在多倫多大學校園里，就在足球場的對面，一棟 14 層高的大樓正在拔地而起，未來這里將用作教室和教職工辦公室。不過，這棟大樓的建造方式可不一般 —— 工人們并不是用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土，而是通過拼接一塊塊巨型預制木制梁、柱和面板，將整棟建筑“拼裝”起來。
每當一塊木制構(gòu)件被平板卡車送到工地，一臺高大的吊車就會將其吊起并固定到位，同時工人們用金屬連接件將它牢牢拼接起來。如今，這座半完工的大樓看起來就像一件正在組裝的“平板包裝家具”，讓人不禁感嘆它獨特的建造方式。
這座大樓采用了一種名為“膠合木”的新技術(shù)。在這種建筑方式中，用巨大的預制木材構(gòu)件代替了傳統(tǒng)的鋼梁和混凝土，這些木材的長度甚至可以超過半個足球場。雖然這種技術(shù)目前還不算普及，但它正在變得越來越受歡迎，并逐漸成為全球天際線中的新亮點。
膠合木不僅具備出色的實用性，還能為室內(nèi)空間增添溫暖與美感。圖中展示的是位于俄勒岡州波特蘭市的一棟八層高的 Carbon12 公寓單元，完美詮釋了這種材料的獨特魅力。圖片來源：KAISER + PATH
目前，全球最高的膠合木建筑是位于密爾沃基的 25 層 Ascent 摩天大樓，于 2022 年完工。據(jù)統(tǒng)計，截至 2022 年，全球已有或正在建造的八層及以上膠合木建筑共有 84 座，另有 55 座正在規(guī)劃中。其中，70% 的現(xiàn)有和未來建筑位于歐洲，約 20% 在北美，其余分布在澳大利亞和亞洲。這一數(shù)據(jù)來自高層建筑與都市人居委員會的報告。若將較小的建筑也納入統(tǒng)計，截至 2023 年，僅在美國就已建成至少 1700 座膠合木建筑。
膠合木作為一種新興材料，正成為高能耗的鋼筋混凝土的有力替代品。要知道，混凝土和鋼鐵的生產(chǎn)過程加起來貢獻了近 15% 的全球二氧化碳排放量。雖然專家們對于膠合木在應(yīng)對氣候變化中的實際作用仍有爭論，但許多人相信，它比現(xiàn)有的建筑材料對環(huán)境更加友好。畢竟，膠合木的核心材料是木材 —— 一種可再生資源，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的希望。
膠合木還帶來了一種截然不同的美學體驗，使建筑更具獨特魅力?！叭藗冊缇蛯︿摻罨炷粮械絽捑肓?，”多倫多大學膠合木研究所的建筑科學家泰德?凱西克（Ted Kesik）說道，該研究所致力于推動膠合木的研發(fā)與應(yīng)用。木材憑借其溫暖舒適的外觀和自然的紋理變化，能為建筑增添更多視覺上的愉悅感。“人們其實很喜歡看木頭，”他補充道，這種自然的美感正是膠合木的迷人之處。
同樣是木材，結(jié)構(gòu)更強勁
用木材建造大型建筑并不是什么新鮮事。早在 18 和 19 世紀工業(yè)化時期，大型工廠和倉庫的興起就催生了“磚梁結(jié)構(gòu)”—— 用粗大的木梁支撐外部磚墻的框架式建筑。然而，隨著建筑越來越高，施工者轉(zhuǎn)向了混凝土和鋼材作為主要支撐材料。木質(zhì)建筑逐漸被限制在住宅和一些小型建筑中，主要使用的是在家得寶（美國家居建材用品零售商）等建材超市常見的標準尺寸木材。
然而，大約 30 年前，德國和奧地利的建筑商開始嘗試將這種常見的標準木材轉(zhuǎn)化為大型木質(zhì)構(gòu)件的新技術(shù)。他們通過使用釘子、木榫和膠水，將較小的木塊組合成巨大的、堅固的、整體性的木材結(jié)構(gòu)，而這一過程無需砍伐古老的成材大樹。這種創(chuàng)新為木材建筑帶來了新的可能性。
常駐在瑞士工作的德國工程師尤利烏斯?納特勒（Julius Natterer）是推動這些新材料建造方法的先驅(qū)之一。同時，奧地利建筑師赫爾曼?考夫曼（Hermann Kaufmann）等人也憑借膠合木項目逐漸嶄露頭角。其中包括 1997 年建成的奧地利 ?lzbündt 公寓，以及 2017 年完工的加拿大英屬哥倫比亞大學 18 層學生宿舍 Brock Commons。這些項目為膠合木在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用贏得了廣泛關(guān)注。
從原理上看，膠合木就像是放大版的膠合板：將較小的木片在大型專用壓機中分層疊加，并用膠水在壓力下牢固結(jié)合。如今，最長可達 50 米的膠合梁（通常稱為膠合木或“Glulam”）可以替代鋼結(jié)構(gòu)，而厚度可達 50 厘米的膠合板（通常稱為交錯層壓木材或“CLT”）則可以替代墻體和地板中的混凝土。這些材料的應(yīng)用讓木材在大型建筑中煥發(fā)了全新的生命力。
這些木質(zhì)復合材料的強度令人驚訝 —— 按重量計算，它們甚至比鋼還要強。不過，想要達到與鋼相同的強度，膠合木構(gòu)件需要更大體積。隨著建筑高度的增加，木質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)必須變得更厚，而厚度到了一定程度后就會占據(jù)過多的空間。因此，在像 Ascent 摩天大樓這樣的高層膠合木建筑中，建筑師通常會采用木材、鋼材和混凝土的混合結(jié)構(gòu)，以平衡強度與空間利用。
從歷史上看，使用膠合木建造高層建筑最突出的安全隱患之一就是火災(zāi)。直到最近，許多建筑法規(guī)仍將木質(zhì)結(jié)構(gòu)的使用限制在低層建筑范圍內(nèi)。
雖然建筑不需要完全防火，但必須具備足夠的耐火性能，以確保在火災(zāi)中不會迅速坍塌，從而為消防員爭取時間控制火勢，同時讓居民安全撤離。例如，傳統(tǒng)摩天大樓使用的材料通常要求在火災(zāi)中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性至少三個小時或更長時間。
為了證明膠合木的防火性能，工程師會將木質(zhì)構(gòu)件放入燃氣加熱室中，監(jiān)測其結(jié)構(gòu)完整性。此外，還會對膠合木建筑的模型進行火災(zāi)模擬測試，并記錄實驗結(jié)果。這些試驗為評估膠合木在火災(zāi)中的表現(xiàn)提供了科學依據(jù)。
這些測試逐漸讓監(jiān)管機構(gòu)和客戶相信，膠合木能夠在火災(zāi)中保持足夠長時間的耐燒性，從而達到防火安全標準。這部分得益于木材表面在起火初期會迅速形成一層炭化層，這層炭化層起到隔熱作用，有效保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受高溫影響。
膠合木在 2021 年迎來了重要的認可 —— 國際規(guī)范委員會（International Code Council）修改了《國際建筑規(guī)范》（International Building Code），允許膠合木建筑的高度可達 18 層。作為全球許多地區(qū)建筑法規(guī)的參考標準，這一改動預計將推動更多地方更新相關(guān)規(guī)范，使高層膠合木建筑的審批從“特批”逐步轉(zhuǎn)為常規(guī)許可，為膠合木的廣泛應(yīng)用鋪平道路。
不過，膠合木建筑仍面臨其他挑戰(zhàn)。“真正的問題不是火，而是濕氣，”內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校的建筑師兼城市可持續(xù)發(fā)展學者斯特芬?萊曼（Steffen Lehmann）說道。
所有建筑都需要控制濕氣，但對膠合木來說，這一點尤為關(guān)鍵。潮濕的木材容易受到真菌侵害并吸引白蟻等昆蟲，導致結(jié)構(gòu)老化。為此，建筑商會在運輸和施工過程中小心防止木材受潮，并制定全面的濕氣管理方案，例如設(shè)計高效的供暖和通風系統(tǒng)，以防濕氣積聚。此外，為了進一步防止蟲害，木材可以經(jīng)過化學防蟲劑處理，或者在接觸地面的地方加裝金屬網(wǎng)或其他物理屏障提供保護。
另一個問題是聲學性能，因為木材傳導聲音的能力非常強。為了改善這一點，設(shè)計師會使用隔音材料，在墻體之間留出空隙，并安裝架空地板等多種方法來減少聲音的傳播，從而提升建筑的隔音效果。
膠合木的潛在優(yōu)勢
應(yīng)對全球變暖的關(guān)鍵途徑之一是減少建筑行業(yè)的溫室氣體排放，這一部分目前占全球排放量的 39%。維也納中歐大學的環(huán)境科學家戴安娜?厄爾格-沃薩茨（Diana ürge-Vorsatz）表示，膠合木和其他基于生物的建筑材料可能在這一努力中發(fā)揮重要作用。通過推動使用這些低碳材料，建筑行業(yè)有望在全球減排目標中扮演更積極的角色。
在 2020 年發(fā)表于《環(huán)境與資源年度評論》的論文中，戴安娜?厄爾格-沃薩茨和她的同事引用了木材行業(yè)的一項估算：位于不列顛哥倫比亞省的 18 層高 Brock Commons，與采用混凝土和鋼材建造的類似建筑相比，減少了約 2432 公噸的二氧化碳排放量。其中，679 公噸的減排源于木材制造過程中產(chǎn)生的溫室氣體顯著少于混凝土和鋼材，而另外 1753 公噸的二氧化碳則被封存在建筑的木材中。
“如果使用生物基材料，我們就能實現(xiàn)‘雙贏’，”厄爾格-沃薩茨說道。
然而，目前人們對膠合木在氣候方面的熱情，很大程度上是基于一些重要假設(shè)。例如，很多測算都假定用于膠合木建筑的木材會通過種植新樹得到完全替代，并且這些新樹在生長過程中能夠在相同時間內(nèi)吸收與原始樹木等量的二氧化碳。然而，一些環(huán)保組織指出，如果用速生樹種種植園替代老齡林，這些新種植的樹木可能永遠無法達到原始樹木的規(guī)模。此外，人們還擔憂，隨著對木材需求的增加，可能會導致更多的森林砍伐，并占用更多的土地，從而影響糧食生產(chǎn)。
相關(guān)研究通常還假設(shè)，一旦木材被用于建筑，其所含的碳就會被永久封存。然而，實際情況并非如此。一棵被砍伐的樹，并不是所有部分都會進入最終的建筑產(chǎn)品中。樹枝、樹根以及鋸木廠產(chǎn)生的廢料可能會腐爛或被焚燒。而當建筑被拆除時，如果木材被丟棄在垃圾填埋場，其所含的碳可能會以甲烷和其他排放物的形式重新釋放到大氣中。這些因素使得膠合木的碳封存效益在全生命周期中存在一定的不確定性。
“許多建筑師對此感到困惑，”非營利組織“碳領(lǐng)導力論壇”的建筑師兼環(huán)境研究員斯蒂芬妮?卡萊爾（Stephanie Carlisle）說道，“這真的靠譜嗎？”她在思考膠合木是否總是能夠帶來凈效益。她認為，膠合木確實具有氣候效益，但要明確這些效益的具體程度，還需要進行更多深入的研究。
與此同時，膠合木正引領(lǐng)一種全新的建筑模式 —— 集成設(shè)計。在傳統(tǒng)的建筑流程中，通常是由建筑師先完成設(shè)計，然后分包給不同的公司負責各個環(huán)節(jié)的施工，從打地基到搭建框架，再到安裝通風系統(tǒng)等，每個階段相對獨立。而集成設(shè)計則打破了這種分割式流程。
在集成設(shè)計中，正如凱西克所說，設(shè)計階段更加細致，并且從一開始就讓各相關(guān)公司參與其中。在這個過程中，不同構(gòu)件如何組合和協(xié)同工作會事先規(guī)劃好。構(gòu)件的精確尺寸和形狀都在設(shè)計時確定，甚至連連接點的預鉆孔也提前完成。這種方式使得許多構(gòu)件可以在工廠中通過先進的計算機控制設(shè)備預制完成，然后再運至施工現(xiàn)場進行組裝。
許多建筑師都喜歡這種模式，因為它讓他們對建筑構(gòu)件有了更大的掌控力。而且，由于大量工作在前期已經(jīng)完成，施工現(xiàn)場的建造速度往往更快。萊曼表示，這種建筑模式可以讓施工速度比傳統(tǒng)建筑快多達 40%。
凱西克形容，膠合木建筑的制造過程更像是汽車生產(chǎn) —— 各個獨立的部件在工廠完成后運輸?shù)阶罱K地點進行組裝?！爱斈z合木建筑的構(gòu)件運抵施工現(xiàn)場時，它實際上就像一件放大版的宜家家具，”他說，“所有部分都會嚴絲合縫地拼接在一起?！?/p>
作者：Kurt Kleiner
翻譯：Eyshen
審校：7 號機
原文鏈接：Sustainable building effort reaches new heights with wooden skyscrapers
本文來自微信公眾號：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kurt Kleiner
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