一個多世紀(jì)以來，多高層建筑主要采用混凝土和鋼材建造，這兩種材料是結(jié)構(gòu)材料的并將繼續(xù)成為未來建筑的重要材料。盡管如此，氣候變化、城鎮(zhèn)化建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展及世界宜居需求為選擇木材作為結(jié)構(gòu)材料提供了契機。

隨著城鎮(zhèn)化進程加快，制定和實施各種規(guī)模的低碳建筑解決方案十分必要。多高層木結(jié)構(gòu)建筑不僅可以減少溫室氣體排放，還能滿足城市密集人口對住房的需求，是城市開發(fā)的重要策略之一。

高層木結(jié)構(gòu)建筑并非全新的建筑形式。實際上，高層木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)存在幾個世紀(jì)了。應(yīng)縣木塔建于公元1056年左右，高67米，被認(rèn)為是世界上現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)建筑之一。從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)中期，在北美和其他地區(qū)也有許多采用高層磚石混合結(jié)構(gòu)，即所謂的“磚梁”建筑建造廠房和倉庫。這些磚石結(jié)構(gòu)通常由沒有加強的磚砌外墻和支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重木梁柱組成。這些建筑可高達(dá)九層，大概已有100多年歷史。

應(yīng)縣木塔

近十年來，由于新的工程木產(chǎn)品和系統(tǒng)不斷發(fā)展和進步，以及以基于目標(biāo)和性能要求的建筑規(guī)范的制定，建成了許多8~14層的高層居住及公共木結(jié)構(gòu)建筑。此外，消防安全和防護工程、建筑科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程分析的進步也促進了多高層木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

環(huán)境效益

與其他主要建筑材料相比，木材的環(huán)境優(yōu)勢是巨大的：木材作為主要結(jié)構(gòu)材料有助于解決三個關(guān)鍵的環(huán)境問題：碳排放、固碳和可持續(xù)性發(fā)展。

與鋼材和混凝土等材料相比，木材產(chǎn)品具有更小的內(nèi)含能(Embodied Energy)。內(nèi)含能是指建筑材料在原材料生產(chǎn)，加工，運輸中所消耗的能耗。加拿大木材委員會（Canada Wood Council）早前發(fā)布的一份報告顯示，鋼材和混凝土產(chǎn)品的內(nèi)含能分別比木材產(chǎn)品高26%和57%，多排放34%和81%的溫室氣體，造成的水污染分別高出400%和350%。

樹木本身具有儲存二氧化碳的特性，從而減少溫室氣體。當(dāng)木材被采伐并加工成木材產(chǎn)品時，碳也被固定到木材產(chǎn)品中。就木結(jié)構(gòu)建筑來說，在其整個生命周期中，碳都是被存儲下來的；如果木材被回收和再加工成其他產(chǎn)品，那么碳的存儲時間更長。加工木材產(chǎn)品比加工鋼材和混凝土的能耗要少得多。

可持續(xù)的森林管理確保森林的合法砍伐和經(jīng)營，以滿足長期需求。嚴(yán)格的再造林要求促使每年森林的凈增長量超過年度砍伐量，從而維持或增加森林碳儲存。隨著森林的成熟，其儲碳能力下降并達(dá)到大限度，若此時任由樹木腐爛或者山火發(fā)生，儲存的碳將被釋放回大氣。因此通過采伐成熟的樹木，碳可以保留在木材纖維中，并從樹木轉(zhuǎn)移到建筑中并更長久的保存。

價格競爭力

在北美，多層輕型木結(jié)構(gòu)建筑使用規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)板（OSB）及工程木產(chǎn)品建造，與輕鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比具有價格競爭力。

北美多層輕型木結(jié)構(gòu)

重木結(jié)構(gòu)，即采用大型預(yù)制木構(gòu)件，如正交膠合木（CLT）、旋切木片膠合木（LVL）和木片層積材（LSL）作為墻體、樓板和屋蓋，采用膠合木作為梁柱，從成本上來看，競爭不過大多數(shù)低多層輕型木結(jié)構(gòu)建筑。但是，因其高強度和穩(wěn)定的工程性能，在輕型木結(jié)構(gòu)建筑無法實現(xiàn)的高層建筑和公共建筑領(lǐng)域，重型木結(jié)構(gòu)卻能與鋼筋和混凝土建筑一較高下。根據(jù)美國CLT手冊，CLT在高層建筑或大體量建筑中越來越具有競爭力。

此外，重木結(jié)構(gòu)建筑的安裝比鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)更加迅速，因此業(yè)主和開發(fā)商將節(jié)約更多成本。舉例來說，Lend Lease開發(fā)公司估計，澳大利亞墨爾本的10層Forte公寓因為采用預(yù)制構(gòu)件而節(jié)省30%的時間。工廠預(yù)制可以加快安裝從而節(jié)約成本，實現(xiàn)盡早入住。木結(jié)構(gòu)建筑比其他建筑更輕，這降低了對基礎(chǔ)的要求，從而降低成本。這一特性在土質(zhì)差、基礎(chǔ)成本高的區(qū)域尤顯重要，F(xiàn)orte公寓項目就是這種情況。

澳大利亞Forte十層木結(jié)構(gòu)公寓項目

消防

剛頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51226-2017（2017年10月1日生效）規(guī)定，當(dāng)墻體、樓板和屋蓋等結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足規(guī)范要求的耐火極限時，木結(jié)構(gòu)允許建造5層。超過5層的木結(jié)構(gòu)建筑，需要進行專項論證。

對于輕型木結(jié)構(gòu)建筑，通常通過安裝石膏板等耐火材料使構(gòu)件達(dá)到1小時和2小時的耐火極限實現(xiàn)。重木結(jié)構(gòu)建筑由于木材截面炭化層的作用，構(gòu)件具有更長的耐火極限。炭化層一旦形成，因為木材本身的低導(dǎo)熱性，使木材內(nèi)部溫度不會驟然提高，因此保證了結(jié)構(gòu)整體性，防止結(jié)構(gòu)強度下降。此外，重木結(jié)構(gòu)體系與混凝土結(jié)構(gòu)和膠合木結(jié)構(gòu)體系相似，可以控制燃燒的密閉空間。實木板本身也形成具有耐火極限的防火分隔，控制火災(zāi)向其它區(qū)域蔓延。

火災(zāi)發(fā)生后的輕型木結(jié)構(gòu)墻體，在耐火時間范圍內(nèi)，木框架保持了結(jié)構(gòu)完整性

重木結(jié)構(gòu)的被動防火設(shè)計有兩種方法。一是“包覆石膏板”用于提高重木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限，二是考慮木構(gòu)件的炭化時間，達(dá)到木結(jié)構(gòu)的防火性能要求，二是方法在世界范圍內(nèi)正越來越多地被視為一種保證木結(jié)構(gòu)防火安全的有效途徑。

“包覆石膏板”—根據(jù)規(guī)范對構(gòu)件耐火極限的要求，在樓板下方和整棟建筑包覆1-2層耐火石膏板，以滿足防火要求。這個方法與在可燃或不可燃建筑中，建造有耐火要求的樓板、屋蓋和墻體構(gòu)件的方法類似。 “炭化”——重木結(jié)構(gòu)的實木構(gòu)件在火災(zāi)中會形成炭化層，這個炭化層將外界熱氣與內(nèi)部木材隔離。大尺寸構(gòu)件的耐火極限可以根據(jù)構(gòu)件的厚度和炭化層厚度計算得出。通過結(jié)合現(xiàn)代消防系統(tǒng)和建筑防火分隔措施，可以不通過“包覆”手段，而采用“炭化”計算方法，就能滿足結(jié)構(gòu)防火要求。這樣就不需要石膏板，減少建筑重量和成本，同時可以呈現(xiàn)木材的自然美。

重型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件燃燒后形成的碳化層

結(jié)構(gòu)性能／抗震性能

木結(jié)構(gòu)的強度重量比大于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，因此在地震中結(jié)構(gòu)內(nèi)力更小。輕型木結(jié)構(gòu)建筑中，墻體數(shù)量多，為風(fēng)載和地震荷載提供傳力路徑，增加安全冗余度。此外，輕型木結(jié)構(gòu)建筑使用大量釘子，提供了良好的延性和耗能能力。以往的地震觀測和測試顯示，木框架建筑抗震性能良好。舉例來說，在日本世界上的振動臺試驗中，6層輕型木結(jié)構(gòu)抵抗住了2500年一遇的地震，只造成很小的損害。這個試驗證實只要精心設(shè)計和保證施工質(zhì)量，六層輕型木結(jié)構(gòu)建筑的地震風(fēng)險能保證在可接受范圍內(nèi)。

圖：在日本神戶三木市進行的一項六層輕型木結(jié)構(gòu)振動臺試驗

重木構(gòu)件，如CLT、LVL和LSL，強度和剛度都很好，形成有效的抗側(cè)力體系。大量的抗震試驗發(fā)現(xiàn)這些板材在多層建筑中表現(xiàn)良好，沒有殘余變形。測試建筑具有良好的延性和耗能能力，主要受益于連接節(jié)點。比如，在一項研究中，研究者在日本三木市世界上振動臺測試了一棟7層CLT建筑，即使在14次連續(xù)地震后，建筑僅受到較小的結(jié)構(gòu)損壞。假使實際建筑受到相同的地震作用，震后修復(fù)也非常容易。

在日本三木市振動臺上進行的一個七層CLT足尺寸建筑試

除了純木結(jié)構(gòu)，木混合結(jié)構(gòu)也擴大了木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。常見的木混合結(jié)構(gòu)是由混凝土核心筒承擔(dān)橫向荷載、木結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向荷載。使用這種方法，木結(jié)構(gòu)建筑的很多優(yōu)點都能得以實現(xiàn)。加拿大不列顛哥侖比亞大學(xué)校內(nèi)18層的Brock Commons學(xué)生公寓就是一個混凝土核心筒木混合結(jié)構(gòu)的典型例子，這個建筑的樓梯和電梯用混凝土建造，其余結(jié)構(gòu)由CLT、膠合木和LVL建造。

加拿大UBC大學(xué)Brock Commons18層木結(jié)構(gòu)學(xué)生公寓項目

能源效率

木材導(dǎo)熱性低，因此木構(gòu)件本身具有比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土和磚石構(gòu)件更好的熱阻和更低的熱橋效應(yīng)。木結(jié)構(gòu)墻骨之間的空腔可以填充保溫材料，通常是纖維保溫棉。這些保溫材料通常比用于混凝土、輕鋼和磚石結(jié)構(gòu)的剛性或半剛性保溫板更便宜。木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保溫性能好，因此可以減少墻體厚度從而增大室內(nèi)空間，尤其是在土地價格高的城市地區(qū)，具有更高的性價比。例如在瑞典，木框架外墻比普通磚石墻體薄50%，卻能達(dá)到相同的保溫性能，對于典型的多戶式住宅可以增加3%的室內(nèi)面積。木框架外墻也成為歐洲建造被動式建筑。

重木結(jié)構(gòu)建筑的獨特特征使其成為節(jié)能建筑。木材的保溫性能由R值（熱阻值）決定，熱阻值與板材厚度有關(guān)。厚板的R值高，隔熱效果好，使用的保溫材料少。由于重木構(gòu)件是實心的，因此重木結(jié)構(gòu)建筑中幾乎沒有空氣流動的可能因此建筑物的保溫性能得以提高。生產(chǎn)CLT、LVL和LSL可以使用數(shù)字化控制（CNC）設(shè)備精確控制誤差，使板與板的連接更加緊密，更加提高保溫節(jié)能性能。一項研究顯示，一棟CLT結(jié)構(gòu)建筑的運行能耗僅為普通建筑物的1/3。奧地利科瑞公司（Cree GmbH）建造的8層生命周期一號塔（LCT ONE），是根據(jù)被動式房屋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，其碳排放比按現(xiàn)行規(guī)范建造的建筑減少90%。

奧地利生命周期一號塔項目

建造

木結(jié)構(gòu)非常適用于預(yù)制加工。木產(chǎn)品，比如規(guī)格材和結(jié)構(gòu)用板材，可以加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并且很容易實現(xiàn)預(yù)制墻體、樓板和屋蓋構(gòu)件。木材產(chǎn)品易于鋸切和鉆孔，適合使用金屬緊固件固定。木材與鋼筋混凝土相比非常輕，因此運輸成本低，安裝設(shè)備要求低。

在北美，多層輕型木結(jié)構(gòu)和重木結(jié)構(gòu)預(yù)制生產(chǎn)已成為通用方法。一般來說，預(yù)制生產(chǎn)包括構(gòu)件預(yù)制、板式組件預(yù)制和單元模塊預(yù)制。重型木結(jié)構(gòu)建造已廣泛采用預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制板、梁、柱等根據(jù)設(shè)計要求在工廠內(nèi)加工、鋸切，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，然后組裝到位。

預(yù)制構(gòu)件在輕型木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用也很廣泛。到目前為止，大多數(shù)生產(chǎn)商生產(chǎn)的是開放式墻體組件。隨著對建筑節(jié)能和建筑組件的質(zhì)量要求越來越高，封閉式板式組件（即墻體外飾面、呼吸紙、門窗、電氣和管道布線、隔汽膜和石膏板或其他內(nèi)飾面全部在工廠完成）將成為主流。

加拿大ACQbuilt預(yù)制木結(jié)構(gòu)工廠

完整的預(yù)制單元模塊通常包括：樓板、墻體（外墻、內(nèi)墻）以及吊頂（或屋蓋）。這是完整的預(yù)制形式，因為運到現(xiàn)場組裝時，這些單元模塊已包括了大多數(shù)內(nèi)裝、保溫材料、管道、電線、門窗，有時還包括外飾面。一些制造商的預(yù)制比例能達(dá)到85%。