綠色建筑新常態(tài)——木結構的新使命

 

作者：陳蕾

【摘要】發(fā)展綠色建筑是世界未來發(fā)展的必然趨勢 氣候發(fā)暖、能源短缺是迄今人類所遇到的最大范圍的公共危機。而木結構是能夠體現(xiàn)綠色建筑的一種常見形式，因此我們需要重新認識木結構建筑。本文從國際國內背景、低碳環(huán)保、綠色材料再生特點、結構安全及多元化的結構形式，分析論述木結構建筑的主要特征及在我國的發(fā)展前景和實際運用形式。

【關鍵詞】節(jié)能；環(huán)保；綠色建筑；發(fā)展空間

一、發(fā)展綠色建筑的必要性和迫切性

隨著全球經濟的持續(xù)增長，建筑及其運行的資源消耗和環(huán)境負擔日益嚴重，人們對健康、環(huán)境與經濟之間關系的認知不斷提高，減少建筑能源消耗和污染排放，節(jié)約資源，保護環(huán)境，實現(xiàn)建筑與自然的和諧共存，已成為我們面臨的深刻課題，發(fā)展低碳經濟、綠色經濟已是大勢所趨。同時建設生態(tài)文明是關系人民福祉，關乎民族未來的長遠大計。黨的“十八大”報告首次把生態(tài)文明建設寫入黨章，并明確提出要加快“綠色發(fā)展、低碳發(fā)展，循環(huán)發(fā)展”，建設“美麗中國”。國務院辦公廳以國辦發(fā)2013（1）號文件的形式轉發(fā)了國家發(fā)改委、住建部《綠色建筑行動綱要》，為我國綠色建筑發(fā)展指明了方向。因此按照綠色低碳等先進理念，高起點規(guī)劃，高水平建設城市刻不容緩。

二、木結構建筑的綠色特點

從全球范圍來看，木結構建筑具有低碳、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)點，為營造綠色建筑、健康住宅而選擇木結構的建筑正受到越來越多的開發(fā)商、建筑師的青睞，無論是我國傳統(tǒng)的木結構建筑，還是北美、歐洲等廣泛使用的現(xiàn)代木結構建筑，無不印證木結構建筑在人類生活中的重要性。在所有的主要建材中，木材是唯一可以再生的建材，在能耗、溫室氣體、空氣和水污染以及生態(tài)資源開采方面，木結構的環(huán)保性大大優(yōu)于磚混結構和鋼結構。

1、節(jié)能保溫性能

我國現(xiàn)有近400億m²建筑中，98％為高耗能建筑。比較同等單位材料的加工能耗，鋼材是木材的191倍，水泥是木材的5倍。如果用木結構建筑替代鋼結構建筑，在建造階段，將節(jié)省27．75％的能源和39．2％的水；替代混凝土結構建筑，可節(jié)省45．24％的能源和46．17％的水。此外，木材是天然的隔熱材料，保溫性能優(yōu)異，其隔熱值比混凝土高16倍，熱阻值是鋼材的400倍。在相同的外界條件和室內熱環(huán)境條件下，木結構墻體的傳熱量明顯低于鋼混結構墻體，節(jié)能效果更明顯。鋼混結構建筑要達到與木結構建筑相同的節(jié)能效果，必須使用更多的保溫材料或加厚墻體。

2、 環(huán)保性能

2.1 碳排放量最少

鋼材和水泥是傳統(tǒng)建筑的主要用材，也是環(huán)境污染物排放的重要來源。據計算，建筑業(yè)排放的C0₂占全國碳排放總量的比例高達36％，建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，更加劇了全球氣候變暖。但是，不同建筑材料的碳排放量差異很大，研究不同建筑材料的碳排放，對發(fā)展低碳建筑和整個社會的減排意義重大。樹木在成長為木材的過程中，經過光合作用，每生長1 m³木材能吸收約1 t的C0₂，并釋放0．75 t的0₂。木材產品固定的碳量，比其在生產和使用過程中釋放的碳量更多，是唯一的“負碳”型材料。對于相似結構的建筑，木結構建筑在生命周期內的碳排放最少，溫室氣體排放量遠低于鋼結構建筑和磚混結構建筑。

2.2 環(huán)境污染最小

不同結構形式的建筑對環(huán)境的破壞程度不同。鋼結構建筑的空氣污染指數是木結構建筑的1．44倍，水污染指數是木結構的120倍，產生的廢料是木結構的1．37倍。清華大學國際工程項目管理研究院等把資源消耗和生態(tài)破壞層面的環(huán)境影響，劃分為：氣候變暖、臭氧層破壞、酸化、水體懸浮物、水資源消耗、化石能消耗等12種類型，在考慮社會支付意愿的基礎上，構建各種類型環(huán)境影響的權重系統(tǒng)，對不同結構形式建筑的主要建材的環(huán)境影響進行了加權評估，結果顯示：就單位建筑面積的環(huán)境影響潛力而言，木結構最小(148．87元／m²)，混凝土結構次之(150．13元／m²)，鋼結構建筑最高(161．92元／m²)；而對生態(tài)系統(tǒng)的破壞程度，鋼結構最嚴重(134．68元／m²)，混凝土結構次之(120．46元／m²)，木結構最輕(106。23元／m²)。因此，開發(fā)木結構建筑，將具有更高的環(huán)境效益。

3、可再生性

一直以來，人們對木結構建筑的應用存在誤區(qū)，認為我國沒有足夠的森林資源，利用木材就是破壞森林資源，破壞生態(tài)環(huán)境。其實不然，在所有的建筑材料中，木材是唯一可再生的資源，只要能做到森林資源的科學管理，并加以合理利用，就可以源源不斷地從森林中獲得建筑材料。發(fā)展木結構建筑，不但可以促進森林的再生和森林資源的增長，有助于森林的可持續(xù)開發(fā)，而且可以激發(fā)全社會的造林積極性。歐洲等發(fā)達國家木結構建筑的發(fā)展已有百年歷史，其森林資源不但沒有減少反而逐步增加的事實，就是最好的例證。

三、木結構建筑結構及施工特點

1、抗震性能

建筑的抗震性能主要取決于建筑材料。木結構建筑的抗震性能優(yōu)于其他任何形式的結構，體現(xiàn)在：

（1）木材密度小，木結構建筑重量輕，地震發(fā)生時吸收的地震力??；（2）構件間連接具有柔性，可承受較大荷載，并允許產生一定變形，吸收一定的地震能量；（3）韌性大，對瞬間沖擊載荷和周期性疲勞破壞，有較強的抵抗能力，不易和地基發(fā)生共振，具有墻倒屋不塌的特征。因而能夠降低次生災害的危險，有效地減輕地震發(fā)生時人員的傷亡。

2、防火安全性

事實證明，木結構建筑的防火安全性能與材料本身的燃燒性能關系不大，而是取決于建筑中整個構件的燃燒性能，尤其是屋頂、墻壁和地板等構件。實際應用時，木結構建筑構件的內側會使用防火石膏板覆面，龍骨空腔內填充不可燃的礦物纖維保溫材料，以增強其耐火極限。木結構建筑的木構件經過上述阻燃處理具有炭化效應，因此，木結構建筑的防火性能甚至優(yōu)于磚混結構建筑?；馂陌l(fā)生時，木材表面的炭化層可以阻礙火勢蔓延，為營救和逃生爭取寶貴時間。

3、舒適性

木材是一種天然的材料，能給人親切、自然的感覺，能營造溫馨而舒適的氛圍。 特別在幼兒園、中小學非常具有親和力。

4、施工周期

木結構建筑大量構件可以實現(xiàn)工廠預制成型，方便工地現(xiàn)場裝配，施工基本不受氣候的影響，施工周期只需同等規(guī)?；炷两Y構建筑的1／3～1／2。一幢三層別墅包含裝修在內的建造周期只需2～3個月，且施工強度降低，勞動力成本節(jié)省。木構件和連接件分工分類，標準件統(tǒng)一尺寸，梁、柱等構件種類少。標準件適合工業(yè)化，使得現(xiàn)代木結構建筑可以實現(xiàn)集成性和預制性，逐步做到產品標準化、供應系列化、生產工廠化和施工裝配化。生產加工的技術進步，大大推動了木結構建筑的發(fā)展，同時也可助力我國住宅產業(yè)化水平的提升以及新型建筑工業(yè)化的推廣。

通過與鋼筋混凝土、鋼材這兩種最常見的建筑材料的比較，木結構建筑在環(huán)保經濟等方面具有不可逾越的優(yōu)勢。因此，在經濟高速發(fā)達的今天，古老的木結構又重新回歸人類的視線，并占據越來越重要的地位。

四、現(xiàn)代木結構的建筑形式

    現(xiàn)代木結構建筑的形式，可分為重型木結構建筑和輕型木結構建筑兩類。木結構建筑形式包括但不限于六層全木結構民用建筑或住宅、木結構－混凝土混合結構配以木骨架組合填充外墻、木質非承重內分隔墻、木桁架屋蓋系統(tǒng)與木結構組合樓蓋系統(tǒng)等在實際工程中均有體現(xiàn)。木和鋼、混凝土的協(xié)調性好，裝飾效果強。如倫敦奧運會自行車館案例，其主結構為鋼結構，外墻用加拿大棕紅色耐腐木材包裹，既美觀耐用，又實現(xiàn)了低碳、可持續(xù)的發(fā)展理念；值得一提的是在溫哥華珀西諾曼水上運動中心，其特點是實木屋頂，它穩(wěn)固著橫跨游泳池的主區(qū)域43米長的花旗松膠合木梁，同時木結構也避免了消毒水容易腐蝕鋼結構的缺點。結合我國的國情木結構在大中城市，可發(fā)展混合木結構、平改坡工程及大型公共建筑、休閑會所、旅游度假酒店等；而隨著新農村建設和城鎮(zhèn)化進程推進，尤其是地震多發(fā)地區(qū)房屋改建工程，亦為木結構建筑的推廣和應用提供了良好契機。在我國目前大量新建綠色建筑的熱潮下，對眾多舊建筑的改造相比拆除重建更加可持續(xù)，木結構可以加固，木結構的節(jié)點連接從傳統(tǒng)的榫卯發(fā)展到現(xiàn)在的金屬連接：如鋼板、螺栓、植筋等等，也非常值得我們借鑒與學習。

倫敦奧運會自行車館

 

溫哥華珀西諾曼水上運動中心

五、結構設計專業(yè)的新使命

木結構肩負的新使命也賦予了結構設計師們新使命，如何在實際的設計工作中突出“綠色”的特征是值得我們思考和探討的。結構工程師不應局限于受力分析設計斷面．決定配筋．構造措施這么簡單的力學數學計算，把“綠色建筑”的推廣簡單地視為規(guī)劃師、建筑師、環(huán)境師的職責是一種狹隘的想法，并且一定要摒棄“結構設計就是依著建筑設計師畫瓢的傳統(tǒng)思想”。應該主動和業(yè)主，建筑師，設備電氣工程師探討和宣傳綠色建筑理念。比如在可以用木結構設計的工程中大膽使用，合理設計，平時也需要多學習，多交流，多參觀，多總結提高自身在木結構等綠色建筑方面的設計能力。在平時常用結構形式的設計過程中精打細算，開展優(yōu)化設計，綜合考慮結構、地基、抗震、防火等安全可靠的指標體系?？茖W準確，實事求是地預測今后若干年可能出現(xiàn)的情況和所采用的超前設計，新技術、新產品，這些都是綠色建筑的基本內涵。結構設計師應當在日常的設計過程中樹立起綠色建筑的理念，并在工程分析中堅持自已的綠色倡導。

六、結論

通過前面的分析和木結構建筑的實際使用情況表明，可見木結構建筑的發(fā)展空間是無限廣闊的。木結構建筑在使用舒適度、外觀造型、建設和使用周期、能耗等方面均優(yōu)于混凝土結構建筑．同時木結構具有低碳環(huán)保、節(jié)能保溫、抗震安全、建造迅速等特征優(yōu)勢，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略和綠色節(jié)能建筑產業(yè)化政策，是我國綠色建筑發(fā)展中的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，能充分體現(xiàn)生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保的先進理念。北美、歐洲、日本等國的低層建筑都采用木結構，隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，從量的簡單增長轉向質的提升，把城鎮(zhèn)發(fā)展質量、品位、內涵、特色放在首位，提高城市的內涵與品位，科學規(guī)劃城市空間形態(tài)，發(fā)展“多中心”而非“同心圓”式的大城市空間布局，將對推動木結構建筑在低層住宅中的發(fā)展起到至關重要的作用。

相信通過各方的通力合作與溝通，不遠的將來，我們會看到綠色、低碳設計能夠更加理性地“綠色”，并真正服務于人。

參考文獻：

1、婁萬里，任海青 木結構建筑的特征及在我國的發(fā)展前景 木材工業(yè) 2015

2、王培斌 木結構建筑的發(fā)展與綠色建筑 沈陽工程學院學報 2014

3、李亞冬 節(jié)能環(huán)保重識結構建筑 大江周刊．論壇2011

 

[作者簡介：]

陳蕾，女，學士學位，高級結構工程師，現(xiàn)在江蘇省城市規(guī)劃設計研究院從事結構設計。