建筑技术丨欧美木结构办公建筑案例分析及发
来源：建筑技术杂志社
1斯沃琪新总部
1.1项目概况在谷歌网站上输入“斯沃琪新总部”，半秒钟即可得到万条结果。这是一栋名副其实的超级网红建筑。世界著名时尚腕表生产商斯沃琪新总部（NewSwatchHQ），位于瑞士首都伯尔尼市以北约40km的比尔（biel）镇，是迄今为止世界上最大的木结构办公建筑。该建筑的设计者是普利兹克获奖者、日本明星建筑师坂茂。坂茂以其精致的结构和非常规的设计方法以及对建筑创新的贡献而闻名于世。年笔者在德国汉诺威博览会上看到他设计的纸结构日本展馆令人印象深刻。此后他设计了蓬皮杜·梅斯中心和阿斯彭艺术博物馆等知名木结构建筑。年板茂赢得了斯沃琪新总部项目的设计竞赛，经过精心设计和施工,新总部于年10月落成（图1）。图1瑞士斯沃琪新总部西方媒体形容斯沃琪新总部像一条蜿蜒前行的巨龙，龙身上的鳞片在阳光下熠熠发光。坂茂独特的建筑创意将斯沃琪品牌元素（如透明性，运动性，意外和令人惊讶的细节）与乐趣和嬉戏感融为一体，建筑的形式像艺术品一样唤起了人们的想像力。斯沃琪新总部建筑长m，宽35m，高27m。建筑面积㎡，高5层，为斯沃琪、欧米茄公司的新总部大楼，除常规的工作场所外，整个建筑物还分布着许多公共区域：一楼的自助餐厅向员工及访客开放，建筑物各位置设有小型休息区。若有私密性需求可使用单独的“壁舱”。在二楼的尽头设置了“阅读楼梯”，其台阶和景观吸引公司员工在创意休息期间进行头脑风暴。地下停车场有个停车位和个自行车停车位。1.2建筑结构及构造设计斯沃琪新总部大楼采用非常规的双曲线建筑外形，建筑结构采用瑞士云杉木加工而成的曲线空间木格构，其屋顶及外墙形成了个菱形元素，胶合木梁的高度从mm到mm不等。最大的正交胶合木梁断面尺寸达mm×mm。外立面每个菱形单元都有不同几何尺寸（图2），其外表皮分为不透明，透明或半透明3种构造形式，以控制室内的光线和隐私级别。一些菱形立面元素可以打开进行排烟，另一些则装有光伏面板。图2施工中的斯沃琪新总部木结构透明的菱形外立面元素（天窗）由3层中空高性能保温玻璃、空气层、铝合金电动遮阳卷帘、外部单层冷弯钢化玻璃构成。中空腔室保持微正压状态以避免灰尘进入，整个单元进行有组织通风，以避免冷凝水的形成（图3）。（a）（b）图3斯沃琪新总部外围护结构细部（计算机截图）（a）细部1；（b）细部2半透明的菱形覆盖了40%的外立面，每个菱形均包含一个双层ETFE充气膜结构。选择膜结构的主要目的是为减轻栅格结构的整体重量，同时其外观形象也有趣别致。ETFE充气膜结构的强度足以承受雪或冰的重量，但由于单纯ETFE膜结构的保温隔热和隔声性能不能满足高品质办公室的要求，故在膜结构内添加了聚碳酸酯层。在不透明的菱形建筑天花板上有个木制的瑞士十字，上面有细小穿孔用以改善办公室的声学效果。外立面上还有9个阳台，面积为10~20㎡，可在不同楼层高度上、呼吸新鲜空气、欣赏周边风景。斯沃琪新总部采用参数化设计，3D参数模型直接输入CNC数控机床对木材进行精细加工，外立面采用个木制构件，加工精度达到0.1mm。除木构件外，斯沃琪新总部建筑巨大曲线外立面还包含玻璃、金属、ETFE膜、各种电缆、管线等，预制构件总量为个，其中仅72个预制构件加工失误，错误率为1.1%。1.3能源利用与可持续设计采用木结构是斯沃琪总部可持续战略重要的组成部分。木材是可再生材料，该项目共使用木材m，相当于瑞士森林中2h木材的生长量。屋顶安装了个曲面太阳能光伏发电板，面积共m，每年可发电.3MWh。采用地源热泵能源系统，将既有的储油池改造成为长效蓄热装置，末端采用地板及天花板辐射采暖制冷系统，提供无风感、高舒适度的室内环境。可再生能源利用基本可覆盖建筑自身运行能量的需求。2挪威SR银行总部大楼2.1项目概况挪威SR银行总部大楼位于挪威西海岸的斯塔万格市（Stavanger），它是北欧规模最大的木结构办公建筑，建筑面积㎡，其中地上13㎡，高4~7层（图4）。图4挪威SR银行总部大楼外景建筑基地为三角形，北侧锐角面向城市公园。为适应基地形状，建筑平面呈A字形，其轴线与公园中音乐厅连为一体，几个方向都向城市开放，在建筑和周围环境之间创造了丰富的联系。建筑的东面呼应周边城市建筑尺度，细长而宁静，沿街道创造了有遮蔽的人行道和一座公共汽车站，建筑入口在南侧A字形平面的下方，建筑师在此处布置了一个小公园，作为向传统小型木结构房屋的过渡。A字形中部为中庭，建筑平面布局围绕中庭展开，将光、空气和绿色植物引入室内，各种非正式的公共交流场所围绕中庭布置，成为中庭与沿建筑物外立面布置的安静办公空间的缓冲地带（图5）。图5挪威SR银行总部大楼门厅2.2建筑结构与构造设计自古以来，银行建筑都是以彰显坚固耐久、值得托付信赖为主要特征的。使用木材建造银行总部大楼是对“银行”这一概念的挑战。年建筑设计公司HelenHard与SAAHA合作赢得了挪威第二大银行集团SRBank新总部设计的竞赛，建筑师推荐木结构形式，并聘请瑞士创意木构公司（CréationHolzAG）的布鲁默先生（HermannBlumer）担任顾问。布鲁默先生提出了为本项目专门设计的木框架结构体系，并向业主提交了详细的初步结构强度计算，证明了该项目的可行性。建筑师还提交了一份木材建造成本与常规钢和混凝土结构的成本比较，以显示木结构成本并不高于常规混凝土结构；建筑师还建造了一个1∶1比例的局部样板模型，以使人们能获得对空间和构造特征的真实印象，赢得了所有人的青睐，最初对木结构持反对意见的人也变成了热情的支持者。由于该木结构建设方案在可持续性、健康和工作场所质量、美学方面具有许多优势，在以后的谈判中各方一致同意采用，并同意支付比钢/混凝土建筑高出1.4%的造价。该建筑的地下部分为钢筋混凝土结构，地上电梯筒、楼梯间形成的4个核心筒用混凝土建造，以承载水平推力和满足消防疏散要求。围绕4个核心筒设计了木结构框架承重体系，柱网尺寸为5m×4m，载荷较大区域的梁柱框架体系采用坚硬的榉木层压胶合板，主梁嵌入木柱凹槽中，并用布鲁默专门设计的直径80高强度木销栓固定，用以传递轴向力、剪力及弯矩，这一节点已成为该建筑内部重要的特征和室内设计元素。由于底层立柱和横梁悬挑于人行道上方，故也采用榉木层压胶合板材料。在上部楼层载荷相对小的区域，梁柱和楼板采用承载能力稍弱的云杉正交层压胶合木。木结构框架形成连续梁，与外立面附近的圈梁和楼板共同构成稳定的结构体系。圈梁断面尺寸为mm×mm，楼板厚mm。按建筑功能要求首层部分区域需要大空间故需拔掉部分承重柱，柱跨达到9m。该区域的梁和柱采用特殊高强构造，柱断面尺寸达到mm×mm，高度达到7.5m。建筑上所有横梁均经精心设计以反映作用在其上的力和力矩，所以在支撑点处的断面尺寸最大，向梁中部方向逐渐变小。木梁在工厂生产，预先安装了所有必要的电缆、风管等管线或导管。整个木材结构及玻璃幕墙均满足严格的REI90防火要求，并根据燃烧率确定尺寸。建筑中庭是银行总部大楼的亮点，中庭中的楼梯边梁在2个方向弯曲，为悬挑至中庭5m处的壮观开放式楼梯提供支撑。中庭采光天顶和具有雕塑感、飘逸潇洒的大楼梯形成的整体效果，充分展示了木结构的空间塑造和美学表现力。2.3能源利用与可持续设计该建筑采用木结构建造，为获得BREEAM-NOR绿色建筑认证打下了基础，这也是业主和建筑师追求可持续发展战略目标的组成部分。此外，还采用了高性能的围护结构，特殊构造的高透光率保温隔热超白玻璃、辅以精致的遮阳和柔光系统，使室内光环境达到很高水准（图6）。该建筑采用地源热泵供暖制冷系统，计算机服务器机房的余热利用也是采暖系统的组成部分。图6挪威SR银行总部大楼内景3美国斯波坎零能耗办公楼3.1项目概况催化剂办公楼（CatalystBuilding）位于美国华盛顿州距西雅图市约km的斯波坎市（Spokane），建筑面积㎡，年9月落成。该建筑将是北美地区获得国际生活未来研究所（InternationalLivingFutureInstitute）认证的最大的零能耗和零碳木构建筑（图7）。图7美国斯波坎零能耗办公楼外景项目基地位于斯波坎市中心南侧的生态开发区，通过步行天桥与东华盛顿大学校区相连。开发商是能源公司阿维斯塔（Avista）的子公司、建筑和设施运营公司麦克金斯特里（McKinstry），木材建造商是拥有北美地区最大正交层压胶合木生产工厂的卡泰拉（Katerra）公司，参与开发建设的企业联合体力图通过应用低碳环保的建材，整合生态节能技术，运用区域智能能源网络系统，打造世界上最低碳环保的零能耗建筑及开发区。该建筑的主要承租方是东华盛顿大学，包括该大学的电气工程，计算机科学，公共卫生，商务和创意写作等专业院系正在逐步迁入，由于设计时并未确定究竟那些院系、哪些功能入住，因此设计时需有一种中性美学且能满足不同使用要求。建筑取名催化剂大楼，寓意促进不同学科思想碰撞及行业创新。3.2建筑结构与构造设计该建筑由两个体量组成，中部是门厅和中庭空间，结构柱网逻辑清晰，采用开放式平面布局，有规律的实墙窗洞式建筑立面。催化剂办公楼力求减少使用制造能耗高的钢和混凝土，故使用了超过m的本地木材产品，这些木材储存了t的二氧化碳当量，并避免了t的CO2排放，相当于减少了辆汽车一年行驶产生的温室气体排放量。根据美国木材产品委员会（WoodProductsCouncil）的计算，美国和加拿大森林能在短短11min内生长出等量的木材。催化剂办公楼采用正交胶合木（CLT）梁柱框架，以及正交胶合木制成的楼板和墙体，其抗侧向荷载的结构核心筒也由大块实心木材制成。尽管楼地面都有抑制声音传递和消除振动的石膏水泥砂浆（gypcrete）面层，室内大部分表面都为裸露的木材，为空间提供了温暖和活泼的感觉（图8）。图8美国斯波坎零能耗办公楼内景催化剂办公楼外立面采用了一种新的构造形式，包括正交胶合木（CLT）板材、保温材、防水透气膜，最外层是木炭色的陶板。选择陶板的原因包括其隔声性能（该办公楼紧邻铁路线）、较小的环境影响（生产铝板的能耗和碳排放量更高）、美观和耐久性。预制的外墙板长×宽相当于9.14m×3.66m（这一尺寸由运输限制决定），通过起重机吊到建筑框架上。建筑竣工后，通过鼓风门法检测气密性，结果显示气密性能非常出色，气密指标只有被动房允许上限值的1/2。3.3能源利用与可持续设计催化剂办公楼优秀的外围护结构大幅降低了建筑的运行能耗，室内空调系统末端采用高效辐射采暖/制冷系统及空气余热回收设备。该建筑的能源系统采用区域能源网提供的冷热源，该能源设备系统位于临近一栋建筑内，采用电驱动，由McKinstry公司设计建造运行。这套系统包括本地及远程生物发电、发电热回收、蓄热能和电池储能技术，根据气候参数情况，区域内建筑能源使用情况等因素，采用参数化工具确定最合适的组件、设备的最佳容量和最佳配置。在计算模型系统中有00种不同组合，通过优化设计运行，旨在以最低的成本实现最高的能源使用效率。安装在催化剂办公楼屋顶上的kW光伏（PV）设施加上安装在其他3栋建筑屋顶上的光伏设施，每年还能产生万kWh电力，将完全抵消这些建筑物的能源使用量。安装在建筑物内成千上万个传感器能跟踪环境条件、空气质量和人员使用情况等数据。从该建筑及生态开发区的其他建筑物得到的大量实时信息，将协助能源工厂管理和平衡能源需求，能源的生产和存储不仅能控制建筑物从区域能源网获得多少能源、还能控制建筑物何时获得这些能源，有利于减少电网峰值电量，而电网用电峰值时期通常也是发电碳排放量最大的时刻。4木结构办公建筑的发展趋势当前，全球范围面临着资源能源日益短缺、环境污染日趋严重等现实问题，世界多数国家均提出绿色可持续的发展目标，我国也已做出年碳排放达到峰值、年达到碳中和的庄严承诺。建筑行业作为耗能大户，肩负着实现行业绿色化转型发展的重任。木材由于其天然可再生、绿色低碳环保等优良属性，得到现代人的重新认识与广泛研究，诸多新型木制品、新型结构体系、新型建造方式等应运而生。以正交层压胶合木（CrossLaminatedTimber，CLT）、结构复合木材（StructuralCompositeLumber,SCL）等为代表的重型工程木制品（MassTimberProducts,MTP）的成功研发，使建造更经济高效的多高层木结构建筑成为可能。近年来在欧洲和世界范围不断有木结构建筑爆红网络，也有越来越多的较大规模的木结构建筑在欧洲及世界各地不断落成和正在建设中，综合归纳其主要原因如下。（1）世界范围对建筑节能减碳、可持续发展性能的追求，木材在该领域有突出特质，其生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）指标大幅优于常规混凝土结构建筑。（2）人们越来越重视建筑的健康性能，木材天然、无污染、突出的美学表现力、易于工厂预制加工和运输等特点受世人青睐。（3）新型木材承载性能、耐久性能的提升，包括混合木结构的应用，使木构建筑应用范围和经济性能大幅提升。（4）木结构防火构造的进步有效提升了木结构的耐火性能，促进了木结构的广泛使用。（5）混凝土建筑面临环保及施工人力成本增长的压力，使木结构在建造成本方面愈来愈具有竞争力。此外，由于木材的热工性能大大优于混凝土，非常适合建造超低能耗、近零能耗建筑，全球主要发达国家及中国都提出了碳中和发展目标和近零能耗建筑的发展路线，在探索和大规模推广近零能耗建筑的过程中，木构建筑有广泛的发展空间。在多层办公建筑领域，由于建筑的荷载和防火要求比高层建筑低，现代木结构建筑完全可轻松应对，可以采用纯木结构或混合木结构形式建造，建筑结构、防火、保温、隔热、隔声等构造技术成熟且性价比高，适合装配式建造，因而木结构在多层建筑领域（包括办公、酒店、学校、展馆等公共建筑和居住建筑领域）有非常广泛的应用前景。由于高层办公建筑（通常指建筑高度大于24m的建筑）的防火和建筑结构安全性要求较高，更适合采用混合木构建筑结构体系，即由楼梯、电梯、竖向风道等组成的建筑核心筒用钢筋混凝土建造，以承受建筑的水平荷载和满足消防疏散通道耐火等级的要求，其他部分的承重构结构，包括框架体系和楼板等采用工程木建造，或根据项目需求部分采用混凝土或钢结构建造，室内装修可尽量采用木材或木制品。这种建造方式国外已有不少成功案例，甚至有多个国家正在设计建造混合木结构的超高层建筑（建筑高度大于m）。限于目前相对保守的设计规范，国内实施建造高层和超高层木构建筑还有一定难度，但可预见，随着中国建筑领域节能减碳的压力的剧增及天然木材储量和进口量的增加，在不久的将来，木结构建筑设计规范将会更新，多层木结构建筑将会在中国率先得到较大幅度的应用。
摘自《建筑技术》，卢求