一座传授木材技术的木建筑

1 西立面（摄影：Georg Aerni）

2 总平面

3 新旧校舍首层平面

在瑞士的汝拉山脚下，有一座人口约5万的小城市——比尔（Biel/Bienne），自19世纪起就一直拥有繁荣的工业和手表制造业。与这座城市的工业氛围相得益彰的，是充满实用精神的应用科学教育。所属于伯尔尼应用科学大学（Bern University of Applied Sciences）的比尔高等木材技术学校（Higher Technical School of Wood Biel, HTS）即坐落于这里。这座学校拥有一座4层高的木建筑校舍，静静立于汝拉山南麓，散发出木材独有的气质。这座木建筑不仅关注木材在结构上的创造力，也试图从材料特性、建造、防火等其他建筑学视角来探索木建筑的独特魅力，是一座用1:1实体建筑向学生们传递木材技术的教科书般的教学楼。

比尔高等木材技术学校

瑞士有7所应用科学大学，伯尔尼应用科学大学是其中之一。比尔高等木材技术学校作为该大学建筑、木材及土木工程学院的一部分，旨在培养学生成为木材技术专家（Technical Specialist HS Wood Technics），同时也与该学院其他三个专业之间具有密切的交流合作。在这所高等木材技术学校，学生们不但接受木结构建造、木工技艺和木材工业等专业技能的课程，还收获对商业能力的培养。也就是说，学校试图提供一种综合而全方位的训练。同时，以资格认证为导向的教学模式，加上在木材工业企业的实习机会，共同确保了学生们高水准的实践能力。而毕业后获得的木材技术专家认证，使他们在中小型工厂或大型工业集团得以担任中高级管理职位，以自己的专业知识和技能来指导决策过程。

在瑞士，木材工业的历史悠久，同时也深深扎根于经济和社会之中。如今，木材工业发生了从传统制造到高科技工业的转变，这既是一种挑战，也是时代提出的要求。大约25年前，瑞士有混凝土工程师、钢结构工程师，但没有专门的木材工程师。现在，随着木材逐渐开始受到重视，科技含量越来越高，人们对木材工业的需求也开始增加。这些变化需要在教育系统中有所体现，甚至是被预见性地纳入其中，因此关于现代木材科学的教育随之诞生。比尔高等木材技术学校就是其中之一。

一座崭新的4层教学楼

这座木材学校原有的校舍分散在半径1km的场地上，学生、工作人员和教员不得不在这之间频繁地移动，而且工业需求和学生人数的增加，也促使校园进行改建。在当时，虽然木结构的技术已经很先进了，但建造这种多层木结构建筑仍很困难，比如没人了解这种建筑应如何防火，也没人知道该怎么建一个跨度9m的木结构，人们需要一个更优秀的解决方案。于是，在1990年举行了一次建筑竞赛，经过多次公众投票，选出了获胜团队。但在竞赛结束时仍有很多问题需要解决，不同领域的专家聚在一起讨论，包括建筑、结构、生态、材料、建造流程、政府决策等，使用者的意见最终也被纳入其中。经过各种领域的研究、大量专业测试，以及上百场会议讨论后，方案才最终得以确定。

所有建造工作都是在这个不大的场地上完成的，没有中断教学活动和日常事务。其间，原有的生产和测试实验室被扩建，一个中央供暖设备也得以建成。1997年秋天，这座木材学校成为应用科学大学的一部分，肩负起更多责任，开始了对木材工程师和技术人员的全日制教育，以及针对从业人员的硕士课程等。1999年8月，项目全面竣工，学生、工作人员以及教师在秋天搬入了新的4层校舍。

项目的核心目标是建造一座新的4层教学楼，并扩建原有的校舍，使其面积增加一倍。新的教学楼试图在表达木材或木材产品的典型应用方法上具有指导意义，同时还要具有革新性和经济合理性。而且，建筑被期望成为一个原型，采用行之有效的建筑系统，那样才可能被复制，比如结构上要在未来可以扩建，也能随时对建筑进行更新和升级。

最终，竞赛由迈利与彼得（Meili & Peter）建筑事务所和康泽特、布龙齐尼与加尔特曼（Conzett,Bronzini & Gartmann）工程事务所的合作团队获胜。他们的方案最大程度地尊重了场地条件，并保留了大部分原有建筑中结构性能良好的部分，新建筑也从很多方面与原有建筑形成了对照。其设计的关注点是，用怎样的技术手段来实现大跨度、大体量的木元件，以及如何对不可燃材料建造的大空间进行改进。

这座新的建筑中有一个巨大的混凝土内核，是整个建筑的核心结构，其外围是与之相连的若干个木盒。彼此分隔的木盒之间形成了几个多功能的开口，用于采光、通风以及防火等。这座建筑应用了很多方法来防火，例如教室内的喷淋设施、用作防火分区的阳台等。楼板大部分采用木材制造，是一个与结构和防火等密切关联的复杂楼板系统。立面也采用了独特的概念，可以说是一种原型立面。

4 四层平面

5 二层平面

6 地下一层平面

7 新建筑与旧建筑一翼相连（摄影：Georg Aerni）

建筑概念

建筑所在的场地仿佛一个小岛，被城市郊区的住宅区和延伸至汝拉山南麓的工业区环绕。原有的教学楼高两层，生产车间为一层，这些低矮的木建筑几乎要从周围的绿色风景中消失。

建筑设计含有两个层面。首先，低矮的工业厂房被扩建，并紧挨新教学楼。原有的一层工业厂房的扩建由一个同样低矮并且外表与之相似的建筑实现，原有特征被加以强调。而四层的新教学楼与原有建筑的平坦而低矮的天际线相邻，通过这种不太和谐的比例关系，前景中的传统木结构的屋顶轮廓与新的建筑形成了一个紧张的对峙关系。其次，建筑师试图将新教学楼的功能与外部空间联系起来，使外观反映室内布局——位于建筑北端的面向街道的空间是公共区域，包括食堂、会议室和图书馆，3个位于低层的木盒被用于教学，而四层的连续木结构是不同院系的员工和行政人员的所在地。

“我们对这个巨大的木建筑的兴趣不只在于一种零碎的、临时性的元件搭建，相反，通过雕塑性的表达和物理性的张力，我们试图使立面元件的进深和具有触感的线条带来一种强烈的对比效果。”

建筑师还非常关注材料的选择，依据其抵抗能力、特性和优点，选择了大量常用于工业建筑的材料。整个内核选用混凝土，是为了满足不可燃和结构刚度的要求；预制木楼板元件可以在非常短的时间内被组装成预设大小的体量；混凝土覆层则是因为其易于塑形；以及用于室内外覆层的未经处理的木材，和用于墙体木元件与混凝土内核之间的工业钢覆层等。这些材料被用于一座建筑，是为了在彼此之间形成对比和平衡。

8 混凝土内核结构模型

这座建筑里没有空调，全部采用自然通风。木盒上留有可以打开的部分，用于形成自然通风。窗户上的遮阳试图阻止光线和热量进入教室。而尽管混凝土冬暖夏凉，夏季仍需要打开教室门，通过对流来降温。

建筑与艺术

在瑞士，当建造大型公共建筑时，花费一定的金额在艺术上是很常见的。比如，购买绘画和雕塑作品，或者将建筑结构与艺术相结合。这座木材学校采用的是后者。新教学楼中，由普法夫（J. Pfaff）设计完成了墙壁和天花的纯色喷涂，意在表现建筑构想和概念。喷涂的颜色不是为了对已选定的建筑材料在表达上进行干预，而是为了强调其中的关系。走廊中的天花被涂成蓝灰色，与地面的素混凝土以及金属墙覆层在色彩上形成观照，不但使混凝土的质感变得与室外的木材相近，蓝色也使人联想到天空，与室外形成一种连接。用在楼梯间里的黄色矿物涂料暗示了光线，并将上下4层连接为一个完整的单元。这座建筑的室内色彩即按照此方式，试图将建筑与雕塑的定义合二为一。

9 施工现场

10 走廊（摄影：Georg Aerni）

11 楼梯间（摄影：辛梦瑶）

12 纵剖面

13 横剖面

建筑结构

新的4层教学楼中，一个巨大的混凝土结构被置于建筑中央，在垂直和水平方向上伸展。垂直方向的4个混凝土通风井作为内核支撑起这个结构，升降电梯、楼梯和卫生间被置于其中。一系列由木框架预制而成的自承重木盒被连接到混凝土结构上，木盒之间的空间形成了阳台和走廊，柔软地连接起室内外空间。这些木盒被看作一个个单独的碎片，被附着到一个结构上形成整体。开放的和封闭的空间形成了整个建筑的外壳，光线通过开放空间进入内部结构。

从平面图可以看到，一共有5个木盒（房间），每个都可以被分隔成不同大小的教室。每个木盒的承重结构由6个9.70m×2.70m的预制墙元件组成，每层楼重达1.5t。楼板和天花的结构也是预制的，由中空的盒形元件组成，插在上下两层的墙之间。在窗户一侧，楼板元件被固定到一个置于墙体系统内的水平梁上，使得窗户可以延伸到房间的最顶端。由于没有竖向承重从木结构传到混凝土内核上，因此木盒在建筑中是独立传递承重的结构。

木结构从三面将巨大的混凝土内核包围。其中，建筑的北侧一端，一个梁柱结构代替了混凝土内核，可以独立支撑2～3层楼的高度，其端部和某些特定部位则由一个位于北立面的木桁架和中间的楼板支撑。建筑最上层是一个连续的木结构，将下层的混凝土结构与木盒连成一体。一个向中央轴线轻微倾斜的平屋顶覆盖于建筑之上，便于雨水沿屋顶排走。

由于场地很久很久以前是一片湖，土地基础不好，所以使用的木盒都很轻。但混凝土内核很重，因此位于结构中心的后张法钢筋混凝土内核被置于低层。同时，地下室采用了一个能抵抗扭曲的方盒，可以将荷载均匀分散到基础上。混凝土内核和构成教室的轻量木盒的荷载通过不同长度的打入桩被传到地基上。

1997年8月，从北端开始，建筑被一个木盒一个木盒地搭建起来。木盒都是事先在现场之外的地方被预制好的，然后不经处理即被运送到现场。北端和所有房间都从地面层安装到屋顶。这个阶段结束后，窗户和立面元件就从户外的木工那里被运过来并安装上。木盒、窗户和立面元件的搭建都是在没有脚手架的条件下完成的，但却快速易行，适合大型预制元件的应用。在整个搭建过程中，防雨防潮的措施贯彻始终。4个月后的1997年圣诞节，90%的木结构完成了搭建。

防火系统

基于防火观点的木结构尺寸跟通常的尺寸不太一样。在举办竞赛的时候，对于这种木结构，设计者们既没有可靠的建议和指导，也没有足够的经验。因此在一开始，当局、政府和工程师之间的交流对设计的快速进展发挥了很大的帮助。

防火的目标首先在于定义概念。整个概念包括结构内核所使用的不可燃材料，以及延伸至楼板之间的金属墙覆层。结构内核的耐火时间被设定为60分钟。而为了应对木房间的可燃材料，木房间区域的防火时间被设为30分钟，研究和测试证明该时间可以满足防火要求。金属墙覆层在走廊和木房间之间形成一个不可燃防火墙，使其彼此分隔，同时，木房间通过开口和阳台互相分离，以此来形成防火分区。阳台区域在大型火灾中也可以作为防火分区被使用。发生火灾时，逃生通道由不可燃的混凝土走廊、两个楼梯间以及低层的阳台提供。

一个迫切需要考虑和解决的问题是，火势会从一层蔓延到另一层，这要求对楼板、立面和隔墙之间的连接细部进行严密的研究分析。在墙体结构内，需设置用于早期灭火的喷淋装置以及相应措施。阻止火势蔓延的自动防火门、消防通道，以及传统的消防措施，构成了整座建筑的全部防火概念。

在进行细部处理的阶段，为特别应对防火，结构元件被进行了各种改进。例如，楼板元件被切开以改善房间内的声学条件，虽然从声学观点来看会产生良好的效果，在美学上也出众，但为了应对大跨度楼板的防火，还需要进行额外的大型防火测试。“应对防火的解决方案需要与项目中的各个方面紧密结合，而对于这种非标准形式和规模的木结构，仍有许多问题需要解决，以更好地保护人和财产不受火灾危害。”

木楼板系统

很多基于防火的建筑考量和扩建设想，都让位于最终采用的楼板系统概念。1991-1992年，曾单独为楼板系统举办了一次竞赛。新建筑的跨度和承重都非常大，要求也很精确：与防火、声学、震动、搭建、维护、清洁等相关的要求都被考虑到其中，并在大尺度测试中进行了验证。最终10个参赛队伍入围，从中诞生了一种高性能的楼板系统。

最终的解决方案是，楼板系统由一系列320mm高的三节木元件和一根跨度8.5m的单跨梁组成。由粘合剂粘合的水平和垂直的实木板组成了木盒，盒底保留未处理的状态。通过在较低位置的层板上切除约1.2m长的一块，房间内可以获得较好的声学效果，同时也能加强吸音性能。防火性能则是通过对炭化率的精确计算，以及1:1尺寸的测试来确认的。

为了提高隔音效果，楼板的重量不得不增加。固定在木盒上的正交木格栅的孔洞内被填入60mm厚的沙层，同时木格栅之间的隔绝层上被置入30mm厚的刨花板。楼板由轻量混凝土与木屑的混合物代替一部分沙子，能够帮助室内保暖，而且质地较软能够降噪，也有利于减轻重量。加入碎木屑的混凝土地面需要人工抹平，是整片浇筑的，中间没有缝隙，强度和耐久性较好。这种地面的表面比较粗糙，所以外表面有简单的上色和油漆喷涂，但不能抵抗大量的水，容易腐蚀。

木楼板长度达到一整个木盒的长度，使得房间可以自由分隔。房间的分隔通过独立的自承重家具式墙体来实现，同时还兼有黑板、投影屏幕等多种功能。喷淋的安装（每平方米最小数量）遵循教室的布局，位于元件和元件之间120mm宽的预留空间内。电气设备安装在楼板上的安装通道内，以及天花下方的一个悬挂式的配电系统中，两者都能适应安装或规模的变化。

木立面

在这座教学楼中，立面概念反映了建筑的整体概念，重点关注的是维护、修理、替换的可能性，以及木材品种的选择和建造方法。这座建筑需要使用源于当地的生态且可更新的资源，并可以保证良好的耐久性。最终，预制立面元件全都使用硬质的橡木来制作，并且用剪式升降台从外面固定到木结构上。

14 教室内景（摄影：Georg Aerni）

15 颜色发生变化的西立面（摄影：辛梦瑶）

在这个建筑中，天然材料试图得到最大化利用，因此立面上没有采用覆层或喷涂，且只进行简单切割。板材遵照严格的标准来选择，例如充分考虑其在原木中的位置、切割方法、年轮等。立面木板上的所有纵向切割和造形都与表面有轻微的倾斜角度，是为了使雨水等能从木板上流走。静水或毛细作用的渗透水通过各种细部处理来避免。整个立面都能进行自然通风，因此如果有水进入到立面后，也可以自行挥发。一些高度暴露于室外的特殊元件用简单的连接件连接，大型的板材通过特殊钢连接件与结构相连，这些是为了保证每个板材都能随时被拆卸、修理或替换。立面元件被固定在承重结构的外面，所有的螺丝都固定在木板与结构之间，因此立面上不会出现孔洞，对修复而言十分有效。

由于校方没有采取任何手段来维护立面木板，所以木板颜色都发生了改变，与刚建成时完全不同。在这里，风雨常常从西南方向过来，而且湿度特别高，多雾，这些立面就完全暴露在恶劣的天气环境下，极易受到侵蚀，从而出现变色等问题。现在，研究人员尝试在东侧立面上进行一些测试。他们用高压水来喷射木板，并轻轻刷洗，可以清除掉一些小的尤其是黑色或灰色的污迹。这会使木板变得跟刚安装好时一样，颜色均匀。□