建设地点:日本宮城县仙台市

建筑设计:Seseki设计

结构设计:増田建筑构造事务所 (山田宪明)

建筑面积:997.555 m²

构造形式:木结构

建筑层数:主楼2层, 副楼1层

建成时间:2010

“Eco Lab” (生态实验室) 是日本东北大学为了推进“环境省生态住宅项目”, 作为环境科学研究科的标志性建筑而建造的木制建筑, 建筑面积约1 000m², 地上共2层, 是集研究所、教育等设施为一体的综合性建筑 (图1, 2) 。作为“地产地消”的典范, 本案利用东北大学自有农业生态林中的杉木为主要结构木材, 设计并实现了没有剪力墙的开放空间建筑。

在日本, 积极使用建筑所在地范围内的本地木材来生产建造木结构建筑的“地产地消”的尝试在各地被大力推行。因此, 配合当地木材的自身特点而采用的建造方式显得尤为重要。例如, 若所在地自产木材尺寸小于建筑使用木材标准, 则会给生产和建造环节带来不必要的麻烦;若大于要求的标准建筑用材, 则可以使建造和结构设计更加合理和巧妙。

本案中可供使用的本地木材尺寸比标准要求的建筑流通木材规格尺寸稍大 (截面120mm×360mm, 长度约6m) , 截面尺寸可达150mm×390mm, 长度约4～6m, 最长可达8m左右。为了将木材处理成“无垢”木材, 需要对其进行充分的干燥。因此在设计方案确定之后, 将建造木材分析、分类, 请业主方提前分批采购处理。

建筑平面布局分为南北两个部分, 其中南侧为2层建筑, 由教室和办公室等教学功能区组成, 北侧建筑为1层, 主要是设备间 (图3) 。南侧主楼平面是东西方向长约24m、南北长约18m的长方形布局, 东西两侧及南侧分别有突出的阳台和门廊。东西方向24m由等分的三个区域构成 (各8m长) , 以挑高的中央大厅为中心, 一层东西两侧分别设置了教室, 二层则围绕中央大厅布置了10间教师办公室。

一层层高约4.2m, 二层层高3.2m, 作为木结构建筑算是比较高的层高设计。中央大厅在设计上被赋予了“光和风的通道”概念, 顶部可开启的天窗集采光和通风换气功能于一体, 比屋顶平面还高出2.7m (图4) , 正对入口中央大厅的方向设计了标志性的悬梯以通往屋顶。

在整个建筑的结构设计过程中, 有以下几个重点需要特别注意:1) 8m跨度的楼板其恒载、活载和水平方向荷载的抵抗能力;2) 较大层高的相应解决方案;3) 建筑整体刚性的控制;4) 水平构面元素的表示;5) 接合细部的设计与施工方式;6) 入口大厅上方的设计。

为了可以全面、有效地利用长度和截面尺寸有限的本地杉木木材, 实现8m跨度的无柱无剪力墙的开放空间, 需要在结构设计上下一番功夫。按照一般的方法思路, 简单地将8m跨度的楼板架设在主梁上, 需要特别定制大截面的集成木材, 而这样的设计需要大量的剪力墙 (构造用合板组成) 。而本案则巧妙地运用了“立柱+双梁+加腋+半刚接柱脚”等技术要素, 采用常规的小尺寸木材制作“组装式木结构框架” (图5) 。

首先, 用双梁夹住位于区域边界线上的立柱, 形成门式框架结构的雏形。不过, 因为主梁跨度8m且整跨之间不希望出现连接构件, 理论上需要8m长的整根木材。另外, 竖直方向的荷载会导致主梁应力和形变都比较大, 而且几乎无法抵抗水平方向的侧力。因此, 为了能利用木材制作出像钢结构或混凝土结构那样有效的框架结构, 团队决定在框架的角部加入加腋斜撑。由此可有效减少垂直方向荷载所产生的应力和形变, 也能够在水平方向起到抵抗侧力的作用。而且, 即使在主梁整跨的中间部分, 从加腋的位置也可以有效地设置榫卯梁头节点, 这样就不需要使用8m长的特殊木材了。另外, 双主梁的设计可以简化主梁与柱子, 以及主梁与加腋斜撑的节点, 尽可能减少对立柱截面完整性的破坏, 可以相对简单地连接连续主梁。通过由南向北排列的2m框架梁轴线间隔, 形成了能够有效抵抗竖直、水平方向荷载的基本框架结构。但是, 由于这种加腋设计会对立柱产生较大的局部弯矩和剪力, 为了能够承受这个影响, 决定在柱材中使用平角材 (长方形截面) 而不是通常的正角材 (正方形截面) , 加腋梁连接立柱的长 (强) 轴方向 (图6, 7) 。

随着层高以及建筑整体高度的增加, 整个建筑物水平方向的应力和形变都会逐渐增大, 而相对细长的立柱也更容易产生屈曲。外立面也由于风荷载而更容易产生形变, 很难设置尺寸较大的开口来提高开放性。项目一层层高为4.2m, 整个建筑水平方向抗侧力、立柱屈曲, 以及外立面抵抗风荷载都成为了需要解决的重要课题。

为了提高门式框架结构的抗侧力能力和整体刚性, 提高柱脚部的稳定性是非常有效的措施之一。因此, 设计考虑给木柱脚部“穿上鞋子”, 做成嵌入混凝土基础的“掘立柱”, 以提高柱脚的稳定性 (图8, 9) 。通过与上述加腋斜撑及门式框架的组合, 不仅能够大幅降低水平方向的应力及形变, 而且由于有效地减小了屈曲长度而提高了整体结构的效率。

在抵抗外立面风荷载时, 则巧妙利用建筑物外侧长廊的木制屋顶。虽然长廊屋顶原本是从二层楼板平面伸出, 再由外围立柱支撑, 但是由于长廊屋顶的内侧直接与外立面相连, 从而间接但有效地抑制了外立面平面外的形变。虽然长廊原本只是为外观及建筑周围环境服务的附属设施, 但是通过这样巧妙的设计, 同时兼顾了外立面抵抗水平风荷载的有效次级结构, 使得在外立面原有基础上设计大开口的出入口成为可能 (图10) 。

在建筑平面布局规划上, 北侧设计成较为封闭的单层附属建筑, 而南侧设计了较为开阔的出入口大厅和面积较大的教室, 因此结构上需要考虑建筑的整体刚度平衡 (偏心率) 以及竖向刚度平衡的问题。为了解决这个问题, 考虑通过改变加腋斜撑的位置和角度来平衡建筑的整体刚度。

通常, 加腋只是设计在柱子上部, 如果降低斜撑与立柱的连接位置, 会增加框架的刚度。当框架的上下角同时加入斜撑杆件时, 整体的刚度会更进一步提高, 当上下斜撑角度变成菱形状态的时候, 整体刚度达到最大 (图11) 。综上所述, 通过改变加腋斜撑杆件的数量和位置, 能够较为自由地控制建筑物的刚度, 各层能够得到偏心率0.15以下、刚度率0.60以上 (日本木结构规范对这两个数据有详细的要求和限制) 的平衡状态 (图12, 13) 。

水平耐力的结构单元需要批量集中生产和安装, 而水平构面之间的间隔相对较大 (层高较高) , 因为屋顶的水平荷载能否确实传递到地面是需要认真落实的重要问题。刚度较大的水平构件在与梁连接的部分需要放置较厚的构造用合板, 用钉子在合板四周加以固定。同时要注意将梁结构有效地遮蔽, 才不会影响视觉效果。这样的结构单元全部在工厂完成组装, 生产成合板、根太 (次梁) 、单元主梁一体的水平 (地板、屋顶) 结构单元, 然后现场安装, 用较大的钉子固定单元与结构大梁, 从而形成刚度较大的完整水平构面 (图14, 15) 。而在地板单元的内部, 通过在次梁上预留的孔洞来布置管线, 提高整体建造的灵活性 (图16) 。

为了实现连接节点等部位的结构特性, 同时满足低成本和易生产的要求, 决定将木-木接合的方式作为建筑主要的节点连接方式。

门式框架的立柱和斜撑的节点主要由嵌入式榫头和稳定螺栓构成, 双梁和斜撑的节点主要由金属筒套和长销构成, 双梁与双梁之间的节点则采用了传统的“追掛け大栓継手” (图17, 18) , 该节点位置的确定应是从加腋斜撑向梁中心方向, 选择弯矩和剪力较小的位置, 而这种传统的榫卯节点能够传达弯矩和剪力, 其应用非常广泛。

进入建筑的入口大厅, 最先映入眼帘的就是大厅正面设计的内部楼梯。这个位于整座建筑最显眼位置的楼梯, 其整体设计给人的感觉就像是楼梯穿过了大厅, 穿过了天窗直接通向室外。

U字形钢制楼梯的最上面悬挂在木结构主梁上, 而U字形结构产生的扭曲和水平方向的形变则通过连续的钢结构踏步以及两侧的支撑结构来抵抗和消化 (图19) 。

2011年3月11日, 日本东北地区的太平洋海上发生震度为6级 (日本地震分级) 的强烈地震, 校园内设施损坏严重, Eco Lab整个建筑虽在地震中摇摆晃动, 却连一块玻璃都没有破损, 地震后学校也在建筑内设置了大学抗震总部。在地震中, 本案的结构系统完全发挥了抗震的设计功能, 作为设计者我们也可以放心了 (图20～22) 。