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学院公告

2023-10-26 00:00

学术快讯 | 芬兰现代木构建筑发展回顾与展望——从工业化形式到绿色低碳内涵

北欧地区具有丰富的森林资源与悠久的木构建筑发展历史。芬兰作为其中的典型代表，其木构建筑产业十分成熟，尤其在近三十年间快速实现了从工业化向绿色低碳的转型，取得了诸多显著成就。中心主任刘杰教授领衔团队就此话题展开研究探讨，撰文发表于《建筑学报》2023年第09期（总第658期），现将此文发于本号。

刘杰，胡雨辰，吴杰一*

ABSTRACT

Since the 1990s, Finland’s modern wood architectural industry has witnessed two notable opportunities for development-“industrialization” and “low-carbon”, which have produced several prominent projects and promoted the progress of the modern wooden construction system and the innovation of the comprehensive application of forest resources concurrently. The collaboration of owners, designers, engineers, and authorities is necessary for the development and implementation of modern timber architecture. It exhibits great potentials in the context of architectural digital intelligence and low-carbon in a variety of scenarios, including housing, commercial buildings, factories, cultural and sports facilities, bridges, etc.建筑业在全球造成超过35%的温室气体排放、近40%的材料与一次能源消耗，并产生了40%的废弃物垃圾。芬兰在1990年代前建成的房屋与其他欧盟国家一样，建造过程与方式并不低碳，建成房屋节能效率普遍较低，但从1990年开始，作为最早征收碳税的国家，芬兰开始对化石燃料征收1.62USD/t的碳税，由此快速推动了绿色低碳建筑材料与建造方式在芬兰的推广，之后的几十年间芬兰建筑业发生了大量的技术革新。

╱ 摘要 ╱

芬兰现代木构建筑产业从1990年代起至今经历了“工业化”与“绿色低碳”两个重要发展机遇，涌现了一批优秀的建筑作品，推动了北欧现代木构建筑体系进步与森林资源综合应用创新。现代木构建筑的推广应用需要业主、设计师、工程师与政府的共同努力。现代木构体系在住宅、商业建筑、工业厂房、文体中心和桥梁等多场景应用中，展现出在建筑数智化与低碳背景下的巨大潜力。

木材的密度大概是500kg/m3，而其中接近一半是以碳的形式储存，使用木材作为建筑材料就意味着在建筑物中储存了相应质量的碳，即相应减少了碳排放；其次，使用木材替代其他建筑材料，在制造、建造过程中可减少化石燃料使用，减少温室气体排放；且涉及木结构的工程碳税征收减少，直接降低了建造成本；另一方面，在斯堪的纳维亚半岛以及毗邻地区获取木材方便，在低碳建造的需求下，木结构也获得了政策支持与技术发展。芬兰经济事务和就业部于2016年发布了国家能源和气候战略，作为促进木结构建筑措施的一部分，旨在促进欧盟完成2030的能源和气候目标，将温室气体至少减少1990年排放量的 55%。

以林业为代表的生物经济是芬兰的支柱产业，其2020年出口产值约占到芬兰出口总值的20%，生物经济是指使用可再生自然资源替代化石能源与材料，并应用可持续的生产方式进行生产和服务。木材与木结构在建筑业上的应用推广，使得建筑业也能够参与到芬兰的国家生物经济战略中。伴随芬兰林业全球竞争力削弱，芬兰政府有了更强的动力推动基于林业工业化下的现代木构建筑应用，促使木构建筑地位在芬兰建筑业中迅速提升，更多社会资源投入其中。同时，因为木结构建造没有模板，且产生的建筑垃圾较少，能实现经济的、工业化的柔性生产 (flexible manufacturing) ；而板片框架及节点形式也可在一定程度上实现每个模块的形态调整，因此建筑作为非标准产品，木结构的柔性生产方式也与实际的建筑个性化需求相适应。在预制和现场建造环节，相比于混凝土结构与钢结构，木结构可以分别节约50% 和7% 的材料、20% 和12% 的能源，减少16% 和6% 的建筑垃圾。对于更先进的模块化的建造方式而言，木材也更加灵活，其重量较轻，相比于预制混凝土结构 (PC)、预制钢结构 (PS)，同重量可以运输相对较大的单元，这使得木结构在现有建成环境的建筑翻修与加扩建上得到更广泛的应用(图1)。对于建筑师而言，木材也具有巨大的设计潜力，设计建筑结构的同时可以融入室内家具，提升建成环境触感与质感，甚至还能带来嗅觉享受。

图1 木结构的产业链、碳排放、工业化预制与轻质加建

（作者改绘）

上述各因素共同作用下，芬兰当局重视木构建筑并推动相关规范、政策逐步完善。2005年，芬兰新建的 50%~60%的单层住宅已经实现了预制化，而不是采用传统的建造方式。2011-2018年间，消防安全法规也进行了调整，逐步放开建造多层木构建筑的限制(最多可建8层)，但前提是它们必须配备自动灭火系统；超过8层的木构建筑在满足相关的防火设计要求后，也可以得到准许予以建造。其他针对如 BIM和先进制造技术在多层低能耗木结构建筑的应用也得到了国家的项目支持。木结构建造需求的行业发展还推动了以低碳环保、工业化为导向的木材产品的研究和开发投入的增加，以提高木结构的性能，从而提高其相对于非木结构的竞争力。胶合木 (glued-laminated timber，GLT，图2左)、正交胶合木 (cross-laminated timber，缩写 CLT，图2中)、单板层积材 (laminated veneer lumber，缩写 LVL，图2右) 等由木材经过处理并和其他材料进行复合的工程木材料，被允许应用在大尺度的建造上，进一步拓展了木结构建造的适用范围。

图2 胶合木 ( 左 )、正交胶合木 ( 中 )、单板层积材 ( 右 )

（作者摄）

1 芬兰常使用的工程木材料

工程木材通过粘接、复合、化学处理等工艺，相比于原木，具有质地均匀、性能稳定、容许应力高、强度变异性小、尺寸稳定性好、耐火与耐腐蚀性能良好等优点。胶合木、正交胶合木与单板层积材等工程木材，是芬兰木构建筑常使用的材料。

在材料性能方面：胶合木的单板木纹与其长度方向平行，由特殊挑选的单片锯材，根据其性能特点，进行排布并用高耐久性的胶粘剂胶合而成从而增加其强度。芬兰的胶合木尺寸的最大截面尺寸一般约2m，最大长度约30m，由不少于4层单板组成，单板厚度为45mm，弯曲结构下最大厚度为33mm。而正交胶合木则是一种实木板，由多层板与板条交叉粘合而成，板材厚度为51~400mm，宽度不超过4.8m，长度不超过20m。芬兰通常采用3mm 厚的云杉单板通过胶黏剂胶合成单板层积材，因此其原料尺寸兼容性好，小直径的原木也可以用于生产大截面的单板层积材板与梁构件。由于同质量的单板层积材的强度是钢材的两倍，并且叠层层压的结构不容易翘曲开裂，尺寸稳定，因此常用于承重柱、桁架、挑檐、结构面层等。单板层积材的最大宽度为2.5m，考虑到运输问题所以最大长度不超过25m，厚度为27~75mm。在工程木耐火性能上，毋庸置疑是相关规范与立法关注的重点，也是公众关注的主要问题。现有的工程木材料均具有相对优良的耐火性，在高温下不会弯曲变形。芬兰胶合木协会资料显示胶合木的燃烧炭化速率约为0.6mm/min，1小时后烧焦炭化深度层厚度约为 36mm1)。

耐腐蚀则主要指木材因其不同的用途(例如在室内或室外，与雨水、土壤、海洋环境接触等 )，可能会受到其他变质源 (如风化、雨水、阳光、真菌、昆虫等) 的影响而起泡、翘曲、开裂、腐烂。这些缺陷的产生限制了其作为建筑材料的使用。因此，例如热处理、化学改性、真空/加压浸渍等方法被应用于建筑工程木材的处理过程，木与其他材料的复合使用也提供了更多的工程木材选择。另外，在使用工程木材作为结构材料时，还需要考虑木材的自然老化及日常损耗。

近年来，基于正交胶合木和单板层积材框架的木结构模块化集成建造技术 (timber modular integrated construction，Timber-Mic)在芬兰木构住宅、办公建筑的建造中迅速流行起来。使用轻质、整体单元集成预制的木构体系，大幅加快了施工速度，缩短了现场施工时间，从而降低了总施工成本。此外，由于公路运输的限制，Timber-Mic常见的模块尺寸为4.5m(宽)×3.0m(高)×13.5m(长)，此外，芬兰还建造了一些基于单板层积材的柱-梁-肋板体系的木构建筑，该系统结构相对复杂，面向3~4层的木构住宅和办公建筑具有一定的竞争力。

随着材料技术与对应结构技术的发展，芬兰的木结构建筑被赋予了新的历史使命，木材这一传统上仅被用于小木屋建造的建筑材料，经过重型木结构 (mass timber) 等现代木构体系的发展，更好地运用于多层住宅、商业建筑、工业厂房、文体中心和桥梁等多场景中。这些示范项目给全世界的木构建筑设计与建造提供了宝贵的实践经验，使我们可以更好地实施和推广低碳、可持续的木构建筑。

2 芬兰木结构建筑发展与案例

芬兰木结构建筑历史已有数千年，1990年代后，芬兰进入现代工程木结构的新发展阶段，本文将通过不同功能建筑中较为典型与知名的案例分析，以体现芬兰政府如何通过各种法案来推广现代木结构建筑，最大程度地发挥芬兰工程木的预制化、建筑模块化以及森林工业化。

早期芬兰木结构建筑材料均使用原木，采伐的原木经工匠加工成不同形状的建筑构件用于搭建住宅、宗教建筑。原木还可以水平排列，并通过榫卯的拼接方式组合形成承重墙体[26](图3)。原木建筑是芬兰最古老且传统的建筑。

图3 芬兰传统木结构建筑

(https://www.loghouse.fi/log-house-materials/laminated-squared-log/)

20 世纪早期，轻质骨架结构由美国传入芬兰(图4)。轻质骨架结构(balloon frame system) 作为美国19-20世纪最著名的木结构体系，它的兴起预示着木结构建筑由传统的现场加工建造工艺转入预制化的设计建造体系。预制生产、现场拼装的轻质骨架木结构建筑从材料预制、运输、后期安装等方面皆可以节省大量时间、人工、资金成本，所以在当时被广泛推广使用；其次，由于第二次世界大战爆发，导致芬兰本土水泥、砌体、钢材等各类建筑材料短缺，而房屋的需求却在大幅增长，以木质建筑材料构成的轻质骨架得到了进一步的发展，同时其低成本、集中生产、快速搭建的特性也非常符合当时的社会生产需求。

图4 轻质骨架结构

(https://www.baike.com/wikiid/961444163634081688?view_id=5ldxqr7dlwo000)

20 世纪中期，由于钢筋混凝土结构在全球盛行，在这一时期涌现出大量的钢筋混凝土建筑；既浪费了芬兰丰富的林木资源，同时也影响了环境；1990年代初期，由于工程木预制化的兴起，芬兰林业被充分利用，大量现代木结构建筑涌现，芬兰木结构建筑由此进入兴盛期。

芬兰现代木结构建筑按功能大体分为：住宅、商业办公等。至 2022年3月，芬兰已经建成130栋多高层木结构公寓楼，超过4150套公寓；同时政府积极鼓励木结构公共建筑发展，支持使用工程木材并增加大型木结构建筑的建设，预计在2025年将木结构公共建筑的市场份额提升至45%。

2.1 文化与教育建筑

1997 年修建的西贝柳斯音乐厅 (Sibelius Hall Lahti，图5) 是以工程木为主要建筑材料，并结合当地文化环境与自然环境的改建项目。为使新建音乐厅的大建筑体量与旧工业建筑相互融合，音乐厅原有的大建筑体量被拆分成几个空间模块。音乐厅位于韦西湖边 (Lake Vesijärvi)，新建筑与旧工厂通过一个有顶的半透明空间相连，被称作“森林大厅”(图6)。森林大厅的承重结构框架尺寸为11.2m×11.2m，由9根80cm的胶合木柱支撑，承重结构框架中的胶合木板通过钢销钉连接。反转的桁架作为墙构件支撑着屋顶边缘的同时，也作为玻璃幕墙的边框(图7)。音乐厅可容纳1000人(图8)，厅内两侧设置有回音室，同时厅内上方设有可调节的木质顶棚，可调整厅内声环境，以满足声音的扩散与混响需求。音乐厅的墙体和隔音门，采用Metsä Wood 公司的kerto系列单板层积材2)，板材之间填充了沙子，以起到隔音效果。西贝柳斯音乐厅作为较早一批现代工程木结构的公共建筑实践案例，向世人展示了工程木在大跨及高声学要求的建筑项目上的能力，提供了创新型的工程木解决方案。

图5 西贝柳斯音乐厅剖面

（作者提供）

图6、7、8 西贝柳斯音乐厅森林大厅

（作者提供）

2004 年竣工的芬兰森林研究所梅特拉大楼 (Metla Building) 体积超过3万m3，是欧洲最大的森林研究中心。梅特拉大楼在原建筑改造、材料使用以及后期低碳改建等方面为芬兰木结构建筑提供了很好的思路。建筑采用杉木胶合木和玻璃的材料组合：大门使用原建筑的木制墙壁将内外空间分隔，外立面玻璃的高透明度与低反射率，既为内部空间提供了自然光，也为建筑内部创造了自然的空间环境(图9、10)。此外，该建筑还创建了一个基于模块组合的灵活的柱梁板系统，为后续建筑改造提供了节约资源的可能。

图9 芬兰森林研究所庭院

(Pohl, Ethel Baraona. Metla Forest ResearchCentre[EB]. [2023-08-31]. www.archdaily.com/15951/metla-forest-research-centre-sarc-architects.)

图10 芬兰森林研究所内部结构

(Pohl, Ethel Baraona. Metla Forest ResearchCentre[EB]. [2023-08-31]. www.archdaily.com/15951/metla-forest-research-centre-sarc-architects.)

2.2 商业与办公建筑

木之城 (Wood City，图11) 位于赫尔辛基市，是芬兰木结构建筑发展的标杆项目，共分三期，包括两栋住宅公寓 (一期)、一栋办公楼 (二期) 和一座尚未建设的酒店 (三期)。木之城中所有建筑都是8层高的现代木结构建筑，集办公、酒店、公寓为一体，建筑群围合了较大规模的庭院，庭院中各种植物、灯光衬托出一个独特的公共空间。从木材使用量上来看，木之城中的办公楼是目前芬兰最大的木制办公楼，其木材固定了相当于600辆小轿车一年行驶排放的CO2总量。除建筑的底层、地下室与楼电梯间使用了混凝土外，2~8层的其他部分均采用工程木建造，单板层积材与正交胶合木是其主要结构材料，采用了全预制化的建造方式，其中外立面使用了固雅木 (ACCOYA Wood，一种通过乙酰化的改性木材，在室外环境可以使用50年以上)，而室内则主要使用了云杉。为了避免预制构件与实际施工现场存在偏差从而造成不必要的浪费，建筑团队运用了三维重建，结合BIM模型，将每个预制工程木构件的尺寸进行了重构，并使用模型指导工厂预制切割，确保准确无误，办公楼一层的异形正交胶合木吊顶(图12)是这一过程的典型案例，复杂形态通过参数化建模后，在软件中进行虚拟拼装，最终通过计算机数字控制 (CNC) 机床在工厂预制加工，并在工程现场实际建造。