我们用木头建造东西已经有很长一段时间了。根据最近在非洲发现的50万年前的木结构遗迹，我们在成为完全的人类之前就已经开始用木头建造了。从那些早期的建筑到斯堪的纳维亚半岛的木板教堂再到林肯的小木屋，木材作为一种建筑材料因其丰富、易加工和美观而备受青睐。
然而，在过去的150年里，随着城市和摩天大楼的蓬勃发展，木材已经被混凝土和钢铁等新材料所取代。这些材料可以支撑更大的重量，可以建造更大的建筑，而且不容易受到火灾、地震和潮湿的破坏。然而，它们的生产成本更高，不可再生，而且碳足迹很大;钢铁和混凝土生产占全球排放量的10%以上。
但是和犹他大学的工程学教授Chris Pantelides谈谈，他会告诉你，我们现在还不应该接受钢筋混凝土丛林的统治地位。多亏了像潘特利德斯这样的土木工程师的努力，我们最古老的建筑材料正在经历一次复兴——甚至可以承受地震。
坐在约翰和玛西娅·普赖斯工程学院土木与环境工程系的办公室里，他举起一块长约12英寸、宽约10英寸的复合木材，微笑着。
“你在这里看到的是未来，”潘泰利德斯说。
这种看似简单的木材是“大规模木材”技术的一个例子，这是一种“工程木材产品”，旨在彻底改变建筑行业，Pantelides花了过去七年的时间研究和开发。
在他面前的桌子上，在其他木片和长金属销子之间，放着他最新的研究论文，题为“带木材屈曲约束支撑的大质量木结构框架的设计和循环实验”，发表在《结构工程杂志》上。它探索了用大量木材建造屈曲约束支撑(BRB)——一种防止地震破坏的建筑支撑——的最佳方法。
作为一种建筑技术，大量的木材是由柱、梁和板的使用来定义的，这些木材由多层木片或紧密层压或以其他方式结合在一起。panelides使用的两种大型木材类型被称为大型胶合板和大型胶合板，与通常的建筑材料相比，它们在环境和结构方面具有许多优势。
“我们谈论的木材非常坚固。它可以在许多建筑框架中取代钢铁或混凝土，但它更轻，”Pantelides解释说。“大型木结构建筑的重量也是混凝土建筑的四分之一，需要更小的基础。”
由于其超压缩结构，大块木材具有有效的防火、防潮和高耐用性。有了今天的可持续林业技术，使用木材比以往任何时候都更加可持续和“可再生”。
潘泰利德斯说:“欧洲的森林只需要7秒钟就能长出一套三居室公寓所需的木材。”“仅加拿大就有足够的木材供10亿人永久居住，森林树木的补充速度超过了人口的增长速度。”
每种植一吨木材就能从大气中吸收1.8吨二氧化碳。与混凝土建筑相比，大型木结构建筑的建造速度可以提高25%，并减少90%的施工交通。一旦结构完成，木材就从有利于自然到具有自然效益。
“人们只是喜欢住在有很多裸露木材的建筑里，”潘泰利德斯说。“与自然相连的感觉，亲生物的设计，创造了更健康的生活和工作环境。”
由于其在压力下弯曲而不断裂的能力，钢铁仍然是高层建筑的首选，特别是在地震或飓风高风险地区。保持建筑结构的完整性依赖于对这些特性的深刻理解——这是我们对更硬的大质量木材所没有的理解。这就是潘泰利德斯研究的切入点。
由于其不同的成分，大量的木材远非一刀切;所用木材的类型，木材颗粒的大小和形状，它们如何粘在一起，甚至单个层是平行堆叠还是垂直堆叠，都会极大地影响成品在压力下的反应。
自从他第一次开始研究大块木材以来，潘特利德斯一直在排除问题，并试验不同的“配方”，最终找到了一种方法，即将深色杉木削成木片，将木片紧密压缩成木板，然后用超强胶水将这些木片层合在一起。然后，制成的胶合板可以用钢榫和钢板制成的接头安全地固定在其他木材上。
利用这个公式，Pantelides和他的团队试验了大量木材版本的抗震建筑元素，包括木材屈曲约束支撑(T-BRB)，这是Pantelides最近出版物的重点。
在传统建筑中，非木材brb从建筑框架吸收地震力，并将其重新定向到支撑内的钢芯，通常包裹在混凝土填充的钢管中。而不是整个建筑的结构完整性受到损害，只有支撑将遭受重大损害，需要更换。Pantelides专注于开发BRB，虽然仍然使用钢带作为核心，但它由大量木材制成，并为大量木材框架量身定制。
这种专注需要专门的设备。在莱顿大楼(Layton Building)的一个类似飞机库的实验室里，一个巨大的长方形金属塔，一个驱动器，从天花板一直延伸到混凝土地板下面。这个巨大的红色装置通过前后摇动来模拟地震活动对任何放置在里面的东西的影响。在这里，潘泰利德斯和他的团队可以对“侧向力抵抗系统”(LFRS)进行测试，比如T-BRB。
他和他的研究生艾米丽·威廉姆森(Emily Williamson)是这篇新论文的合著者，他们开发了这种T-BRB的几种不同配置，然后将每种配置单独插入木框架中，然后将其放置在执行器中。然后，进行9次水平震动，强度相当于7.0级地震。附着在T-BRB和框架上的传感器记录了随着测试的进行，不同元素如何弯曲或移动。
随后，框架和支撑被拆除，并进一步检查和测量。Pantelides的研究报告由Timberland的行业研究人员Hans-Erik Blomgren和Forest Products Laboratory的Douglas Rammer共同撰写，报告展示了结果数据，并对不同组件进行了分析、绘图和比较。这些信息将有助于加速大量木材的使用，使其变得更坚韧、更高。
大规模木结构建筑在欧洲已经使用了几十年，但美国采用它的速度较慢，部分原因是严格的建筑规范主要针对钢材和混凝土，在建造高层建筑时要谨慎对待任何使用木材的建筑。
但现在，由于这些规范最近的变化，以及对Pantelides的T-BRB等组件的研究，预计大量木材将在甚至易发灾害的地区激增，以应对对更可持续的建筑材料不断增长的需求。最新版本的《国际建筑规范》(International Building Code)是美国建筑法规的核心部分，其中包括一种最高18层的建筑类型。威斯康星州已经建造了一座创纪录的25层高的混合木材和混凝土建筑，犹他州的德雷珀正在建造一座5层高的建筑。
“整个世界都在觉醒。人们回头会说，‘嘿，我们为什么不用大量的木材建造它?’”他说。“我认为在未来的20年里，将不会有很多低于12层甚至18层的钢筋混凝土建筑。这将不再可行。在不久的将来，我们甚至会看到使用大量木材建造的超过50层楼高的摩天大楼。”
更多资料:Emily Williamson等，带约束支撑的大质量木结构框架的设计与循环试验，结构工程学报(2023)。DOI: 10.1061 / JSENDH。引用本文:木材如何在建筑中卷土重来(2024,2月1日)检索自2024年2月1日https://techxplore.com/news/2024-02-wood-comeback.html本文受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
