BROCK COMMONS 高层木结构建筑

不列颠哥伦比亚大学（UBC）学生公寓

项目介绍

Brock Commons 是UBC大学 温哥华校区规划的五栋住宅楼之一（按建造顺序它是第三栋，之前的两栋是 Ponderosa Commons和 Orchard Commons）。这些大楼不仅作为学生宿舍，还是校区的教学和休闲中心。中心全部采用相似的规划和城市设计，但 Brock Commons 的独特之处在于采用重型混合木结构：底层是带加混凝土核心筒的混凝土裙楼，其上是16层重型木结构，共53米高，18层。   
Brock Commons是由2013年加拿大国家资源竟赛（2013 National Resources Canada）支持的两个高层木结构示范项目之ー,目的是促进加拿大的木材产品设计和生产。这栋开创性的建筑将展示工程木产品和建筑技术的创新，创造硏究和学习北美环境下高层木结构建筑设计、施工、使用和居住的难得机会。
Brock Commons
  • 设计流程

建筑外围

Brock Commons大楼的外围护采用幕墙系统（底层）、结合预制板系统（2至18层），外加传统组合屋面。采用预制外围护系统的原因是在木结构搭建时能够快速围起每一层，从而避免雨水破坏并降低受损风险。
节能是另一个考虑因素：外围护具有R-16的最小热阻值。外部颜色和外观与校园内其他学生住宿中心风格相似。
建筑考虑设计了四种外围护方案，作为整套设计和建造方案，满足保温、材料和外饰的标准规格：
  1. 大型窗檻墙和玻璃的幕墙系统；
  2. 预装窗户的预铸碳纤维钢筋混凝士保温夹层板；
  3. 预装窗户的木框龙骨系统；
  4. 预装窗户的结构轻钢龙骨系统（选中应用方案）；
决定主要考虑了成本、重量、安装简易性以及整体性能，包括不可燃建筑。
  • ① 屋面
屋面组件为传统组合屋面系统置于金属面板之上，以钢梁支撑。
  • ② 裙楼外围护
大楼底层将用玻璃幕墙系统围成；
带直立双锁边金属屋面的三层CLT板顶棚为行人遮雨。   
  • ③ 裙楼外围护
外围护结构主体为外部预制板系统，由安装在每层的角钢（L127x127x13)支撑；
面板长8m、高2.81m（对应两个结构开间和一层），另有特殊角板；
面板由轻钢龙骨和玻璃纤维保温棉组件构成，带有雨幕木纤维层压挂板系统和预装窗户组件；
结构、窗户和雨幕组件为预制，隔汽层、保温棉和内饰面为现场安装。   

建筑系统与设备

建筑设备包括输送系统、管道设备、电气系统、供暖、通风和空调（暖通空调）系统以及消防系统。
这些系统相对常规，在任何高层住宅楼里都能看到。它们用于木结构建筑时的设计考虑因素包括：
  1. 建筑系统在集中位置的整合以及协调一致的布线路径，做到减少在CLT面板穿孔；
  2. 所有系统布线路径的预先设计，协调明装横向布线和预装组件穿孔的净空高度；
  3. 建筑系统和伸缩缝的灵活设计，做到容纳混凝土核心筒和木结构之间的不均匀沉降和潜在移动；
  4. 预防和缓解措施，做到漏水时减少单元或室内组件内部的积水。
  •  输送
大楼有两台电梯，位于混凝土核心筒内，这是高层建筑的典型做法；
其中一台电梯采用应急电源运行，作为指定的消防电梯。
管道系统、混凝土核心筒

室内设计

  • 布局
Brock Commons的规划和室内套房布局以学生住宿管理部为其他学生住宿中心设计的先例为依据
底层容纳学生使用的公共设施，例如社交聚会和学习空间。行政、洗衣设施、储藏间、机械、电气和其他设备室也位于底层。
每个居住层有16个单人间和2个四人间（18楼除外，这里有1个四人间和1个休闲室）。
木结构考虑因素包括尽量减少穿透CLT面板和胶合板塞缝片，具体做法有集中设施、将卫生间和厨房背靠背设在房间中央、让位墙不设管道。   
平面图
  • 声学
室内设计有关性能的关键考虑因素是降低破坏性震动和声音传播。设计上的解决方法包括：
  1. 用40mm混凝土面层增加CLT楼板的重量和刚度；
  2. 在单元内安装小方地毯和弹性地板，以降低地板表面硬度；
  3. 在CLT面板和室内顶棚之间形成空腔，方法是从弹性条和顶部轨道悬挂石膏板；
  4. 通过分层、气室、室內隔断内加隔音材料等吸收声。

结构设计

  • 结构连接
Brock Commons的混合结构包括多种连接类型：重型木结构和混凝土裙楼及核心筒之间、重型木结构内部、重型木结构和屋面之间的连接。
连接的考虑因素包括：
  1. 纵向（重力）负荷以及面板剪切负荷的有效转移；
  2. 楼板起到横隔层的作用，将横向负荷转移到核心筒；
  3. 尽量减少整栋楼的震动传递；
  4. 考虑建筑沉降以及木构件与混凝土构件之间的移动；
  5. 潮湿和承重造成的木构件沉降和收缩；
  6. 制作和安装的误差，木材产品的差异；
  7. 组件的可施工性，安装的简易性和速度
  8. 渗水以及任何潜在损害的缓解；
  9. 连接性能的长期监控。
主要连接形式
①  柱与钢结构屋面
1. 柱与屋面结构的连接类似于柱与柱的连接，屋面梁用焊接钢组件支撑，焊接钢组件锚固到胶合层积材柱的顶部。
2. 组件将根据钢结构屋面的坡度调整。   
② 柱与CLT面板
1. 柱与柱/CLT面板的连接包括圆形结构空心型钢（HSS）紧固到钢板，钢板使用螺杄连接在每根柱子的顶部和底部，螺杆用环氧树脂粘合到柱子中；
2. 柱子底部较小的HSS适应下方柱子顶部较大的HSS；
3. CLT面板在下方柱子顶部受到支撑，由四根螺杆栓接到钢板；
4. 连接仅通过柱子直接转移纵向负荷。   
③ 柱与混凝土板
混凝土板与柱的连接类似于柱与柱的连接，但底板采用栓接到混凝土转换板。
④ 拉条
1. 拉条为钢板（100mm宽）用螺丝拧到CLT面板顶部并栓接到钢引弧板，焊接钢引弧板将钢板嵌入核心筒；
2. 拉条将横向负荷从楼板转移到核心筒；
3. 拉条的长度、厚度和间距根据其在结构内部的位置而定，做到可承受不同负荷（楼层越高，拉条越大、间距越密）。
⑤ 角钢
1. CLT在混凝土核心筒处受到角钢（L203x152x13厚LLH）支撑，角钢焊接到铸入核心筒壁的嵌入板（300mm宽）；
2. 连接可承受连接点处的纵向和横向剪力传递。
连接细节
  • 结构系统
Brock Commons的结构系统设计为混合结构。 地基和底层以及核心筒（内含楼梯井、电梯和设备立管）为现场浇筑混凝土。3至18层的结构由重型木制柱子和楼板组成。连接件和具体部分构件（例如屋面结构）使用为钢材。   
① 屋面结构
屋面用钢承板和钢梁（由胶合层积材柱支撑）建造，选择钢制屋面是为了缓解减轻若发生渗水时可能出现的问题。
② 柱子
楼面和屋面用排列成4x2.85m网格的GLT和PSL柱支撑；
低楼层使用较粗的柱子（265x265mm)，高楼层使用较细的柱子（265x215mm)；
PSL柱用在2至5层的楼板中央具有承受较高负荷的位置   
③ 楼板设计
楼板由CLT面板组成，方向顺着建筑的长轴，交错安装，用胶合塞缝片牢固连接，形成横隔层。
面板厚169mm，宽一个开间（2.85m)，长度有四种，最长的达到三个开间（12m长）。
每层使用29块面板，大部分为根据预切的机械、管道和电气开口形状而特制的。   
④ 混凝土核心筒
两个核心筒容纳楼梯、电梯井和机械设备。
它们以现场浇筑钢筋混凝土（450mm厚）制成，提供足以抵抗建筑整体高度上的侧向风或地震力的结构刚度。
⑤ 裙楼
混凝土裙楼容纳底层设施和设备空间，并支撑二楼转换板（600mm厚）上的木结构。
决定建造混凝土裙楼是因为需要独立于木柱网格的大跨距度空间，抵抗各种影响，将机械和电气设备置于不可燃空间内。   
⑥ 地基
地基为钢筋混凝土扩展基础（2.8x2.8x0.7m)，四周是混凝土墙和条形基础（600x300mm）。
每个核心筒由一个筏板（1.6m厚）支撑，每个筏板带有四个可承受1250KN张力的地锚。   
钢组件、木组件、核心筒及地基

建筑用材

重型木材和结构复合木材产品使用多种行生木制品，通过以胶黏剂粘合木材的创花、单板或厚木板制成。
这些产品包括：胶合木（GLT）、正交胶合木（CLT）、平行木片胶合木（PSL）、钉接胶合木（NLT）、旋切板胶合木（LVL）、层叠木片胶合木（LSL）、定向创花板（OSB)等。
这些产品用途极广，可以用于多种建筑类型和功能。它们采用可再生资源制成，碳排放量低于钢材和混凝土。产品可以根据具体属性进行设计，例如形状、结构能力、美感和表面处理方式等。
主要用材
  • 正交胶合木 （CLT）
  1. CLT面板的制作方式是用胶黏剂或机械紧固件交又层压三到九层木材；
  2. 面板尺寸通常为厚50mm到300mm、宽1.2m到3m、长5m到15m；
  3. CLT面板用于承重楼板、墙和屋面，用以起到横隔层或剪力墙的作用；
  4. 面板上的开口在工厂预先切割或在施工现场切割，包括用于管道和通风管的小型开口以及门窗开口。
CLT
  • 胶合木（GLT）
  1. 胶合木的制作方式是用粘合剂在受控条件下水平层压端部相接的标准尺寸木材；
  2. GLT木材是一种特殊等级的木材，直接从锯木厂购买，有三种树种组合：花旗松和落叶松、铁杉和冷杉、云杉和松木；
  3. GLT的应用包括过梁、横梁、大梁、立柱、重型桁架；
  4. GLT几乎可以制作成无限种或直或弯的形状，还能同时满足设计复杂性和结构要求。
  • 平行木片胶合木（PSL）
  1. PSL是一种高强度结构复合木材产品，制作方法是高压粘合木材单板条（去除了木材的生长缺陷）；
  2. PSL的生产原料主要是采用加拿大花旗松和美国南方松；
  3. PSL用于需要高抗弯强度的重载立柱、横梁和过梁；
  4. 它是一种专利产品，商品名是 Parallam®。
图片来源:
Acton Ostry Ing、
Cadmakers Inc、
UBC研究团队、
iaacblog,com(CLT)、
curwood.co.nz(GLT）、
Structure Craft Builders(PSL)、

信息来源： Canadian Wood Council（cwc.ca)