当代正交胶合木建筑，如何实现结构与表层的一体化设计？

NO.1

作为结构表层一体化的正交胶合木板材

自19世纪50年代的“结构理性主义”至20世纪70年代的“结构表现主义”，再到20世纪90年代的“结构建筑学”，结构与建筑形态之间的强大关联性在当代已毋庸置疑。建筑的表层作为传达建筑表情的媒介，毫无疑问是最适宜于表现结构建筑一体化的载体。这不仅能够表现时下新兴的技术力量与再现抽象隐匿的力学逻辑，也能在图像上传递新时代作为“能指的狂欢”的信息化社会所具有的复杂含义^[1]。

这样一种特性在当代新型木结构正交胶合木（Cross-Laminated Timber，以下简称CLT）结构体系中得到了集中体现。CLT是指用至少三层针叶材或落叶材板，层与层之间垂直正交布置胶合而成的板型材（图1），其在结构、防火、热工、环保等物理性能上的极大优势在近年已有大量国内外研究证实^[2?3]①。CLT作为建材最大的特点就是集约了良好的装饰性能、结构性能与热工性能，并且可用于快捷施工的装配式板片单元，同时作为空间要素与结构要素而存在，使其具备如电脑建模般完全自由操作的可能性。

▲图1 CLT 板材单元组成方式

CLT的优势更在于其对木材单向力学性能的突破。在目前国家大力推行“双碳”目标的背景下，同样具有固碳、储碳作用的CLT在结构性能上超越了GLT、LVL等新型重木结构。由于不同顺纹层板的垂直布置，板材在面内双向都具有同样的抗压、抗拉、抗剪强度，这使得原本各向异性的木材材料特性得到本质上的突破。根据研究，CLT板材作为建材使用时，板坯尺寸最大可达宽4.8m、长30m，厚度可在60~500mm区间（一般以30mm为模数），板材各向均质，可自由开洞且对结构性能影响甚微[2]。当CLT板材由5层板组成、厚度在150mm以上时，即可当作承重墙使用，本身的刚度足以承受竖向和侧向的荷载，主要的结构薄弱点也是位于连接构件的节点上。

当CLT板材形成整体架构时，其结构特性与板材大小、组合关系密切相关。CLT采用大板材组合情况下，面板尺寸大，节点数量较少，在上部可直接开洞，整体刚度大（图2）。与之相对的，CLT采取小板材组合方式时，其最小尺寸可以仅为一块红砖大小，既能做主体结构，也可以混合其他结构作为耐震壁等辅助结构使用，在这个情况下，节点数量较多，延性较高（图3）。国内外多项CLT抗震实验已证明，多块小板材组合的模式相比于少量大板材组合的模式刚性较弱、延性较强^[4?6]。

因此CLT构件虽然极具刚性，但是又能够通过多节点、柔性连接的方式实现类似古代木构中的“冗余度”^[7]②。这种分工明确的结构构件与节点构造的关系，自然而然地导向了建筑形态——一种基于不同板材单元组合又能够满足节能、结构需求的自由设计与建造。

▲图2 CLT 大板材组合方式

▲图3 CLT 小板材组合方式

NO.2

CLT板材的表层构成方式

国内囿于政策法规对树林砍伐的限制与思想观念上的保守——一方面国内木建材依赖进口、成本极高；另一方面也对木结构有认知偏见，认为其不安全、不环保——限制了CLT等新型木构的大规模推广，研究也多限于对结构等性能的分析^③。相比之下，日本、英国、加拿大、美国、瑞士等国家在20世纪90年代发现了CLT的特点以来就逐步开展研究，并于近10年开展了相关设计实践、性能研究以及规范制定，已形成了相对完善的体系，为国内相关研究提供了大量参考案例与文献资料。

本文筛选了以日本、英国为主的92个已建成的国外CLT实例^[8?10]，通过将CLT板材和表层形态的关系类型化，归纳其在外围护墙体上的构成方法。因为案例数量众多，本文仅挑选具有代表性的案例进行详细介绍。

由于作为建筑表层的外墙空间化已成定势，表层墙体不仅在于一个单纯的基准面，而是作为一个有进深与外延的三维整体呈现^[11]④，因此需要从平面、立面两个维度对案例进行讨论。首先，依据平面上板材的布置方向将案例划分为面宽型、进深型、空间型三类。在此基础之上，每一个平面类型内又可根据不同的立面构成细分为8个小类。其中面宽型包括竖带式、斜带式、横带式、棋盘式、均布式；进深型包括直交式与斜交式；空间型不进行细分。8种构成类型的平立面与轴测简图见表1，下面进行具体分类讨论。

  

2.1 面宽型

在楼板边缘的基准面内，CLT 板材作为一种面型构件，在立面上的构成关系可由板材单元之间的拼接进行区别。拼接关系包括“竖向、横向、斜向、无拼接”四种方式，依此大体上可分为以下五类。

》竖带式

竖带式是指CLT板材单元以竖向拼接为主，在立面上形成规则的竖向条带分布状的构成类型。在竖带式构成的建筑中，住宅、公寓、小型事务所、大型办公总部兼而有之。虽同为竖向构成，其立面表达方式却略有差别，相同点仅在于竖向板材都能够起到横向抗侧与竖向承重的结构作用。

在英国林肯郡格兰瑟姆的林地信托总部大楼（Woodland Trust Headquarters）中，外立面上宽窄不一的长条板材的罗列，实现了轻盈通透的外表（图4）。这种做法一方面实现了外围护上条带式的抗侧结构作用，另一方面又形成了大量竖向长窗，使得大楼的CLT部分成为一个能够自然吸热、散热的“换热器”。在CLT盒子的背面即是大楼的钢筋混凝土部分，两者的结合实现了结构、热工的集中效益，并在立面形式上得到了统合（图5）。

▲图5 林地信托总部大楼

具有此类效益的做法在酒店公寓、住宅中也可发现。在日本爱知县的手工之家中，多块尺寸为1 000mm×3 000mm×150mm的板材拼合成辅助性的耐震壁显露在外表，其主体结构为木框架，整体形象表现为大面积落地窗与实墙的结合（图6）。在日本福岛县西白河郡阿伯熊水疗酒店、静冈县滨松市白俄罗斯共同住宅等案例中，除CLT竖向表达以外的部分也多以大面积开窗为主（图7）。更有甚者，如高知县高知市的ＳＴ柳町Ⅰ，将玻璃幕墙作为气候边界，而具有双向结构作用的竖向板材则退于幕墙之后，这一做法反而使得CLT不再需要构造层，将材质本身显露出来（图8）。

▲图8 ＳＴ柳町Ⅰ

除了低/多层建筑，竖带式构成也出现于高层建筑，即将CLT板材与钢筋混凝土框架结构相结合，作为辅助抗震的二级结构。在高达7层的日本高知县香南市厅舍中，就是通过金属构件将CLT与RC框架梁连接起来，墙在内部竖向对位连续，并透过玻璃幕墙显示在外观上（图9,10）。此做法也可见于位于日本东京都千代田区的14层高的神田骏河台公寓，只不过在这里用特殊的锯齿形构造咬合CLT和RC框架，不再需要金属构件，避免了节点成为结构薄弱处（图11,12）。

▲图10 香南市厅舍

▲图12 神田骏河台公寓

》斜带式

顾名思义，斜带式是CLT板材在立面上以斜向条带分布为主的构成类型，板材与板材间的拼接仍然以竖向为主。斜向式构成由于板材、洞口皆不规则的特殊性，预制成本较高，在实例中较少见。

在日本北海道士别市Itoi集团控股公司新办公楼中，CLT斜向板材交错成V形并重叠剪力墙被重复运用（图13）。这在结构上同时具备竖向和横向作用，一方面实现了内部完全无柱的大办公空间，另一方面则在建筑表层将公司的商标图像化、物质化，具有符号学层面的象征性，可谓一石二鸟。CLT在内部空间完全暴露，发挥了木材天然的装饰作用，在外部则由于保温、隔热等构造层的存在，需要有木色装饰面来暗示与再现结构本身。

  

》横带式

横带式与竖带式相对，是横向拼接CLT板材来形成横向条带板与条窗的构成类型。此类型由于无法发挥CLT在结构上的双向作用，仅能起到类似圈梁的效应，在实例中也极少见。

位于英国伦敦的帷幔商住公寓（Curtain Place）是此类构成的典型，其一至三层的CLT呈现为明显的横带式布置。这个做法得益于其一至三层的钢结构加CLT的混合结构模式，主体的钢结构框架使得CLT墙板不需要承受竖向荷载，而仅仅作为辅助结构外围护体而存在，使得底部获得了开放的办公空间（图14）。与之相对，四至六层是纯CLT结构，可以看到典型的均布式构成，这一类型会在下面详细描述。在这里，不同的结构对应不同的功能需求，并直接反映在了建筑表层上（图15）。

▲图15 帷幔商住公寓

》棋盘式

棋盘式是指将规则的CLT板材在立面上斜向布置，相互间隔形成如棋盘般错落布置的形式。这一类型的构成与结构的对应关系明确，基本作为抗震、抗侧的二级结构而存在，不具备承载竖向荷载的作用。

例如在日本兵库县林业会馆的设计中，为满足严格的防火需求，采用钢框架加CLT耐震壁的混合结构，在立面上表达为退于幕墙之后的棋盘式（图16）。在这里，CLT小板材作为一种抗侧补强构件，间隔并规律地内嵌于钢柱跨间，在力学上形成类似于斜撑的抗侧效应。外幕墙的设置及防火需求的满足使得板材不再需要覆盖防火涂料，CLT原始的外观直接成为外立面上的点缀，是一种抗震形态的表达。在国内CLT研究还处于起步阶段的背景下，相比于纯粹的CLT建筑，这类主体结构加CLT二级结构的做法似乎更值得学习和提倡。

▲图16 兵库县林业会馆

》均布式

将CLT板材在各向进行拼接形成完整连续的整体墙面，这一构成为均布式。由于均布式最大程度上发挥了CLT双向的结构性能，类似于一整面自重较轻的剪力墙，并且极其便于自由设计、装配式制作与施工，被大量用于宿舍、公寓、学校等，是已建成实例中应用最多的类型。

由于均布式的板材单元性强、预制标准统一的特点，其立面构成几乎都是扁平、规律的，在外立面上显得单调而呆板，极大程度上成为一种产品式的存在。为破除这一特点，一方面可以在饰面层上进行丰富，另一方面则可以在板材、洞口的形状与分布上进行相对自由的组织。

在2014年建成的英国第一座CLT高层建筑默里格罗夫联公寓（Stadthaus，又名Murray Grove）中，2 500块标准CLT板以像素单元的方式均布在外墙上，导向一种无凹凸的扁平化立面风格（图17）。由于内部住房单元的限制，外立面窗洞完全是均匀排布的，而像素式板材单元的外部装饰层帮助破除了这一特点。然而，并非所有扁平化的外围护体都能够有这样的外观效果，在本文分析的92个案例中，均布式占据46个，半数以上案例靠装饰层美化立面的效果只能说差强人意。

▲图17 默里格罗夫联公寓

因此在均布式构成中，洞口的自由组织或成为更好的选择。在英国肯特郡的希尔顿格兰格预备学校（Hilden Grange Prepatory School）的扩建项目中，一种以大小洞口组合的扁平化自由立面被展现出来（图18）。对于教室内部的采光需求，设计师霍金斯和布朗（Hawkins、Brown）采取的是在外墙和屋顶上打开多个小窗洞的形式，这种建筑立面语言呈现出抽象、不确定的图形特征，是一种二维的当代信息化特征的表达。在结构层面，随机的窗洞位置并不影响板材的力学性能，无论是竖向还是横向荷载都可以轻松消纳，最终达到了简洁、丰富的结构表层一体化的效果。

▲图20 亨赛特磨坊

2.2 进深型

在建筑的表层，结构不仅可以顺着面宽方向，也可同时垂直于楼板边缘的基准面布置，共同组成外围护体。这里可根据CLT与基准面的直交与斜交关系来分类，围护边缘基准面的可以是CLT板、玻璃幕墙或其他材料，甚至在一些特殊的建筑类型里没有气候边界存在。

》直交式

直交式即处于楼板边缘外的CLT板材与基准面垂直的布置方式。严格来说，纯CLT结构建筑的布置大都为垂直相交方式，但外墙内的垂直墙体并不能作为建筑表层来看待，因此直交式的垂直墙体多数是位于外墙之外。在结构效应上，此类型相比于面宽型构成在进深方向多了抗侧作用，在空间形态方面更便于丰富表层空间层次，增加外与内之间的灰空间。

在日本高知县高冈郡的津野町森林组合事务所中，CLT板材在外墙外以1 900mm左右的窄间距垂直排布（图21）。这主要与屋顶特殊的桁架结构相关，为实现建筑内部的7m跨度，设计师采取了以12m长、150mm厚的CLT板材为上弦，木梁为下弦的空间桁架梁作为楼板与屋顶架构（图22），而外部的垂直板材正是支撑木梁的板柱。这些板柱在结构方面正好补足了进深向的抗侧力，在空间与形式上CLT材料的直接外显暗示着建筑的结构体系，是对CLT的创新性运用。

▲图22 津野町森林组合事务所

▲图23 塔马迪克名古屋大厦

然而，并非所有直交式的案例都有类似的巧妙做法。大部分案例的外露垂直板材只是作为整体垂直墙板的外延，就结构外显与进深向的抗侧而言是有效的，但外观效果平平。其中做法较好的是日本高知县南国市森连会馆，主体为木框架结构与CLT结合的混合结构体系，外部突出的CLT垂直板材在内外起到了空间划分与结构的双重作用，相对大的体量也使立面变化较丰富（图24,25）。与之相对，日本的一些CLT共同住宅，垂直墙板突出作为侧墙延伸，仅仅形成阳台与外廊，整体显得呆滞而笨重。

▲图25 森连会馆

》斜交式

CLT板材与楼板边缘非垂直相交的布置方式为斜交式，往往能直接影响建筑的整体形态。由于斜交方式一方面很容易产生墙体偏心布置，影响整体结构扭转刚度，另一方面空间易形成不规则分隔而影响使用，因而在实例中较为少见，主要见于亭、厕所等小体量服务建筑中。

日本冈山县真庭市的JR久世站前露台是斜向偏心布置的典型案例。这个临时性的建筑仅用三面最长为1.2m的CLT板来支撑三块屋面板，施工时间仅需半天。在这里，斜交的做法大量减少了墙体数量，也兼顾了CLT墙体的保养与维护，将其藏于屋顶之下，同时还退让出了休息平台，一举三得（图26）。与之类似的还有位于日本山口县防府市的风车学校，建筑外部使用的最大板材尺寸达到2 500 mm×11 500 mm×210mm，并且直接贯通二层形成斜向偏心布置（图27）。板与板之间的“缝隙”形成采光口，不同基准面的板材组合则形成外部阳台与灰空间，这些直接导向不规则的表层空间，也体现了结构本身。

▲图27 风车学校

斜交做法也有少量对称布置的实例。在日本高知县吾川郡的县营宇治团地集会所中，斜向板材均匀对称地位于四个角上，形成四面坡的角部板柱（图28）。此做法在CLT临时性休憩建筑也多有表现，只是对称布置的做法如无精致的细节支撑，常常较为平淡。

▲图28 县营宇治团地集会所

2.3 空间型

空间型实例中，CLT板材的布置方式无法从面宽与进深两个维度来简单描述，往往互相组织形成总体空间架构。这一架构类型就像以往的空间结构，以板材为基本构件形成类似张弦梁、折板梁、井字梁、桁架、拱壳等结构体，是对CLT板材结构和形式特性的创新应用（图29?31）。

  

  

在安格斯·J·麦克唐纳的论述中，空间型架构能够使得构件内弯曲内力大幅度减少而只受轴向内力，从而由“非活性模式构件”转为“活性模式构件”^[12]⑤，结构效率大大加强。但在CLT板材运用中，以小板材组合形成的空间结构虽然能够更好地发挥材料优势，实现跨度突破与增加抗震冗余度，但目前无论是连接节点构造还是施工方式都尚未成熟，复杂的形态也难以发挥CLT的热工性能优势，综合考虑未必是一种更优的选择。

空间型构成首先可以在墙体上形成构架，将结构形态直接作为表皮呈现。如日本冈山县真庭市铭建工业总部事务所中，V字形CLT梁板作为架构支撑上部折板屋顶，结合玻璃幕墙形成格构式的立面（图32,33）。相似的做法在日本高知县高知市自治会馆新厅舍里也能看到，CLT在建筑的三至六层被作为线性构件使用，形成斜向交叉支撑的格构式耐震壁，同样在玻璃幕墙后显露出来（图34,35）。

▲图33 铭建工业总部事务所

除在外墙上的表现，空间型构成更多地被作为建筑整体形态与结构。在神奈川县横滨市的实验建筑“T”型木材空间中，门字型刚架的单边变形使得垂直的板材主要承载竖向荷载，倾斜的板材主要抗侧（图36）。单榀门字框架板材之间采用铰接，同时榀与榀之间采用销接并列布置，最终形成了可以无限延展的类似巨型空间桁架的架构。在板与板之间的交错下，柔和的漫射光投射入内部，使室内也成为结构、空间一体化的表达。

NO.3

CLT结构表层一体化的应用策略

基于上述CLT实例可以得出基本的表层构成类型，但就结构与表层一体化的应用，还需进一步分析外观、结构的重要影响因素。下面从这两方面综合考虑，筛选出四类分析评价标准，对92个案例进行综合归纳（表2）。

  

3.1 CLT板材规则性与拼接组合方式

除了受到运输条件制约外，CLT板材的大小规格、形状与组合方式均比较灵活。在已有案例中，板材的分类可按三个标准进行评价：

（1）规则性：依据板材是否方正规整，可分为规则与不规则两种类型。

（2）拼接方向：按照板材之间的拼接方向，有竖向、横向、斜向与无拼接四类。

（3）组合方式：按照板材尺寸与拼接洞口的方式，分为大板组合与小板组合两种类型。

规则性板材在设计与结构效应上一般优于不规则板材，但不规则板材相对更有表现力；拼接方向决定了立面构成类型；小板材与大板材组合在外观表现上不明显，结构效应则各有优势，在前文已有论述。

3.2 结构体系

CLT作为结构单元，既可以自身形成纯粹的CLT结构整体，也可以与钢、钢筋混凝土结构等共同形成混合结构体系。在纯粹CLT结构中，CLT板材间通过金属构件连接。混合结构中，CLT则需要通过金属连接件、拉杆、阻尼器或特殊构造等与原有框架结构相结合，可以增强原有结构的抗侧能力。上述案例的结构体系主要有四类：纯CLT结构、CLT与钢结构混合、CLT与钢筋混凝土（RC）结构混合、CLT与木结构混合。

3.3 受力机制

CLT处于表层的情况下，所承受荷载可分为承重与抗侧的双向轴向受力与仅做抗侧的单向轴向受力。在空间型构成的板材受力中则出现了第三维弯曲内力，这三种受力机制下产生的结构效应有所不同。

3.4 外观要素

CLT板材本身虽然具备较好的热工、防火等性能，也具备装饰属性，但为适应地域气候与规范要求等，在CLT墙体外附加构造层是常见做法。而建筑表层也不会仅有CLT单一要素，而是如所有建筑一样由多种要素形成。在案例中，影响外观形式的要素有CLT板材、门窗洞口、装饰面层、阳台等非结构要素，以及除CLT以外的其他结构要素。

根据上述标准，可将CLT表层构成类型与92个案例进行分析，其中加粗部分为本文中详细介绍的案例（表3）。

表3 92个案例分析汇总

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结语

最后，本文根据前述分析，就CLT建筑结构表层一体化设计得出以下结论：

》面宽型构成类型

在纯CLT建筑中，CLT板材构件需要保持规整并进行单向或双向的拼接，以保证其作为表层形态的结构效应，为方便施工多以小板材组合为主；CLT与其他结构混合的情况下，主要作为二级结构起到抗侧作用，拼接方式相对自由。此外，为保证表层形态的丰富与CLT板材的长寿性，立面上多以装饰材料与其他形态要素为主，CLT不直接显露。

》进深型构成类型

进深型构成中，以大小板材组合或小板材组合为主，形状同样应保持规整。结构体系以纯CLT为主，板材需要结合屋顶或形成双向布置才能获得有效的结构效应，且在不规则布置的情况下需要注意抗扭刚度。同时，进深型易于形成檐下空间，对CLT墙板能起到保护作用，因此外观上可以直接暴露，不做装饰层。

》空间型构成类型

空间型构成中，多用不规则的CLT板材斜向拼接形成三维组合，将表层墙体与屋顶结合布置会形成更强的结构效应。此类型不易于形成完整的气候边界，因此CLT在玻璃幕墙之内，可以不做装饰层。

适宜于材料特性的有效形式表达，是自古以来建筑结构承载的使命。正如砖适宜于拱券、钢适宜于桁架一样，CLT这一以面型板材为结构单元的材料也应找到属于自身的表现形态。在全球可持续建筑、旧建筑改造的热潮与国内碳中和、碳达峰的目标下，CLT这种新型绿色建材无疑是属于未来的革命性材料。对CLT表层形态和结构关系的考量，将让我们重新审视木材这一中国传统建筑材料作为结构要素和建筑表情的潜力。