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木质摩天楼可行吗?中国释迦塔曾被地震7次都没塌_vpn下载

时间:2017-12-02 18:33
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  出品|网易科学人栏目组 小小

  从温哥华到维也纳,全球各地有许多木质摩天楼正拔地而起。它们是足够坚固吗?它们会腐烂吗?它们会被烧毁吗?

  1903年,当位于美国俄亥俄州辛辛那提市的英格尔大厦(Ingalls Building)揭幕时,没有人相信它会在1个世纪后依然屹立不倒。事实上,许多人担心它是否能挺过揭幕仪式的当天晚上。这座高16层高的庞然大物是世界历史上第一栋混凝土摩天大楼。以前,这样的高楼都是用结实的金属合金制造的,比如钢筋,混凝土还处于实验性质。

  媒体对英格尔大厦进行了各种各样的猜测。有些人说,英格尔大厦会在自己的体重压力下崩溃。另一些人甚至认为它可能会被风吹垮。据说当支撑物被移除时,有位当地记者整夜未眠,希望能在第二天早晨抢先报道英格尔大厦崩塌的新闻。到了2017年,我们即将迎来一场新的革命——木制摩天楼。这听起来似乎非常荒谬,就像现代版的建筑寓言故事《三只小猪》。但它真的发生了,这些木质摩天楼足够坚固吗?它们会腐烂吗?它们会被烧毁吗?

  CF Moller Architects建筑师事务所合伙人奥拉·强森(Ola Jonsson)表示,木头建筑有许多优点。强森设计的34层木质建筑赢得了设计大奖。首先,木质大楼的建造速度更快,因为即使是钢结构的摩天楼都需要使用混凝土地板,它可能需要几周的时间才能烘干。每层都需要几周时间。另一方面,木质面板可以在工厂被切割成精确尺寸,而且在几小时内就可以被切割完成。

  其次是重量问题。在很长一段时间里,位于哈克尼市的9层建筑Murray Grove都是世界上最高的木质大楼。这栋大楼的设计师、Waugh Thistleton Architects负责人安东尼·迪斯特里顿(Anthony Thistleton)表示:“如果我们用混凝土建造,它将需要用900辆重型卡车隆隆地穿过伦敦,运送所有材料。然而最终,我们只用了100辆重卡。”

图2:帝国大厦上的建筑工人,首批摩天楼使用锻造的钢或铁建造的

  木质建筑对环境的好处勿需多言。虽然我们通常不去考虑建筑的碳足迹,但混凝土和钢筋实际上是“隐形的超级坏蛋”,它们分别占全球排放总量的8%和5%。另一方面,树木却可以积极吸收二氧化碳,并将其锁在木材中。

  如今,从挪威到新西兰,全世界的木制摩天楼都在拔地而起。在明尼阿波利斯市,有高达18层的T3项目,它由松树和山松甲虫共同建成,山松甲虫是一种生活在树皮中的微小昆虫。造价5800万美元的HoHo塔目前正在维也纳建造,它使用时髦的云杉。而斯德哥尔摩提意建造的Trtoppen高达133米,在瑞典语中翻译为“树顶”,它将坐落在上世纪60年代的一个停车场上。

  正如你所预料的那样,保险公司并不为此高兴,但少数变节的建筑师却下定决心要带领我们进入“森林复兴时代”。他们设想在整个城市中建造木材建筑,强森说:“我们想要在这个层面上谈论,森林里充满了巨大的胶合板摩天楼。”

  木材可能是21世纪最先进的建筑材料,但它已经与以前截然不同。位于中国的佛宫寺释迦塔是最古老的木结构建筑之一,它是由辽代皇帝兴宗在祖母家旧址上建造的,没有使用任何钉子、螺丝或螺栓。然而,在精湛的工艺和坚固的设计支持下,这座宝塔在900年后依然屹立不倒。释迦塔高67米,它曾经是世界上最高的木材建筑,直到HoHo塔建成之前都是如此。

  释迦塔至少经历了7次大地震袭击,其中一次发生在1556年,导致近100万人丧生。这是很有道理的,因为木材本身具备弹性。当地面开始摇晃时,木质结构会在不倒塌的情况下摆动。在像新西兰这样易发地震区,大多数房屋都是木制的。

  几千年来,森林始终是首选的建筑材料。在中世纪的英格兰,房屋、办公室、堡垒、工厂、教堂,甚至城堡都是木制的。原始木材的弹性令人难以置信——除非处于潮湿环境下,否则它不会腐烂。新西兰PTL咨询公司首席结构工程师安迪·布坎南(Andy Buchanan)说:“如果你能保持干燥,它将永远保留下去。”

  许多古老的木制建筑都经历了特殊的加工,从英国乡村风格的都铎式房屋到挪威的童话式教堂,它们都是由叫做malmfuru的特殊冷杉雕刻而成的。前者通常会被铺上一层木条,并用稻草混合泥土或动物粪便覆盖。布坎南说:“而现在,我们把木结构包裹起来,比如玻璃或织物。如果你想让这栋建筑看起来像木质,还可以使用包层。”

图3:挪威的木质教堂。在挪威,有1000多座木质教堂,但大多数都被烧毁了,或者被天气破坏了

  大量木质建筑之所以没能保存下来的主要原因是火灾。在木材时代,几乎每个城市都发生过大火。公元64年,罗马曾发生持续了6天大火。1657年,日本明历年间大火烧毁了整个江户市(现称东京),并夺去了超过10万人的生命。在美国,纽约、芝加哥、华盛顿以及旧金山都发生过火灾。1666年的大火摧毁了伦敦成千上万的建筑,导致伦敦建筑风格发生重大转变。它预示着一个新时代的到来,这座城市在石头和砖块中重建。

  木材建筑是个可怕的错误吗?事实上,罪魁祸首并非是木头本身。布坎南表示:“我说的那些高大的建筑是用工程木材建成的,许多小块木头被粘合起来。主要有三种木材类型:第一种是粘着胶层的木材,它被直接用于横梁和柱子,可以存在50年或更长时间;第二种是层压板材LVL,其强度与混凝土强度相同。第三种属于最新材料,被称为交叉层压木材(CLT),越来越受欢迎。”

  CLT是一种非常神奇的材料。它由多层薄层木头纵横交错压成,并使用防火胶黏合在一起,这种“类固醇胶合板”被认为与结构钢的坚韧性相当。它还改变了任何板材的弱点,如果被弄湿,木材也不会翘曲。它被做成巨大的、扁平面板,宽达6米、厚约50厘米,可以整块使用以形成整面墙、地板或屋顶的一部分。面板的尺寸至关重要,迪斯特里顿说:“如果你要生火,每个人都知道不该使用巨大的原木。点燃它们需要很长时间,而碳化现象实际上保护了下面的木材不受火的威胁。”

  图4:蒙大拿海伦娜附近的山松甲虫。交叉层压木材通常是由木材废料制成的,比如森林边缘的细树,或者被山松甲虫杀死的树木

  如果你需要更多的安慰,今年早些时候高层木质建筑委员会(Committee on Tall Wood Buildings)的一项研究可以帮你。这项测试是在弗吉尼亚的火研究实验室(Fire Research Laboratory)进行的,这里有最先进的设备,科学家们可以在火上点燃物体,然后观察到底发生了什么。当他们点燃了两套由工程木材制成的一居室公寓时,大火熊熊燃烧,直到烧毁了所有家具才熄灭。里面的东西都变成了灰烬,但木结构本身却只被烧焦了,并保持着原样。

  除了防止火灾蔓延外,最重要的因素之一就是弄清楚CLT被加热时会发生什么。在这方面,这些材料的性能也在钢铁和混凝土之上,因为后两者往往会融化和削弱。迪斯特里顿表示:“我们在课堂上经常用到一张图片。在一个被摧毁的火场,有一个巨大的木柱支撑着一根木梁,而顶部的钢梁则完全融化了。”

  正如今年早些时候Grenfell塔发生的悲剧给出的提示那样,在高层建筑中,消防人员面临的火灾威胁甚至更大,消防员很难到达顶层。根据布坎南的说法,这是木质建筑通常低于10层的原因之一。如今,最高的木质建筑是Brock Commons,它是不列颠哥伦比亚大学的一所住宅建筑。它的电梯井和楼梯井是用混凝土建造的,但是所有的横梁、柱子和地板都是木头材料。布坎南表示:“当你走进大楼的时候,你根本看不到任何木材。这是出于防火安全考虑,所有木材都用防火石膏板覆盖。”

  此外,木质建筑太高还会带来一系列其他问题。对于大多数摩天楼来说,最主要的问题就是它们自身的重量。它们使用的建筑材料必须足够坚固以支撑自己的体积,否则结构就会坍塌,这就是20世纪初所有人都对英格尔大厦如此担心的原因。但是木质建筑很轻,主要的挑战不是如何利用它们,而是如何预防它们掉下来。当你升到更高空的时候,风速就会变得更快。在世界最高建筑——迪拜哈利法塔的顶部,风速甚至可达每小时150公里。这些横向力量已经困扰了摩天楼许多年,也是它们结构设计中需要考虑的主要因素。

  建筑物越重越好。在强风中,纽约的特朗普大厦在1995年被混凝土柱子加固之前,总是以令人眩晕的、但完全安全的程度摇晃。克服木质建筑这个问题的一种方法是给它们一个具体核心,但是有些建筑师认为这是作弊。

图5:有些设计,比如由CF Moller Architects建造的22层建筑,使用了木材和混凝土

  这就给我们带来了第二个问题。尽管工程木材的面板特别坚固,但如何将它们连接起来是一个巨大的挑战。布坎南说:“为了阻止大楼被吹垮,你需要很多很多的墙壁和地板。”在住宅建筑中,这不是问题,因为天花板不需要那么高,建筑师可以把建筑分割成一个个独立的房间。但是像办公室和商店这样的开放环境,这是一个真正的考验。

  在一定高度上,这些建筑往往需要更坚固的锚固,比如从底部一直到大楼顶部的钢条。这些只是部分原因,从技术上讲,还没有任何纯木制的摩天楼。建筑信息数据库Emporis Standards Committee表示,摩天大楼应该至少有100米高。这远远超出了目前计划建造的任何木质建筑的高度。

  对于迪斯特里顿来说,目前用木头建造建筑的时尚是一种炫耀的方式,他说:“我们应该以环保的理由来使用木材建造建筑,而建造最高建筑的需求只是建筑师自我意识的表现。除了锁住二氧化碳外,所有的木质建筑都有更好的环保资质。”在哈克尼的Murray Grove,人们不使用暖气,因为木材是一种很好的绝缘体。

  强森对此表示赞同,他说:“用木头建设100米高的建筑是件很棒的事。我们已经做了计算,理论上是可行的,但也有一些重大挑战。最重要的是,1立方米的木材会产生1吨二氧化碳。20世纪是混凝土时代,一切似乎都与人类对自然的统治有关。现在,我们正在转向一种不同的态度,做更有教养的人,欢迎回到木材时代!”

  来源:BBC

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