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    傳統綠色建材再次沖擊“頂流” 低碳木結構建筑煥發生機

    傳統綠色建材再次沖擊“頂流” 低碳木結構建筑煥發生機

    打印 0條評論來源:新華日報、中文BIM網

    建筑領域是我國能源消耗和碳排放的主要領域之一?!半p碳”背景下,以木結構建筑為代表的“低碳建筑”在全球成為高熱度概念。沉寂多年后,古代的木結構建筑正以另一種方式進入現代社會,煥發生機。


    全新的木結構建筑“長”什么樣?4月中旬,記者前往位于南京市溧水區的江蘇省康復醫院施工地,這座國內首個木-混凝土混合結構建筑即將竣工?!澳憧?,這座8層的門診醫技綜合樓,其中1至6層為門診醫技區與架空層,采用鋼筋混凝土結構。7至8層為科研辦公區,采用膠合木梁柱、clt樓蓋與混凝土核心筒的水平組合體系?!蹦暇┕I大學黨委常委、副校長陸偉東告訴記者,現在的木結構建筑不再是傳統的木材“孤軍奮戰挑大梁”,而是多了很多新材料“伙伴”。新型的木結構建筑,需要根據建筑功能與結構受力需求,讓木結構與混凝土結構各自發揮所長,“合作愉快”。


    01

    能固碳能節能,入住更舒適


    想要了解全新的低碳木結構建筑,還需要從木材的源頭說起。在人們的傳統認知中,用木頭蓋房子,不可避免地需要砍伐樹木,這看起來似乎不夠那么“環境友好”,為什么木結構建筑屬于“低碳建筑”呢?


    “木材是一種綠色、天然、可再生的資源,被認為是綠色建筑的首選建材?!标憘|告訴《科技周刊》記者,而鋼筋混凝土建筑在建造和使用過程中,需要消耗大量的自然資源和能源、排放溫室氣體。而木材對氣候的影響很小,木結構建筑在生產、運輸、建造、運行、維護、拆除回收階段都具有顯著的低碳優勢。


    根據中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗研究報告2023》統計,2021年,中國房屋建筑(不含基礎設施建造)全過程能耗總量為19.1億tce(ton of coal equivalent,噸標準煤當量),占中國能源消費總量比重為36.3%;碳排放總量為40.7億噸二氧化碳,占中國碳排放的比重為38.2%。


    樹木在生長過程中,釋放氧氣的同時會吸收大量的二氧化碳。據統計,森林每增長1立方米木材蓄積,凈吸收的二氧化碳量可達到1噸,釋放氧氣0.75噸,儲存0.27噸碳。與之相對,每生產1噸鋼鐵會釋放二氧化碳1.6噸,生產1噸水泥則釋放二氧化碳0.8噸。


    “現代木結構被認為是典型的裝配式結構。所有部品構件均能在工廠預制化生產,現場裝配式施工安裝。這樣不僅施工周期短、產品質量有保證,還節省了勞動力成本,對環境造成的污染相對小?!蹦暇┕I大學土木工程學院副院長楊會峰表示,不僅如此,木材被加工用來建造房屋,能夠確保二氧化碳被儲存在木材里,擁有顯著的固碳能力?!暗仨殢娬{的是,在使用木材作為建材時,必須建立嚴格的木材砍伐和補償種植的管理機制,做好長期監管,實現森林的可持續發展?!?/p>


    除了節能減排外,木結構建筑還有更多好處。比如,由于木材具有天然的“呼吸”功能,可調節室內溫濕度,人居住在里面會更舒適,其良好的抗震性能也更加安全。在第二屆竹木結構國際學術研討會暨江蘇省土木建筑學會竹木結構專業委員會年度高峰論壇上,故宮博物院周乾研究員告訴記者,他對故宮建筑群的抗震分析方法開展系統研究后發現,太和殿連接、梁架和三臺的模擬方法和抗震機理,展現出中國減隔震技術的源遠流長和博大精深。


    02

    復古也創新,助力文物保修


    北京故宮是目前世界上最大的木結構建筑群,7000年前的河姆渡遺址就已經有了干欄式木構建筑,應縣木塔屹立千年不倒,懸空寺成為凌空而建的奇跡……木結構建筑凝聚了我國傳統建筑的智慧,在歷史上留下了濃墨重彩的一筆。


    據不完全統計,在我國已發布的八批全國文物保護單位中,古建筑占比達到42.7%,而古建筑里面最多的就是木結構建筑。加強文物保護利用和文化遺產保護傳承,首先要做好保護?,F代科技如何助力文物建筑的保護與修復呢?


    古建筑的保護與修復重在“修舊如舊”?!捌鋵?,在歷史上,古代工匠們也從未停止對于木建筑的修復或重建,北京故宮的太和殿在歷史上就曾多次修復和重建?!标憘|說,木材壽命主要取決于所處環境和防護措施,糟朽、蟲蛀、變形、劈裂、折斷等都是木構件可能出現的問題?!耙虼?,我們在進行修復時,要針對不同部位、不同殘損及不同病害等情況采取不同維修措施。比如,對柱根糟朽可以采用柱子墩接的方式,對局部糟朽尚能滿足受力要求的構件采取局部修補,主要受力變形構件可采取輔助支撐加固等措施?!?/p>


    用于修復的木材原料也有講究。南京工業大學新農村發展研究院副院長、土木工程學院實驗教學中心副主任岳孔介紹,古建筑中的柱子往往使用的是很粗的金絲楠木。但如今已經很難找到這樣的原材料,因此,一般會選擇膠合木?!澳z合木屬于工程木,整體性能與原木幾乎無差別,使用小規格木材進行拼接、膠合后,既可以成為柱,也可以成為梁,其力學性能可優于原木?!?/p>


    采用榫卯和斗拱連接進行梁柱間的傳力,是我國古建筑的典型結構特征之一,蘊含了古人無盡的智慧和表現力。但是,這種連接形式在某種程度上也是制約古建筑結構性能的一大因素。南京工業大學現代木結構工程技術研究中心副主任、木結構設計院院長程小武告訴記者,因為挖孔、開鑿等步驟,對于木頭連接的部位有較大削弱?!搬槍@一問題,我們采用現代連接技術對一些需要‘搶救’的古建筑進行隱藏式加固,在木構件內使用鋼插板,然后用螺栓固定。這樣一來,首先保持了建筑的形制和外觀,其次提高了單個榫卯的性能,因為鋼材的強度更大?!?/p>


    03

    更高更強,新型混合木結構擁有更多可能


    更堅硬、柔韌性更好、更耐用,與古代的木結構建筑相比,當代全新的木結構建筑已經發生了質的改變。隨著材料科學發展迅猛,木材被賦予了前所未有的強度。


    “木材作為建筑材料的缺陷問題,我們正進行逐一破解?!蹦暇┕I大學科學研究院自然科學處副處長王璐介紹。針對木材有裂縫、裂紋、變形、彎曲等問題,科研人員研發了被稱為“未來的混凝土”的交叉層壓木材(clt)。clt預制板由幾層壓制的板材組成,通常是三層、五層、七層或者九層,木板交錯堆疊,以特定角度黏合在一起,然后用高壓將其壓成巨大的樓板或墻面。在施工現場,這些板材可以快速高效地組裝在一起,像拼圖一樣。


    而膠合木等工程木的出現也讓開裂、腐朽和生蟲等問題迎刃而解。在木材進行膠合前,必須經過窯干等步驟,窯干時100℃以上的高溫足以讓木腐菌或白蟻等成蟲或蟲卵一并被消滅。同時烘干后的木材料含水率在15%以內,在這樣的水分狀態下能有效防止白蟻和木腐菌等存活,而且穩定的含水率也不容易出現材料的開裂現象,因此工程木的耐久性可滿足工程要求。


    建成更高的高度,擁有更多的運用場合。當前,木結構建筑的極限正在不斷被突破,展現出更多的可能性。2020東京奧運會主場館便是一座橢圓形的木制挑檐建筑。2022年,位于美國威斯康星州的重型木構建筑ascent公寓建成,這座高達86.6米的高樓成了目前全球最高的木結構建筑。在杭州亞運會上,也有著諸多木結構元素。由東南大學王建國院士團隊與南工大土木工程學院聯合設計的第十屆江蘇省園藝博覽會主展館,是國內單層層高最大的木結構建筑,榮獲全國綠色建筑創新獎一等獎和中國建筑學會建筑設計獎金獎。


    在江蘇省康復醫院這一項目中,更多的創新“金點子”正在被運用。首先,設計團隊創新性地采用木結構與混凝土結構上下混合、水平混合的組合方式——在頂部兩層水平混合結構體系中,木結構部分僅承受所在區域的豎向荷載,不設置抗側墻體,這樣保證結構通透,有利于使用。其次,在核心區域的混凝土筒體則同時承擔樓層所有的水平剪力及所在區域的豎向荷載,充分發揮混凝土與木材兩種材料的性能優勢。


    南京工業大學木結構設計院總工、國家一級注冊結構工程師孫小鸞介紹,為了提高建筑的抗震效果,團隊還使用了clt+鋼板條+混凝土剛性層的疊合樓板構造。為有效地將木結構部分的地震作用傳遞給混凝土核心筒,木結構區域采用正交膠合木組合樓蓋,膠合木樓板頂部鋪設拉結鋼板條,采用自攻螺釘與木樓蓋固定,再澆筑50毫米厚的細石混凝土層,確保地震作用下結構的協同工作。


    “現在,我們團隊已經把碳纖維和木結構結合起來開展木結構研究,增加木結構建筑的抗震減災、防火阻燃等性能?!标憘|表示,這一成果有望廣泛應用到橋梁、醫院、體育館、公園等工程實際中。


    在陸偉東看來,隨著木結構建筑的國家標準規范和認證體系逐步完善,科研人員的逐漸深入研究,木結構建筑的技術會越來越成熟,木結構在中國的復興指日可待?!拔覀円环矫嬉尭嗳肆私鈧鹘y又陌生的木結構建筑,更要潛心培育好產業鏈、規范市場行為。加強木結構相關專業技術領域的教育與實踐培訓,盡快培養出木結構領域新型人才。另一方面更要做好植樹造林,豐富國內木材資源,減小對國外進口木材的依賴?!?/p>


    延伸閱讀:

    重型木結構建筑的三大創新研究 古代木結構建筑有哪些抗震減震設計 荷蘭最大的木結構經濟適用住房綜合體

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    [責任編輯:Susan]

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