欧洲高层木结构建筑案例分析及发展趋势的研究

建筑行业约占全球温室气体排放量的近40%、全球能源消耗的50%和原材料的40%。2012年全球气候峰会选出并推荐了世界上最具可持续性的7栋建筑。

与混凝土相比，木材是可再生性环保材料，木结构建筑能有效降低建筑碳排放，减少建筑对地球环境的负面影响。相对于低层和多层木构建筑，高层木结构建筑能有效节约土地资源，在城市建设中具有较高的经济价值，可满足人们对居住、办公、文化休闲等不同使用空间的需求，但也面临结构安全和防火安全两大突出挑战，一直以来世界范围几乎没有商业开发的高层木结构建筑问世。

近年来，随着低碳环保逐渐成为全球共识，欧洲高层木结构建筑建设有较大突破，一批高层木构建筑已在瑞典、挪威、德国、瑞士、奥地利、英国、法国等国家相继落成。本文选取4个欧洲著名高层木构建筑案例，分析研究当今高层木结构建筑建造的技术路线及发展趋势。

1?瑞典萨拉文化中心

瑞典萨拉文化中心（Sara Kulturhus）是2021年全球气候峰会选出并推荐的世界上最具可持续性的7栋建筑之一，位于瑞典北部城市谢莱夫特奥（Skellefte?）市中心，是集剧院、美术馆、画廊、公共图书馆、会议中心和酒店为一体的文化中心，于2021年落成开放（图1）。建筑主要由生长在当地周边地区森林中的木材建造而成。

图1?瑞典萨拉文化中心

萨拉文化中心总建筑面积约3万m²，由裙房及高层酒店组成，其中酒店塔楼为13层，高度接近80m，标准层平面两端为交叉层压木（CLT）构成的核心筒，用以承担水平荷载，核心筒之间嵌入预制的交叉层压木（CLT，Cross Laminated Timber）体块部品（房间）；低层部分结构则是由胶合木层压（GLT，Glued Laminated Timber）梁、柱和交叉层压木（CLT）构成的剪力墙。该结构有助于重新分配荷载并增强高层结构的稳定性。一体化的建筑设计手法可在保证承重结构稳固性的同时，完全不需额外的混凝土材料，既加快了施工进度，又大大减少了项目的碳足迹排放。 

大门厅上方的特色桁架由胶合层压木（GLT）和钢混合而成，可提供灵活的开放式空间，以便于在其内举办活动。可通过使其适应未来的需求保证建筑长期可持续性。木结构能够承受谢莱夫特奥的恶劣天气，并保持能源效率。绿色屋顶有助于隔热和吸收噪声污染、增强生物多样性和延迟雨水径流。大楼配备的太阳能电池板和高效能源系统有助于进一步减少项目的碳足迹。

2?挪威姆约萨湖之塔

姆约萨湖之塔（Mj?st?rnet）位于挪威首都奥斯陆以北140km的小城市布鲁蒙德达尔（Brumunddal），是一座混合用途塔楼（图2），高18层，其建筑高度由权威机构世界高层建筑与都市人居学会CTBUH（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）核实为85.4m，确认为当今世界木结构建筑第一高楼。该建筑总建筑面积约为11300m²，标准层建筑面积约640m²。另外还有4900m²的木结构游泳馆。2018年获得纽约设计大奖金奖和挪威科技奖，2019年3月正式投入使用。

图2?挪威姆约萨湖之塔

该建筑1层为公共区域，设有大厅、接待处和餐厅。2层是会议和服务空间；3~7层是办公室空间；8~11层是酒店，有72个房间，12~16层为带阳台、可俯瞰湖面的公寓，17层设有活动室和2套公寓，18~19层设置了展览室和公共观景台。

2.1?结构设计

该建筑的基底面积约629m²，首层地面有巨大的混凝土板，主要承重结构体系由沿立面的大型胶合木桁架及内部柱子和梁组成（图3）。桁架在水平和垂直方向上承载全球力（global forces），并为建筑物提供必要的刚度（图4）。电梯和楼梯间墙体由交叉层压木材（CLT）构成，承载二次荷载（secondary load bearing）。电梯和楼梯间的CLT墙体并不承担建筑物的水平稳定性作用。

图3?挪威姆约萨湖之塔结构示意

图4?挪威姆约萨湖之塔建筑首层角柱结构西部

建筑物的内部柱、梁和斜撑由具有柔韧性和耐火性的大型胶合层压木（GLT）构成。交叉层压木（CLT）用于内墙、电梯井、阳台和楼梯。结构设计依据欧标5号（2008 Eurocode 5: Design of timber structures ）完成，所有的层压木构件均使用带槽的钢板和销钉连接，这是一种常用于桥梁和大型建筑物的高强连接。

由于最大的轴向力出现在四个角柱中（图4），ULS的最大压缩力为11500kN，最大拉拔力为 5500kN。柱的横截面为1485mm×625mm。内部柱的截面为725mm×810mm和625?mm×630?mm。支撑木楼板的胶合梁尺寸为395?mm×585?mm和 395mm×675?mm。支撑混凝土地板的 胶合木梁尺寸为625?mm×585?mm和625mm×720mm；最大斜撑的截面尺寸为625mm×990mm。

该大楼2~11层是预制木楼板，其他楼层采用轻质实木楼板，是胶合木和单板层积材（LVL ，laminated veneer lumber）的组合。楼层之间的中间地板采用轻质、环保的Kerto–Q?LVL单板层积材建造。

楼板为基于RIPA系统的TRA?8，梁和边梁由胶合木（glulam）而不是由LVL制成。LVL顶板粘合在梁上，如图5所示。为获得R?90的耐火性，楼板空腔内填满岩棉，通过钢制支架固定到位。楼板最大跨度为7.5m。

图5?挪威姆约萨湖之塔TRA?8木楼板，耐火等级90min

（a）楼板三维图；（b）楼板剖面；（c）楼板平面

大楼12~18层有300mm厚的混凝土楼板。由于挪威不被视为地震带，水平荷载计算以风载为准。为获得更大的质量，确保结构在大风情况下的稳定性，将混凝土楼板设置在建筑最顶部，以减少晃动感，提高公寓的舒适度。

2.2?防火设计

根据大楼的防火设计，建筑的梁、柱等主要承重构件耐火等级需要达到120min，楼板等次要承重构件需达到90?min。为确保建筑符合欧洲规范NS–EN1995–1–2耐火性能要求，在建筑设计和材料层面采取了许多措施。REI?90层压木材料防火。测试表明，火室中的气体火焰在90min后熄灭时，大型木柱会自行冷却并停止燃烧。剩余的横截面足够支撑建筑物并防止倒塌。

大楼防火措施包括：自动喷淋系统；分散式通风系统；防火隔热通风管道；外立面挡火构造防止火势向上蔓延；在疏散路线及疏散楼梯和电梯的内墙中可见的木材用防火石膏板覆盖；金属连接隐藏在木结构内（85mm）；节点防火构造为膨胀条“Intumex L”2.5mm，150?℃膨胀20倍。

2.3?外立面设计

姆约萨湖之塔应用大型木结构预制外墙单元，三明治型外墙单元包含保温和气密层及内衬和外部面板和窗户，外墙单元固定在木结构外侧，构成了建筑物的外围护结构。

姆约萨湖之塔总共使用木材约2700m?，包括2600m?挪威冷杉、100m?松木。建筑的碳足迹很低，约为65kg?CO₂/m²。

3?瑞士罗特克洛兹苏乌斯托菲校区办公楼

大楼位于瑞士小城罗特克洛兹（Rotkreuz）、苏乌斯托菲校园BF1区（BF1 Suurstoffi Campus）。项目用地7000m²，包含三栋建筑，总建筑面积42000m²，总投资额为1.85亿瑞士法郎，2019年12月建成交付使用（图6）。

图6?瑞士罗特克洛兹苏乌斯托菲校区BF1办公楼

该项目三栋建筑中A座为瑞士目前最高的木混合结构建筑，高15层、60m，标准层建筑面积约845m²。

3.1?结构及防火设计

该建筑的平面为20.4m×41.4m，中心部位为混凝土核心筒，包含楼梯，电梯、竖井和辅助用房，核心筒和外墙柱之间有木梁混凝土混合楼板。首层结构柱最大荷载为3660kN。

预制楼板构件在工厂完成，宽2.70m，上部为可承受侧推力的160mm厚预制混凝土顶板，下部两侧有边缘肋梁，中心有双肋梁，断面尺寸100mm×320mm。通风、制冷、照明、喷淋等建筑设备管道安排在木肋梁之间。在混凝土顶板之上，1~3层设置浮筑楼面，4层以上设置架空地面，这一构造方式满足了隔声要求及夏季隔热所需的建筑热惰性要求（图7~图9）。

图7?瑞士罗特克洛兹苏乌斯托菲校区BF1办公楼楼板断面（4~15层，架空地面）

图8?楼板与外墙交接处构造节点

图9?楼板与核心筒交接处构造节点

在混凝土核心筒壁预埋钢板上焊角钢作为预制木肋混凝土楼板的支撑点，楼板的支撑点在混凝土板端部，木梁的侧向力由全螺纹螺钉上悬到上方混凝土板上，上方混凝土板的侧向力通过插入式短IPE?100型钢“穿孔加固”传至支撑点，钢梁通过混凝土面板将支撑载荷传到混凝土核心筒上。钢构件通过防火板包裹达到60?min防火等级，全楼设置了自动喷淋系统，可满足防火要求。

外墙一侧预制木肋混凝土楼板放置在与预制木肋混凝土楼同样高度的预制木梁上，外墙梁上部的混凝土楼板由两部分组成 ，长度分别为2.7m和1.35m。接缝处有内部凹槽，预制楼板安装后接缝和凹槽连接并用砂浆封填。为确保节点承重能力进行了1∶1的样品测试，与计算数据相符。

木结构柱的断面尺寸最初按不同部位荷载进行设计，但由于建筑师要求各层结构柱断面尺寸基本一致且尽量纤细，因此采用不同木材制造结构柱。荷载最大的柱采用建筑用山毛榉木制造，首层结构柱还考虑了在1.2m高度可承受180kN的侧向冲撞力。

结构设计的主要挑战之一是如何应对混凝土核心筒和木结构柱不同的竖向变形。混凝土核心筒提前3周施工，之后再施工木结构柱和楼板，由于两种材料的蠕变行为不同，因此必须抬高每层楼的木制支撑，以保证二者最终竖向变形（缩短）后楼板处于水平状态。

3.2?设备系统与可持续设计

大楼采用带有集成供热–供冷、主动蓄热体的ecoboost2空调系统的木混合结构楼板，在提供高舒适度和木结构美学的同时，可节约空调能耗约30%。园区设计采用地源热泵、空气源热泵、太阳能系统，整体追求二氧化碳零排放。

4?奥地利霍霍维也纳高层木结构建筑

霍霍维也纳位于奥地利维也纳东北部的阿斯佩恩地区，高24层、84m，是目前世界上第二高的木结构大楼（图10），占地面积3920m²，使用面积25500m²，2019年夏季落成投入使用。建筑的使用功能包括居住、办公室、酒店、餐厅和健身中心、美容SPA等。

图10?奥地利霍霍维也纳高层木结构建筑

（a）建筑外景；（b）标准层平面

4.1?结构设计

主楼由3个建筑体量组成，高度分别是9层，15层，24 层，有两层地下室，基础为桩板混合结构。

建筑核心筒为现浇混凝土，外墙内侧的边柱为木柱，木柱上方为预制混凝土圈梁，圈梁和核心筒之间为木混合结构楼板（图11~图12）。

图11?奥地利霍霍维也纳高层木结构建筑结构示意

图12?楼板、圈梁、外墙柱结构连接示意

外墙内侧的木制边柱上下两端通过竖向钢筋与圈梁中预埋的套筒以灌浆方式连接，形成贯穿底层到顶层的抗拉构件，承载拉力不小于157kN。预制混凝土圈梁通过有效连接方式形成连续梁，在极端情况下即使某一根木柱损毁，荷载也可由两侧的木柱承担，不至于造成大楼倒塌。通过巧妙的节点设计，木柱现场安装时还可以调整施工和构件制造的误差。

混合结构楼板由180mm交叉层压木板和120mm厚混凝土组成，楼板长边侧向与相邻楼板交接处设有凹槽并甩出钢筋，楼板短边与圈梁及核心筒交接处也设有凹槽并甩出钢筋，施工现场钢筋结构搭接并用快干砂浆灌注，以加强结构整体性。

4.2?外立面设计

预制外墙板高约3.2m（层高–300 mm），宽约4.8m（柱跨距离），外墙预制件上的外窗在工厂已安装好，外墙板为非承重构件，由木龙骨、岩棉、气密层等构成，外墙板上方通过Z字形角钢连接到建筑主体，其可滑动构造能吸收木柱受压造成的高度方向变形。

厚重的三明治外墙板具有雕塑感，外立面上不同开窗方式提供了不同的开敞视野和私密空间，形成外立面跳跃的韵律，具有树木表皮的质感。

4.3?防火设计

建筑的消防分区很小，逃生路及消防救援路线很短。设有覆盖全楼的火灾报警系统及自动喷淋系统。承重木构件断面尺寸预留了较大余量，在火灾情况下，即使没有喷淋耐火极限也可达到90min以上。外墙板由实木制成，外表面为不燃材料。

4.4?隔声设计

承重木结构在室内露明，不通过吊顶或其他方式遮挡，为满足隔声要求，在楼板、柱和隔墙等区域设置隔声构造。

4.5?物流与施工组织

建筑采用木混合结构，其中梁、柱、楼板、外墙（含外窗）、楼梯全部在工厂预制完成，达到了很高的预制率。通过精确的物流安排，所有构件从卡姆滕工厂运到维也纳工地，只用了50辆卡车。楼板、外墙采用即时安装模式，不在工地上临时存放。

4.6?可持续性设计 

在地面以上建筑使用的材料中，木材占比约为74%。整栋建筑使用约4350m³木材，其中约有800根层压木柱，14400m²交叉层压木外墙预制构件。

木结构建筑的可持续性也体现在木材作为建筑材料突出的环保性能，相对于传统建造方式，该项目的木混合结构CO₂排放量减少了2800t。木结构建筑室内空气质量非常好，木材氛围也被证明对生活质量个人感觉和健康有积极影响。

霍霍维也纳是木结构建筑的开创性项目，它证明了木结构能满足资源节约、隔音、防火、坚固性、建造工艺、物流和成本效益等要求，适用于建造高层建筑。2019年该项目获得了奥地利可持续建筑金级认证和美国LEED金级认证。

5?欧洲高层木结构建筑的发展特点与趋势

5.1?使用功能

由于高层木结构建筑能实现较高的容积率，因此在城市建设项目中有较高的经济价值。高层木构建筑的使用功能以办公、酒店、住宅为主，一栋高层木构建筑中常包含多种混合业态。

5.2?结构形式

目前落成的高层木结构建筑有的采用全木结构框架核心筒结构体系，利用交叉胶合木CLT建造核心筒承担水平荷载；也有用大型框架结构体系，利用布置在外墙和内部的大型木桁架承担水平荷载；而多数高层木结构建筑采用木混合框架核心筒结构体系，利用现浇混凝土核心筒承担建筑水平荷载、预制或现浇混凝土楼梯踏步，可满足防火要求（不可燃材料）。建筑的梁、柱通常采用木结构，少数采用钢木混合或预制混凝土梁。高层木结构建筑的楼板可采用纯木结构楼板或木混合楼板。

5.3?防火设计

高层木构建筑的主要承重构件耐火等级需大于120??min。现代工程木达到一定断面尺寸后不用外包防火板、不用喷淋设施，自身耐火等级即可满足这一要求；再配合科学的防火分区、火灾自动报警和喷淋系统、在必要部位包裹防火板、外立面层间设防火构造（防止火势向上蔓延）、自动排烟系统等消防措施，高层木结构建筑防火问题可以得到妥善解决。

5.4?外立面设计

高层木结构建筑较多采用预制木结构外墙体系。由于木材结构性能优越且自重较轻，适合加工成较大尺寸的预制外墙构件。外墙构件高可超过3m，宽可超过10m，外窗、保温及气密层等已在工厂加工完毕，大大提升了制作和建造效率，减少了外墙接缝数量和长度，因而也减少了日后出现问题的几率。预制木结构外墙构件的最大尺寸通常不是由木材力学性能或吊装设备荷载的上限决定，而是由道路运输因素决定。高层木结构建筑外立面也可采用常规的金属玻璃等幕墙体系。

5.5?室内设计

由于木材有自然、温暖的质感，有助于营造舒适健康的室内环境，多数高层木构建筑室内设计选择裸露木结构的梁、柱、墙等构件，与清水混凝土、金属等其他建筑材料配合，可形成多种室内装修风格，满足不同使用功能和客户的需求。

5.6?技术进步

欧洲建设木结构建筑有悠久历史，近年来有关高层木构建筑技术的研究不断深入。针对高层木结构建筑面临的结构、防火、隔声、美学、安装施工、不同的材料变形、误差调整等问题和挑战，通过不断实践寻找解决方案。例如将大型木结构桥梁、体育馆等项目的结构技术措施和节点构造经验用于高层木结构建筑；研究应用预应力木构件；综合考虑力学结构、建筑物理、成本造价、建筑美学、制造施工等因素、对高层木结构建筑的构件与连接方式不断创新和优化，例如预制木混合结构楼板上层为混凝土下部为木梁，利用各自材料的力学特性，使混凝土承受压力，木梁承受拉力，木梁的梁窝里可以布置设备管线。

不少研究机构对预制木混合结构楼板的结构特性及连接方式进行了较深入的理论和试验研究，很多项目选择木混合结构楼板的决定性因素是因其可满足隔声要求，同时具备夏季隔热所需的热惰性。

5.7?数字化、工业化加工建造技术广泛应用

欧洲的高层木结构建筑基本采用数字化设计、BIM系统、工业化制造、装配式建造方式。数字化与施工流程相辅相成，通过数字化、工业4.0及机器人、精益建造（Lean Construction）保证高层木构建筑成本控制、施工工期和产品质量。

5.8?建造成本

与常规混凝土结构建筑相比，目前欧洲高层木结构建筑造价明显较高。德国汉堡正在施工的德国最高木构建筑鲁茨大厦，建筑面积36000m²，18层高，其建造成本比传统建造方式高10%以上。

6?发展前景

综上所述，欧洲国家已建成一批高层木结构建筑，积累了大量宝贵的实践经验，建设高层木结构建筑的结构、防火等技术瓶颈问题已得到解决，目前影响高层木结构建筑广泛应用的主要因素是造价。

在当今世界低碳环保、追求可持续发展的大潮下，部分国家开始严格限制开采制造混凝土所需的沙石原料，生产混凝土的原材料和能源的成本也越来越高，因而高层木结构建筑的环保性能和经济价值越来越凸显，可以预见未来10年高层木结构建筑将会得到快速发展。