更好的建筑
2021年9月16日

设计弹性

在面对自然灾害时,如何将木材融入到建筑中来支持不列颠哥伦比亚省社区

.史提夫斯顿消防大厅

适应力强,随时准备|当里士满市决定替换为史提夫斯顿社区服务的有40年历史的消防大厅时,他们用了一个标志性的项目,用山松甲虫木组成的结构木板。图片来源:hcma

今天BC省的消防大厅、警察局、卫生保健设施、学校和社区中心都是按照严格的抗震要求设计的,能够承受自然灾害的影响,而且通常是灾后中心。这些设施越来越多地使用BC木材产品,使用新开发的系统和创新,在地震、风和火灾面前提供耐久性和韧性。这些建筑的设计符合灾后标准,能够抵抗普通建筑1.3到1.5倍的地震力。

做好准备

用木头设计灾难

一个灾后建筑中心被定义为在灾难发生时提供服务必不可少的设施。这意味着它将被建造成抗震设计负荷,大大高于典型的住宅或商业建筑。在理想的情况下,地震发生后,该建筑将能够安全地重新进入并用于提供紧急服务。不列颠哥伦比亚省的其他基本服务建筑也按照灾后标准建造,以避免关键资源的中断。这包括能源中心、配套基础设施和水力发电业务中心这些设施越来越多地用木材建造,提供自然资源弹性而且app雷电竞 面对地震,大风,甚至火灾。这些建筑的设计符合灾后标准,能够抵抗普通建筑1.3到1.5倍的地震力。

其中一个例子就是梅里特火灾区办公室和省野火培训中心.该设施提供了最多58名工作人员的空间,消防设备的存储区和三间教室,以支持现场培训。庭院是一个户外训练设施,是船员聚集的地方,也是躲避强烈西风的庇护所。该两层结构由一个glue-laminated(胶合)-立柱和梁系统与工程木桁架和交叉层压木材用于屋顶和顶篷装饰。

其他例子包括Qualicum海滩消防大厅乔治王子皇家骑警支队,加拿大海岸警卫队搜救站萨尼奇区消防站2号重建很快就要开工了。

左:斯蒂夫斯顿消防大厅内部|图片由hcma提供

天生的表演者

木材的app雷电竞 性和韧性经久不衰

古老的木质建筑仍然矗立着,包括8世纪的日本寺庙,11世纪的挪威五边形教堂,以及许多英格兰和欧洲的中世纪柱梁结构建筑。它们证明了木材是一种天然的坚固、轻便、app雷电竞 ,有弹性的经过时间考验的材料。

我们在自然界中看到它。树木可以忍受风、天气和自然灾害造成的巨大力量。这是可能的,因为木材是由又长又薄又结实的细胞组成的。正是这些细胞壁独特的细长设计赋予了木材结构的韧性。细胞壁是由纤维素、木质素和半纤维素构成的。当转换为木材产品时,这些单元继续提供轻量级、灵活的结构解决方案,其强度可与其他建筑材料相媲美。

木制品可以承受相当大的力——特别是当压缩力和拉力与木纹平行施加时。一块9厘米x 9厘米的道格拉斯冷杉正方形,可以承受近10吨的拉力和压力。

因此,尽管它们的重量较轻,木制品可以承受相当大的力——特别是当压缩力和拉力与木纹平行施加时。木材的强度和弯曲能力使它非常适合抵御地震,当结合良好的抗震设计

今天的现代木结构建筑和大量木结构建筑都有可靠的防火安全记录。在发生火灾时,大量木材和工程木制品在外面烧焦,形成保护层,同时保持强度。这大大减缓了燃烧,使人们有时间安全撤离大楼。木结构的有效设计和使用最先进的防火技术 提供了额外的保证,并有助于挽救生命。因此,公元前的许多消防大厅都是用木头建造的。

右:法隆寺,刘振中|图片来源:刘振中提供Unsplash

放松

轻质建筑材料,如木材,在地震中是否更有弹性?

Cristiano Loss是英属哥伦比亚大学木材工程专业的助理教授,木结构建筑设计与施工专业副主任,专门研究高性能木质系统和结构在地震面前的恢复力。在对木材组件进行实验测试时,他指出了这种系统的内在好处。“到目前为止,使木材更有弹性的原因之一是它更轻的重量。你可能认为这是一个小问题,但实际上这是一个很大的优势,”他解释道。“木材比混凝土轻五倍,大大减少了建筑物上的地震力。”他指出了木质系统的另一个优点——它们倾向于成为一个裸露的连接系统。“事实上,你没有任何钢筋合并到材料或系统中,你可以很容易地检测损伤。只要在系统中定义了连接,及时修复是可能的。”Loss正引领着进一步的研究,以帮助工业界采用基于性能的混合质量木结构设计方法,这种方法可能导致结构组件的快速组装和大规模生产,在地震或大风等自然灾害中显著限制损坏。

Qualicum海滩消防大厅|图片:Bob Matheson

火力全开

混合木材建造的高科技消防大厅可以吸收热量

今天的现代消防大厅已经从古色古香的砖石结构中走了很长一段路。这些重要的市政设施以大胆的建筑设计、高科技的材料、暴露的大块木材和先进的技术为特点,每天都为社区服务,同时也是该省灾后必不可少的中心。

最近的一个例子——也是对这种建筑类型最先进的诠释——是新完工的乔治王子消防大厅1号。它的混合钢,混凝土和木结构容纳五个卡车舱和最新的现代消防设备。其坚决的当代形式,覆盖着碳黑颜色的壁板,以其屋顶线的优雅俯冲为特色。

左:乔治王子消防大厅1号。|图片来源:乔治王子城

hcma的Stuart Rothnie是该项目的负责人,他说:“我们创造了一个非常简单、干净的形式,当你开车经过时,你会发现它是该地区的消防大厅。”

“大多数人甚至不会想到消防服务,直到他们需要它,但我们认为,建筑具有强烈的公民身份是很重要的。它让社区放心,设施在那里是为了他们的安全和保护——我认为乔治王子消防大厅的设计达到了这一点,”Rothnie补充道。

这种木材的使用不仅是对森林产品对当地文化和经济的重要性的致敬,也证明了木材产品是一种值得信赖、防火安全和耐用的材料,非常适合这种建筑类型。

建筑的设计采用了木材。入口的楼梯井给人一个大胆的印象,它钉层木结构(NLT)用木材的温暖包裹居住者的地板到天花板。工作人员使用了10万多个紧固件和3000多块木材来建造这个设施的组成部分。大型膨胀的卡车舱是用一种层压单板木材(LVL)屋顶。从审美上看,木材的整体使用提供了视觉上的温暖,补充了建筑深色的外部覆层。大量的木材产品,如NLT和LVL,是防火安全的,如果暴露在火焰中的材料焦,形成一个保护层。

右:乔治王子消防大厅1号|图片来源:hcma

激发新设计

现代消防大厅的特点

作为灾后设施,乔治王子消防大厅1号结合了大量木材的使用,以及最新的消防大厅最佳实践和设计。

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大胆的城市地标

消防大厅建筑类型的最先进的诠释,其当代设计做出了公民大胆的声明。

名词建筑规格2366150

大体积木材混合结构

特色是由3000块木材组成的大质量木材混合屋顶结构- lvl结构和NLT楼梯井。

地震波图标

抗震

设计符合灾后标准,能够抵抗1.5倍于普通建筑的地震力。

灾后枢纽图标

灾后中心

在发生灾难时,它是该地区关键决策者的重要集合中心。

消防局长约翰·艾弗森谈到了乔治王子的新消防大厅,以及它的特点和改进将如何帮助消防员在未来几十年里保证居民的安全。

向南800多公里,靠近该省省会萨尼奇区正处于类似设施的设计阶段该建筑将采用混合质量木结构,并满足BC建筑法规规定的灾后要求。

它是加拿大第一个以零碳建筑标准为目标的大规模木结构建筑,同时为灾后应对做好了充分的准备。它将作为未来灾后建筑的示范项目和模板。该项目将以LEED金(并力争达到白金)、CaGBC零碳建筑标准和BC能源步骤规范2级为目标。该项目将用2190平方米的两层建筑取代目前353平方米的一层建筑,该建筑将容纳8台设备和急救车。

选择使用大量木材表明了萨尼奇消防部门对材料的安全性和性能的信心。“根据我的经验,在重大火灾发生后,我处理过的许多大型木结构建筑通常都没有倒塌。大部分木材或重木材部分只是被烧焦了,而建筑的结构完整性有很大一部分保留了下来,”萨尼奇消防部门的副消防队长丹·伍德说。

左:Saanich区消防站2号重建|效图由hcma提供

被解雇了

不列颠哥伦比亚省的消防大厅以大量的木材设计为特色

从乔治王子和萨尼奇到史蒂夫斯顿和Qualicum海滩,大量木材越来越多地用于整个省的消防大厅和相关设施。这种木材的使用不仅是对森林产品对当地文化和经济的重要性的致敬,也证明了木材产品是一种值得信赖的、防火安全的、耐用的材料,非常适合这种建筑类型。

史蒂文斯顿消防大厅2号|图片来源:hcma

大体积木材混合建筑将使用钢和木材柱梁系统支撑解释水平理论地板,一个CLT屋顶悬挂胶合梁,和一大块木材剪力墙。悬挂的CLT屋顶由一个直立的胶合木梁支撑,留下一个空隙,可以容纳额外的绝缘,提高建筑的整体热性能。悬架系统需要一种独特的连接设计,可以复制到整个屋顶,并可以开发为未来项目中使用的典型连接。选择部分暴露的大块木材将为设计增添温暖和个性。

“我对使用来自公元前的木材感到兴奋。它不仅易于使用,而且大量的预制木材系统在场外完成,如果设计正确,它可以比钢和混凝土更有效地承受地震和横向力,因为它的重量更小,有更大的灵活性,”Wood说。

右:Saanich区消防站2号重建|效图由hcma提供

艰难困苦的学校

为恢复力建设教育设施

如今,越来越多的学校被建造得更加耐用,能够抵御地震等自然灾害的冲击。在过去的几年里,不列颠哥伦比亚省投资使该省的学校具备抗震能力,并且在某些情况下能够成为学校所服务社区的灾后重要中心。

这部分要感谢通过加拿大自然资源部的木材绿色建筑(GCWood))项目,鼓励在非传统建筑项目中使用木材,例如高层木质建筑、低层非住宅建筑和桥梁。该计划包括两所位于下内地的新学校湾景小学而且马修·贝比爵士小学这是温哥华学校董事会将大量木材纳入学校的试点项目的一部分。

左:Bayview小学地震更换|渲染由Francl Architecture提供

湾景小学的大规模木结构在紧凑的场地上实现了高效的平面规划——外部和结构墙、地板和屋顶使用CLT,辅以胶合木柱和梁。暴露在外的木材为室内空间增添了温暖和个性。为了培养协作学习空间,教室的体量是交错的,走廊是扩大的,允许休息室、座位、活动空间和更大的学习空间下议院.图书馆向走廊开放,增加了灵活的空间和非正式的学习。CLT系统兼具重力和剪力墙的双重功能,以抵抗该地区的高地震力。为体育馆及多用途房间复合材料双t设计将CLT与胶合梁组合成16根长跨度面板。

右图:Bayview Elementary Seismic Replacement, mass timber installation |图片来源:Wade Comer Photography

离湾景小学不远的是马修·贝比爵士小学。新学校取代了1922年建造的原建筑,是BC省政府通过设施升级和更换来加快学校地震安全的举措的一部分。它的长跨度大块木材形成了学校的象限配置,同时通过建筑的南北和东西走廊提供精心设计的寻路功能。再一次,CLT作为重力和剪力墙,以抵抗该地区的高地震力。内部的非结构隔断容纳机械、电气和管道系统。CLT墙壁上的大开口将每个教室与每个豆荚的公共空间连接起来。

CLT建造的结构为多用途屋顶提供了悬臂式设计,复合双t设计结合了CLT和胶合板梁的长跨度面板。该系统容纳了一个浅结构深度的开放空间。对于大型体育馆,长胶合木梁瞬间连接,创造了一个引人注目的拱形屋顶。

左:Mathew Begbie Sir小学在施工期间的地震更换|图片来源:Bright Photography

专家的见解

大量木材如何提高学校的弹性

尼克轮

Fast + Epp的校长Nick Bevilacqua分享了他对BC省和其他地区学校设计的未来的看法。他在所有建筑类型方面都有广泛的经验,目前正在全省多个以创新木结构为特色的学校项目中工作。


问:大规模木材混合建筑系统的抗震优势是什么?

答:大规模木结构的好处之一是,我们倾向于尽可能多地暴露结构。这使得灾后对这些结构的检查更加直接。失效点往往在金属连接处这是一种比其他结构更容易改造的东西。地震事件发生后,混凝土的评估往往具有挑战性。你要寻找的是钢筋的开裂和失效——这些东西很难被迅速发现,尤其是当结构被隐藏起来的时候。

问:木材和自然材料在未来学校的设计中扮演什么角色?

答:这两所学校,Sir Mathew Begbie小学和Bayview小学是大规模木结构建筑潜力实现的很好的例子。除了满足地震缓解项目的要求,这些建筑中使用的木材框架系统为学校社区提供了温暖、诱人的空间,并帮助学校董事会实现他们的可持续发展目标。

在这一点上,在学校设计中使用天然材料如木材的亲生物优势在教育界得到了很好的理解。有许多出版物,包括一项研究不列颠哥伦比亚省学校的木材使用我们在2018年与Stantec合作完成的项目,帮助在社区内培养这种意识。

破解密码

了解BC的建筑规范和弹性

BC建筑规范规定了与建筑物恢复力和灾后准备能力有关的负荷的四个“重要类别”。看到BC建筑规范4.1.2.1表。有关建筑物的重要类别的完整清单。

低的重要性

一旦发生故障,对人类生命的直接或间接危害低的建筑物,包括可证明倒塌不太可能造成伤害或其他严重后果的低载人建筑物和小型存储建筑物。

正常的重要性

正常的

所有住宅、商业、办公和工业建筑,但在重要类别低、高和灾后建筑除外。

高度重视

可能用作灾后避难所的建筑物,包括小学、中学或社区中心等建筑物。

灾后的重要性

灾后

灾后建筑是对提供医院、急救设施、发电厂、公共水处理设施、消防、救援、警察局和通信设施(包括电台和电视台)等服务至关重要的建筑。

像钉子一样坚韧

针对弹性设计的能源和运营设施

能源和运营设施是一些最基本的服务,需要在灾难面前保持弹性和正常工作。持续的电力供应、清洁水、污水处理系统和其他关键设施对于帮助社区度过可能影响日常生活数周甚至数月的事件至关重要。当这些设施在建造时考虑到木材和可持续性,还可以有助于实现控制排放和气候变化影响的长期恢复力目标。

一个例子是亚历山德拉地区能源公用事业扩展,位于里士满的高科技地热设施大楼。整个建筑都使用木材,作为结构元素和装饰特征。外部使用了黄色的雪松包层,来自自然倒下的树木。CLT墙和屋顶板以及胶合梁和柱的选择,以实现建筑内部大型设备所需的显著跨度和清晰的高度。

在地震方面,该建筑是按照灾后标准设计的,能够抵抗普通建筑1.5倍的地震力。CLT系统还以灵活性和未来扩展的形式提供了弹性,它易于切割和配置,以适应设施中复杂的电缆和管道。

左:亚历山德拉区能源公用事业扩展|图片来源:Michael Elkan

很健壮

使用大量木材的弹性公共基础设施

大块木材越来越多地用于全省的公共基础设施,其抗震性能得到了研究的支持。试验表明,CLT平台型墙等大规模木结构体系的抗震性能直接受到连接器和紧固件选择的影响。FPInnovations研究了11种不同类型的CLT墙的抗震性能,这些CLT墙可用于平台式建筑。这些配置包括三种不同长宽比的单面板墙,带台阶连接和不同类型的螺钉连接的多面板墙,以及两层墙组件。

结果表明,当钉或螺钉与钢支架配合使用时,CLT墙具有足够的抗震性能。在墙的两端使用固定钉可以提高其抗震性能。一个关键的发现是:带有压紧的墙提供了明显更好的抗震性能和改善的耗能。为了确定三维结构如何响应地震力,FPInnovations团队测试了一个两层平台型CLT房屋(一个方向对称,另一个方向不对称)。该结构承受了摇摆和滑动变形的组合,主要变形存在于搭接、支架和固定处。根据FPInnovations公司高级科学家Marjan Popovski的介绍,总体而言,在发生破坏时,结构的完整性没有受到影响,底层发生了约3.2%的漂移。

马修·贝格比爵士小学地震更换|图片:Bright Photography

展望未来

木材的光明和坚韧的未来

随着先进的混合木结构建筑系统越来越受欢迎,以及高度结构工程师,如Fast + Epp的Tobias Fast,预见到未来的无损伤弹性建筑不仅能在地震中拯救生命,而且震后仍能安全居住。而这样的未来可能并不遥远。

法斯特的公司将这种系统纳入了他们的新落成的总部该项目是一座四层混合型木结构建筑,位于温哥华坎比-市政厅社区的中心地带。

技术是无损坏系统出生于新西兰克赖斯特彻奇地震。该装置在地震发生后会自动集中,使结构能够承受地震和随后的任何余震。

该技术可以应用于新的或现有的结构,不需要事后维护,具有成本效益和紧凑性。正如Fast所指出的,它非常适合大规模木结构建筑的轻质优势。

“大型木结构建筑通常都很轻。得到的惯性力按比例变小。这意味着对剪力墙、支撑和这些减震装置的需求会减少。”

快速+ Epp家庭办公室外观

上图:Fast + Epp总部街景,图片来源:Michael Elkan摄影提供Fast + Epp |左图:Fast + Epp总部大块木材装置|图片来源:Mathias Fast Photography提供Fast + Epp

当谈到回弹性和抗震设计时,Fast解释说混凝土容易退化和腐蚀。“大多数建筑都需要混凝土,但可以肯定的是,大量的木材可以替代很大一部分。当与这些特殊设计的减震连接器等技术结合时,这些可持续可再生建筑系统可以变得有弹性,挽救生命,几乎消除破坏,以便在地震后重新进入。”

Fast + Epp的技术应用延伸到一个高大的木材项目,基思路2150号该建筑采用木材支撑框架和CLT剪力墙系统。

Fast的公司并不是唯一一家在大量木材上使用这种技术的公司。距离Fast + Epp的办公室仅几个街区,木材工程公司的负责人Robert Malczyk也在他们的大型木材商业办公楼中使用了泰克托克oN5

右:oN5 |渲染由海姆斯沃斯建筑公司提供

颠覆一切

尖端技术和大量木材设计提供了非凡的抗震能力

位于温哥华Cambie和Broadway市中心的一栋四层办公楼展示了切割技术,并展示了大规模木结构在大地震的不幸事件中是如何恢复的。在CLT剪力墙的底部安装了特殊设计的连接器,作为减震器,在重大地震后“折断”建筑,使其恢复原位,没有损坏,并允许立即恢复使用。作为Fast + Epp的概念实验室计划的一部分,连接器和暴露的木材作为内部饰面未被遮盖。

图片由constructus Resilient Seismic Solutions提供

Fast + Epp在这方面更进一步,并取得了成功办公室变成了一个活生生的概念实验室,由软件和数字应用程序支持。这使他们有能力测试和展示大规模木材工程的进步,最终目标是与更广泛的设计社区分享他们的发现。

随着工业的发展,该省看到了BC在大规模木材和弹性设计方面领先的机会。

“我非常好奇混合方法的可能性,其中包括大量木材和其他形式的生物质元素,更可持续的具有二氧化碳吸收功能的混凝土和钢铁。我认为这是未来几年伟大的创新将发生的地方,因为我们将转向更多的可再生能源,环保的弹性建筑设计,”Andrew Pape-Salmon说,他是该省建筑和安全标准部门的前执行主任,同时也是维多利亚大学土木工程学院的副教授。

“不列颠哥伦比亚省的大规模木材创新有望将我们的设计专业人员、产品制造商和开发人员定位为全球领导者,并在全球范围内实施这些应用,”Pape-Salmon补充道。

在不列颠哥伦比亚省,大规模木结构建筑设计的前景是光明和有弹性的。

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