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高层木结构建筑：新兴趋势和类型学分类
Ivana Kuzmanovska1, Eugenia Gasparri1, David Tapias Monne1, Mathew Aitchison1
摘要：过去十年，工程木材技术在多层建筑的建设中迅速蔓延。由于大规模木材建造技术的相对初期（特别是在高层建筑的建造中），这种新的和不断发展的建筑类型的轨迹尚未得到广泛研究。最近，一些市场评论调查了大量木材作为结构材料和施工策略的优点，缺点和最佳实践。然而，现有文献缺乏对更广泛的市场背景的概
述，特别强调新兴的高木建筑类型的建筑质量和后果。本文旨在对这一市场背景进行定性分析，以确定大规模木材建筑的趋势。该研究特别关注高木结构技术，包络系统和制造方法所提供的建筑多样性（空间和美学）的潜力。本文提出的研究是在这种建筑模式中确定主流建筑策略的第一步，这可能有助于了解木材建筑的高度发展。
关键词：工程木材，大量木材建筑，木塔，高大木材，概述，未来趋势
导言12
最近木材建筑技术在建筑业中重新兴起。随着一系列新型工程木材产品（如集成材、单板层积材（LVL）和交叉层积材（CLT））的开发，这种天然且可再生材料已成为多层建筑的可行的解决方案，直到现在，多层建筑一直以钢和钢筋混凝土为主。众所周知，建造了许多现代城市的混凝土和钢铁工业是高能源密集型行业，在全球碳排放中占很大比例。在当前日益严重的环境问题和全球人口迅速增长的情况下，越来越多的人生活在城市中心，大规模木材解决方案（而不是封存碳）成为一种有吸引力的替代方案。
最近的前瞻性设计方案抓住了这种新建筑方法的乐观情绪，描绘了在不久的将来拥有350米高木塔的城市的愿景[1]。虽然目前的木结构技术还不能与钢和混凝土摩天大楼的高度相媲美，但在接下来的两个月里，有几个18-24层高的木塔在计划建设。
1Ivana Kuzmanovska，悉尼大学IAD实验室， IVA.KuZMANOVSKA.SynNe.EdUuAu
Eugenia Gasparri，悉尼大学IAD实验室， 尤金尼西亚
David Tapias Monne，悉尼大学IAD实验室，塔维亚蒙尼Mathew Aitchison，悉尼大学IAD实验室， 马修
随着工程木材技术的发展和正在进行的研究为结构解决方案、消防安全策略和施工方法带来新的曙光，木塔设计将继续推进高度限制。重要的是若要了解大规模木材建筑，不仅要解决一系列的技术问题，还要作为一种新的建筑类型，可以利用其材料特性提供的机会，而不是简单地模仿的砖、钢和混凝土。[2] 本文通过对当前[3,4]和建议[5]的大量木结构建筑的市场调查，以了解市场趋势并确定其在高层木结构建筑类型演变中的轨迹。
目标和范围
本文提出的研究旨在捕捉当代高质量木材建筑的趋势，
以便在多个框架内定义和理解新兴战略，包括材料，
结构和施工方法。该研究仅限于现有的大型木材建筑和将在未来两年内完成的建筑。虽然预测未来10年以上的推测性方案因其对未来木材高层建筑的生动描绘而令人感兴趣，但它们通常在空间配置、可施工性或符合当地规范方面没有得到高度解决，因此不一定表明当前的新兴趋势。
就本研究而言，块状或实心木材是指工程木材产品，如胶合木、LVL和CLT。值得一提的是，在世界上的某些地方，最高可达4或5层的轻型木结构房屋是主要的范例。本研究是
图1：案例研究的全球分布。
不关心这种结构。虽然木结构中对于“高”的定义是有争议的[6]，但本研究采用了《木材解决方案技术设计指南》中关于大体积木材高层的定义，包括有效高度在地面线以上25米或以上的任何建筑，或者，如果信息不明确，为8层或以上的建筑物。[7] 此高度限制是澳大利亚《国家建筑规范》规定的“视为满足”大规模木材建筑解决方案的当前最大允许高度。本文主要关注当代木材建筑技术，因此仅考虑过去十年中建造的项目——工程木材产品的发展带来的高木材建筑时代。
方法学：高层木结构建筑的全球趋势调查
调查方法
该研究以对比调查的形式进行，对2009年至今的46座建筑进行了调查，遍布欧洲，北美和澳大利亚的各个国家（如图1所示）。根据现有调查中列出的项目和发现的项目，选择了尽可能多的项目通过互联网进行搜索。Arch Daily，Dezeen和DesignBoom等网站积极报道高层木结构建筑的发展，因此，通过研究在这些平台上受到媒体关注的建筑物种类，可以了解新兴的类型。值得注意的是，虽然我们试图覆盖尽可能多
不同地点的不同建筑物，但调查做不到完全全面。可能有国际小组致力于尚未以英文出版或广泛宣传的提案，这或许是亚洲缺乏案例研究的一种解释。
有关每栋建筑的定性数据来源于现有文献，如大量木材调查、学术论文、可行性报告和新闻文章。除此之外，还从项目说明和文件（平面图、剖面图、立面图、结构图、可视化效果图）以及参与每个项目的建筑师、工程师、建筑商、开发商和（或）客户网站上提供的照片和施工视频中收集了建筑信息。只有具有大量在线可用信息的项目才被纳入研究。
大规模木材调查文献综述
过去十年中，人们越来越关注大规模木结构系统和市场的大幅增长，这引发了一些关注大规模木材建造方法的市场评论。由林业投资创新委员会和BSLC委托的Perkins Will 2014年报告[8]总结了参与十个早期项目的主要利益相关者的经验。该报告和随后的期刊论文[3]侧重于使用当时仍然是一种相对较新的建筑方法的建筑物设计和交付所涉及的过程和挑战。2015 年，《实木建筑报告》[4]总结了18个案例研究的结果，这些案例研究涉及大规模木材建造方法所带来的成本和进度节约。两者都没有专门报告
高大的木质建筑。现有和拟议的高层木结构建筑清单于2017年在CTBUH期刊上发表[5]，但该调查未对项目进行比较或分析。Salvadori的2017年硕士论文[9]包含了对40座超过22米高的已建造和未建造的大型木材建筑（包括一些推测性方案）的调查，描述了每个建筑的结构、立面和防火安全策略。该调查主要用于说明木材高层建筑的可行性，虽然它描述了最常见的结构、材料和立面策略，但它并不试图得出新兴趋势或类型。
分析分类
为了理解新兴趋势，所收集的数据根据两个不同的类别框架进行结构设计，按时间顺序和高度排列，这两个框架已被用于促进两个单独的统计分析。在这两种情况中，尽量将类别在大小保持尽可能相似，以使最终结果中每个建筑物的权重保持一致。
年表：随着时间的推移趋势
为了确定随时间推移出现的趋势，根据我们对高层木结构建筑的世代阶段的描述，将选定的建筑物分为四类：
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- G1: 2009 – 2013.
- G2: 2014 – 2016
- G3：2017年至今
- G4：到2020年交付
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第一类（G1）涵盖了从2009年第一座高质量木材建筑的出现与2013年第一批美国和加拿大CLT手册的发布之间的所有项目。这些被认为是有助于建立全球背景的先锋建筑用于工程木结构和施工技术。这一类有八个项目。第二代（G2）和第三代（G3）由一系列项目定义，这些项目受益于前人的经验教训。2017年完成的项目数量激增，因此2014年至今的其余建筑分为两类： 2014-2016（包含11个项目）和2017年至今（包含12 个项目）。最后一个类别（G4） 包含14个未完工的项目，这些项目已经在建或将在2020年之前建成。
高度趋势
该研究还关注了解是否存在与大规模木质建筑物高度
稳步增长相关的新趋势。建筑物分为五类，这些类别如下：
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- 6 7层楼
- 8层楼
- 9层楼
- 10-15层楼
- 16层以上
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最后两个类别的范围比前三个更宽，因为这些高度对 于工程木材构造来说是相对较新的。为了保持一致性，对类别进行定义，使其大小大致相似。
局限性
值得一提的是，由于这项调查不包括世界上所有的高层木结构建筑，从研究结果推断出的趋势可能并非全面。图2和图3的是为了直观地说明调查的统计结果，但它们无法描述所研究的各种因素之间的关系。因此，只能从这种图形中推断出一些结果。最后，基于高度与层数的分析框架的潜在限制可能源于这样的事实：即包含6-7层的住宅建筑物很有可能未超过25米高度阈值并且因此被排除在研究之外。这可能会导致趋势结果偏离频谱的下端，因为只有具有较大楼层尺寸的非住宅建筑才会出现。
图2：调查分析框架内的案例研究分布。
调查视角
已经为每个项目收集了诸如高度、位置和程序等一般信息。就本文而言，研究范围有
通过使用三个主要方面的限制：结构系统、围护结构系统和建筑体量。这些分析视角为高层木结构的新兴趋势提供了重要见解。
结构限制
目前市场上有许多不同的工程木材产品（LVL、集成
材、CLT、混合材料），它们可以以各种方式组合， 从而产生具有其自身建筑和结构含义的不同结构系统。研究中考虑的因素如下：
- 横向和纵向。根据考夫曼的木结构，设计和施工，所选建筑的结构策略分为水平和垂直建筑构件类型。[10]垂直结构构件定义为1D（柱）， 2D（承重墙）或混合。所选系统的架构含义反映在最终的空间策略中：基于列，基于单元或两者的组合。水平结构构件类似地分类为1D（梁）， 2D（板）或混合。
- 核心。结构核心由材料和位置确定（无论是位于建筑物中心还是位于平面周边。）
- 裙楼。为了本研究的目的，裙楼被定义为建筑物的较低的部分，不同于上面塔的建筑质量。该调查指出，建筑物是否具有裙楼和/或是否由不同材料（例如混凝土或钢）构成的基座。如果这个基地没有在建筑物的大部分中使用，那么它应该被视为裙楼。
- 结构系统的衔接。目前，消防安全是大规模木材建造的最大问题之一。建筑规范在世界范围内
（实际上在不同的国家管辖范围内）以不同的方 式规范防火要求，这不可避免地对内部和外部的 物质属性产生影响。由于材料属性在建筑物的空 间特性中起着重要作用，这将是一个关键的问题，以解决如果大规模木材建筑类型是充分利用其建筑潜力。在每个项目中都注意到露出的柱子和横梁， 以及在天花板表面上使用木材（有时暴露在CLT， 其他时候是木制天花板）。虽然本研究未考虑当 地的建筑规范，但未来的研究已备受关注。
围护结构系统
大规模的木结构提供了更短的施工时间的承诺，这不
可避免地影响建筑的其他方面，例如建筑围护系统， 用以跟上增加的施工速度[11]。一系列预制立面解决方案已经出现，能够与大量木结构核心的速度相匹配。
这些系统具有许多优点，例如减少施工时间和不需要脚手架。但是这些围护结构系统对建筑展现形式也有重要意义。这项研究有兴趣了解立面系统是如何随着建筑高度的增加而在四代木结构建筑中演变的。考虑的因 素包括：结构和预制策略；所涉及的围护结构技术类型；以及与立面模块化和覆层材料有关的美学问题。更具体地说，这些因素中的每一个都是通过检查具体特征来调查的：
- 结构策略。外墙被分类为承重或非承重两类。该特征对结构策略和构造顺序都具有很大影响。它还可以影响未来在建筑适应性方面的使用。还注意到围护结构系统的材料选择，以更好地理解其与其他所选特征的关系。
- 透明度。根据不透明/透明的比例，外墙被分为三个主要组：（1）带穿孔窗的不透明墙
（2）全玻璃和（3）具有完全透明或完全不透明交替元素的立面系统。诸如组合玻璃外墙或窗墙等技术可归入第（2）类（即使它们可能包括地板边缘的小拱肩部分）或第（3）类。一些案例研 究项目在不同的高度或建筑部分上使用了不同的 技术。在这种情况下，已选择并分析了所有适用的选项。还注意到存在外部筛选装置。虽然它不在本研究的范围之内，但在未来的研究中，我们注意到，了解使用屏幕的选择是由遮
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