摘要:在上一篇文章里我谈到了关于“可持续建筑”的大致概念以及木材作为建筑材料的一些优势。事实上我最近是在很认真地思考——并妄图把木结构用到手头的一个方案里去。当然最后结果是很现实的,因为这里会面对很多矛盾,比如最突出的:防火指标的问题。

在上一篇文章里我谈到了关于“可持续建筑”的大致概念以及木材作为建筑材料的一些优势。事实上我最近是在很认真地思考——并妄图把木结构用到手头的一个方案里去。当然最后结果是很现实的,因为这里会面对很多矛盾,比如最突出的:防火指标的问题。

碰巧archdaily上最近有一篇关于这个问题的访谈。所以我就翻译了一下,希望能让大家了解美国和欧洲的建筑界是怎么看待这个问题的。原文参见:http://www.archdaily.com/483650/tall-tinder-are-wooden-skyscrapers-really-fire-safe/

 Robert Gerard,本篇被访谈者,是一位持有资质的防火工程师,加州州立理工大学建筑工程学学士,新西兰坎特伯雷大学防火工程学硕士,现工作于ARUP(英国奥雅那工程顾问公司)旧金山分部。

现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死全木结构的办公大楼:Illwerke Zentrum Montafon。设计:Architekten Hermann Kaufmann ZT GmbH。摄影:© Norman A. 

 如今木结构建筑的潮流越来越强劲,但却始终有一个值得担心的问题:木材作为结构件到底安全吗?Arup Connect杂志为此采访了ARUP旧金山分部的防火工程师Robert Gerard, 希望他能为我们解释高层木结构建筑是怎样面对消防问题的。

AC:你能为我们简要概括一下近现代木结构建筑的发展吗?

RG:在过去100年里,木材料在结构上的应用大致仅限于一些不超过三到六层高的轻型框架——这是结构在实际应用中的技术限制。但在过去的10~15年里,一些新开发的重型木材料——诸如交错层积材(Cross-laminated Timber (CLT)),层压胶合板,单板层积材( laminated veneer lumber (LVL) )等等,让用木材作为主要结构材料的建筑有了更高更大的可能。

译注:交错层积材是一种有前途的新板材,参见视频:

 而在过去的5~7年里,我们也看见了越来越多的全木构建筑在许多国家拔地而起。但在美国,建筑规范仍然倾向于限制木建筑的高度。事实上任何采用可燃材料构筑的建筑物,在我们这都被限制在五、六层以内。但这其实只能针对传统轻型木结构。利用现代重型木材结构,我们完全可以把楼盖到八层或者更高。

至于现在,我可以说我们已经有了足够的结构知识,可以建造一些安全的木结构超高层建筑了。从工程学角度我们完全可以论证这样的木结构超高层能绝对满足建筑规范所要求的坚固程度,甚至可以放在一些地震设防烈度很高的地区,比如西海岸北部。

但这样的木结构建筑真正面对的挑战是消防安全——这在建筑规范中可能是一个比限制高度更严峻的问题。

现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死C.F. Møller Architects设想的Wooden Skyscraper

 AC:是因为现在关于那些新产品的防火测试还没有完成吗?

RG:在过去的五到十年间,国际上有很多人都在竭力推动并做了无数的实验,借此来了解木结构件的防火性能。在建设超高层木结构建筑的欲望面前,这些测试都是必须的,因为——比如当建筑师扬言:“我要建十层高!”这时相关政府部门则一定会说:“好啊,但我们得先研究一下,然后证明这么弄是安全的。”

也正是因为我们对于木材料防火特性的认识有了长足的发展,所以这些年里关于木结构的争论反而渐渐转向了其安全性方面。

 AC:这么说,防火工程师们是支持高层木建筑的。

RG:我不能代表所有防火工程师。但从我的角度看,如果能保证安全,那就没有什么问题。

从经济角度看,开发商们也渐渐开始认可由木结构预制件带来的建造时间和费用的节省以及同时相应的利益——这才是推动木结构建筑的根本驱动力。另外我认为,鉴于政府部门也在通过分数量化建筑的持续支出,以及提高能耗和碳排放标准,这会为木材成为一种建筑主要材料提供进一步的支持。而建筑师们也会因为持续收益和增加设计弹性而更重视木材。

从消防安全的角度上说,在现在这个时代我们也通过那些实际工程论证了木建筑的安全性。然而我认为如今实现木制高层建筑的主要问题在于建筑规范的限制。我的观点是,现在必须要做的事情是走进建筑管理部门,向他们技术地展示木材的防火能力,并借此来破除那些关于木结构建筑的偏见和迷信。

我的经验是:很多人都觉得木结构建筑就是一个容易着火的盒子,这类建筑一定比其他的房子要危险得多。而我们作为防火工程师的职责也在于此:我们掌握的知识能帮我们正确评价一座建筑的消防安全指数,设计适当的防火策略,并让公众来为这些建筑选择他们需要的安全等级。

值得欣慰的是,我们的建筑管理部门对于这类交流讨论是很开放的。

 AC:防火工程师怎样答复建筑师以及其他那些对越来越多的木结构建筑抱有期待的人呢?

RG:对建筑师和开发商来说,防火工程师往往扮演着一个精通消防法规条例的顾问式的人物。我们审查图纸,并评估一个设计是否符合建筑和消防规范。对于设计中那些不符合规范的部分,例如某些建筑材料和层高,我们会提供两个选项:要么你们自己把这个部分处理好,要么我们就要带着消防安全部门介入设计,并讨论出一个可以批准的替代方案。通常情况下改变设计或者增加消防设备都可以让设计达到足够的安全水平。

AC:你能为我们介绍一些关于木结构高层建筑防火安全问题已经取得成果的研究吗?

RG:比如在之前有一个叫做Timber Frame 2000的自发项目。起因是木材厂商发觉市场上有利用轻质木材料建造5~6层高建筑的需求,但英国的建筑规范限制死了木结构最多只能做到三层高。这个矛盾促成了一系列关于六层高轻质木结构的试验,结果表明木结构的功能安全性完全能满足要求,不输给那些诸如钢材和水泥之类的非可燃材料。这最终让英国建筑部门改写了规范,将木结构高度限制提高到六层。

译注:TF 2000是在2000年时的一个建筑试验:现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死 现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死

由于是一个技术验证式的试

验,所以这座建筑采用了最简单普遍的住宅设计。唯一不同的地方是结构采用轻质木料。

现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死当时的试验场地租用了一座飞机厂房

现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死 现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死其屋顶架构是在地面完成一个大的预制件,然后整体吊装上去的。需要查阅这个实验技术细节的可以戳这里

另一个重要测试则是2012年由加拿大一个叫 FPInnovations的团体发布的。在这个试验里他们成功证明了交错层积材(CLT)在用作建筑内墙和地板时,具有不输给水泥等非可燃材料的防火性能。(技术细节戳)在这个实验中经过设计的木制墙体和地板能达到三小时以上的阻燃效果,甚至高于建筑规范中对材料阻燃率的要求。研究人员将试验结果提交给建筑规范委员会,并要求根据测试中论证的阻燃性能重新修改建筑规范。其结果是,美国和加拿大的建筑法规最终都接受了CLT。

现在看来,我们已经做了相当多的类似试验。但仍有很多技术空白需要在未来进一步验证。

 AC:现在最好的木结构超高层建筑实例都在欧洲和澳大利亚。是因为这些国家的建筑法规对木材的接受度更高吗?

RG:相比之下对于木建筑,欧洲的建筑法规比美国的允许更高的高度。这往往让审批程序变得更容易。但是——规定是死的,人是活的。比如在澳洲,规范允许的木结构建筑也不超过三层,但在那边却盖起了现在最高的木结构大楼。这些国家在审批阶段与我们最大的不同是他们更能理解木材的实际防火性能,并做了许多相关的研究和测试来向管理部门证明他们的观点。这也是我们在美国正在使用的办法。

另外英国和澳洲的建筑规范本身和我们也有一些不同:他们更倾向于对材料的性能提出要求,而不是指定必须采用何种材料,也就是说只要能满足消防安全等级,他们并不太管你用的材料是不是木头,这给设计带来了很高的自由度——包括用木头当结构还有提高木建筑的高度。

AC:也就是说美国的建筑规范会要求你必须做A,B,C,而其他一些国家却允许更大的弹性,只注重结果而不看重办法?

RG:没错。理论上说,在这些规范只对性能本身提出要求的国家里,建筑设计的弹性是相当大的。而在美国,官方允许你寻找符合法规的替代材料,但这些替代材料也必须经过管理部门的批准。

而正是因为这些法规上的限制,让我们防火工程师的工作有了价值。我们会介入建筑项目和管理部门,与他们一起讨论一个符合法规要求的替代方案,然后利用我们再消防工程上的知识设计合适的消防安全策略,并向管理部门证明这个替代方案可以满足规范要求。

AC:那么防火工程师们是否认为木结构高层建筑会最终被规范所接受,并在美国日益增多呢?

RG:我同意。不过我认为这在北美地区会首先从加拿大开始。加拿大政府对木结构超高层很感兴趣,而且他们已经举办了木结构超高层建筑的设计竞赛。(这次比赛的详情

我们已经看到了木结构在全世界范围内的一次复兴。而且我认为在不远的未来,这股潮流就会来到美国。

现实的问题:木结构大楼真的能满足防火要求吗?-建筑师之死

 

 译注:我在我最近的项目里也认真考虑了采用下层钢结构上层木结构的可行性。但除了国内法规的限制之外,还有一个大问题是中国在近年要面对比较严重的木材短缺,且国内供应的木材绝大部分都是质量比较差的速生林材,而可用作建筑结构件的大型优质木材可能必须依赖进口,而这几年诸如东南亚和俄罗斯等木材产地纷纷限制出口。这导致国内木材价格水涨船高。所以木结构的经济优势就不存在了。而甲方是不会理会你那些关于环境保护与可持续建筑的说辞的。

但是未来会如何呢?会不会因为国际上木建筑潮流的兴起,国内木材市场也会开始注重大型优质建筑木料的生产,以满足国际市场的需求;或者出现某种更经济、性能更好,可以满足结构要求的层积材呢?这也许要等上十年二十年,但我还是对未来有这么一点憧憬。因为木材加工和构筑既经济又可以解决建筑到寿后的废料处理问题,既满足现实也满足理想。我认为这会是未来建筑发展的大方向。