1、051236|2023|11建筑学摘要：不同结构具有不同适用性，木结构由于其材料受力特点与可燃性，在作为多层、大体量建筑结构时受到一定约束。瑞士比尔高等木材技术学校为当时瑞士最高的木结构建筑，其木混合结构设计与教学楼建筑需求高度适配。文章以此案例为切入点，以结构构件拆解为主要方法，追溯其混合结构原型；从材料、结构与空间使用需求适配性的角度，分析结构选型思路，探索木结构与混凝土结构混合使用的设计方法和优势，为木结构的当代建筑应用与创新提供设计思路。Abstract：Different structures have different applicability.Timber structure
2、 is restricted to a certain extent when it is a multi-layer and large volume structure due to its mechanical characteristics and flammability.Swiss School of Engineering for the Wood Industry in Biel was the highest timber structure building in Switzerland at that time.The hybrid structure design fi
3、tted with the teaching buildings needs.This paper takes the case as the starting point,takes the dismantling of structural components as the main method,traces back the hybrid structure prototype.From the perspective of the adaptability of materials,structure and space requirements,this paper analyz
4、es the structure selection ideas,explores the design methods and advantages of the mixed use of timber structure and concrete structure.This research provides design ideas for the contemporary architectural application and innovation of timber structure.关键词：木混合结构；多层木结构；混凝土结构；结构创新；木结构Keywords：hybrid-
5、timber structure；multi-layer timber structure；concrete structure；structural innovation；timber structure文张曦元东南大学建筑学院硕士研究生马圣新东南大学建筑学院硕士研究生DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.11.016引言木材是人类最早使用的建筑材料之一，其使用可以追溯到数千年前。且随着城市建设发展及化石燃料过量燃烧，全球变暖日趋严重，人类开始寻求可持续材料与低碳排放材料，低碳建筑、绿色建筑及生态建筑等研究成为当下热点。木材作为一种低碳材料，无疑会成为建筑设计的趋势。木结构轻
6、盈，易于预制装配建造，但难实现大跨度、高强度，难以具备良好的防火性能。在该背景下，建筑师迈里（Meili）、彼得（Peter）和约格康策特（Jrg Conzett）等人，针对多层木结构建筑进行了一次结构混合的创新，建造当时瑞士最高的木结构建筑瑞士比尔高等木材技术学校教学楼。教学楼将木结构与混凝土结构混合使用，使各材料各司其职，充分发挥各种结构的优势，以满足各种空间使用需求。1 木混合结构长期以来，木结构建筑多为 1 3 层的低层建筑，随着技术发展，木结构建筑向多层和高层发展。20 世纪中叶以后，日本针对木结构建筑的耐火性能、结构尺寸、防腐能力、成本等问题，实施了很多政策以促进建筑使用木结构，日
7、本建筑师进行了多种建筑实验以探讨多层木结构的建筑设计方法。我国虽起步较晚，也有不少对于不同结构形式和木结构性能的研究1。除了木结构本身创新发展，在欧洲、美国、加拿大等地的多层、高层木结构建筑中也出现木混合结构，主要包括上下木混合结构1、混凝土核心筒木结构、钢木混合结构等2，以适应多层、高层建筑强度和建筑防火等的需求。木结构的未来仍具有无限可能。重要的是基于材料受力特性，进行符合材料受力逻辑的结构创新，基于材料的感官特征，塑造有材料表现力、感染力的空间。2 瑞士比尔高等木材技术学校瑞士比尔高等木材技术学校坐落于汝拉山下一座小城市边缘，注重将学生培养成为理论知识与实践技能兼备的木材技术专家3。项目
8、要在技术学校场地内，新建一个地上 4 层教学楼（图 1）。新教学楼需使用木结构，并体现结构的创新性。对于瑞士当时的木结构技术来说，建造多层木结构建筑将面临大跨度要求、防火规范的挑战。在这个项目中，设计师必须克服木材特性本身的局限，同时使之能够标准化装配建造，并为大体量、多层木结构建筑提供示范。新建教学楼约 100m 长，20m 宽，高约18m。建筑地下一层为地下室，地上一至三层主要为教室，四层为行政办公空间。地上部分为中间走道，两侧排布教室的空间布局。建筑使用混合结构，由混凝土结构内核、其外围绕的预制木盒结构教室，以及建筑北侧和顶层的Innovative Research on Multi-l
9、ayer Timber-concrete Hybrid Structure:Taking Swiss School of Engineering for the Wood Industry in Bier as an Example多层木-混凝土混合结构创新研究以瑞士比尔高等木材技术学校为例木框架结构组成。教学楼建筑的混凝土结构内核与其外围绕的木盒结构两种混合结构是为了满足教学楼主要使用空间（教室及走道）的功能需求，同时其预制木盒结构也是一种轻型木结构的创新应用。整个教学楼的木结构创新和木混合结构设计策略，为多层木结构建筑设计提供新思路，拓展了木结构的可能性。3 建筑混合结构拆解3.1 混凝土
10、结构部分新建教学楼有一个巨大的混凝土结构内核（图 2），由各层预应力钢筋混凝土水平楼板和图 1比尔高等木技术学校新建教学楼照片052四个竖向支撑的预应力钢筋混凝土核心筒组成。核心筒既作为承重结构，同时划分走廊空间。核心筒中布置电梯、楼梯间和卫生间等辅助功能，也承担着消防通道的作用。楼板部分作为走廊空间，水平楼板上的荷载通过核心筒向下传递，因此走廊中没有多余的墙和柱，走廊空间得到解放。整个混凝土结构内核仅承担自重以及其上荷载，不承担木盒部分荷载。3.2 木结构部分木结构分为连续的木框架结构和由其组装起来的多个预制木盒两部分（图 3）。教学楼北侧大型公共空间如食堂、会议室和图书馆4，由预制木梁柱框
11、架结构独立支撑。木框架结构可形成更为灵活开放的大尺度空间。北侧木框架与东西立面木框架结构结合，并延伸到建筑屋顶，形成教学楼整体木框架结构。1 3 层的 15 个木盒被组装在教学楼的整体木框架之中，木盒为教室空间，木盒间的空隙成为公共活动露台5。教学楼的木盒结构与平台框架结构有相似之处。每个盒子为独立个体，三面围合均采用了内含小间距竖向木杆件的预制墙板，可以进行分层搭建。与传统木平台框架结构不同的是，木盒外墙面不再使用同样的小间距竖向木杆件围合，而是减少竖向杆件数量，留出窗户位置。立面的木框架结构将木盒组合起来。这样一来，开窗大小不再受传统平台框架结构竖向木杆件密度的限制。外墙木框架结构使用分层
12、连接的木柱，面阔方向的横梁为 860mm 高，与上下层窗间墙体的高度一致，位于窗下且嵌于墙板内。由此，可判断外墙框架横梁是采用反梁的形式，于梁下方悬挂楼板。使用反梁的目的是有益于大面积开窗，减少窗户的横楣深度，增加教室的进光量。教学楼外立面的木框架增加了三层木盒的整体性，也保证了荷载传递的连续性（图 4）。3.3 混合结构建造方法3.3.1 建造过程教学楼的建造方式与混合结构逻辑相同，按照核心混凝土结构、木框架结构、木盒结构的顺序进行搭建。首先，浇筑混凝土地下室和核心混凝土结构。然后，建造教学楼北侧的独立木框架结构、维护结构与立面。北侧木框架建造完成后，开始逐层安装东西两侧的木盒结构。木盒部分
13、属于装配式结构，所有木盒、窗户和立面元件均在工厂预制，运送到施工现场快速组装，建造得以迅速进行。最后，在屋顶安装框架结构，与北侧木框架结合，整合建筑混合结构。3.3.2 框架结构整合混合结构也需要有统一的组织秩序，而不是各自独立分散的呈现。建筑最顶层的木框架结构支撑起教学楼屋顶，该框架结构和屋顶覆盖整个教学楼，将下层混凝土结构、木盒以及北侧木框架结构整合为一个整体，混合结构的整体性得到加强。3.3.3 构件连接木盒结构与混凝土结构相互独立承重，因此，木盒结构的箱型木楼板与混凝结构核心之间使用软性构件连接6，建筑混合结构的受力逻辑真实、清晰地表达出来。3.4 混合结构空间氛围处理建筑材料具有固有
14、性格，应基于材料性格营造空间氛围7。木材作为取自自然的、曾经有生命的材料，充满温度与活力；混凝土则是水泥、砂、石混合生产而成，带有冰冷感和沉重感。木材和混凝土本身色彩、肌理、触感等都截然不同。这两种材料结构混合使用时，二者呈现的空间氛围是对比还是融合，需要考虑与设计。木材技术学校的混凝土结构部分，主要采用黑色、灰色、亮黄色和天蓝色，整体偏冷色调，与木盒教室内部原始温暖的木色，形成了一定的对比。此外，教学楼木质立面会随着日复一日的日照、雨水冲刷，产生色彩的变化，留下时间的痕迹。而混凝土内核免于自然环境影响，可以长久呈现现代感。混凝土走廊的天花板涂成天蓝色，与室外的天空呼应，核心筒内壁涂成明亮的黄
15、色，模拟自然洒下的阳光，使人工、冰冷的混凝土材质增添自然的气息。这种色彩的处理拉近了混凝土结构内核与木盒结构的距离。同时，教学楼清水混凝土制作工艺精良，贴面金属板等增添了混凝土材料的精致度，使之与精致的木盒结构和木制立面更加和谐统一。4 结构选型与空间适配度不同材料与结构的选择是对场地条件与不图 2混凝土结构内核模型图 3木结构平面组织示意图图 4三层木盒结构受力示意图053236|2023|11建筑学同空间需求的回应。混凝土与木材各自材料特点和教学楼不同空间的空间需求，决定了混合结构的结构类型和空间分布。瑞士比尔高等木材技术学校的木混合结构设计理念起到很好的示范作用。4.1 混凝土结构与交通
16、空间混凝土材料厚重，防火性能好，结构强度大，更适合作为教学楼的主要交通空间。传统钢筋混凝土框架结构、砖混结构或剪力墙结构的教学楼多采用内廊式走廊，在直线走廊两侧紧密排列教室、卫生间、楼梯间等房间，狭长的直线走廊一览无余（图 5）。与传统框架结构教学楼不同，木技术学校容纳楼梯等辅助空间间隔布置在平直的走廊中，使得单一的内走廊产生空间尺度的变化，走廊空间更富趣味（图 6）。这种空间布局是与传统框架结构逻辑不相符的，而核心筒结构受力逻辑与这种间隔布置辅助空间的空间布局方式匹配，可以实现结构、空间、功能的统一。4.2 木盒结构与教室空间瑞士比尔高等木材技术学校场地原为一片湖泊，地基条件较差，因此要求教
17、学楼尽量轻盈4。轻型木结构轻盈、精美，木材质感温暖，且保温性能、声学性能佳，适合作为教室空间。教室单元大小基本一致，并相互独立，适合使用相同尺寸的单元木盒结构分层建造。木盒内部也可根据教室需求分隔成不同大小的空间，具备进行不同教学活动的灵活性。传统框架结构教学楼的教室按照轴网紧邻排布，少有开放的公共活动空间（图 7）。木技术学校木盒作为承重结构和基本教室划分单元。由于木盒为独立承重单元，可以灵活布置，木参考文献：1刘伟庆,杨会峰.现代木结构研究进展J.建筑结构学报,2019,40(02):16-43.2张海燕,蓝茜,钮彬.木结构在加拿大学校建筑中的运用J.新建筑,2020,193(06):11
18、0-113.3彭怒,李凌洲.现代木材建造的全方位技术技能培养 瑞士比尔高等木材技术学校的启示J.时代建筑,2018,163:128-135.4Meili M,Peter M,Vogel Z,et al.一座传授木材技术的木建筑J.世界建筑,2018,337(07):116-119.5DEPLAZES A.Constructing Architecture:Materials,Processes,StructuresM.Springer Science&Business Media,2005.6CONZETT J,MOSTAFAVI M.Structure as Space:Engineerin
19、g and Architecture in the Works of Jrg Conzett and His PartnersM.Architectural Association,2006.7刘聪,蒋涤非.建筑设计中常用材料的性格属性分析J.中外建筑,2020,225(01):156-158.8邱培芳,彭磊,倪照鹏.多高层木结构建筑防火技术研究J.建设科技,2019(17):52-58+3.9青山周平.走向21世纪木造城市以坂茂tamedia新办公楼项目为例J.城市环境设计,2014(04):82-85.图片来源：图1：参考文献5图2：参考文献4其余均由作者自绘盒与木盒之间留出距离，就自然形
20、成了公共露台空间，丰富了教学楼的休闲功能（图 8）。同时，教室与露台间隔分布产生了建筑立面韵律，并清晰反映出内部的木盒结构逻辑，建筑结构与形式完美统一。4.3 混合结构与建筑防火各国对于多层、高层木结构建筑的规范要求逐步放开。当前多、高层木结构建筑多使用重型木结构防火，即采取加大木结构截面的做法，使木材燃烧表面产生炭化层，炭化层可以起到阻燃的作用8。在瑞士 Tamedia 办公大楼项目里，坂茂完善了自己提出的木材炭化阻燃的方法，办公楼的木结构尺寸比结构承重所需尺寸大 40mm9。挪威的姆约萨湖之塔为世界上最高的木结构建筑，采用的重型木框架结构耐火等级达 120 分钟，建筑 2 11 层使用的木
21、楼板耐火等级可达到 90 分钟。木材技术学校的木盒为轻型木结构，木材构件截面小，无法像重型木结构那样通过炭化阻燃满足防火要求。然而木混合结构使教学楼轻易满足了防火要求。不可燃混凝土结构承担主要垂直交通功能，可作为火灾逃生通道。混凝土内核与木盒教室之间，贴有由水泥纤维板和金属覆盖层构成的不可燃防火墙3。木盒之间的公共露台形成天然防火分区，低层露台亦可作为逃生通道。结语木材最初由于其原料易取和加工简便，被人们广泛用于建筑结构中。如今随着技术发展和城镇建设，木结构建筑根据材料特点和环境、空间需求等进行了多次创新。木结构建筑高度和跨度受木材料限制变小，建造趋向简单化、装配化的快速建造，建筑高度也向多层和高层发展。当前，我国木结构建筑层数等要求规范也在逐步放开。除木结构自身的创新之外，木结构与其他材料混合使用也为多层和高层木结构建筑创造了可能性。结构混合使用时，不能忽略建筑结构与空间需求适配度。瑞士比尔高等木材技术学校的案例给予多层大体量木结构建筑高度启发。对材料的真正认识才能使材料和结构对于不同空间的优势发挥到极致，材料、结构与空间本就是不可割裂的。木结构与混凝土结构可以在同一建筑中充分发挥各自结构受力优势、材料物理性质优势、材料感知优势等，形成有机的建筑混合结构。图 6木技术学校教学楼空间布局图 7传统教学楼教室排布图图 8木技术学校教学楼教室排布图图 5传统内廊式教学楼空间布局
