔震集成木柱等技術材料（圖9,10）。外立面以樹葉為意象，使用天然木質格柵裝飾，反映季節(jié)與光線的變化?？紤]到日曬雨淋和溫差的影響，格柵由乙?；妮椛渌赡静闹瞥?。

4.2 結構概述

由于該建筑處在銀座一處狹窄的場地上，因此高寬比非常大。在整體的五跨結構中，有兩跨柱梁全部采用了防火集成材“Moen-Wood”，柱梁連接處采用鉸接，以確保防火性能，并提高施工效率（圖11）。所有水平力都由鋼結構承擔。

樓板由36mm厚CLT板和鋼筋混凝土復合板構成，恒荷載由鋼筋混凝土樓板承擔，因此不需要對CLT樓板加以覆蓋，可以直接呈現(xiàn)木材的質感。CLT之間的接縫處埋設了插入式軌道，以消化施工誤差，也可以用于鋪設弱電線纜、安裝照明設備等，實現(xiàn)了天花頂面設計的統(tǒng)合。

由于建筑的高寬比較大，為了防止地震與暴風時產生晃動，在設計中運用了CLT剪力墻，由CLT與阻尼裝置組合而成。在這項技術中，我們利用CLT作為墻體，連接鋼板的剪切屈曲起到了阻尼作用，從而實現(xiàn)木材質感的剪力墻，使得在室內配置減震構件成為可能。

5 滿足防火性能要求的CLT樓板剖面構成圖

6 CLT不受恒荷載影響時的剖面構造圖

7 CLT墻體僅抵抗水平力的情況

表3 CLT 樓板的防火實驗結果

表4 覆蓋了石膏板以及石膏基自流平的CLT 墻體的防火實驗結果

8 HULIC & New GINZA 8建筑物外觀

9 HULIC & New GINZA 8建筑物內部

10 HULIC & New GINZA 8CLT抗震墻

11 HULIC & New GINZA 8結構架構透視圖

5 案例二：TAKUMA新館（研修中心）

5.1 項目簡介

TAKUMA新館（研修中心）是一座中高層木結構辦公大樓，旨在提供培訓空間和工作場所（表6）。為了實現(xiàn)業(yè)主擴大業(yè)務、提升社會影響力與環(huán)境貢獻的目標，我們在設計中積極地使用了木材。同時，為了確保高抗震性能以及在發(fā)生災害時不影響使用，建筑采用了抗震結構設計。

整個建筑外部都由通透的雙層玻璃幕墻覆蓋，北側的柱子采用防火集成材“Moen-Wood”，核心筒的抗震墻采用CLT，外立面的窗挺也使用了集成材，建筑設計對木材質感進行了積極的表達（圖12）。

5.2 結構概述

該建筑采用基礎隔震式，主體結構采用鋼結構與集成材，CLT抗震墻作為抗震構件（圖13,14）。為滿足通透的外觀、抗震構件布置的條件限制以及重要功能設施的布局，我們采用了確保結構安全的隔震結構。對于結構高度為33.6m的建筑物，設計周期為1s左右，在盡可能保證核心筒剛度的情況下，延長其周期，并減少地震帶來的震動感。

上部結構是由CLT抗震墻和鋼框架組成的混合型框筒結構。在二到六層面向主干道的北面布置了2h防火等級的防火集成材“Moen-Wood”，其他三面則使用了集成材木窗挺，從而實現(xiàn)了木結構與鋼結構的融合。

在這個項目中，CLT作為主要的抗震構件，承擔了一半以上的抗震性能。由CLT鋼混結構的概念可以看出（圖15），CLT抗震墻對水平力的抵抗機制由CLT對角線方向的斜向壓縮力和CLT兩側的抗拉構件的桁架效應構成。如果CLT安裝在靠近柱子的位置，則不需要另設抗拉構件，因此本項目省略了抗拉構件以簡化節(jié)點。壓力通過CLT的承載力轉移到鋼梁上，而剪力則通過剪力連接部件傳遞。剪力連接部件采用鋼板插入型的銷釘連接方式，插入的鋼板通過高強度螺栓與鋼梁連接。CLT和鋼梁之間的空間用無收縮砂漿填充，以確保壓力的傳遞，并為鋼梁提供防火覆層。

表5 HULIC & New GINZA 8 項目信息

表6 AKUMA 新館（研修中心）項目信息

12 TAKUMA 外觀

13 TAKUMACLT 抗震墻與鋼結構框架構成的混合結構

6 挑戰(zhàn)與機遇

伴隨著木結構建筑高層化的趨勢及中高層木建筑的普及，今后日本也會與歐美國家一樣，進一步擴大木結構的市場，挑戰(zhàn)與機遇并存。

6.1 超高層建筑的挑戰(zhàn)和機遇

日本已經宣布，高度超過70m和100m的高層木結構建筑將分別在2023年和2025年開始建造。

隨著木結構建筑的高層化，垂直承重的木構件將受到前所未有的巨大軸向力的作用。為了承載這些軸向力，結構部件需要非常大的截面尺寸，這對建筑設計造成了很大限制。為了減小截面尺寸，則需要使用比以往強度更大的材料，或者通過與鋼架、鋼筋混凝土構件結合，開發(fā)高軸向力的復合構件。

此外，超高層木結構建筑將會出現(xiàn)從未經歷過的垂直方向的巨大蠕變量。在木結構與鋼結構或鋼筋混凝土結構的復合結構中，木質部分和非木質部分連接處的蠕變差異可能會導致吊頂和外裝材料的安裝問題，以及排水找坡方向與設計預期相反等問題。因此，在設計和施工過程中考慮應對措施，也是今后的課題之一。

6.2 市場擴張帶來的挑戰(zhàn)和機遇

隨著中高層木結構建筑的普及，日本的中高層木結構建筑市場預計將在未來擴大到7 000億日元以上，因此需要準備好充分的應對措施。

其中一種措施是通過增加供應商數(shù)量和擴大現(xiàn)有生產線來增加供應，但同時也需要提高生產效率。基于此，促進集成材截面的標準化非常重要。將薄板規(guī)格（寬度、厚度）、樹種、強度和長度的規(guī)格進行標準化，可以簡化材料采購的步驟，并可在一次膠合過程中壓制最大數(shù)量的構件，從而提高生產效率。

另外，對歐美常見預制構件的推廣也是非常必要的。日本的道路相對較窄，而且《道路交通法》對可運輸物品的尺寸有限制。具體來說，在不申請?zhí)貏e許可的情況下，一般運輸?shù)淖畲髮挾葹?.5m。在這樣的尺寸限制條件下，今后可以將飾面材料、設備線纜、機械設備等統(tǒng)合為符合搬運尺寸的預制箱型構件或CLT單元，在工廠預制后運到施工現(xiàn)場直接組裝，從而減少施工現(xiàn)場的作業(yè)，提高生產效率。

此外，除了生產新的材料構件，如何回收利用現(xiàn)有建筑材料也是一個重要課題。為此需要制定關于再利用材料的建筑規(guī)范，并建立再利用材料退化的評估體系。從材料方面的策略來說，有必要對材料截面、寬度和長度、木材種類、強度、粘合劑類型、連接方法等進行標準化，并利用二維碼等手段將這些信息記錄在各個構件上，以建立起對任何類型的建筑而言都便于重復利用、可追溯管理的系統(tǒng)，進而促進材料的再利用和回收。

7 結語

14 TAKUMA 結構架構透視圖

15 TAKUMACLT 鋼混結構概念圖

出于對全球環(huán)境問題的關注，積極建造運用CLT和其他木材的建筑，正成為一種全球趨勢。雖然日本因特有的防火建筑規(guī)范，面對著比其他國家更為嚴苛的設計條件，但中高層木結構將進一步普及，未來也會有更多高層木建筑的建造需求。隨著中高層木建筑市場的擴大，以及向零碳社會的努力，竹中工務店將繼續(xù)致力于相關核心技術的開發(fā)，預計在不久的將來能實現(xiàn)像鋼筋混凝土結構和鋼結構那樣的超高層木結構建筑。

圖片來源

1?15 株式會社竹中工務店提供

表格來源

1?6 株式會社竹中工務店提供