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从欧美三栋网红建筑看低碳木构办公建筑发展趋势

二维码 21

　　卢求

　　德国可持续建筑委员会国际部董事

　　清华大学EMBA班客座教授

　　五合国际副总裁

　　email：luqiu@www5a.com

　　导读：文章选取了瑞士斯沃琪公司新总部、挪威SR银行总部大楼和美国斯波坎市零能耗办公楼

　　这三栋新近落成且广受关注的木结构建筑，分别研究了三栋大楼的建筑设计、结构设计、构造设计以及能源利用与可持续设计，在此基础上提出近年来越来越多较大规模的木结构建筑落成且受到广泛关注的五个原因，分析了未来多层和高层木结构办公建筑的发展趋势。文章有助于人们了解发达国家木构办公建筑的发展方向、遇到的技术难点和解决方案，开拓思路、借鉴国际成功经验，助力建筑业早日实现双碳目标。

　　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”几个字，半秒钟可以得到750万条结果！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（New Swatch HQ）位于瑞士首都伯尔尼市以北约40公里的比尔（biel）镇,它是迄今为止世界上最大的木结构办公建筑。

　　设计者是普利兹克获奖者、日本明星建筑师板茂。板茂以其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。2000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。2011板茂年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2019年10月落成。

　　瑞士斯沃琪新总部远景

　　西方媒体形容斯沃琪新总部像一只蜿蜒前行的巨龙，龙身上的鳞片在阳光下熠熠发光。板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240米，宽35米，高27米。建筑面积25000平米，高度5层，成为斯沃琪、欧米茄公司的新总部大楼，除了常规的工作场所外，整个建筑物还分布着许多公共区域：一楼的自助餐厅，向员工及其访客开放，建筑物多个地方设置了小型休息区。如果需要私密性，可以使用单独的“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。地下停车库有170个停车位和182个自行车停车位。

　　瑞士斯沃琪新总部夜景

　　1.2 建筑结构及构造设计

　　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，建筑的屋顶及外墙形成了2800个菱形元素，胶合木梁的高度从760mm到925mm不等。最大的正交胶合木梁断面尺寸达到925x200mm。

　　瑞士斯沃琪新总部木结构施工过程

　　瑞士瑞士斯沃琪新总部木结构施工过程照片

　　外立面每个菱形单元都有不同几何尺寸，其外表皮分为不透明，透明或半透明三种构造形式，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。

　　透明的菱形外立面元素（天窗）由三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。中空腔室保持略微正压状态以避免灰尘进入，同时整个单元进行有组织通风，以避免冷凝水的形成。

　　瑞士斯沃琪新总部外景

　　瑞士斯沃琪新总部外围护结构细部

　　瑞士斯沃琪新总部天窗构造细部

　　瑞士斯沃琪新总部外围护结构细部

　　半透明的菱形覆盖了40％的外立面，每个菱形都包含一个双层ETFE充气膜结构。选择ETFE膜结构主要是为了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，但单纯ETFE膜结构的保温隔热和隔音性能不能满足高品质办公室的要求，因而在膜结构内添加了聚碳酸酯层以解决这两个问题。

　　在不透明的菱形建筑天花板上有124个木制的瑞士十字，上面有细小的穿孔，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至20平米，可在不同楼层高度上走出建筑、呼吸新鲜空气、欣赏周边风景。

　　瑞士斯沃琪新总部外围护结构及阳台细部

　　建筑采用参数化设计，3D参数模型直接输入CNC数控机床对木材进行精细加工。斯沃琪新总部建筑外立面采用了7700个木制构件，加工精度达到0.1mm。如上所述，除木构件之外，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62,792个，这其中只有72个预制构件有加工失误，错误率为0.11％。

　　瑞士斯沃琪新总部入口门厅

　　瑞士斯沃琪新总部内景

　　1.3能源利用与可持续设计

　　建筑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，项目共使用了1997立方米木材，相当于瑞士森林中2小时木材的生长量。屋顶安装了442个曲面太阳能光伏发电板，共计1770平方米，每年可发电约212.3 MWh，项目采用了地源热泵能源系统，并将既有的储油池改造成为长效蓄热装置，末端形式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。建筑可再生能源利用基本可以覆盖建筑自身运行能量需求。这意味着建筑运行阶段基本可以实现零碳排放，而该建筑采用木构形式建造，相比钢筋混凝土结构建筑形式，其建造阶段和拆除与再利用阶段的能耗（碳排放量）也大幅度降低。

　　2. 挪威SR银行总部大楼

　　2.1 项目概况

　　2019年11月落成的挪威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22500平米，其中地上建筑面积13200平方米，建筑高度4-7层。

　　挪威SR银行总部大楼外景

　　挪威SR银行总部大楼幕墙细部

　　挪威SR银行总部大楼外景

　　挪威SR银行总部大楼总图

　　建筑与周边城市环境：项目基地为三角形，北侧锐角面向一城市公园。建筑适应基地形状、平面呈A字形，建筑的轴线与公园中音乐厅连为一体。建筑的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，建筑的入口在南侧A字形平面的下方，建筑师在此处建立了一个小公园，作为向传统的小型木结构房屋过渡。A字形中部为中庭，建筑的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。

　　挪威SR银行总部大楼平面图

　　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。2014年建筑设计公司Helen & Hard与SAAHA合作赢得了挪威第二大银行集团SR Bank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（Création Holz AG）的布鲁默先生（Hermann Blumer）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。

　　挪威SR银行总部大楼门厅

　　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，显示木结构成本并不高于常规混凝土结构，并建造了一个1:1比例的建筑局部样板模型，该模型使人们能够获得对空间和构造的许多特殊特征的真实印象，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，在随后的谈判中各方最终一致同意采用，并同意支付比钢/混凝土建筑高出1.4％的造价。

　　挪威SR银行总部大楼门厅

　　挪威SR银行总部大楼内景

　　建筑的地下部分为钢筋混凝土结构，地上部分的电梯筒、楼梯间形成4个核心筒由混凝土建造，用以承载建筑的水平推力和满足消防疏散要求。围绕四个核心筒，设计了木结构框架承重体系，柱网尺寸为5x4米，载荷较大区域的梁柱框架体系采用了坚硬的榉木层压胶合板，主梁嵌入木柱的凹槽中、采用布鲁默先生专门设计的直径80mm高强度木销栓固定，用以传递轴向力和剪力以及弯矩，这一节点成为该建筑内部重要的特征和室内设计元素。底层立柱和横梁由于悬挑于人行道上方而也采用榉木层压胶合板制成。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，与建筑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920x160mm，楼板厚200mm。

　　由于建筑功能的需要，首层部分区域需要大空间、因而需要拔掉部分承重柱，柱跨达到9m。这里的梁和柱采用特殊高强的构造，柱断面尺寸达到480x800mm，柱高达到7.5米。

　　建筑上所有横梁均经过精心设计以反映作用在其上的力和力矩，所以它们在支撑点处断面尺寸最大，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。整个木材结构以及玻璃幕墙均满足严格的REI90防火要求，并根据燃烧率计算确定尺寸。

　　挪威SR银行总部大楼内景

　　挪威SR银行总部大楼木结构

　　建筑的中庭是银行总部大楼的亮点，中庭中楼梯的边梁在两个方向弯曲，为悬挑至中庭五米处的壮观开放式楼梯提供支撑。中庭的采光天顶，具有雕塑感、飘逸潇洒的大楼梯及中庭整体效果，充分展示了木结构空间塑造和美学表现力。

　　挪威SR银行总部大楼幕墙节点图

　　2.3 能源利用与可持续设计

　　建筑采用木结构建造为获得BREEAM-NOR 绿色建筑认证打下基础，这也是业主和建筑师追求持续发展战略目标的组成部分。此外建筑还采用了高性能的建筑围护结构，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。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建筑采暖系统的组成部分。

　　该建筑的结构系统和室内装修主要采用木材实现，相比钢筋混凝土结构建筑形式、金属或化学合成材料为主的室内装修，该建筑建造阶段和拆除与再利用阶段的能耗/碳排放量大幅度降低。

　　3 美国斯波坎零能耗办公楼

　　3.1 项目概况

　　催化剂办公楼（Catalyst Building）位于美国华盛顿州、距离西雅图市西侧约400公里的斯波坎市（Spokane），建筑面积 15690平米，2020年9月落成，它将是北美地区获得国际生活未来研究所（International Living Future Institute )认证的最大的零能耗和零碳木构建筑。

　　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的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。

　　美国斯波坎零能耗办公楼外景

　　建筑的主要承租方是东华盛顿大学，包括东华盛顿大学的电气工程，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，但在建筑设计时并没有确定究竟那些院系、哪些功能将要入住此建筑，因此建筑设计需要具有一种中性美学、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、行业创新。

　　美国斯波坎零能耗办公楼外景

　　3.2 建筑结构与构造设计

　　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，建筑设计采用开放式平面布局，有规律的实墙窗洞式建筑立面。

　　催化剂办公楼力求最大程度减少制造能耗高的钢和混凝土的使用，使用了超过5,000立方英码（约3823立方米）的本地木材产品，这些木材储存了3713吨的二氧化碳当量，并避免了1437吨的CO 2排放，相当于减少了1,100辆汽车一年行驶而产生的温室气体排放量。根据美国木材产品委员会（Wood Products Council）的计算，美国和加拿大森林能够在短短11分钟内生长出来等量的木材。

　　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，包括抗侧向荷载的结构核心筒也由大块实心木材制成。

　　美国斯波坎零能耗办公楼首层平面图

　　美国斯波坎零能耗办公楼标准层平面图

　　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。

　　美国斯波坎零能耗办公楼内景

　　美国斯波坎零能耗办公楼幕墙细部

　　美国斯波坎零能耗办公楼外景

　　催化剂办公楼的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（催化剂办公楼紧邻铁路线）、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。

　　美国斯波坎零能耗办公楼幕墙构造细部

　　预制的外墙板HxB=30 x12英尺（约9.14x3.66m，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，检测结果显示该建筑的气密性能非常出色，气密指标只有被动房允许上限值的1/2。

　　美国斯波坎零能耗办公楼内景

　　美国斯波坎零能耗办公楼施工过程

　　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大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，以及空气余热回收设备。建筑的能源系统也很出色。催化剂办公楼采用区域能源网提供的冷热源，该能源设备系统就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，工程师采用参数化工具来确定最合适的组件、设备的最佳容量和最佳配置，在计算模型系统中有40,000种不同的组合，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。

　　为美国斯波坎零能耗办公楼提供能源的区域能源中心

　　安装在催化剂办公楼屋顶上的213 kW光伏（PV）设施，加上安装在斯波坎市其他三栋建筑屋顶上的光伏设施，每年还将产生1,100,000 kWh的电力，预计这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将跟踪环境条件，空气质量和人员使用情况等数据。从催化剂办公建筑以及生态开发区的邻居建筑物大量实时信息，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。这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。

　　斯波坎催化剂办公楼的能源体系，可以确保建筑在运行期间一次性能源消耗为零、即达到零碳排放，建筑的结构系统和室内装修主要采用木材，相比钢筋混凝土结构建筑形式、金属或化学合成材料为主的室内装修，该建筑建造阶段和拆除与再利用阶段的能耗/碳排放量大幅度降低。

　　4.木结构办公发展趋势

　　随着全球范围面临的资源能源日益短缺、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，中国国家领导人新近也做出中国2030年碳排放达到峰值、2060年达到碳中和的庄严承诺。建筑行业作为耗能大户、污染重头，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（Cross Laminated Timber，CLT）、结构复合木材(Structural Composite Lumber, SCL)等为代表的重型工程木制品(Mass Timber Products, MTP)的成功研发，使得建造更为经济、高效的多高层木结构建筑成为可能。从建筑全寿命周期考量建筑碳排放，木构建筑有着非常突出的优势。

　　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以及世界各地不断落成和正在建设之中，综合归纳主要有以下五方面原因：

　　1. 世界范围对建筑节能减碳、可持续发展性能的追求，木材在该领域具有突出的特质，其生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）指标大大优于常规混凝土结构建筑。

　　2. 人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方面、以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。

　　此外由于木材大大优于混凝土的热工性能，非常适合建造超低能耗、近零能耗建筑，全球主要发达国家以及中国都提出了碳中和发展目标和近零能耗建筑发展路线，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相对高层建筑较低，现代木结构建筑完全可以轻松应付，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，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。

　　高层办公建筑（通常指建筑高度大于24米的建筑）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，其它部分的承重构结构，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100米）。

　　国内项目限于目前相对保守的设计规范，实施建造高层和超高层木构建筑还有一定难度，不过可以预见，随着中国建筑领域节能减碳的压力的剧增以及中国天然木材的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有较大幅度的应用。

　　参考文献：

　　1. www.swatchgroup.com

　　2. Neuer Swatch-Hauptsitz in Biel，www.intelligentbauen.ch

　　3. Firmenhauptsitz Swatch in Biel，www.baunetz.de

　　4. Timber gridshell slithers into place for Swatch, www.ribaj.com

　　5. A Closer Look at the Gridshell Roof of Swatch Headquarters by Shigeru Ban, www.architecturalrecord.com

　　6. www.sparebank1.no

　　7. Holz im Großeinsatz: Finansparken in Stavanger von Helen & Hard und SAAHA, www.structure-magazin.de

　　8. SR-Bank, www.tlg.no

　　9. Bank opts for BauBuche at key points in its new HQ building,www.pollmeier.com

　　10. www.catalystspokane.com