复合材料彻底改变了一个行业:木制摩天大楼

复合材料彻底改变了一个行业:木制摩天大楼

当 20 世纪初第一批摩天大楼开始出现在芝加哥和其他美国城市时,它们是现代技术的奇迹。钢梁和电梯生产过程中的创新让建筑物飞得更高,最终形成了令人惊叹的建筑,如迪拜的哈利法塔,它高达 2,717 英尺。

在不久的将来,我们可能会越来越多地看到我们的城市充满了使用新技术建造的摩天大楼,但钢铁已经取代了一种非常古老的材料:木材。

听起来不可能?继续阅读以了解由这种传统材料制成的复合材料如何在高层建筑的建造中掀起一场革命。

木制摩天大楼的兴起

长期以来,人们一直在用木头建造建筑,历史上已经知道一些用这种材料制成的相当高的结构。中国古代的永宁塔可能有九层楼那么高。最近,德国在 1930 年代初期建造了一座 623 英尺高的无线电发射塔——有史以来最高的木结构建筑。

但在这里,我们对摩天大楼感兴趣——多层的大型结构,可以包含住宅和/或零售空间。最早获得该名称的建筑物是 10 层或更高的建筑物(尽管建筑物现在需要更高才能正式算作摩天大楼)。

尽管如此,以任何标准衡量,一座 10 层楼的建筑都相当高,而且直到最近,它还永远不会是用木头建造的。出于这个原因,密尔沃基现在有一座正在建设中的全木结构建筑,完工后将达到 25 层高 284 英尺。

这绝不是一个孤立的例子。全世界都在规划和建造这样的建筑。我们是怎么来到这里的?

木材复合材料和良好的时机

两个关键因素导致木材突然成为高层建筑的首选材料。

首先是技术。用于建造这些建筑物的木材以高度工程化的复合材料的形式出现。

其中最新的一种是交叉层压木材,于 1990 年代在欧洲开发。它由相互成 90 度角的多层粘合在一起的规格材条组成。它看起来有点像多层肉块夹在一起。

这种配置提供了令人难以置信的强度,还可以防止标准尺寸木材中常见的翘曲和扭曲。交叉层压木材通常制成宽 2 至 10 英尺、厚 20 英寸、长 60 英尺(甚至更长)的板材。

另外两种复合木制品也很重要。一种是胶合木,它本质上是一堆尺寸木材,它们的纹理都沿同一方向粘合在一起。另一种是层压单板木材 (LVL),它基本上就像形成结构元件的厚胶合板。

有了必要的技术,对环境影响和可持续性的日益关注为尝试新事物创造了合适的环境。由于木材是一种可再生资源,工程师和建筑师开始思考使用木材复合材料替代更传统的建筑材料钢和混凝土的可能性。

第一座木制摩天大楼

2009 年在伦敦建造了大型住宅楼的第一次实际尝试。Stadthaus 是一座 9 层高的建筑,是其高度中第一个具有承重墙、楼板、楼梯间,甚至电梯井完全由工程木材制成。

随后在澳大利亚进行了类似的项目,并很快在加拿大、美国和欧洲其他国家建立了建筑。最近一些重要的例子包括挪威的Mjøstårnet (2019) 和维也纳的HoHo (2020)。

木制摩天大楼的承诺

令人着迷的是,我们已经找到了用木头建造摩天大楼的方法。不过,一个自然的问题是我们为什么要这样做。为什么不坚持使用钢材和混凝土?

我们已经提到的原因之一是环境。木材不仅是一种可再生资源,而且在建筑中的使用对环境的影响要小得多。混凝土和钢铁的生产都非常耗能,会产生大量的碳排放。据估计,全球碳排放总量的约 13% 来自这两种材料的生产。

相比之下,制造木质复合材料只需要很少的能量。此外,树木在生长过程中会吸收大量的碳。

另一个原因是效率。工程木部件更容易制造,运输更轻,并且可以更快地在现场组装。Brock Commons Tallwood House是加拿大一座 18 层的木制摩天大楼,仅用了 70 天就建成了。这意味着可以显着节省运输和劳动力成本。

最后,木材在美学上令人愉悦,甚至似乎会影响我们的生理。一项研究发现,与被其他材料包围的学生相比,木板教室里的学生更放松,睡得更好。

但他们安全吗?

那些处于木制摩天大楼建设前沿的人认识到,挑战之一是公众的看法。对很多人来说,木制摩天大楼的想法听起来并不安全。

主要原因是担心火灾。发生火灾时,住在木结构建筑的几层楼上并不是一个有吸引力的前景。

然而,现实情况是,在发生火灾时,工程木材甚至可能比钢材更安全。木质摩天大楼中使用的经过处理的复合材料产品非常耐燃烧。当它们确实接触到火时,它们会在外部形成一层炭化层,有助于绝缘并保护内部免受进一步损坏。此外,钢在高温下会突然失效,而木材则不会。

木制摩天大楼的未来

这种新的建筑方式会流行起来吗?我们认为这是一项令人兴奋的创新,但我们不会假装预测未来。日本的一家公司宣布计划建造一座 1,150 英尺高的木制摩天大楼,将于 2041 年完工。让我们拭目以待。

我们期望建筑中使用的木质复合材料变得越来越复杂并不断改进。发生这种情况的方法之一是通过结合其他增强材料来单独增强木材和胶水的能力。

最近的一个例子是为拉挤嵌入热固性树脂基体中的增强纤维薄层而开发的工艺。当这些层与胶合木梁等层压产品中的木材层结合时,会产生强度更高的产品。

如果我们看到这些木结构建筑继续变高,它们将需要使用像这样的复合材料来应对风和地震引起的增加的压力。

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