《世界建筑导报》| 建筑时空 | 现代木结构建筑

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收藏文章 赞一个 已赞 2016-04-13 加拿大木业协会




编者按


在人们认识到自身的行为已经对大自然造成了严重危害,低碳生态理念成为建筑发展趋势的今天,木结构建筑再次受到了人们的关注。现代木结构建筑不仅仅因为所用之木材,是一种可循环利用的“负碳”型建筑材料,热工性能优于钢、混凝土、砖石等建筑材料,符合低消耗、可再生的资源利用原则。而且,现代木结构那种基于材料特性的艺术表现力,也得到了空前的发挥,有着其它建筑材料无法达到的空间效果。这一期《世界建筑导报》与加拿大木业协会合作,选择了一些优秀的加拿大和美国的现代木结构建筑,在“建筑时空”栏目中加以介绍,即是希望能够借此以拓展我们的设计视野。





Modern Timberwork Building

现代木结构建筑


文 / 梓庐



木结构建筑是人类最早使用的建筑结构形式之一,世界各地都有建造木结构建筑的悠久历史,都有极为精彩的木结构建筑遗存。在以中国、日本为代表的亚洲太平洋地区,木结构建筑更是应用得最广、最为常见的一种建造方式,是世界建筑艺术之林中的瑰宝。但是,工业革命之后,随着建筑技术的变革与现代建筑的崛起,钢结构建筑和钢筋混凝土建筑开始流行,木结构建筑逐渐走向了没落,传统的木工建造方式也基本上寿终正寝,木制建筑材料也多由钢材、混凝土、铝合金等现代人工材料所替代。


二次世界大战之后,由于战争的原因,钢材极度缺乏,盛产木材的德国在战后重建时,又开始研究建造木结构建筑,此后,木结构建筑便在欧洲涅槃重生,德国、瑞士及北欧等国是最早开发现代木结构建筑的国家。美国和加拿大也是盛产木材的地方,自开发西部以来,一直没有间断过木结构建筑的建造和研发,二战后更进一步使木结构建筑体系化、产业化。日本也于1980年代前后,开始重新认识木结构建筑的意义,并致力于研究、开发新型木结构建筑。


现在,新型木结构建筑已经有了很大的发展,美国和加拿大95%以上的低层建筑都是现代木结构体系,日本每年新建的建筑也有40%采用现代木结构。新型木结构建筑体系也不仅仅应用于住宅,许多中小型公共建筑,如学校、博物馆、图书馆、商业、诊所等等,也都采用现代木结构,甚至,一些大型体育场馆和支线机场也有采用木结构的情况。可见,现代木结构建筑经过几十年的不断改进,又重新得到了人们的青睐,成为当代主要的建筑结构体系之一。据统计,目前全世界每年大约要新建两、三百万栋木结构建筑。


当代的木结构建筑,与传统木构建筑已经完全不同,现代木结构建筑的设计更符合力学原理,建筑用材也做到了工业化生产。工业化生产的木制产品主要包括:用来建造结构的规格木材(实心木)和强度更高、用途更广的复合工程木材,以及用来做面板的天然板材、胶合板和定向结构板等等。现代木结构构件之间的连接方式也不用榫铆,而多靠金属连接件以钉子或螺栓固定,施工便捷且强度更高。某些复杂的节点或结构构件,还会在工厂中加工,这样既可以节省施工时间,又有助于确保工程质量。


更为重要的是,现代木结构建筑的魅力还在于美学上的突破!它已经超越了技术层面,在顺应工业化生产的同时,越来越强调通过利用木材自身的特性去创造感人的艺术效果。那些源于受力分析、造型绮丽的结构创意,方便施工、极具视觉冲击力的构造节点,以及突显木材质感、强调空间氛围的原生态表达方式,都日益受到人们的关注,代表着一种当代审美意识的倾向,有着其它材料所无法达到的建筑效果。在优秀作品层出不穷的今天,木结构建筑的艺术表现力也得到了充分地发挥,并在某些方面引领时尚,许多前卫的大牌建筑师如隈研吾、扎哈•哈迪德等人,也抛弃了木构建筑属于“过去时”的观念,尝试着用木结构的建筑方式去实现自己的创意。


木结构建筑的优势还体现在生态环境保护方面,这也是钢结构建筑和钢筋混凝土建筑无法企及的。首先,木材是唯一的可再生 “负碳”型天然建筑材料。所谓“负碳”,是指树木在生长期和制成产品之后,自始至终都固化着生长期吸收的碳。木材加工对能源的需求,也大大小于其它建筑材料。而且,木材是可循环再生的材料,经由正确管理经营的森林,可以保障木材供应的永续不断。木材加工过程中产生的废弃物,也可以用做人造木制品的原料。总之,木材是在第一个使用周期完成之后,还可以很容易地被再利用、再生利用,或是被作为不产生多余碳排放的能源来使用。所以,木构材料在整个生命周期中释放出来的温室气体,要远远低于钢材、混凝土、铝材或塑料制品等建筑材料。有研究表明:建造钢框架建筑和混凝土框架建筑,要比建造木框架建筑多消耗17%和16%的能源,多释放26%和31%的温室气体,以及多排出14%和23%的空气污染物。


再有,从建筑物的热工性能方面来看,木结构建筑耗用的能源也较少。木材是一种天然的隔热材料,在同样厚度的条件下,木材的热阻值RIS比混凝土高10倍,比钢材高400倍,比铝材高1600倍。即使采用通常的隔热方法,木结构建筑墙体的隔热效果,也比空心砖墙高3倍。这就意味着钢、混凝土、砖石结构的建筑,如果要达到木结构建筑相同水平的节能性能,就必须使用更多的保温材料或者加厚墙体,意味着要消耗更多的能源并占用更多的使用面积。所以,木结构建筑的环境负担,远远低于其它建筑材料在建造和使用过程中对环境造成的负面影响,木结构建筑是绿色设计的优选对象。


此外,更有意思的是有日本学者认为:人有亲近自然的本能,树木也是有生命的,也是自然界中具有灵性的生命体,同时,树木还在为世间万物提供着养料,甚至是可以增进人们的身心健康。因此,生活在木构建筑之中给人的感受是很不一样的,木材所特有的质感、色泽和芬芳都会给人以一种温馨感,使人倍觉亲切,而且,是有利于延年益寿的。加拿大哥伦比亚大学近期的一项实验研究表明,生活在木质建筑环境的人和生活在混凝土建筑之中的人相比,前者的各项生理反应指标均优于后者。难怪,设计了一辈子钢筋混凝土建筑的柯布西耶,最后却放弃了钢筋混凝土,而选择住在了木构小屋之中!






| 建筑作品 |


 

作品1


Philip J. Currie Dinosaur Museum

加拿大菲利普柯里恐龙博物馆


建筑概况   Facts

地点:加拿大阿尔伯特省

业主:大草原县

建筑设计:Teeple建筑师事务所

总承包商:PCL建设管理公司

面积:29 000平方英尺

完工时间:2014



概述

这座占地2920平方米的博物馆坐落在阿尔伯特省大草原附近传说中的派普斯通恐龙骨床发掘地。该项目的特色在于其拥有一个复杂几何结构的屋顶,采用暴露在外的木制梁柱结构对其作为支撑,这些梁柱的造型犹如恐龙的骨架一般,博物馆便隐于其中。建筑师们从一开始便表达了对使用木材的渴望,甚至想到让这些骨头看上去更逼真,给人们呈现出一个视觉振奋的骨架结构。

挑战

前期的造价分析显示采用木材结构的设计方案似乎太昂贵了,因此当时也准备了一套全钢筋结构的方案。然而,使用木结构的方案似乎更能满足其本身的结构本质。采用重型木结构作为结构支撑将是相当直白的,但由于复杂的几何设计和各种变角,问题变成了结构“节点”– 这些梁柱间的交叉连接点 – 是否有方法可以让这些节点和结构本身无缝连接把这款建筑设计化为现实呢?粗壮的钢结构连接从视觉上来说就无法满足这个要求,但如果使用木结构的话又如何使用巨大的结构支撑力将8根(1.6米粗)长方形的胶合木以同样的3D角度连接起来,并且外观造型也令人满意呢?

结构工程师在与建筑师的交谈当中获得了诸多创意,其中之一便是让该建筑整体造型中能够体现出梁与柱自然地延伸交汇于彼此的节点的独特设计。

最初的想法是从一个巨大的锯材料中切割出一个节点,但是所必需的锯材尺寸以及对应成本清楚地告诉我们这个想法行不通。结构工程设计公司StructureCraft选择将这些巨大的复杂节点切割成操作起来比较可行的平面材,然后把它们粘合起来达到最终的立体造型。这就像3D打印一般,只是这里运用了多层叠加的胶合板。其使用数控机床对一整叠常规4'x8'胶合板像敲章一样切割出所需形状的材料,同时也将材料浪费最小化。

通过与建筑师在工作中的不断互动,最终完成的节点基本遵照了最初的想法,尺寸也符合相关要求。在解决了这个几何建筑学上的问题,StructureCraft和Fast+Epp两家公司的工程师又要研究另一大问题——如何对这个复杂连接的结构荷载力进行分析

工程与建模

试着分析一个由多层正交异性和非均匀材料粘合一起,被80颗螺钉无相互依靠地钉在不同角度和长度上的巨型三维体后,发现没有任何可行性,即便使用最新的有限元软件。这些节点对于木材连接工程来说是具有突破性的尝试,因为它们具有独特的结构表现。面对如此的复杂性,无疑需要更为仔细的分析和测试。

为了检查这些节点的力度荷载和失效机理,在工程车间做了相关测试:将用胶合板组合叠加而成的柱子像这些节点装配一样进行粘合固定。通过对使用和不使用螺钉加强的对比测试,可以推导出应力参数,它可以反过来对节点本身的结构进行分析。使用直径为19mm长度为1200mm的螺钉来完成“拉压杆”模型的制作方式,这就如同混凝土里的钢筋。

制作

与此同时,设计和建造团队仍然不得不面对如何有效并经济地做出这些节点的问题。他们需要重点依靠3D建模软件来进行优化、螺钉放置以及质量控制。

开始,这些梁和柱的几何形状被输入到Rhino3D(犀牛造型软件)。为了加快对节点的分析和建模,研究人员创建了相应的脚本语言来自动完成各个节点及其相应胶合板层的虚拟开发。每一个节点的二维异形层都是独一无二的,多方位的,因此,数控技术是一种显而易见的制造方法。Grasshopper,一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件,推动这一过程,使之成为一个真正的数字制造的设计范例。

最大的节点须大于1500mm高2400mm宽,并装有大约180个数控件。每个厚度为16mm的数控件在一定程度上受到4'x8'尺寸的标准胶合板的固定。经过优化之后,这1250个数控件和250片胶合板的布局可以一起完成。每一块数控件都有自己的全球节点编号以及在具体项目中的位置编号。

但是当这些胶合板层被制作完成后,如何对它们进行索引并精确排列放置呢?三维自动化也包括在每一层上被整齐放置的小钻孔,每一层上将允许安装150mm长木销钉,因而可以将这些胶合板层相互间精准地堆叠。

完成层组件安装后,最棘手的一步还在前方– 如何准确安装80颗增强螺钉同时又不与其他螺钉和口碰撞?如上所述,每一个节点的扩展都具有不同方向和大小的对角线加强螺钉。螺钉安装的最后阶段是车间楼板和用于仔细定位各个螺钉的三维模型之间的紧密协作。

在整个制作过程中,进行了工程审查和大范围的质检监控来确保整体节点和单个节点的扩展都符合相关容许度,因为之后在这些节点上要连接梁和支柱。

安装

临时钢柱在Z方向固定住这些节点而同时在X和Y方向上的节点和斜拉锁一起调整。这些节点需要精确地放置在三维空间中以便拉起过程会顺利进行。节点被安全地放置后,相关的梁和支柱连接到每个节点的扩展点上。


获奖 

2015年木结构设计奖: 木材广泛使用特殊建筑设计

2015年木结构设计奖: 优秀工程

2015年木结构设计奖: 木结构工程倡导奖模范提名和地方推选



实景照片










技术图纸






作品2


Prince George Airport Expansion

乔治王子机场扩建


建筑概况   Facts

地点:加拿大不列颠哥伦比亚省

建筑设计:麦克法兰绿色建筑+设计

结构工程:均衡咨询

完工时间:2005年



乔治王子市是不列颠哥伦比亚省北部最大的城市,其作为以林业为支柱产业的城市已经有一个多世纪的历史了,但是近些年该城市建立了北不列颠哥伦比亚大学,市内的野外旅游项目每年也吸引了成千上万的欧洲游客。这些变化和9-11事件后世界安全隐忧一起促进了这里区域小规模机场航站楼的升级和扩建。分成两个阶段的扩建包括国内离开和到达大厅的建设,新安保区域以及针对国内外航班的行李装卸设备。一个国际到达厅则和海关办公区一起完成。在修补和扩展现有设施时,遇到的挑战是需要设计一个方案融合建筑的新旧部件并且同时要体现乔治王子区域特征和愿景。

扩建建筑计划是围绕一个线性的广场进行组织的,这个广场连接和统一建筑的新老部分。一个优雅的花旗松胶合木系统和钢材门式钢架在周围扁平的屋顶上撑起了一个连续的玻璃屋面,将阳光带进建设中心。水平布置的花旗松遮阳条交替安装在东房梁和西房梁,这样就过滤了光线,在广场的墙上和地板上造成了随时变化的影子戏效果。在出境休息区、椭圆型的花旗松胶合木圆柱和球墨铸铁铸件支撑着一个高保温的玻璃幕墙,这个玻璃幕墙为乘客提供全面的机场空侧停机坪和周围森林的景观。胶合木圆柱是使用5轴计算机数控铣机器在本地制造的。通过使用窄头的不锈钢销钉连接件突出了结构的单纯性。而透明聚氨酯胶的使用则加强了主要胶合木材料的美感,同时消除了薄片之间的黑线,虽然黑线在胶合木结构中普遍存在。作为这座城市最重要的门户,新机场的扩建重新定义了乔治王子市的新形象。该建筑的优雅和经济性反应了当代施工工艺的精准以及增值工程木产品的运用以及其优异的环保指标。


获奖 

2005年BC省长奖,卓越奖,第一期

2006年BC省长奖,卓越奖,第二期

2005年木制品奖,商业与机构,第一期

2005年木材设计奖– 嘉奖,第一、二期

2006年木制品奖,商业与机构,第二期

2009年加拿大皇家建筑学会(RAIC)卓越奖,建筑(艺术)创新,第一、第二期


实景照片





技术图纸





作品3

Grand Teton Discovery and Visitor Centre

大提顿探险及游客中心


建筑概况   Facts

地点:美国大提顿国家公园

业主:国家公园,大提顿国家公园基金会,大提顿协会

建筑设计:Bohlin Cywinski Jackson

结构工程:博德特咨询工程师

机械/电器工程:GPD股份公司

庭园景观设计:斯威夫特公司

建筑面积:2 044平方米

完工时间:2007年

摄影:尼克・雷侯克斯,彼得・莫斯/ESTO,里德尔・爱德华,亨利・霍尔兹沃思



大提顿探险及游客中心位于怀俄明州摩斯市蛇河边的一片山艾树草地和河岸林地之间。在这样一个巨大的地貌景观中,游客会被庭院中的宁静和亲切氛围所吸引。由花旗松原木所形成的柱廊环绕整个庭院,保护了院内免于夏日的阳光和严冬的大雪。房顶向上隆起,而且远离庭院,它的屋脊呈锯齿状,从而与院外提顿山脉的山峰遥相呼应。


该建筑使人联想起传统的自然保护公园建筑风格。设计要求该建筑能在高山地区长期使用。用木板作模板所浇注出来的墙体和墙裙、花旗松柱子和西部红柏墙板将会逐渐自然风化,并成为当地自然景观色彩和形态的补充。在庭院内,悬挑出很远的屋檐可以保护墙板,使它们保持丰富、温暖的色调以迎接游客的到来。该建筑中铺设的槽口式清材级红柏外墙挂板有多种宽度和厚度,使用外露的镀锌钉固定,从而可以将所采用的建筑手段展现出来。


该建筑的焦点是一个大型的多功能聚会大厅,其中一个问询台、一个说明性展览区、一些随意设置的座位,以及室外提顿山脉壮丽的景色。花旗松原木框架支撑着工程木梁,呈放射状从中心向外延伸,这些工程木梁形成超出景观窗户的悬挑。所有木结构组件都是由经FSC认证的木材制成,符合自然公园环境可持续发展的宗旨。


一个大型壁炉是该大厅标志性的、也是实质性的焦点。一个书店、一个艺术画廊和一个教室被安排在大厅相近的位置。其它设施以木隔间的方式呈离散状排列,包括美国国家公园管理处(NPS)办公室、游客休息室及其它附属设施。整个游客中心以花旗松胶合板和清材级西部红柏墙板装饰。


整个新建筑遵循了自然公园乡村建筑的传统,同时又在设计和管理上充分保持了现代化。


获奖

2011年 荣誉奖,美国建筑师联合会(AIA)西北及太平洋地区

2010年 绿色优秀设计,芝加哥雅典娜优秀设计奖

2009年 荣誉奖,美国建筑师联合会(AIA)西雅图

2008年 美国建筑奖,芝加哥雅典娜优秀设计奖

卓越设计银奖,美国建筑师联合会(AIA)宾夕法尼亚

2007年 荣誉奖, 木材设计奖

卓越奖,美国建筑师联合会(AIA)宾夕法尼亚

 

实景照片






技术图纸









作品4

Whistler Public Library

惠斯勒公共图书馆


建筑概况   Facts

地点:加拿大不列颠哥伦比亚省

业主:惠斯勒度假区

建筑设计:休斯・康登・马勒建筑师事务所

结构工程:FAST+ EPP结构工程师事务所

机械工程:斯坦泰克工程公司

电气工程:智慧工程公司

景观设计:菲利普斯・费瓦・斯莫伦伯格事务所

完工时间:2008年

摄影:尼克・雷侯克斯,马丁・特斯拉



惠斯勒的度假胜地市政府坐落在不列颠哥伦比亚的崎岖不平的海岸山脉北部。其新建的15 000平方英尺(1 400平方米)图书馆于2008年竣工,提供了一种艺术级别的设施,呈现了一种新型公民文化,因为这是市政府唯一的公共图书馆。该项目希求将书中描绘的想象感、沉思、社区与自然环境的庞大规模结为一体,同时提供一种新的山地建筑设计的方法。


建筑物的形式与太阳方位及其地理状况相适应,与惠斯勒的“山村卷”的城市边缘、邻近木质公园及远处群山相协调。乡土型板型混凝土和玄武石墙覆面用于主要的垂直构件(如壁炉和电梯中心),以将该建筑固定在山上相应的位置,而WRC墙覆面和饰线板用于为这些元素提供温暖的对比,以及将该建筑与本村庄的更传统的建筑物相连接。


北立面上,预览室周围采用斜的护墙板,以创建出一种有助于沉思和学习的舒适感,而在西立面上,采用了一个带有窗侧的较大定制外形槽型护墙板,借以提供一种与阅览室上胶合板梁柱相关的规模。在停车楼和共用楼梯处,一个V型槽的红柏挑檐底面用于公共区域,以构建出一种热情的气氛。

最后,西部红柏含有自然防腐剂,且西部红柏为本地出产的材料,这些事实使得为该可持续推动项目使用西部红柏的决定变得轻而易举。


获奖

不列颠哥伦比亚省建筑总督奖

木材设计真材实料红柏奖

不列颠哥伦比亚省木材设计奖



实景照片







技术图纸






作品5

EMPAC

实验媒体和表演艺术中心


建筑概况   Facts

地点:美国纽约州

建筑设计:格里姆肖

记录建筑师:Davis Brody BondAedas

结构工程:BuroHappold

施工管理:铁狮门建设工程公司

声学:柯克联营公司

戏院咨询:费舍・达施联合公司



EMPAC (Experimental Media andPerformance Art Centre)位于纽约特洛伊的伦斯勒理工学院,开办于2008年10月。该建筑既是适于表演艺术和科学的实验室,同时也为视觉和听觉提供艺术级拟真环境。它包括一个音乐厅、三个表演工作室和录音室。


音乐厅是该建筑物的核心,其外面是一个巨大的双曲木质壳,外包层完全由西部红柏建成。线性英尺为15 000(4 570米)的舌榫木板的材料源自大不列颠哥伦比亚的可持续管理的森林。


材料运送到宾夕法尼亚州,在那儿,材料被再锯成适当的厚度,空气干燥9个月。然后进行塑造成合适的外形以允许舌榫出现在曲面上,并允许额外的移动,因为在65英尺(20米)高的墙上有120片木块成对角堆放,并且需要容纳高至8英寸(200毫米)的热和水分迁移。为进一步容纳墙中的应力,结合点的设计包含了一个密合用砂模突条。


选择西部红柏的理由是它具有优良的技术性能特征,以及美丽的美学品质。EMPAC的木质外壳经历了一系列严格的火焰蔓延测试,并且西部红柏被认定为本来就属于所需的B类材质。


设计组在项目详图和施工方法方面与磨坊承包商进行了广泛的合作,磨坊承包商在项目开始时,构建了一个全尺寸的壳断面的实体模型,以允许设计组研发建筑详图以及最合适的机械紧固方法。



实景照片






技术图纸







国内统一连续出版物号: CN44-1236/TU
国际标准连续出版物号: ISSN1000-8373


总编辑 / 覃力

副总编辑 / 甘海星

责任编辑 / 沈少娟  刘晓燕  乔迅翔

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