低碳木结构建筑 焕发生机

建筑领域是我国能源消耗和碳排放的主要领域之一。“双碳”背景下，以木结构建筑为代表的“低碳建筑”在全球成为高热度概念。沉寂多年后，古代的木结构建筑正以另一种方式进入现代社会，焕发生机。

全新的木结构建筑“长”什么样？4月中旬，记者前往位于南京市溧水区的江苏省康复医院施工地，这座国内首个木—混凝土混合结构建筑即将竣工。“你看，这座8层的门诊医技综合楼，其中1—6层为门诊医技区与架空层，采用钢筋混凝土结构。7—8层为科研办公区，采用胶合木梁柱—CLT楼盖与混凝土核心筒的水平组合体系。”南京工业大学党委常委、副校长陆伟东告诉记者，现在的木结构建筑不再是传统的木材“孤军奋战挑大梁”，而是多了很多新材料“伙伴”。新型的木结构建筑，需要根据建筑功能与结构受力需求，让木结构与混凝土结构各自发挥所长，“合作愉快”。

能固碳节能 入住更舒适

想要了解全新的低碳木结构建筑，还需要从木材的源头说起。在人们的传统认知中，用木头盖房子，不可避免地需要砍伐树木，这看起来似乎不够那么“环境友好”，为什么木结构建筑属于“低碳建筑”呢？

“木材是一种绿色、天然、可再生的资源，被认为是绿色建筑的首选建材。”陆伟东告诉《科技周刊》记者，而钢筋混凝土建筑在建造和使用过程中，需要消耗大量的自然资源和能源、排放温室气体。而木材对气候的影响很小，木结构建筑在生产、运输、建造、运行、维护、拆除回收阶段都具有显著的低碳优势。

根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告2023》统计，2021年，中国房屋建筑（不含基础设施建造）全过程能耗总量为19.1亿tce（Ton of Coal Equivalent，吨标准煤当量），占中国能源消费总量比重为36.3%；碳排放总量为40.7亿吨二氧化碳，占中国碳排放的比重为38.2%。

树木在生长过程中，释放氧气的同时会吸收大量的二氧化碳。据统计，森林每增长1立方米木材蓄积，净吸收的二氧化碳量可达到1吨，释放氧气0.75吨，储存0.27吨碳。与之相对，每生产1吨钢铁会释放二氧化碳1.6吨，生产1吨水泥则释放二氧化碳0.8吨。

“现代木结构被认为是典型的装配式结构。所有部品构件均能在工厂预制化生产，现场装配式施工安装。这样不仅施工周期短、产品质量有保证，还节省了劳动力成本，对环境造成的污染相对小。” 南京工业大学土木工程学院副院长杨会峰表示，不仅如此，木材被加工用来建造房屋，能够确保二氧化碳被储存在木材里，拥有显著的固碳能力。“但必须强调的是，在使用木材作为建材时，必须要建立严格的木材砍伐和补偿种植的管理机制，做好长期监管，实现森林的可持续发展。”

除了节能减排外，木结构建筑还有更多好处。比如，由于木材具有天然的“呼吸”功能，可调节室内温湿度，人居住在里面会更舒适，其良好的抗震性能也更加安全。在第二届竹木结构国际学术研讨会暨江苏省土木建筑学会竹木结构专业委员会年度高峰论坛上，故宫博物院周乾研究员告诉记者，他对故宫建筑群的抗震分析方法开展系统研究后发现，太和殿连接、梁架和三台的模拟方法和抗震机理，展现出中国减隔震技术的源远流长和博大精深。

复古也创新 助力文物保修

北京故宫是目前世界上最大的木结构建筑群，7000年前的河姆渡遗址就已经有了干栏式木构建筑，应县木塔屹立千年不倒，悬空寺成为凌空而建的奇迹……木结构建筑凝聚了我国传统建筑的智慧，在历史上留下了浓墨重彩的一笔。

据不完全统计，在我国已发布的八批全国文物保护单位中，古建筑占比达到42.7%，而古建筑里面最多的就是木结构建筑。加强文物保护利用和文化遗产保护传承，首先要做好保护。现代科技如何助力文物建筑的保护与修复呢？

古建筑的保护与修复重在“修旧如旧”。“其实，在历史上，古代工匠们也从未停止对于木建筑的修复或重建，北京故宫的太和殿在历史上就曾多次修复和重建。” 陆伟东说，木材寿命主要取决于所处环境和防护措施，糟朽、虫蛀、变形、劈裂、折断等都是木构件可能出现的问题。“因此，我们在进行修复时，要针对不同部位、不同残损及不同病害等情况采取不同维修措施。比如，对柱根糟朽可以采用柱子墩接的方式，对局部糟朽尚能满足受力要求的构件采取局部修补，主要受力变形构件可采取辅助支撑加固等措施。”

用于修复的木材原料也有讲究。陆伟东介绍，古建筑中的柱子往往使用的是很粗的金丝楠木。但如今已经很难找到这样的原材料，因此，一般会选择胶合木。“胶合木属于工程木，整体性能与原木几乎无差别，使用小规格木材进行拼接、胶合后，既可以成为柱，也可以成为梁，其力学性能可优于原木。”

采用榫卯和斗拱连接进行梁柱间的传力，是我国古建筑的典型结构特征之一，蕴含了古人无尽的智慧和表现力。但是，这种连接形式在某种程度上也是制约古建筑结构性能的一大因素。陆伟东告诉记者，因为挖孔、开凿等步骤，对于木头连接的部位有较大削弱。“针对这一问题，我们采用现代连接技术对一些需要‘抢救’的古建筑进行隐藏式加固，在木构件内使用钢插板，然后用螺栓固定。这样一来，首先保持了建筑的形制和外观，其次提高了单个榫卯的性能，因为钢材的强度更大。”

更高更强 新型混合木结构拥有更多可能

更坚硬、柔韧性更好、更耐用，与古代的木结构建筑相比，当代全新的木结构建筑已经发生了质的改变。随着材料科学迅猛发展，木材被赋予了前所未有的强度。

“木材作为建筑材料的缺陷问题，我们正进行逐一破解。”杨会峰介绍。针对木材有裂缝、裂纹、变形、弯曲等问题，科研人员研发了被称为“未来的混凝土”的交叉层压木材（CLT）。CLT预制板由几层压制的板材组成，通常是三层、五层、七层或者九层，木板交错堆叠，以特定角度黏合在一起，然后用高压将其压成巨大的楼板或墙面。在施工现场，这些板材可以快速高效地组装在一起，像拼图一样。

而胶合木等工程木的出现也让开裂、腐朽和生虫等问题迎刃而解。在木材进行胶合前，必须经过窑干等步骤，窑干时100℃以上的高温足以让木腐菌或白蚁等成虫或虫卵一并被消灭。同时烘干后的木材料含水率在15%以内，在这样的水分状态下能有效防止白蚁和木腐菌等存活，而且稳定的含水率也不容易出现材料的开裂现象，因此工程木的耐久性可满足工程要求。

建成更高的高度，拥有更多的运用场合。当前，木结构建筑的极限正在不断被突破，展现出更多的可能性。2020年东京奥运会主场馆便是一座椭圆形的木制挑檐建筑。2022年，位于美国威斯康星州的重型木构建筑Ascent公寓建成，这座高达86.6米的高楼成为了目前全球最高的木结构建筑。在杭州亚运会上，也有着诸多木结构元素。由东南大学王建国院士团队与南工大土木工程学院联合设计的第十届江苏省园艺博览会主展馆，是国内单层层高最大的木结构建筑，荣获全国绿色建筑创新奖一等奖和中国建筑学会建筑设计奖金奖。

在江苏省康复医院这一项目中，更多的创新“金点子”正在被运用。首先，设计团队创新性地采用木结构与混凝土结构上下混合、水平混合的组合方式——在顶部两层水平混合结构体系中，木结构部分仅承受所在区域的竖向荷载，不设置抗侧墙体，这样保证结构通透，有利于使用。其次，在核心区域的混凝土筒体则同时承担楼层所有的水平剪力及所在区域的竖向荷载，充分发挥混凝土与木材两种材料的性能优势。

南京工业大学木结构设计院总工、国家一级注册结构工程师孙小鸾介绍，为了提高建筑的抗震效果，团队还使用了CLT+钢板条+混凝土刚性层的叠合楼板构造。为有效地将木结构部分的地震作用传递给混凝土核心筒，木结构区域采用正交胶合木组合楼盖，胶合木楼板顶部铺设拉结钢板条，采用自攻螺钉与木楼盖固定，再浇注50毫米厚的细石混凝土层，确保地震作用下结构的协同工作。

“现在，我们团队已经把碳纤维和木结构结合起来开展木结构研究，增加木结构建筑的抗震减灾、防火阻燃等性能。”陆伟东表示，这一成果有望广泛应用到桥梁、医院、体育馆、公园等工程实际中。

在陆伟东看来，随着木结构建筑的国家标准规范和认证体系逐步完善，科研人员研究的逐渐深入，木结构建筑的技术会越来越成熟，木结构在中国的复兴指日可待。“我们一方面要让更多人了解传统又陌生的木结构建筑，更要潜心培育好产业链、规范市场行为。加强木结构相关专业技术领域的教育与实践培训，尽快培养出木结构领域新型人才。另一方面更要做好植树造林，丰富国内木材资源，减少对国外进口木材的依赖。”

（责编：赵珊）