在强调强度和安全性设计的木材为建筑师提供了替代碳密集型钢材和混凝土的新选择。
由重型木结构建造的高层建筑正于世界各地的天际线上亮相，从左至右依次为美国密尔沃基市的登升摩天大楼，以及位于瑞典谢莱夫特奥、挪威布鲁蒙达尔、奥地利维也纳和加拿大温哥华的其他木制高楼
在加拿大多伦多大学足球场的正对面，工人正在建造一座14层高的建筑，用作教室和教师办公室。这栋楼的特别之处在于它的建造方式：它是由人造木板制成的梁、柱和板材通过螺栓拼接在一起建成的。
木构件通过平板卡车运达后，高大的吊车会将其一一吊起、固定到位，随后，工人用金属连接件将其安装牢固。在尚未完工时，这栋建筑看起来就像组装到一半的平板包装家具。
这座塔楼采用了一种名为“重型木结构”的新技术。在这种建筑中，大尺寸人造木构件取代了钢筋和混凝土，这些构件的最大长度可超过半个足球场。虽然这种建筑方式目前仍较为罕见，但它正日益受到人们的欢迎，并开始出现在世界各地的天际线上。
目前，全球最高的重型木结构建筑是25层高的登升摩天大楼（Ascent），于2022年竣工，位于美国威斯康星州密尔沃基市。截至当年，全球已建成或在建的八层及八层以上的重型木结构建筑共有84座，另有55座拟建。根据世界高层建筑与都市人居学会的一份报告，现有和拟建的重型木结构建筑中，70%位于欧洲，约20%位于北美，其余分布在澳大利亚和亚洲。如果算上规模较小的建筑，截至2023年，仅在美国就已建成至少1700座重型木结构建筑。
混凝土和钢材的制造合计占全球二氧化碳排放量的近15%，而重型木结构则是这两种能源密集型材料的理想替代品。尽管专家仍在争论重型木结构在应对气候变化方面的作用，但许多人认为它比现有的建筑方式更环保。毕竟，该技术依赖的是木材这种可再生资源。
此外，重型木结构还带来了不同的美学效果，可以使建筑显得更加独特。“人们已经厌倦了钢筋混凝土的冷硬风格。”建筑科学家泰德 · 凯西克（Ted Kesik）说道。他就职于多伦多大学重型木结构研究所，该研究所致力于推动重型木结构的研究和发展。木材因其温暖、舒缓的外观和自然的变化，在视觉上更加赏心悦目。“人们其实很喜欢看木头。”
同样的木材，更坚固的结构
当然，用木材建造大型建筑并非什么新鲜事。18世纪和19世纪的工业化推动了对大型工厂和仓库的需求，而这些建筑通常采用“砖梁结构”，即由重型木梁框架支撑砖砌外墙的结构。
然而，随着建筑物变得越来越高，建筑商转而使用混凝土和钢材提供支撑。木结构建筑逐渐变得大多局限于低层住宅房屋和其他小型建筑，这些建筑使用的是你能在建材零售卖场看到的标准尺寸“规格材料”。
但在大约30年前，德国和奥地利的建筑商开始尝试用这种现成的木材制作大尺寸木构件的技术。他们使用钉子、销子和胶水，将较小的木块组合成坚固结实的大型木块，这样就不需要砍伐大型古树。
常驻瑞士的德国工程师尤利乌斯 · 纳特勒（Julius Natterer）和他的同行开创了使用这些材料建造房屋的新方法，而包括奥地利人赫尔曼 · 考夫曼（Hermann Kaufmann）在内的建筑师则因设计重型木结构项目引起了广泛的关注，其中包括1997年竣工的奥地利奥兹邦特公寓和2017年落成的加拿大不列颠哥伦比亚大学的18层布洛克学生公寓。
重型木结构可以为室内增添温暖和美感。图为美国俄勒冈州波特兰市八层楼高的碳十二公寓的某户单元
原则上，重型木结构类似胶合板，但规模要大得多：它由较小的木块在大型专用压力机的压力下分层黏合在一起。如今，最长可达50米的木梁已能够取代钢构件，这种木梁通常由“胶合层压木材/胶合木”（Glue-laminated timber，简称Glulam）制成。而厚度可达50厘米的板材通常是“正交胶合木”（CLT），可用于替代墙体和地板的混凝土结构。
这些木质复合材料的强度惊人——按重量计算，它们比钢材还要坚固。但是，要达到和钢材同样的强度，重型木结构的构件体积会更大。建筑物越高，木质支撑结构就必须变得更厚；到了某个高度，它们就会占据过多的空间。因此，对于诸如登升摩天大楼等更高的重型木结构建筑，建筑师通常会将木材、钢材和混凝土结合使用。
从历史上看，在高层建筑中使用重型木结构最明显的问题之一就是消防安全。直到最近，许多建筑法规都还规定木结构只能用于低层建筑。
虽然建筑物不需要完全防火，但必须能够在火灾中保持足够长时间的稳定，抵御倒塌，以便消防员控制火势并让人们安全撤离。例如，传统摩天楼所用的材料需要在火灾中保持三小时以上的结构完整性。
为了证明重型木结构的耐火性，工程师们将木构件放入气加热箱式炉中进行测试，监测其结构完整性。另一些测试则点燃重型木结构建筑的模型并记录结果。
这些测试逐渐说服了监管机构和客户，让他们相信重型木结构能够长时间耐火，以确保火灾中的安全性。这种耐火性部分源于木材表面会在受火早期形成碳化层，它可以为木材内部隔绝火焰带来的大部分热量。
2021年，国际规范委员会（ICC）修改了作为全球建筑法规模板的《国际建筑规范》，允许建造高达18层的重型木结构建筑，后者因此获得了重要的认可。随着这一变化，预计会有越来越多的地区更新本地的建筑法规，允许常规建造高层重型木结构建筑，而不再需要特别审批。
但重型木结构仍面临其他挑战。美国内华达大学拉斯维加斯分校的城市可持续发展学者兼建筑师斯特芬 · 莱曼（Steffen Lehmann）表示：“火灾不是真正的问题，湿气才是。”
所有的建筑都需要控制湿度，但这对重型木结构来说尤为关键。潮湿的木材很容易受到真菌或白蚁等昆虫的侵蚀破坏。建筑商会在运输和施工过程中谨慎操作，避免木材受潮，还会制定全面的湿度管理计划，包括设计供暖和通风系统以防止湿气积聚。为了进一步防止虫害，可以用化学杀虫剂处理木材，或者在木材与地面接触的地方加装金属网罩或其他物理屏障。
重型木结构的另一个问题是隔音效果不好，因为木材传声性能非常好。设计师们会通过使用隔音材料、在墙体之间留出空隙、安装架空地板等方式来处理这个问题。
重型木结构的潜在优势
抗击全球变暖意味着必须减少建筑行业的温室气体排放——建筑行业的温室气体排放量占全球排放量的39%。位于奥地利维也纳的中欧大学的环境科学家戴安娜 · 厄尔格-沃萨茨（Diana ürge-Vorsatz）指出，重型木结构和其他生物基材料可以成为这项工作的重要组成部分。
和宜家家具一样，重型木结构建筑也通过预制构件进行组装。据估计，加拿大魁北克市的起源公寓的建造速度比传统建筑快了约25%
在2020年发表于《环境与资源评论年刊》（Annual Review of Enviroment and Resources）的一篇论文中，她和同事引用了木材行业的一项估算：与使用混凝土和钢材的类似建筑相比，加拿大不列颠哥伦比亚省的18层布洛克学生公寓避免了相当于2432吨的二氧化碳排放量。其中，679吨是由于木材生产过程中产生的温室气体排放量少于混凝土和钢材，另外1753吨的排放当量则被锁在了建筑木材中。
“如果使用生物基材料，我们就能双赢。”厄尔格-沃萨茨表示。
然而，当前对重型木结构的气候效益抱有的热情大多建立在几个重大假设之上。例如，相关计算通常假定，重型木结构建筑使用的所有木材都会被新树木“取代”，并且这些新树木会随着时间的推移从大气中吸收等量的二氧化碳。但是，一些环保组织认为，如果用新种植的树木取代古老的森林，新树木可能永远都无法达到原本树木的大小。此外，也有人担心木材需求的增加会导致更多的森林被砍伐，粮食生产用地也会减少。
研究通常还假设，木材一旦用于建筑物，碳就会被永久锁定。但实际上，并非所有被砍伐树木的木材都能成为建筑成品。树枝、树根以及锯木厂的废料可能会腐烂分解或被焚烧。此外，当建筑物被拆除时，如果木材最终被送往垃圾填埋场，其中的碳会以甲烷和其他排放形式释放出来。
非营利组织“碳领导力论坛”的建筑师兼环境研究员斯蒂芬妮 · 卡莱尔（Stephanie Carlisle）表示，他们想知道重型木结构是否真的总能带来净受益。她认为重型木结构确实能带来气候效益，但还需要更多研究才能明确这些效益具体有多大。
与此同时，重型木结构处于一种全新建筑模式的前沿，这种模式被称为“集成设计”。在传统建筑中，建筑师先设计建筑，然后聘请多家公司分别处理不同部分的施工，包括打地基、建框架和安装通风系统等等。
凯西克指出，在集成设计中，设计阶段要详细得多，而且从一开始就会让各个公司参与进来。不同组件的组合和协作方式都会提前规划好。构件的精确尺寸和形状都需事先确定，甚至连拼接所需的孔洞都可以提前预钻。这意味着许多构件可以在工地外用先进的计算机控制机械完成制造。
许多建筑师喜欢这种方式，因为这让他们对建筑元素有更多的控制权。而且，莱曼表示，由于大部分工作都提前完成，现场施工的速度通常更快——最快可以比传统建筑快40%。
凯西克说，重型木结构建筑的建造过程更像是汽车生产，所有的零部件都被运送到最终地点进行组装。“当重型木结构建筑在工地竖起时，它实际上就像一件超大的宜家家具，”他说，“所有东西都是组装在一起的。”
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资料来源 Knowable Magazine