非住宅型混合木结构案例分析

马天英

前言

纽芬兰与拉布拉多（Newfoundland and Labrador）是加拿大大西洋四省中面积最大的省份，由两部分组成，即位于北美大陆以东的纽芬兰岛和附近岛屿，以及位于大陆东岸和纽芬兰岛隔海相望的拉布拉多地区及其附属岛屿，总占地40 5720 km2。这片陆地拥有50%以上的森林覆盖率，其中可供或部分可供采伐的生产性林地约为78 750 km2，主要树种为云杉和冷杉，主要林产品是纸浆、纸张和木材。纽芬兰与拉布拉多省的大部分土地是人迹罕至的森林、沼泽、湖泊和山岭，自然风光旖旎壮丽，为该省提供了丰富的旅游资源，比如每年六月中下旬冰山欣赏，见图1。该省的木结构建筑到处可见，主要为三层及三层以下低层住宅和商用建筑。该省积极推广可持续发展森林管理政策，以保护为原则，综合管理和有效利用林业资源，大力发展木结构建筑。本文对两个获得大西洋木结构建筑奖的项目，通过从项目背景、建筑设计、工程结构、木材利用及规范要求等方面进行简要分析和介绍。

曼纽尔斯河希伯尼亚接待中心

项目介绍

曼纽尔斯河希伯尼亚接待中心（Manuels River Hibernia Interpretation Centre）是一个公共教育中心，隶属于曼纽尔斯河自然遗产协会，位于加拿大纽芬兰与拉布拉多省幻想海湾南侧的曼纽尔斯河畔。该中心的建造目的就是为了“保护并诠释曼纽尔斯河的自然、文化和地理历史”，接待中心陈列着很多举世闻名的化石标本，成为古生物学资源研究的场所。自2013年竣工以来，该中心已经成为所在社区及周边地区家喻户晓的旅游景点，更是当地驱动经济的火车头。该中心不仅能满足游客追求独特体验的要求，还能够作为教育资源使用，为学生和游客普及该地区的地质知识和具有五亿多年历史的三叶虫化石的研究价值。作为省内和附近社区的主要旅游景点，该中心与周边自然环境融为一体，是建筑如何更好地适应复杂环境的典范之作。基于先进的环境标准设计理念，该中心采用多种木质材料和其他构件，组成了一个完整的两层混合结构体系。同时利用地热热泵系统将能耗和运营成本控制到最低。该中心占地约1 200 m2，建筑师通过巧妙设计，实现了场地利用的最大化。中心配套设施宽敞明亮、引人入胜，能有效增添参观乐趣，提升游览体验。该中心还包含一个可以容纳60人的教室，一个由Lord文化资源公司和Mystus展览工作室共同承办的互动展览层，一个咖啡馆，一个52座的剧院，一个礼品店，以及办公室、厨房，还有一个独立的活动空间专门用来举办音乐会、商务会议、文化活动以及其他私人活动等。该中心与周围四通八达的林间小道相连，其所处的曼纽尔斯部分河段上有着世界上最古老的、大约有五亿年历史的化石，悠悠述说着关于这一地质奇迹的故事。图2和图3分别展示了该中心的外观和内部结构。图4展示了该中心的建筑设计。

建筑设计

作为一个非营利组织，曼纽尔斯河自然遗产协会采用了一个高效率低人力的设计模式，来尽可能地最小化后期运营以及维护成本。礼品店和咖啡馆的位置位于二楼楼梯的顶部，靠近阳台和大玻璃窗，这样的位置选择很有战略性，可以充分发挥该场所的零售潜能。该中心位于托普斯路（Topsail Road）和进城主要高速幻想海湾高速的交界处，为凸显中心，建筑师采用了灯光投射并使用大片玻璃（图4），不仅给夜晚的中心建筑赋予了戏剧化的光影效果，还将中心建筑和周围的森林以及地形轮廓完美的融合到了一起，使其成为一个为婚礼及其他大型活动提供场地租赁服务的首选。楼梯北面的墙体有一个大型开口，用于在晚间照亮三叶虫化石艺术作品对其进行展示。所有使用的材料都与该地的自然特点相称，同时具有结构高效、施工节约以及降低维护需求的特点。该中心设计选择了钢材与胶合木桁架体系的混合结构，在满足了净跨度的长度要求之外，也构成了一个非常有趣的视觉元素。使用企口接合的重型木屋面板、木柱以及简单的贴装结构，在优化成本结构的同时，最大限度地保存了木材天然的美观。为了寻求更高要求的建筑性能，建筑师们增加了绝缘材料的使用。高性能的玻璃采光系统，做到在公共区域最大化地利用自然光。另外，该中心还安装了热传感器、污染传感器，以及运动触控的照明系统。图5展示了该中心的平面图，呈放射状，充分利用曼纽尔斯河的自然美景，有助于把人们的注意力吸引到临近停车场的主入口，还便于日后向外侧进行扩建。图6展示了该中心的立面图，利用了地貌外形，做到错落有致。

工程结构

该中心合理搭配使用胶合木和钢材，充分发挥各自优势，利用高抗压强度的胶合木和高抗拉强度钢筋，搭建起一个混合型桁架中柱屋架系统，图7。钢材和木质结构之间的连接用铆钉进行固定。钢木混合结构体系还包括支撑云杉屋面板的胶合木梁以及随机分部的云杉屋面板，即使大楼的几何设计相当复杂，也能在施工阶段减少浪費。通过对比分析多种施工系统以及材料组合的成本，与其他体系相比，胶合木、规格材以及钢结构混合的结构体系最为经济实惠。外墙使用的是典型的雨幕结构，由38×140 mm的木墙骨柱构成，绝缘材料使用RSI 3.5玻璃纤维棉，墙体内侧使用0.15 mm聚乙烯充当隔汽层并用13 mm的石膏板覆面，墙体外侧使用16 mm的胶合板覆面，见图8。整栋建筑像是一个被白杉底板和木瓦包裹起来的空气屏障。

木材利用

整个建筑的外部全都使用了木材。外墙由轻型木框架组成，使用胶合板覆面，充当剪力墙，提供结构侧向阻力。在建筑外立面使用东部白杉锯木屋面瓦和外露胶合木封檐板以及木挑檐板，将建筑与自然环境完美融合到了一起，同时最大限度地减少维护和维修，见图9。使用外露的企口接合屋面板、天然杉木窗台、木纤维覆膜吸声板，以及多功能厅里外露的重型木柱和上部的钢木混合桁架，使得建筑内部木材的使用也得到了充分的体现，见图10。

规范要求

建筑占用类型为A组2类，即餐饮类人员密集场所。该建筑的两层都安装了消防喷淋系统，最大占地面积可达2 400 m2，同时具有可燃和不可燃结构。建筑使用者出入口相关要求均符合加拿大国家建筑规范【NBCC】。二楼的地板吊顶是由混凝土板覆压型钢板构成的非额定防火隔离（0分钟）。主会议厅的顶盖隔音板是由可持续管理认证的木纤维制成，这种纤维具有很高的回收率。剧院周围使用了传声等级STC 57 隔音墙，在更高STC等级需求的区域，使用隔音垫片加以强化。屋顶是非防火装配要求，因此允许使用木材或其他可燃物建设。

保罗雷纳兹社区中心

项目介绍

保罗雷纳兹社区中心（Paul Reynolds Community Centre）位于纽芬兰与拉布拉多省的韦奇伍德镇，该镇于1992年与省会圣约翰市合并为一座城市。在2008-2018年度圣约翰城市休闲及公园总体规划中指出，这座城市需要一个设施齐全、能给居民带来美好使用感受和自豪感的场所。正因如此，建筑设计师们将正交胶合木（CLT）用于大部分的屋顶建造。由于正交胶合木产品是预制构件，在安装时省时快捷，与使用其他建筑材料的完整体系相比，具有明显的成本竞争力。图11是该中心建成后的外观图，使用了巨型玻璃幕墙。保罗雷纳兹社区中心已经成为一个设施齐全的娱乐中心，配备有六赛道专业泳池、休闲泳池、水上滑梯以及一座占地约620 m2的体育馆（图12、13），一个面积为140 m2的幼儿日托和老年活动场中心，户外操场，及其他多用途空间。

建筑设计

鉴于该中心周边是城郊，居民楼又多为低层住宅，在设计时充分考虑到新建筑不应打破原有的静谧，做到既能提升品味，陶冶社区，又能亲近自然，真正实现与环境的相互统一。同时，建筑的朝向也经过仔细斟酌，一是要避免阳光直射和正面迎风，二是要保证开阔的视野。所以，屋顶结构的内外构件都十分坚固。整个屋顶使用了CLT，缩短了工期。并且其单面向住宅区的方向倾斜，见图14。这不仅有助于调整建筑物的大小，也是场馆入口的一个重要指引标志。该中心在建设中使用了Revit三维建筑信息模型（BIM）软件来创建施工文件，对房屋进行建模，实现空间的可视化，解决一些复杂的连接细节问题。该建模软件还作为检验设计思路的基础工具，和实体纸质模型配合使用，使建筑公司可以从三个维度方向去观察到每一个设计細节，去检查对太阳炫光的把控情况，以减少强烈日光对泳池和体育馆的影响。该建模软件还能轻松计算水域的面、体积，来确定泳池使用人数的最大承载量。中心使用地热系统供暖，并配有高效热回收系统，在使用中能够直接降低运营成本，减少城市能耗。

工程结构

该建筑采用钢材和混凝土的混合结构体系，CLT主要用于体育馆和游泳池的屋面板材。现浇混凝土构件用于建造地基，混凝土柱和混凝土夹层。屋面板由200块宽、长、厚约2.2 m 、12 m、250 mm的CLT板材组成，安放在横跨泳池空间、主大厅和体育馆的深层结构钢梁上。在设计钢结构时，对屋顶容许荷载进行了计算，除考虑到CLT板的自重，还根据圣约翰市的气象资料推算了雪载等其他荷载。CLT板材在工厂预制完成，运输到工地现场后即进行快速装配，见图15、16。钢和CLT的连接都进行了详细标注，见图17。

因为该中心是在一个岛上，要通过驳船和渡轮将建筑材料适时地运输到施工现场。该建筑设计独特，用料复杂，包括使用了CLT为板材的大型斜坡屋顶和一面高达10 m至12 m的几乎从楼面板一直延伸到天花板的玻璃幕墙。屋面板经过精准建模，做到与屋顶的几何形状完美契合，完成对CLT屋盖和屋檐系统的安装。CLT屋面板用标准海运罐运输。在装运之前，对每一块板材都进行了检验，确保无损。屋面板现场贮存是以在施工过程被使用的顺序相反的顺序进行分类和堆叠，保证屋面板的快速高效安装。

木材利用

该建筑使用了3到7层的正交胶合木（CLT）板材，做到工厂预制和现场裁剪。CLT板材承重且坚固，可以直接用作隔板或剪力墙，现已广泛应用于中高层建筑中的楼板、墙体以及屋面板。木材纹理外露的CLT面板给建筑内部整体增添了温暖的感觉。与易被高湿度和游泳池化学品腐蚀的金属材料的屋面相比，CLT屋面板的使用还帮助减少了泳池区域所需的维护。木材的优良保温性能帮助减少热桥效应以及装配式屋顶构件中容易出现的冷凝现象。另外，CLT板材还可以减少声音混响，这一特性在体育馆和游泳池这样的大型开阔空间里更显可贵。

规范要求

该建筑被归类为A-3竞技场类型人员密集场所。根据加拿大国家建筑规范（NBCC）规定，在单层或双层A-3建筑中允许使用重型木结构屋顶，保罗雷纳兹社区中心的设计完全符合此情况。该建筑整体做了不可燃处理。建筑最大容量为1947人，设计了13个出口。在出口楼梯和服务室周围，使用了一些防火等级为一小时的隔离来分割建筑。在标准钢柱墙体空腔内填充了绝缘吸声棉，为建筑提供了优良的隔声性能。在某些特殊部位，利用中空的双层墙体来提供额外的隔声性能。体育馆和泳池上方的CLT木屋面板本身就具有优越的吸声属性，与钢结构屋面板相比，有效解决了大型开放空间的回声问题。