木制摩天大楼的技术发展，将可持续建筑的努力推到了新的高度

木材的强度和安全性为建筑师提供了碳密集型钢铁和混凝土的替代品。

在多伦多大学（University of Toronto），就在足球场对面的街道上，工人们正在建造一座14层的大楼，里面有教室和教员办公室的空间。不同寻常的是他们的建造方式 —— 通过将由人造木板制成的巨大梁、柱和面板栓在一起。

当每个木件都由平板运输时，一台高大的起重机将其吊起并固定在适当的位置，同时工人用金属连接器将其连接起来。在半成品状态下，该建筑类似于组装过程中的平板包装家具。

这座塔楼使用了一种叫做“mass timber”的新技术（或者称为：大规模木材）。在这种建筑中，可以延伸超过半个足球场长度的大型人造木构件取代了钢梁和混凝土。虽然还相对不常见，但它越来越受欢迎，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美国密尔沃基的25层阿森特摩天大楼，于2022年完工。截至那一年，全球共有84座8层或更高的大型木结构建筑已经建成或正在建设中，另有55座正在规划中。根据高层建筑和城市人居委员会（Council on Tall buildings and Urban Habitat）的一份报告，现有和未来的建筑中，有70%在欧洲，约20%在北美，其余在澳大利亚和亚洲。如果算上较小的建筑，截至2023年，仅在美国就建造了至少1700座大型木结构建筑。

大量的木材是能源密集型混凝土和钢铁的一种有吸引力的替代品，混凝土和钢铁材料加起来占全球二氧化碳排放量的近15%。尽管专家们仍在争论大规模木材在应对气候变化方面的作用，但许多人认为它比目前的建筑方法更有利于环境。毕竟，它依赖于木材这种可再生资源。

大量的木材也提供了一种不同的美学，可以使建筑感觉特别。“人们对钢铁和混凝土感到厌倦，”多伦多大学大规模木材研究所（Mass Timber Institute）的建筑科学家特德·科斯克（Ted Kesik）说。该研究所致力于大规模木材的研究和开发。由于其温暖、舒缓的外观和自然变化，木材在视觉上更令人愉悦。“人们其实很喜欢看木头。”

同样的木材，更坚固的结构

当然，在大型建筑中使用木材并不是什么新鲜事。18世纪和19世纪的工业化导致了对大型工厂和仓库的需求，这些工厂和仓库通常是“砖梁”结构 —— 一种支撑外墙砖墙的沉重木梁框架。

然而，随着建筑物变得越来越高，建筑者转而使用混凝土和钢材作为支撑。木材建筑主要局限于房屋和其他小型建筑，这些建筑是由堆放在家得宝（Home Depot）的标准尺寸的“标尺”木材制成的。

但大约30年前，德国和奥地利的建筑商开始试验用这种现成的木材制造大型木材的技术。他们用钉子、销子和胶水把小块的木头组合成大的、结实的、坚固的木头，而不需要砍伐大型的老树。

在瑞士工作的德国工程师朱利叶斯·纳特勒（Julius Natterer）等工程师开创了用这种材料建造建筑的新方法。包括奥地利的赫尔曼·考夫曼（Hermann Kaufmann）在内的建筑师开始关注大型木材项目，包括1997年完工的奥地利Ölzbündt公寓，以及2017年完工的英属哥伦比亚大学18层学生公寓Brock Commons。

原则上，“mass timber”（大规模木材）就像胶合板，但规模要大得多：小块木材在大型专业压力机的压力下分层粘合在一起。如今，长达50米的横梁，通常由所谓的胶合层压木材或胶合木制成，可以取代钢构件。厚达50厘米的面板，通常是交叉层压木材（CLT），取代了墙壁和地板的混凝土。

这些木质复合材料的强度惊人 —— 按重量计算比钢还强。但要达到同样的强度，大型木材元件必须体积更大。随着建筑物变得越来越高，木制支撑必须变厚；在某种程度上，它们只是占用了太多的空间。因此，对于更高的大型木结构建筑，包括阿森特摩天大楼，建筑师通常会采用木材、钢铁和混凝土的组合。

从历史上看，在高层建筑中使用大量木材最明显的问题之一是消防安全。直到最近，许多建筑规范都将木结构建筑限制在低层建筑中。

虽然它们不必完全防火，但建筑物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，并让居住者离开。例如，传统摩天大楼中使用的材料需要在大火中保持三个小时或更长时间的完整性。

为了证明mass timber的耐火性能，工程师们将木材元件放在燃气室中，并监测它们的完整性。其他测试则是点燃大型木结构建筑模型并记录结果。

这些测试逐渐让监管机构和客户相信，mass timber可以在足够长的时间内不燃烧，从而达到防火安全。这在一定程度上是因为木材的外部往往早早形成一层炭，使内部与大火的大部分热量隔绝。

2021年，国际规范委员会（International Code Council）修改了《国际建筑规范》（International Building Code），允许mass timber结构建筑高达18层楼，从而获得了重大批准。《国际建筑规范》是世界各地司法管辖区的典范。随着这一变化，越来越多的地方预计将更新其法规，允许mass timber结构高层建筑，而不是要求它们获得特别批准。

不过，还有其他挑战。拉斯维加斯内华达大学的建筑师和城市可持续发展学者Steffen Lehmann说：“真正的问题是湿度，而不是火灾。”

所有建筑都必须控制湿度，但对于大量木材来说，这是至关重要的。潮湿的木材很容易受到真菌和白蚁等昆虫的破坏。建筑商小心翼翼地防止木材在运输和施工过程中受潮，他们部署了全面的水分管理计划，包括设计供暖和通风系统，以防止水分积聚。为了防止昆虫，木材可以用化学杀虫剂处理，或者在接触地面的地方用网或其他物理屏障包围。

另一个问题是声学，因为木头传递声音非常好。设计师使用隔音材料，在墙壁之间留出空间，安装高架地板等方法。

mass timber的潜在优势

对抗全球变暖意味着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%。维也纳中欧大学的环境科学家Diana Ürge-Vorsatz说，mass timber和其他生物基材料可能是这一努力的重要组成部分。

在2020年发表在《环境与资源年度评论》（Annual Review of Environment and Resources）上的一篇论文中，她和同事们引用了木材行业的一项估计，即不列颠哥伦比亚省18层的Brock Commons与类似的混凝土和钢铁建筑相比，减少了相当于2432吨的二氧化碳排放。在这些节约中，679吨来自于木材制造过程中产生的温室气体排放量，比混凝土和钢铁制造过程中产生的温室气体排放量少。另有1753吨二氧化碳当量被锁在建筑的木材中。

“如果你使用生物基材料，我们就有了双赢，”Ürge-Vorsatz说。

但是，目前对mass timber的气候效益的热情是基于一些大的假设。例如，这种核算通常假设，mass timber结构建筑中使用的任何木材都将被新树木的生长所取代，而这些新树木将从大气中吸收等量的二氧化碳。但一些环保组织认为，如果用新的人工林取代老树，新树可能永远达不到原来树木的大小。还有人担心，对木材需求的增加可能导致更多的森林砍伐和更少的粮食生产用地。

研究还倾向于假设，一旦木材进入建筑物，碳就被永久锁住了。但并非所有被砍伐的树木的木材最终都会成为成品。树枝、树根和木材厂的废料可能会分解或燃烧。当建筑物被拆除时，如果木材最终被填埋，碳就会以甲烷和其他排放物的形式释放出来。

“很多建筑师都摸不着头脑，”非营利组织碳领导论坛的建筑师和环境研究员斯蒂芬妮·卡莱尔（Stephanie Carlisle）说，她想知道mass timber是否总是有净收益。“这是真的吗？”她相信气候效益确实存在。但她表示，了解这些益处的程度需要更多的研究。

与此同时，mass timber处于一种完全不同的建筑模式的前沿，称为综合设计。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，从铺设基础到建造框架，再到安装通风系统等等。

建筑科学家特德·科斯克说，在综合设计中，设计阶段要详细得多，从一开始就涉及到不同的公司。不同组件相互配合和协同工作的方式是预先确定的。元件的精确尺寸和形状是预先确定的，甚至可以为附着点预先钻孔。这意味着许多部件可以在工厂外制造，通常使用先进的电脑控制机器。

很多建筑师都喜欢这样，因为这样他们可以更好地控制建筑元素。由于很多工作都是提前完成的，这些建筑往往在现场建造得更快 —— 比其他建筑快40%。

科斯克说，mass timber结构建筑的制造方式更像汽车，所有的独立部件都被运到最终地点进行组装。“当mass timber结构建筑出现在现场时，它真的就像一件超大的宜家家具，”他说。“所有事情都在一起。”

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