世界上最先进的建筑材料是木材

十月初的一个阴天，建筑师安德鲁·沃夫 (Andrew Waugh) 绕着伦敦东区肖迪奇 (Shoreditch) 一栋不起眼的公寓楼底部转了一圈。肖迪奇在二战的闪电战中遭受了重创——“城市重建，德国空军的功劳”，沃夫说——之后几十年一直处于荒废状态。然而，最近，这个街区又重新焕发出活力。夜总会和科技初创公司以低廉的租金为卖点，率先入驻，居民们也纷纷涌入。随之而来的是建筑师、城市规划师和工程师，其中许多人都会前往沃夫现在绕行的那座大楼朝圣。

从外观上看，这座九层建筑名为 Stadthaus，由沃与他的搭档安东尼·西斯尔顿共同设计，并没有什么特别耀眼之处。其灰白相间的外墙几乎与伦敦阴云密布的天空融为一体。而 Stadthaus 的与众不同之处在于其内部设计。地板、天花板、电梯井和楼梯间均由木材制成，而非钢筋混凝土。

但并非普通的木材。塔的强度和质量依赖于一种高度工程化的材料，称为交叉层压木材 (CLT)。巨大的面板厚度可达半英尺。它们是通过将平行梁层垂直叠放在另一层上，然后将它们粘合在一起制成的，具有钢铁般的强度。“这种结构与预制混凝土的共同之处多于传统的木框架设计，”Thistleton 说。许多工程师喜欢称其为“强化版胶合板”。

2009 年开业时，Stadthaus 是迄今为止世界上最高的现代木结构建筑。从那时起，CLT 塔楼便如雨后春笋般涌现。2011 年，Waugh Thistleton 在 Stadthaus 附近建造了一座七层公寓楼，不列颠哥伦比亚省乔治王子城的一座 90 英尺高的木结构建筑正在建设中。2012 年，Stadthaus 被墨尔本的一座名为 Forté 的 10 层公寓楼夺得了最高纪录。

木材既可再生，又可作为碳汇。

甚至还有更高的计划。瑞典当局已批准在斯德哥尔摩建造一座 34 层的木塔，而温哥华建筑师迈克尔·格林 (Michael Green) 正在寻求批准在他的城市建造一座 30 层的塔。芝加哥建筑巨头 Skidmore, Owings & Merrill 最近公布了一项可行性研究，计划建造一座主要由 CLT 制成的 42 层塔。不列颠哥伦比亚大学木建筑设计和施工教授弗兰克·拉姆 (Frank Lam) 说，这已经成为建筑师之间的一场比赛，看谁能建造下一座最高的木质高层建筑。

为什么突然对木材感兴趣？与钢材或混凝土相比，CLT（又称大规模木材）更便宜、更容易组装，而且由于木材的烧焦方式，更耐火。它也更具可持续性。木材像任何农作物一样可再生，而且它是一种碳汇，即使在变成木材后，也能封存其在生长过程中吸收的二氧化碳。沃夫·西斯尔顿估计，Stadthaus 的木材储存了 186 吨碳，而类似的传统建造塔楼的钢材和混凝土在生产过程中会产生 137 吨二氧化碳。木材可节省 323 吨。

人口统计学家预测，地球的城市人口将在 36 年内翻一番，这将增加对人口密度越来越高的城市中更高建筑的需求。建筑师和建筑公司是否使用不可持续的材料（如钢铁和混凝土）建造这些塔楼，还是使用 CLT 等新材料，都可能对地球的健康产生巨大影响。换句话说，世界城市的未来可能就在于其最古老的建筑材料。

大多数人一想到木质建筑，就会联想到气球——或者更确切地说，气球框架，这是一种轻巧但坚固的住宅建筑系统，由 19 世纪中期引入的细木梁组成（人们说，它太轻了，可能会飘走）。这种框架也被称为“芝加哥建筑”，以它们最初流行的城市命名，既便宜又容易建造。但是，虽然它们足够坚固，可以建造几层楼的住宅，但气球框架在承受更大重量时会很快弯曲。

19 世纪末，随着城市开始向外发展，这成了一个问题。幸运的是，大约在同一时期，工程师和建筑师发现了如何使用钢铁和混凝土建造高层建筑，这些建筑可以远远超过最高的气球框架。1885 年开业的芝加哥 138 英尺高的家庭保险大楼是第一座采用钢骨架的建筑，随后数千座建筑相继建成。

19 世纪末 20 世纪初，一系列可怕的城市火灾席卷了巴尔的摩、芝加哥和旧金山等城市一平方英里又一平方英里的木屋和公寓楼，这对木材的保护毫无帮助。这些灾难导致当地出台了严格的建筑法规，将木结构住宅建筑的高度限制在五层以下。

剩下的就是建筑史了。20 世纪，世界各地城市中拔地而起的摩天大楼几乎全部由钢铁和混凝土建成。“有很长一段时间，人们忘记了如何使用木材，”伦敦建筑公司 dRMM 的合伙人 Alex de Rijke 说道，该公司曾广泛参与大规模木材设计。

但在过去二十年里，建筑师和工程师开始重新思考木材作为结构建筑材料的可能性。首先是技术本身。20 世纪 90 年代中期，奥地利政府资助了一项联合产学研项目，旨在开发新型、更坚固的“工程”木材，以消化该国木材供应过剩的问题。该项目的成果是 CLT——一种重量轻、极其坚固的材料，可以预制和定制切割。

CLT 的简单之美在于其正交各向异性。普通木材在顺纹方向上强度高，但在横向方向上强度低。CLT 的垂直层使其在两个方向上都强度高。而且由于它依赖于较小梁的层，因此可以通过使用木材厂原本会拒绝的形状奇特、多节的木材来减少浪费。

CLT 的出现正值建筑业经历技术革命之际。过去，建筑师会手工绘制图纸，然后将其发送给工程师，工程师会将图纸转换成每根木梁或钢板的规格。然后，这些组件将在工厂切割，并在现场逐件组装——这是一个昂贵、耗时且通常不够精确的过程。

如今，这一切都由计算机完成。建筑师使用 3D AutoCAD 软件设计建筑物，程序生成材料规格并将其发送给机器人木材或钢制路由器，后者以毫米级的精度塑造面板。最终结果是一组构建块，一小队工人可以在几周内将它们拧在一起。四个人每周工作三天，只用了 27 天就搭建了 Stadthaus 的木材部分，比类似的钢筋混凝土结构快 30% 左右。沃夫说，这不是在现场从头开始建造塔楼，更像是组装一件家具。“说明书就像宜家，但更直接一点，名字也更悦耳，”他说。

尽管 CLT 有很多优点，但直到最近才开始受到欢迎。2003 年，沃和西斯尔顿用这种材料建造了一个小型艺术俱乐部，之后他们花了数年时间试图说服更多客户使用它，但都以失败告终。“无论客户是谁，木材都会被摆到桌子上，”沃说，“但一个小时后，木材就经常被拆掉。”

这种阻力源自对木材材料的假设：客户认为任何木结构都会像气球框架一样，具有结构弱点，易燃。“我们发现这段旅程有时令人沮丧，”Thistleton 说。“我们发现的一件事是，没有人能够区分大规模木材和木框架。”

当然，火灾是木结构建筑首先想到的问题。然而，大块木材在火灾中实际上比钢材更安全。厚木板的外部会烧焦，从而保护内部木材免受损坏。另一方面，金属会开始融化。“钢材燃烧时就像意大利面条一样，”美国工程木材协会 (APA) 技术服务总监 BJ Yeh 说道。

不过，开发商们正在慢慢转变想法，尤其是那些意识到使用 CLT 建造建筑的经济效益的开发商。当全球项目管理和建筑公司 Lend Lease 的澳大利亚分公司开始设计位于墨尔本码头区的 10 层公寓楼 Forté 时，其工程师们并没有考虑使用大量木材。“我们最初寻找的是一种可以在相对较差的土壤条件下工作的轻型建筑解决方案，”负责该公司木材建筑项目的 Andrew Nieland 说道。他们发现，CLT 在经济上是最合理的。“我们做了尽职调查，发现了工程木材，”Neiland 说道。根据 Waugh Thistleton 的研究，一般来说，CLT 建筑比传统的钢筋混凝土便宜约 15%。

租户也纷纷加入进来。尽管有人担心有人会因为木塔内的安全问题而放弃购买，但 Forté 取得了巨大的商业成功，所有单元都已售罄。“这事上了中国的新闻，”Nieland 说。“一位同事的母亲打电话问，‘这是什么楼？’”展望未来，他说 Lend Lease Australia 致力于用 CLT 建造 30% 至 50% 的项目。

但转向木材的最大驱动力是建筑师和开发商越来越意识到他们的行业对气候变化的影响。“我们的行业对地球和人类健康的影响是其他所有行业中最高的，”沃夫说。混凝土和钢铁的生产和运输需要大量的能源，每吨钢铁或混凝土会产生一吨以上的二氧化碳。

另一方面，木材——即使是像 CLT 这样的工程木材，也需要额外的能源来切割和压成段——对环境更加友好。据倡导可持续木结构建筑的组织 Wood for Good 称，生产一吨砖所需的能源是生产一吨锯切软木的四倍；混凝土需要五倍，钢材需要 24 倍，铝材需要 126 倍。木材的性能也更好：例如，它的隔热性是混凝土的五倍，是钢材的 350 倍。这意味着加热和冷却木质建筑所需的能源更少。

当使用 CLT 建造高层塔楼时，碳减排效果非常显著。Stadthaus 所含的 186 吨碳足以抵消其 20 年的日常运营，这意味着在其使用寿命的前二十年，该建筑并非碳中和，而是碳负排放。Stadthaus 不会产生温室气体，而是在与之抗争。

虽然像 Waugh Thistleton 这样的公司专注于低端高层建筑，但其他公司正在设计更高、高达 40 层或以上的建筑。最新的提案来自 Skidmore, Owings & Merrill，该公司设计了世界上一些最高的摩天大楼，包括世界贸易中心一号楼和哈利法塔。该项目名为“木结构塔研究项目”，重新构想了芝加哥 42 层高的 Dewitt Chestnut 公寓大楼，该公寓大楼由 Skidmore 于 1966 年设计，主要采用 CLT 建造。总体而言，拟建建筑约 80% 为木材，接头处采用钢筋和混凝土以增加刚度。

到目前为止，这项研究还只是一项思想实验。但对于像 Skidmore 这样的蓝筹公司来说，接受高层木结构建筑表明这项技术正迅速从工程先锋转变为主流。

我们不太可能看到木结构大楼像今天的超高层摩天大楼一样高。但这也留下了大量机会。即使在世界上最大的城市，也只有少数几座建筑的高度超过 40 层。“很大一部分市场是可行的。纽约是一个高楼林立的城市，但并没有那么高，”威廉·F·贝克 (William F. Baker) 说，他与项目工程师本顿·约翰逊 (Benton Johnson) 一起监督了斯基德莫尔的研究。“我们可以处理曼哈顿的大部分地区。”

这又把我们带回到 Stadthaus。如果这座位于肖尔迪奇街角的不起眼的建筑实际上是一个数百吨碳的陷阱，想象一下整个城市都是 Stadthaus。曾经是温室气体主要来源的建筑可以将它们从大气中清除。“木材是新的混凝土，”dRMM 的 de Rijke 说。“混凝土是 20 世纪的材料。钢铁是 19 世纪的材料。木材是 21 世纪的材料。”