现代木结构建筑对环境和气候的影响∗

2020-08-31曹丽莎沈和定徐伟涛

林产工业 2020年8期

曹丽莎沈和定徐伟涛毛安

（1.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010； 2.山东农业大学林学院，泰安 271018）

木材作为天然、可再生的建筑材料，不仅可以改善室内微环境，提升居室的舒适和温馨感，也可以对外界生态环境产生一定积极作用。木结构建筑有着悠久的发展历史，我国的传统建筑以木结构为主。目前北美建筑中不仅住宅广泛采用木结构，在非住宅建筑中，木结构的使用也十分普遍[1-4]。木结构建筑在节能、抗震、环保、耐久等方面的性能，均优于钢筋混凝土结构建筑。随着环境问题的日益突出，绿色、环保、可持续性的设计愈发受到重视，也有更多的人开始关注建筑形式对环境的影响。

1 木结构建筑种类

现代木结构是基于木质工程材料和先进的设计、加工及建造技术而发展起来的结构形式。根据建筑材料和建造形式的不同，现代木结构可分为原木结构、轻木结构、梁柱结构和混合结构等四种类型。原木结构采用规格及形状统一的圆木、木方或胶合木构件层叠制作，集承重与围护功能于一体，具有优良的保温、保湿、隔音、阻燃等性能，适用于住宅、度假村、医院、幼儿园、体育场馆等各类民、商用建筑。轻型木结构是由规格材及结构板材制作的木构架墙体、楼板和屋盖系统组成的单层或多层建筑结构。墙体内部填充岩棉、玻璃纤维棉或聚氨酯发泡材料，具有较好的隔音隔热效果，常用于建造居住建筑、旅游建筑、商业建筑等；梁柱结构是指承重构件主要采用层板胶合木构件制作的单层或多层建筑结构，墙体一般采用轻型木结构、玻璃幕墙、砌体墙等结构形式，构件之间主要通过螺栓、销钉、剪板以及各种金属连接件进行连接。梁柱结构多用于单层工业建筑和大中型公共建筑，如大空间、大跨度的体育场馆、音乐厅和展览场馆等。混合结构是指由木结构及其构、部件和钢材、混凝土、砌体及其构、部件共同组成、共同受力的结构体系，具有较强的实用性[5-7]。

2 木结构建筑对环境的影响

20 世纪70 年代，受到石油危机的影响，西方国家开始重视可持续发展的资源。北美采用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，对现代工业化系统生产的木材建筑产品，从资源开采到产品制造、使用以及废弃后处理，或再利用的整个过程进行跟踪和定量分析与定性评估（图1），从而系统地评价其对环境的影响[6-9]。根据评价结果，建立与生产、使用、维护、再利用和处置轻型建筑中使用的替代木质和非木质材料有关的环境影响数据库，数据库中不仅包括对生产的所有资源和能源投入以及所有产出（产品、副产品、排放物、废水和废物）的计量，即木结构建筑在制造过程中的能耗、其他环境因素以及木材产品的LCA，同时还分析了锯材、胶合板、定向刨花板等主要木质结构产品的影响，提供了从可再生木质资源生长和获取、产品制造、建筑设计和施工、使用、拆除和回收等各个生命周期阶段的环境数据。LCA经过不断的调整和完善，已成为评估木结构建筑对环境影响的最主要方法之一[10-13]。

图1 LCA生命周期分析流程图Fig. 1 Flow chart of LCA life cycle analysis

2.1 使用木材可节约建筑能耗

传统建筑行业严重依赖混凝土和钢材这两种主要材料。混凝土具有高污染的特点，生产混凝土需要大量的沙石，占全球采矿总量的85%；钢材制造能耗大，铁矿石的采掘、冶炼过程能耗巨大，产生大量的废料、废气、废水，对环境影响严重。而木材在生产过程中消耗的能源远低于钢材和混凝土，且能源利用效率高，用木材来取代能源密集型材料是减轻人类活动对环境影响的一个重要方法。

现代木结构建筑大量采用工程木制品。正交层积材（Cross Laminated Timber，CLT）是一种新型的工程木制产品，与传统的木材产品相比，CLT既保留了木材的特性，在尺寸上也更加稳定，可以最大限度地发挥木材用于建筑构件的优势。除此以外，CLT具有优良的保温、保湿、隔音、阻燃等特性，是一种优秀的绿色节能建筑材料，符合可持续发展的需要。由于每层的木板是垂直方向胶合，所以CLT在各方向的受力都非常均匀，适合用来作为平面构件，在欧美广泛用于民用和商用建筑的屋顶、地板和墙体，但在国内的发展仍处于起步阶段[14-15]。以CLT为代表的工程木制品的使用，可取代混凝土和钢材等能源密集型材料。同样高度的建筑，采用工程木制品建造的重量一般只有混凝土建筑的五分之一，因此建筑的重量可大幅度降低，由此可减少地基中混凝土的使用。在传统混凝土建筑中一般需要用大量的钢构件作为支撑和连接，而在木结构建筑中，钢材只需要用在一些木构件的连接节点上，使钢材使用量大大减少。采用标准化、模块化的工程木制品建造的现代木结构建筑在拆除后，几乎所有的连接部件都可以回收和重复利用，主材重复使用率可达80%以上。

木结构在建造过程中消耗的能源比传统混凝土和钢材建筑更少，对环境的负面影响更小[16-17]。1996 年，美国15 家科研机构共同成立了可再生工业材料研究联合会（The Consortium for Research on Renewable Industrial Materials, CORRIM），主要任务是评估用于房屋建造的各类材料的生命周期性能。CORRIM的一项研究将美国Minneapolis地区的钢结构房屋和Atlanta地区的混凝土结构房屋分别与相应木结构房屋进行对比（表1）[4]，发现在能源消耗方面，建造钢结构房屋比木结构房屋多耗用17%的能源，建造混凝土结构房屋比木结构房屋多耗用16%的能源。这里的能源不仅指电能，还包括在建筑材料运输过程中消耗的燃油，以及建造过程中消耗的天然气等资源[18]。从表1 可以看出，3 种材料中，木材建造房屋能耗最小，对环境的影响最小。虽然短期内树木难以快速生长到可利用的状态，但长远看木材资源是可持续发展的，因此对森林资源进行合理经营和管理，保证其可持续发展，对于木材资源利用来说非常重要。另外，木结构建筑中大量采用的标准化、模块化工程木制品构件可以创建高效的建筑围护结构，提高整体隔热保温性，减少升温降温过程中的能源浪费，使木结构建筑在使用过程中更加节约能耗。

表1 住宅建筑的环境性能指标Tab.1 Environmental performance index of residential buildings

2.2 木结构建筑具有固碳作用

碳排放量是指在生产、运输、使用及回收某产品时所产生的平均温室气体排放量，温室气体主要组成成分是二氧化碳，美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency, USEPA）认为，人类大规模排放二氧化碳等温室气体足以引发全球变暖等气候变化。据估计，建筑业每年的温室气体排放在全球温室气体排放量中占比高达30%，另据估计，建筑业使用的混凝土占全球碳排放的4 %～ 8%，因此减少建筑行业的碳排放在减缓全球气候变化方面有着重要的作用[19-20]。木材不仅在生产加工制造的过程中比混凝土和钢材消耗更少的能量，排放更少的碳，其生长本身也需要吸收大量的碳。因此，基于木材制造的木结构建筑可起到固碳的作用。木材来自于森林，树木通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并释放出氧气。许多松树和杉树的成材期一般是80～100 年左右，树木到了成材期后其吸收二氧化碳的速度会大大下降，如果没有遭到砍伐或其他外部干预，树木最后会死亡腐烂然后分解释放出二氧化碳。在这之前，如果对森林进行合理的砍伐和利用，同时培育新的树苗，使其替代砍伐的树木，能保持森林不断地更新和可持续发展。将砍伐的木材制造成经久耐用的木建筑和其他木制品，是一种固碳方式，将碳储存从森林中转移到了建筑中（图2）。据估计，从可持续管理的森林开采的木材，每1 m3可存储约1 t的二氧化碳，相当于燃烧350 L汽油产生的碳排放[21]。在英国，每年新建建筑中的15%～28%会采用木结构，这些木结构建筑每年可存储约100 万t的二氧化碳。如果这一比例进一步提高，固碳效应可以发挥更大的优势。

图2 碳储存的循环路径Fig. 2 Cycle path of carbon storage

木质材料可用于建筑物的外墙、楼板、屋顶以及其他承重和连接结构，从而达到固碳的目的[22-26]。例如，为气候寒冷地区设计的被动式房屋有两种可相互替代的建筑外墙系统：用保温绝热材料填充的木框架墙体和用可发性聚苯乙烯保温板绝热的混凝土墙体[27-34]。由于大量的碳可固定在建筑物的木制构件中，需要科学的设计、合理的施工以及良好的维护保养来延长碳储存的时间，因此对木制构件通常作防腐处理以延长使用寿命。当木结构建筑拆解后，木制构件可以循环再利用，仍然可起到固碳的作用，即使不再重新使用，还可用作生物能源燃料。随着木结构在全球建筑市场上的广泛应用，将成为人类应对气候变化的一项有力措施[35-44]。

2.3 促进森林资源可持续利用

在传统观念中，木材砍伐很容易与破坏森林资源联系起来，实际上科学合理的森林资源开发和木材利用有利于促进森林资源建设，也有利于森林生态效益的发挥，对环境具有积极的作用。林业发展的必然趋势是建立起完善的生态体系和发达的林产工业体系，两个体系建设紧密联系：生态体系的主体是生态林建设，林产工业体系的基础是商品林建设，商品林要最大限度生产木材，发挥生态效益就要做好森林培育与开发利用的有机结合。只有做到合理轮伐，为社会持续提供木材，才能最大限度地发挥森林的固碳作用以及实现其他生态效益。

木结构建筑有利于木材及林产工业的发展，增加林业生产的附加值，为社会提供更多的标准产品、复合板材、标准型材，有利于林产工业生产力合理布局和调整，从而实现更好的经济效益和社会效益[23-25]。但是，木材在建筑领域的使用必须遵守可持续发展原则，与森林管理、环境保护和有规划的森林培育有机结合。木材资源的合理、有效利用，不仅不会破坏生态环境，反而能够促进森林培育和环境保护，减缓全球气候变化[11-12]。