在多伦多大学校园里，就在足球场的对面，一栋 14 层高的大楼正在拔地而起，未来这里将用作教室和教职工办公室。不过，这栋大楼的建造方式可不一般 —— 工人们并不是用传统的钢筋混凝土，而是通过拼接一块块巨型预制木制梁、柱和面板，将整栋建筑“拼装”起来。
每当一块木制构件被平板卡车送到工地，一台高大的吊车就会将其吊起并固定到位，同时工人们用金属连接件将它牢牢拼接起来。如今，这座半完工的大楼看起来就像一件正在组装的“平板包装家具”，让人不禁感叹它独特的建造方式。
这座大楼采用了一种名为“胶合木”的新技术。在这种建筑方式中，用巨大的预制木材构件代替了传统的钢梁和混凝土，这些木材的长度甚至可以超过半个足球场。虽然这种技术目前还不算普及，但它正在变得越来越受欢迎，并逐渐成为全球天际线中的新亮点。
胶合木不仅具备出色的实用性，还能为室内空间增添温暖与美感。图中展示的是位于俄勒冈州波特兰市的一栋八层高的 Carbon12 公寓单元，完美诠释了这种材料的独特魅力。图片来源：KAISER + PATH
目前，全球最高的胶合木建筑是位于密尔沃基的 25 层 Ascent 摩天大楼，于 2022 年完工。据统计，截至 2022 年，全球已有或正在建造的八层及以上胶合木建筑共有 84 座，另有 55 座正在规划中。其中，70% 的现有和未来建筑位于欧洲，约 20% 在北美，其余分布在澳大利亚和亚洲。这一数据来自高层建筑与都市人居委员会的报告。若将较小的建筑也纳入统计，截至 2023 年，仅在美国就已建成至少 1700 座胶合木建筑。
胶合木作为一种新兴材料，正成为高能耗的钢筋混凝土的有力替代品。要知道，混凝土和钢铁的生产过程加起来贡献了近 15% 的全球二氧化碳排放量。虽然专家们对于胶合木在应对气候变化中的实际作用仍有争论，但许多人相信，它比现有的建筑材料对环境更加友好。毕竟，胶合木的核心材料是木材 —— 一种可再生资源，为建筑业的可持续发展提供了新的希望。
胶合木还带来了一种截然不同的美学体验，使建筑更具独特魅力。“人们早就对钢筋混凝土感到厌倦了，”多伦多大学胶合木研究所的建筑科学家泰德・凯西克（Ted Kesik）说道，该研究所致力于推动胶合木的研发与应用。木材凭借其温暖舒适的外观和自然的纹理变化，能为建筑增添更多视觉上的愉悦感。“人们其实很喜欢看木头，”他补充道，这种自然的美感正是胶合木的迷人之处。
同样是木材，结构更强劲
用木材建造大型建筑并不是什么新鲜事。早在 18 和 19 世纪工业化时期，大型工厂和仓库的兴起就催生了“砖梁结构”—— 用粗大的木梁支撑外部砖墙的框架式建筑。然而，随着建筑越来越高，施工者转向了混凝土和钢材作为主要支撑材料。木质建筑逐渐被限制在住宅和一些小型建筑中，主要使用的是在家得宝（美国家居建材用品零售商）等建材超市常见的标准尺寸木材。
然而，大约 30 年前，德国和奥地利的建筑商开始尝试将这种常见的标准木材转化为大型木质构件的新技术。他们通过使用钉子、木榫和胶水，将较小的木块组合成巨大的、坚固的、整体性的木材结构，而这一过程无需砍伐古老的成材大树。这种创新为木材建筑带来了新的可能性。
常驻在瑞士工作的德国工程师尤利乌斯・纳特勒（Julius Natterer）是推动这些新材料建造方法的先驱之一。同时，奥地利建筑师赫尔曼・考夫曼（Hermann Kaufmann）等人也凭借胶合木项目逐渐崭露头角。其中包括 1997 年建成的奥地利 Ölzbündt 公寓，以及 2017 年完工的加拿大英属哥伦比亚大学 18 层学生宿舍 Brock Commons。这些项目为胶合木在建筑领域的应用赢得了广泛关注。
从原理上看，胶合木就像是放大版的胶合板：将较小的木片在大型专用压机中分层叠加，并用胶水在压力下牢固结合。如今，最长可达 50 米的胶合梁（通常称为胶合木或“Glulam”）可以替代钢结构，而厚度可达 50 厘米的胶合板（通常称为交错层压木材或“CLT”）则可以替代墙体和地板中的混凝土。这些材料的应用让木材在大型建筑中焕发了全新的生命力。
这些木质复合材料的强度令人惊讶 —— 按重量计算，它们甚至比钢还要强。不过，想要达到与钢相同的强度，胶合木构件需要更大体积。随着建筑高度的增加，木质支撑结构必须变得更厚，而厚度到了一定程度后就会占据过多的空间。因此，在像 Ascent 摩天大楼这样的高层胶合木建筑中，建筑师通常会采用木材、钢材和混凝土的混合结构，以平衡强度与空间利用。
从历史上看，使用胶合木建造高层建筑最突出的安全隐患之一就是火灾。直到最近，许多建筑法规仍将木质结构的使用限制在低层建筑范围内。
虽然建筑不需要完全防火，但必须具备足够的耐火性能，以确保在火灾中不会迅速坍塌，从而为消防员争取时间控制火势，同时让居民安全撤离。例如，传统摩天大楼使用的材料通常要求在火灾中能够保持结构完整性至少三个小时或更长时间。
为了证明胶合木的防火性能，工程师会将木质构件放入燃气加热室中，监测其结构完整性。此外，还会对胶合木建筑的模型进行火灾模拟测试，并记录实验结果。这些试验为评估胶合木在火灾中的表现提供了科学依据。
这些测试逐渐让监管机构和客户相信，胶合木能够在火灾中保持足够长时间的耐烧性，从而达到防火安全标准。这部分得益于木材表面在起火初期会迅速形成一层炭化层，这层炭化层起到隔热作用，有效保护内部结构免受高温影响。
胶合木在 2021 年迎来了重要的认可 —— 国际规范委员会（International Code Council）修改了《国际建筑规范》（International Building Code），允许胶合木建筑的高度可达 18 层。作为全球许多地区建筑法规的参考标准，这一改动预计将推动更多地方更新相关规范，使高层胶合木建筑的审批从“特批”逐步转为常规许可，为胶合木的广泛应用铺平道路。
不过，胶合木建筑仍面临其他挑战。“真正的问题不是火，而是湿气，”内华达大学拉斯维加斯分校的建筑师兼城市可持续发展学者斯特芬・莱曼（Steffen Lehmann）说道。
所有建筑都需要控制湿气，但对胶合木来说，这一点尤为关键。潮湿的木材容易受到真菌侵害并吸引白蚁等昆虫，导致结构老化。为此，建筑商会在运输和施工过程中小心防止木材受潮，并制定全面的湿气管理方案，例如设计高效的供暖和通风系统，以防湿气积聚。此外，为了进一步防止虫害，木材可以经过化学防虫剂处理，或者在接触地面的地方加装金属网或其他物理屏障提供保护。
另一个问题是声学性能，因为木材传导声音的能力非常强。为了改善这一点，设计师会使用隔音材料，在墙体之间留出空隙，并安装架空地板等多种方法来减少声音的传播，从而提升建筑的隔音效果。
胶合木的潜在优势
应对全球变暖的关键途径之一是减少建筑行业的温室气体排放，这一部分目前占全球排放量的 39%。维也纳中欧大学的环境科学家戴安娜・厄尔格-沃萨茨（Diana Ürge-Vorsatz）表示，胶合木和其他基于生物的建筑材料可能在这一努力中发挥重要作用。通过推动使用这些低碳材料，建筑行业有望在全球减排目标中扮演更积极的角色。
在 2020 年发表于《环境与资源年度评论》的论文中，戴安娜・厄尔格-沃萨茨和她的同事引用了木材行业的一项估算：位于不列颠哥伦比亚省的 18 层高 Brock Commons，与采用混凝土和钢材建造的类似建筑相比，减少了约 2432 公吨的二氧化碳排放量。其中，679 公吨的减排源于木材制造过程中产生的温室气体显著少于混凝土和钢材，而另外 1753 公吨的二氧化碳则被封存在建筑的木材中。
“如果使用生物基材料，我们就能实现‘双赢’，”厄尔格-沃萨茨说道。
然而，目前人们对胶合木在气候方面的热情，很大程度上是基于一些重要假设。例如，很多测算都假定用于胶合木建筑的木材会通过种植新树得到完全替代，并且这些新树在生长过程中能够在相同时间内吸收与原始树木等量的二氧化碳。然而，一些环保组织指出，如果用速生树种种植园替代老龄林，这些新种植的树木可能永远无法达到原始树木的规模。此外，人们还担忧，随着对木材需求的增加，可能会导致更多的森林砍伐，并占用更多的土地，从而影响粮食生产。
相关研究通常还假设，一旦木材被用于建筑，其所含的碳就会被永久封存。然而，实际情况并非如此。一棵被砍伐的树，并不是所有部分都会进入最终的建筑产品中。树枝、树根以及锯木厂产生的废料可能会腐烂或被焚烧。而当建筑被拆除时，如果木材被丢弃在垃圾填埋场，其所含的碳可能会以甲烷和其他排放物的形式重新释放到大气中。这些因素使得胶合木的碳封存效益在全生命周期中存在一定的不确定性。
“许多建筑师对此感到困惑，”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）说道，“这真的靠谱吗？”她在思考胶合木是否总是能够带来净效益。她认为，胶合木确实具有气候效益，但要明确这些效益的具体程度，还需要进行更多深入的研究。
与此同时，胶合木正引领一种全新的建筑模式 —— 集成设计。在传统的建筑流程中，通常是由建筑师先完成设计，然后分包给不同的公司负责各个环节的施工，从打地基到搭建框架，再到安装通风系统等，每个阶段相对独立。而集成设计则打破了这种分割式流程。
在集成设计中，正如凯西克所说，设计阶段更加细致，并且从一开始就让各相关公司参与其中。在这个过程中，不同构件如何组合和协同工作会事先规划好。构件的精确尺寸和形状都在设计时确定，甚至连连接点的预钻孔也提前完成。这种方式使得许多构件可以在工厂中通过先进的计算机控制设备预制完成，然后再运至施工现场进行组装。
许多建筑师都喜欢这种模式，因为它让他们对建筑构件有了更大的掌控力。而且，由于大量工作在前期已经完成，施工现场的建造速度往往更快。莱曼表示，这种建筑模式可以让施工速度比传统建筑快多达 40%。
凯西克形容，胶合木建筑的制造过程更像是汽车生产 —— 各个独立的部件在工厂完成后运输到最终地点进行组装。“当胶合木建筑的构件运抵施工现场时，它实际上就像一件放大版的宜家家具，”他说，“所有部分都会严丝合缝地拼接在一起。”
作者：Kurt Kleiner
翻译：Eyshen
审校：7 号机
原文链接：Sustainable building effort reaches new heights with wooden skyscrapers
本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kurt Kleiner
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