世界上最先进的建筑材料是……木材

十月初一个多云的日子，建筑师安德鲁·沃（Andrew Waugh）绕着伦敦东区肖尔迪奇（Shoreditch）一座不起眼的公寓楼底部踱步。肖尔迪奇在第二次世界大战的空袭中遭受重创——沃说：“这是德国空军赠送的‘城市更新’。”之后几十年来一直处于被忽视的衰败状态。然而，最近，这个街区重新焕发了活力。首先是承诺低廉租金的夜总会和科技初创公司涌入，然后是居民跟随而至。紧随其后的是建筑师、城市规划师和工程师，其中许多人都会朝圣般地来到沃现在正在绕行的同一座大楼。

从外面看，沃和他的合伙人安东尼·西斯莱顿（Anthony Thistleton）设计的这座九层高的建筑Stadthaus并没有什么特别引人注目的地方。它灰白色的外观几乎与阴沉的伦敦天空融为一体。让Stadthaus与众不同的是它的内部。地板、天花板、电梯井和楼梯间不是由钢材和混凝土制成，而是完全由木材构成。

但不是一般的木材。这座大楼的强度和规模依赖于一种高度工程化的材料，称为交叉层压木材（CLT）。这些巨大的面板厚度可达半英尺。它们通过将平行梁层层叠放，层与层垂直，然后粘合在一起制成，从而获得媲美钢铁的强度。西斯莱顿说：“这种建造方式与预制混凝土的相似之处比与传统的木框架设计更多。”许多工程师喜欢称之为“强化版胶合板”。

Stadthaus于2009年开业时，是当时世界上最高的现代木结构建筑。自那以后，CLT建筑如雨后春笋般涌现。沃·西斯莱顿（Waugh Thistleton）在2011年Stadthaus附近建造了一座七层高的公寓楼，而在加拿大不列颠哥伦比亚省乔治王子城，一座90英尺高的木结构建筑正在建设中。2012年，Stadthaus的高度纪录被墨尔本一座名为Forté的10层公寓楼打破。

木材既可再生，又是碳汇。

还有更高楼的计划。瑞典当局已批准在斯德哥尔摩建造一座34层高的木结构大楼，而温哥华建筑师迈克尔·格林（Michael Green）正在申请批准在他的城市建造一座30层高的大楼。芝加哥的超大型建筑公司Skidmore, Owings & Merrill（SOM）最近发布了一项关于建造一座主要由CLT制成的42层高大楼的可行性研究。不列颠哥伦比亚大学木结构设计与建造教授弗兰克·拉姆（Frank Lam）表示，建筑师们之间正在展开一场比赛，看谁能建造出下一座最高的木结构高层建筑。

为何突然对木材产生兴趣？与钢材或混凝土相比，CLT，也称为大跨度木材（mass timber），成本更低，组装更容易，并且由于木材的碳化特性，防火性能更好。它也更具可持续性。木材像任何作物一样可再生，而且它是碳汇，即使在被制成木材后，也能储存其生长过程中吸收的二氧化碳。沃·西斯莱顿估计，Stadthaus中的木材储存了186吨碳，而建造一座类似的传统建筑所需的钢材和混凝土在生产过程中会产生137吨二氧化碳。木材净节省了323吨。

人口学家预测，36年后，全球城市人口将翻一番，这将增加对日益密集城市中更高建筑的需求。建筑师和建筑公司是选择使用像钢材和混凝土这样不可持续的材料建造这些大楼，还是采用CLT等新材料，将对地球的健康产生巨大影响。换句话说，世界的城市未来可能就蕴藏在它最古老的建筑材料中。

大多数人想到木结构建筑时，会想到气球——或者更确切地说，气球框架（balloon frame），这是19世纪中期引入的一种轻巧但坚固的住宅建筑系统，由细木梁组成（人们说它如此轻巧，似乎会飘走）。这种框架也被称为“芝加哥建造法”，因为它们在芝加哥首次流行起来，建造起来又便宜又容易。但是，虽然它们足以支撑几层的住宅建筑，但气球框架在承受更大重量时会迅速弯曲。

到了19世纪末，随着城市开始向上而不是向外发展，这成了一个问题。幸运的是，大约在同一时间，工程师和建筑师们发现了如何利用钢材和混凝土建造高层建筑，这些建筑可以远远高于最高的气球框架。1885年启用的芝加哥138英尺高的Home Insurance Building是第一个采用钢骨架的建筑，随后成千上万的建筑相继出现。

19世纪末20世纪初，一系列可怕的城市火灾席卷了巴尔的摩、芝加哥和旧金山等城市的许多木制房屋和公寓楼，这并没有帮助木材的声誉。这些灾难导致严格的地方建筑规范，将住宅木结构建筑的高度限制在低至五层。

剩下的就是建筑史了。20世纪全球城市中生长起来的摩天大楼森林几乎完全由钢材和混凝土制成。伦敦建筑公司dRMM的合伙人亚历克斯·德·里杰（Alex de Rijke）表示：“有一段很长的时间，人们忘记了如何使用木材。” dRMM公司在大跨度木材设计方面拥有丰富的经验。

但在过去的二十年里，建筑师和工程师们开始重新思考木材作为结构建筑材料的可能性。首先是技术本身。在20世纪90年代中期，奥地利政府资助了一项联合行业-学术研究项目，以开发新型、更强的“工程木材”，以吸收该国过剩的木材供应。其成果就是CLT——一种轻质、极其坚固的材料，可以预制和定制切割。

CLT的简单之处在于其正交异性（orthotropic）特性。普通木材在纹理方向上很强，但在横向方向上很弱。CLT的垂直层使其在两个方向上都很坚固。由于它依赖于小梁层，因此可以通过使用木材厂会拒绝的形状不规则、有节疤的木材来减少浪费。

CLT的出现恰逢建筑业经历技术革命。过去，建筑师会手绘图纸并将其发送给工程师，工程师会将文件转换为每根木梁或钢板的规格。然后，这些构件会在工厂切割，并在现场逐件组装——这是一个昂贵、耗时且通常不精确的过程。

如今，这一切都由计算机完成。建筑师使用3D AutoCAD软件设计建筑，程序会生成材料规格，并将其发送给机器人木材或钢材切割机，这些切割机以毫米级的精度塑造面板。结果是一套建筑模块，一小队工人可以在几周内将其拧在一起。Stadthaus的木结构部分仅用了27天就由四名工人完成，每周工作三天，比类似的钢筋混凝土结构快了约30%。沃说，与其在现场从头开始建造大楼，不如说是在组装一件家具。“说明就像宜家一样，但稍微直接一点，名字也更悦耳，”他说。

尽管CLT有诸多优点，但直到最近才成为一种难以推广的材料。在2003年使用这种材料建造了一个小型艺术俱乐部后，沃和西斯莱顿花了多年时间试图说服更多客户使用它，但都失败了。“任何进来的客户，木材都会被摆上桌面，”沃说，“一个小时后，木材却常常被撤下。”

阻力源于对木材作为材料的固有假设：客户认为任何木结构都会像气球框架一样，存在结构上的弱点和火灾易感性。“我们发现这段旅程有时令人沮丧，”西斯莱顿说。“我们发现的一点是，没有人能区分大跨度木材和木框架。”

火灾当然是木结构建筑首先想到的问题。然而，大跨度木材在火灾中的安全性实际上比钢材更高。厚木板的外部会碳化，从而保护内部的木材不受损坏。而金属则会开始融化。美国工程木材协会（APA）技术服务总监B.J. Yeh说：“钢材燃烧时，就像意大利面一样。”

然而，开发商们正在逐渐接受，尤其是那些认识到使用CLT建造的经济效益的人。当全球项目管理和建筑公司Lend Lease的澳大利亚分公司开始设计墨尔本码头区一座10层公寓楼Forté时，他们的工程师并没有考虑大跨度木材。公司负责木结构项目监督的Andrew Nieland表示：“我们最初寻找的是一种能够适应相对较差土壤条件的轻质建造解决方案。”他们发现，CLT在经济上是最合理的。“我们进行了尽职调查，发现了工程木材，”Neiland说。根据沃·西斯莱顿的研究，一般来说，CLT建造的成本比传统的钢筋混凝土低约15%。

租户们也开始接受。尽管有些人可能因为生活在木结构大楼的安全担忧而被劝退，但Forté却取得了巨大的商业成功，所有单元都已售罄。“它在中国上了新闻，”Neiland说。“一位同事的母亲打电话来说：‘这是什么建筑？’”他表示，未来，Lend Lease Australia致力于将其30%至50%的项目采用CLT建造。

但木结构建筑转向的最大驱动力是建筑师和开发商日益意识到他们行业对气候变化的贡献。“我们的行业在对地球和人类健康的影响方面，位居所有行业之首，”沃说。混凝土和钢材的生产和运输需要巨大的能量，每吨钢材或混凝土会产生超过一吨的二氧化碳。

另一方面，木材——即使是像CLT这样的工程木材，其切割和压制成型的过程需要额外的能量——也比它们环保得多。根据提倡可持续木结构建筑的组织Wood for Good的数据，一吨砖的生产能耗是一吨锯木的四倍；混凝土是五倍，钢材是24倍，铝是126倍。木材的表现也更好：例如，它的隔热性是混凝土的五倍，是钢材的350倍。这意味着建造木结构建筑所需的供暖和制冷能源更少。

当CLT用于建造高层建筑时，碳排放的节省可能是巨大的。Stadthaus中锁定的186吨碳足以抵消其20年的日常运营，这意味着在其生命的前二十年里，该建筑不是碳中和的——实际上是负碳的。Stadthaus没有产生温室气体，反而正在对抗它们。

虽然像Waugh Thistleton这样的公司专注于中低层高层建筑，但其他公司正在设计更高层、高达40层或更高的建筑。最新的提案来自Skidmore, Owings & Merrill（SOM），这家公司是包括1号世界贸易中心和哈利法塔在内的世界最高摩天大楼的设计者。该项目名为Timber Tower Research Project（木结构塔楼研究项目），将SOM于1966年设计的芝加哥42层Dewitt Chestnut公寓楼设想为一座主要由CLT建造的结构。总的来说，该拟建建筑约80%为木材，接缝处使用钢材和混凝土以提供额外的刚度。

到目前为止，这项研究仅仅是一个思想实验。但对于像SOM这样的一流公司采纳高层木结构建筑，是技术迅速从工程前沿走向主流的标志。

不太可能看到木结构大楼像当今的超级摩天大楼那样高。但这仍然留下了很多机会。即使在世界上最大的城市，只有少数建筑高度超过40层。“有巨大的市场是可行的。纽约是一座高层建筑城市，但并不算特别高，”负责SOM研究的项目工程师Benton Johnson说。“我们可以处理曼哈顿的大部分地区。”

这让我们回到了Stadthaus。如果肖尔迪奇街角那座不起眼的建筑实际上能捕获数百吨碳，那么想象一下整个城市的Stadthaus。曾经是温室气体主要来源的建筑，现在却能从大气中清除它们。dRMM的德·里杰说：“木材是新的混凝土。”“混凝土是20世纪的材料。钢材是19世纪的材料。木材是21世纪的材料。”