本文最初发布于 Knowable Magazine。
在多伦多大学，就在足球场对面，工人们正在建造一栋 14 层高的教学楼和教师办公室。不寻常的是它们的建造方式——通过螺栓固定由人造木板制成的大型梁、柱和面板。
每件木结构构件通过平板车运到后，一台高大的起重机将其吊起并固定到位，同时工人用金属连接件将其固定。在半成品状态下，这座建筑就像正在组装的平板包装家具。
这座塔楼采用一种名为“大型木材”的新技术。在这种建造方式中，巨大的、人造的木构件可以延伸超过足球场长度的一半，取代了钢梁和混凝土。尽管目前还相对少见，但它正日益普及，并开始出现在世界各地的天际线上。
如今，最高的木结构建筑是 2022 年完工的密尔沃基 Ascent 摩天大楼，共 25 层。截至当年，全球已有 84 栋八层及以上的木结构建筑建成或在建，另有 55 栋已获提议。根据高层建筑与城市人居委员会的报告，70% 的现有和未来建筑位于欧洲，约 20% 位于北美，其余位于澳大利亚和亚洲。如果算上小型建筑，截至 2023 年，仅在美国就已建造了至少 1,700 栋木结构建筑。
大型木材是替代高能耗混凝土和钢材的吸引人选择，而混凝土和钢材加在一起约占全球二氧化碳排放量的 15%。尽管专家们仍在争论大型木材在应对气候变化中的作用，但许多人认为它比目前的建筑方法对环境更好。毕竟，它依赖于可再生资源——木材。
大型木材还提供了不同的美学效果，可以使建筑感觉与众不同。多伦多大学大型木材研究所（该研究所推广大型木材的研究和开发）的建筑科学家 Ted Kesik 说：“人们厌倦了钢材和混凝土。”木材因其温暖、舒缓的外观和天然的纹理，更具视觉吸引力。“人们实际上喜欢看木头。”
同样的木材，更坚固的结构
当然，用木材建造大型建筑并非新鲜事。18 世纪和 19 世纪的工业化导致对大型工厂和仓库的需求，这些建筑通常采用“砖木结构”——由沉重的木梁框架支撑外部砖墙。
然而，随着建筑越来越高，建筑商转向混凝土和钢材来提供支撑。木结构建筑几乎仅限于房屋和其他小型建筑，这些建筑由你在家得宝看到的标准尺寸的“规格木材”制成。
但在大约 30 年前，德国和奥地利的建筑商开始试验利用这种易于获得的木材制造大型木构件的技术。他们使用钉子、销钉和胶水将较小的木块组合成坚固、牢固的大型木块，而无需砍伐大型老树。
包括总部位于瑞士的德国工程师 Julius Natterer 在内的工程师们率先开发了使用这些材料进行建造的新方法。奥地利的赫尔曼·考夫曼（Hermann Kaufmann）等建筑师也因大型木材项目而受到关注，其中包括 1997 年完工的奥地利 Ölzbündt 公寓和 2017 年完工的英属哥伦比亚大学一栋 18 层高的学生宿舍 Brock Commons。
从原理上讲，大型木材就像胶合板，但规模要大得多：较小的木块在大型专用压力机中分层并加压胶合在一起。如今，长度可达 50 米的梁（通常由所谓的胶合层积材，即 glulam 制成）可以取代钢构件。厚度可达 50 厘米的面板（通常是交叉层积材，即 CLT）取代了混凝土，用于墙体和楼板。
这些木材复合材料可以出奇地坚固——按重量计算比钢材还坚固。但要达到相同的强度，大型木材构件必须更厚实。随着建筑越高，木材支撑件也必须越厚；在某个时候，它们会占用太多空间。因此，对于更高的木结构建筑，包括 Ascent 摩天大楼，建筑师通常会结合使用木材、钢材和混凝土。
历史上，使用大型木材建造高层建筑最明显的问题之一是火灾安全。直到最近，许多建筑规范都将木结构限制在低层建筑。
建筑物不必完全防火，但需要足够长的时间来抵抗倒塌，以便消防员有机会控制火势，并让住户撤离。例如，传统摩天大楼使用的材料在火灾中需要保持其完整性三小时或更长时间。
为了证明大型木材的耐火性，工程师们将木构件放入燃气炉中进行测试，并监测其完整性。其他测试则会点燃大型木材建筑模型的火灾，并记录结果。
这些测试逐渐让监管机构和客户相信，大型木材能够足够长时间地抵抗燃烧，从而确保消防安全。这在一定程度上是因为木材外层会形成一层炭化层，从而将内部隔绝在火灾热量之外。
2021 年，大型木材获得了重要认可。国际规范委员会修改了《国际建筑规范》（该规范为世界各地的司法管辖区提供了模型），允许建造高达 18 层的大型木结构建筑。随着这一变化，预计越来越多的地区将更新其规范，常规性地允许建造高层木结构建筑，而不是要求其获得特殊批准。
但还有其他挑战。内华达大学拉斯维加斯分校的建筑师和城市可持续发展学者 Steffen Lehmann 说：“真正的麻烦不是火，而是潮湿。”
所有建筑都必须控制湿度，但这对大型木材来说至关重要。湿木容易受到真菌和白蚁等昆虫的侵蚀。建筑商在运输和施工过程中会小心防止木材受潮，并制定全面的湿度管理计划，包括设计加热和通风系统以防止湿气积聚。为防止昆虫侵害，木材可以经过化学杀虫剂处理，或在与地面接触处用网状物或其他物理屏障包围。
另一个问题是声学，因为木材传声效果很好。设计人员使用隔音材料、在墙壁之间留出空间、安装架空地板等方法。
大型木材的潜在优势
应对全球变暖意味着要减少建筑行业的温室气体排放，该行业占全球排放量的 39%。维也纳中欧大学环境科学家 Diana Ürge-Vorsatz 表示，大型木材和其他生物基材料可能是这项工作的重要组成部分。
在她和同事于 2020 年发表在《环境与资源年评》上的一篇论文中，引用了林业行业的一项估计，即英属哥伦比亚的 18 层 Brock Commons 与类似的混凝土和钢材建筑相比，避免了相当于 2,432 吨二氧化碳的排放。其中，679 吨来自木材与混凝土和钢材的生产过程中产生的温室气体排放较少。另外 1,753 吨二氧化碳当量被封存在建筑的木材中。
Ürge-Vorsatz 说：“如果你使用生物基材料，我们就赢得了双赢。”
但目前对大型木材气候效益的热情很大程度上基于一些重要的假设。例如，这种计算通常假设大型木材建筑中使用的任何木材都将被新树的生长所取代，并且这些新树在整个过程中将从大气中吸收相同量的二氧化碳。但一些环保组织认为，如果用新的树木种植园取代老树，新树可能永远无法达到原树的大小。人们还担心对木材需求的增加可能导致森林砍伐加剧，以及用于粮食生产的土地减少。
研究也倾向于假设，一旦木材进入建筑物，碳就会被永久封存。但砍伐的树木并非所有木材都能用于最终产品。树枝、树根和锯木厂的废料可能会分解或被燃烧。当建筑物被拆除时，如果木材最终进入垃圾填埋场，碳会以甲烷和其他排放物的形式释放出来。
非营利组织碳领导力论坛的建筑师兼环境研究员 Stephanie Carlisle 说：“许多建筑师都在挠头，不知道大型木材是否总是有净效益。“这是真的吗？”她认为气候效益确实存在。但她说，了解这些效益的程度需要更多的研究。
与此同时，大型木材正处于一种名为“集成设计”的全新建筑模式的前沿。在传统建筑中，建筑师首先设计建筑物，然后雇用多家公司来处理建筑的不同部分，从打地基、建造框架到安装通风系统等。
Kesik 说，在集成设计中，设计阶段更为详细，并且从一开始就涉及各公司。不同构件的配合和协同工作方式被提前确定。构件的精确尺寸和形状被预先确定，甚至可以为连接点预先钻孔。这意味着许多构件可以在工厂预制，通常使用先进的计算机控制机械。
许多建筑师喜欢这种方法，因为它让他们对建筑构件有更多的控制权。Lehmann 说，由于大部分工作提前完成，因此建筑在现场的建造速度往往更快——比其他建筑快 40%。
Kesik 说，大型木材建筑的制造方式更像汽车，所有独立的部件都会被运送到最终地点进行组装。“当大型木材建筑出现在现场时，它真的就像一个超大的宜家家具，”他说。“一切都能顺畅地组装起来。”
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
