木材在建筑领域卷土重来 可作为承受地震的一种建筑材料

我们长期以来一直使用木材来建造东西。 根据最近在非洲发现的一处拥有 50 万年历史的木结构遗迹，我们在成为人类之前就已经开始用木头建造建筑了。 从早期的斯堪的纳维亚半岛的木板教堂到林肯的小木屋，木材作为建筑材料因其丰富性、可加工性和美观而受到青睐。

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，允许更大的建筑物，并且不容易受到火灾、地震和潮湿的损害。然而，它们的生产成本更高，不可再生，并且碳足迹很重;钢铁和混凝土产量占全球排放量的10%以上。

我们不应该接受钢筋混凝土丛林的主导地位。多亏了土木工程师的工作，我们最古老的建筑材料正在经历复兴——一种甚至可以承受地震的建筑材料。

木材既代表着建筑的过去，也代表着建筑的未来

坐在约翰和玛西娅·普莱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英寸的复合木块，微笑着。

“你在这里看到的是未来，”Pantelides说。

这块看似简单的木材是“大块木材”技术的一个例子，这是一类“工程木制品”，旨在彻底改变建筑业，Pantelides花了七年时间研究和开发。

在他面前的桌子上，除了其他木头和长长的金属销钉外，还放着他最新的研究论文，题为“带有木材屈曲约束支撑的大规模木框架的设计和循环实验”，发表在《结构工程杂志》上。它探索了使用大量木材建造屈曲约束支撑 （BRB） 的最佳方法——一种防止地震损坏的建筑支撑。

作为一种建筑技术，大块木材的定义是它使用由多个木层或紧密层压或以其他方式结合在一起的木板制成的柱子、横梁和木板。Pantelides 使用的两种大块木材类型被称为大块胶合板和大块胶合板，与通常的建筑材料相比，它们在环境和结构方面具有多项优势。

“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或混凝土，但它要轻得多，“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，需要的地基要小得多。”

由于其超压缩的成分，大块木材具有有效的防火、防潮和高度耐用的特点。凭借当今的可持续林业技术，使用木材比以往任何时候都更具可持续性和“可再生性”。

木材封存碳，而混凝土则排放碳

“欧洲森林只需要七秒钟就可以种植出三居室公寓所需的足够木材，”Pantelides说。“仅加拿大就有足够的木材永久容纳10亿人，森林树木的补充速度比人口快。

每种植一吨木材，就会从大气中吸收 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%，施工交通量减少 90%。一旦结构完成，木材就会从有益于自然转变为具有自然效益。

“人们只是喜欢住在有很多裸露木材的建筑物里，”Pantelides说。“与自然相连的感觉，亲自然的设计，使生活和工作环境更健康。”

由于其在压力下弯曲和不断裂的能力，钢仍然是高层建筑的首选，尤其是在地震或飓风风险高的地区。保持建筑物的结构完整性依赖于对这些特性的深刻理解——而我们对较硬的木材没有这种理解。这就是Pantelides研究的用武之地。

由于其成分多样，大块木材远非一刀切;所使用的木材类型、木颗粒的大小和形状、它们如何粘在一起，甚至各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，Pantelides一直在排除故障并尝试不同的“配方”，最终得出了一种要求将深色冷杉木剃成木屑，将木屑紧紧地压缩在一起的木板或木板，然后用超强胶将这些层层压在一起。然后，所得胶合板可以通过由钢销钉和钢板制成的接头牢固地固定在其他木块上。

使用这个公式，Pantelides和他的团队试验了大规模的抗震建筑元素的木材版本，包括木材屈曲约束支撑（T-BRB）——这是Pantelides最近出版物的重点。

如何使大量木材在自然灾害中保持稳定

在传统建筑中，非木材 BRB 将地震的地震力从建筑框架中吸收，并将其重定向到支撑内的钢芯，该钢芯通常包裹在混凝土填充的钢管中。与其危及整个建筑物的结构完整性，不如说只有支架会受到重大损坏并需要更换。Pantelides 专注于开发一种 BRB，虽然仍然使用钢条作为核心，但由大块木材制成，并为大块木框架量身定制。

这种关注需要专门的设备。在莱顿大楼（Layton Building）的一个类似机库的实验室里，一个巨大的矩形金属塔，一个执行器，从天花板延伸到混凝土地板下面。这个巨大的红色装置通过来回摇晃来模拟地震活动对放置在里面的任何东西的影响。在这里，Pantelides和他的团队可以测试像T-BRB这样的“侧向力抵抗系统”（LFRS）。

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，然后将每个配置单独插入木框架中，然后将其放置在执行器内。然后，水平震动，而且很多 - 相当于7.0级地震的力，进行了九次测试。连接到T-BRB和框架的传感器记录了随着测试的进行，不同元件是如何翘曲或移动的。

之后，框架和支架被拆除，并进一步检查和测量。Pantelides的研究由Timberland的行业研究人员Hans-Erik Blomgren和林产品实验室的Douglas Rammer共同撰写，展示了不同子组件之间的分析，绘图和比较的结果数据。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。

虽然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集中在钢和混凝土上，谨慎对待任何使用木材建造高层建筑的行为。

但现在，由于这些规范的最新变化，以及对 Pantelides 的 T-BRB 等组件的研究，预计大量木材将在灾害多发地区激增，以应对对更可持续建筑材料的需求增加。最新版本的国际建筑规范是美国的核心建筑法规，包括18层以下建筑物的建筑类型。威斯康星州已经建造了一座创纪录的 25 层高的混合木结构和混凝土建筑，犹他州在德雷珀正在建造一座五层高的建筑。

“整个世界都苏醒了！人们会回头说，'嘿，我们为什么不用大量的木材来建造它？'“他说。“我认为在未来20年内，不会有12层以下甚至18层的钢筋混凝土建筑。这已经不可行了。在不久的将来，我们甚至会看到超过50层高的摩天大楼，这些摩天大楼是用大量木材建造的。”