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在芝加哥建筑双年展上使用的大量木材

2022-06-11 新弘瑞森

芝加哥建筑双年展的 SPALM 木材展馆


大规模木结构建筑因其相对较低的碳排放、有限的浪费以及快速现场施工的潜力而受到建筑师和建筑商的广泛吹捧。 但是,工程木结构系统的好处可能可以通过使用日常建筑材料更少的木材来实现:尺寸木材,即 2x4s、2x6 和 2x8s。

这一假设正在2021 年芝加哥建筑双年展 上受到质疑,该双年展将持续到 12 月 18 日,由 Skidmore, Owings & Merrill 当地办事处与密歇根大学陶布曼建筑与城市规划学院教师 Tsz Yan Ng 和 Wesley McGee 合作和他们的研究生。他们的努力最终促成 了芝加哥南岸社区公立高中 Epic Academy的 SPLAM(空间层压木材)木材馆。

永久性展馆在视觉上引人注目,由云杉-冷杉-松木 2x 构件组成的起伏格子在四根混凝土柱上堆叠了 12 块高高的板。 在跨度的中心,板的数量逐渐减少到只有几个。在某些方面,3D 网格的空隙类似于叠叠乐塔的空隙,在对称性和缺失方面显得笨重。然而,如果表达负空间的美是项目的辅助效果,那么它不是动力。 “我们的真正目标是制造一个可以大规模应用的系统,并解决建筑中的碳问题,”AIA 的 SOM 设计合伙人 Scott Duncan 说。

使用绘制整个结构的直接力和剪切力的软件模型,SOM 确定了商品木材可以放置在何处以获得最大的材料效率。

从本质上讲,该团队制作了一种结构工程木系统的新变体,借助建模软件对空间层压木材进行优化,以优化楼板的空间布置,团队可以使用更少的个人成员来实现与相同水平的稳定性平板结构,如交叉层压木材。 这转化为空间、材料、成本以及最终碳的节省。

“已经有一个很棒的系统,那就是CLT,”邓肯说。 “它是平的;从某种意义上说,它是不智能的。……这是一块平板。 任何学习过建筑学或工程学或了解保险库原理的人都知道,从负载的角度来看,当你拥有这样的平面时,效率会很低。”

认识到使用复制结构元素带来的效率——这一想法源于勒柯布西耶的 Dom-Ino 模型 ——许多建筑师已经转向 CLT 作为高密度住宅建筑中结构地板的解决方案,Duncan 解释说,中层项目,例如密尔沃基的 Timber Lofts 多户公寓 楼和俄勒冈州波特兰的Carbon12 公寓大楼,以及 超高效的定制住宅 ,均采用 CLT 建造,将交替层的软木融合成耐用的面板。

精确切割的木梁与围巾和搭接细木工装配在一起

“我们从一个简单的平板结构开始,然后进行分析以找出材料最难工作的地方,即所谓的热点,”负责该项目结构分析的 SOM 结构工程总监 Benton Johnson 说。 “然后,该软件将做的是识别位置以去除压力较低且效用较低的材料,并将其移动到高压力和高效用的位置。我们重复这个过程数百次。”

优化设计后,精确切割的木梁与围巾和搭接细木工装配在一起。 因此,展馆的屋顶不仅仅是一个屋顶,约翰逊说,而是一个更大建筑物楼层之间框架结构的单层原型。

在一个集体运营占全球能源相关碳排放量近 40% 的建筑行业中,与混凝土和钢材等材料相比 ,木材具有几个 有据可查的优势,约翰逊说:“当你想到一棵树的生命时,它是吸收二氧化碳,然后释放氧气,在实际的纤维素材料中留下一个碳[分子]。 因此,按重量计算,木材实际上含有约 50% 的碳。”

与使用 CLT 建造的类似结构相比,SPALM 展馆使用的木材减少了 46%。

如果可以从解构的建筑物中回收短跨度的低品位商品木材,那么它们就可以再利用,从而减少森林砍伐并保护老树。 尽管如此,CLT 使用的木材“比你想要的还要多”,Johnson 说,其板 厚达一英尺。 同时,传统的托梁框架可以在材料上有效,但缺乏工程木系统的结构性能和扩展能力。

“我们退后一步说,‘如果我们试图将两全其美的东西结合起来呢?’  ”约翰逊说。

SOM 估计,与使用 CLT 建造的类似结构相比,SPLAM 展馆使用的木材减少了 46%,并为 HVAC 和 MEP 系统提供了额外的空间。 与类似尺寸的传统框架结构相比,SLT 系统将屋顶的板厚从 22 英寸减少到 17 英寸。楼层之间的恢复区域可以转化为增加的地板到天花板的高度,或者在高层建筑中,可以转化为全新的楼层。

“在高度受限的城市环境中,如果您能够在较高一侧的建筑物中添加一层楼层,但仍保持清晰的高度,那么[客户] 的耳朵就是音乐,”邓肯说。

McGee 说,一个称为拓扑优化的过程指导了设计。 使用绘制整个结构的直接力和剪切力的软件模型,SOM 确定了商品木材可以放置在何处以获得最大的材料效率。起伏的网格紧跟应力的剪力和弯矩图

展馆用了三周时间制作了 912 块木头。

之后,在 Taubman 的数字制造实验室,McGee 说,当地木材供应商的单块木头被碾磨以适应搭接和围巾接头。 每个接头都使用带有 100 knewton 称重传感器的张力机进行压力测试,并且 CNC 路由器切割斜接接头的斜面。自定心气动抓取系统有助于适应 2x4 宽度的细微变化,并使它们定向以承受力的方向——这一过程需要迭代数百种可能的设计方案。

“从材料上工作是一个流畅的过程,不仅仅是制造可能的公差,还有最终设计的可能,”Ng 说。 “这个系统提供的是预制可以在实验室或制造设施中进行,从而减少现场时间。”

总而言之,这个展馆花了大约三周的时间来制作和 912 块木头。 在被切割并装入托盘后,大约 60 个形状独特的木部件按顺序编号的系列(如宜家套件)被放在一个开放式平板上运到现场。McHugh Construction 在大约一周内组装了展馆。

展望未来,政策变化可能有助于 SLT 作为低层和中层住宅和办公项目楼板的可扩展设计和施工方法站稳脚跟。2021 年国际建筑规范 允许在高达 18 层的建筑物中使用大量木材,美国一些州和城市司法管辖区已将新标准纳入其规范或正在考虑这样做。

“如果你看一下典型取景的速度,尤其是气球取景的速度,这些天简直令人难以置信,”McGee 说。 “这绝对是一种不同的范式。但是在一个典型的办公楼里,你有数以万计的成员,你必须从不同的角度看待生产。它更像是汽车制造,而不是建筑制造。”

作者: 杰夫·林克


【本文标签】 木材

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