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现代木材建造的全方位技术技能培养

瑞士比尔高等木材技术学校的启示

Competence-oriented Training for Practice-relevance to Wood Engineering

Enlightenments from the Higher Technical School of Wood Biel


彭怒    李凌洲    PENG Nu, LI Lingzhou

Abstract

中国是一个木材工业大国,但木材工程在现代建筑中却应用得很少。与此不同,西方一些国家很早就开始进行现代木材建造的探索和实践,木材工程在建筑领域的产业体系趋于成熟。瑞士比尔高等木材技术学校是一所面向木材工程产业的学校,为木材建筑领域提供受过高等职业训练的人才,同时进行相关科研和工程实践。学校的教学、研究和工程实践之间有着密切的联系。观察其教育和科研体系如何在木材工程相关的建造领域发挥作用,可以为中国现代木构建筑的教学、研究提供启示,并对中国现代木构建筑的实践产生积极影响。


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1 比尔高等木材技术学校与瑞士技术技能人才培养体系


瑞士伯尔尼应用科学大学(Bern University of Applied Sciences)建筑、木材与结构工程系(Department of Architecture, Wood and Civil Engineering)中的木材工程专业(Wood Engineering)在首都伯尔尼北部的比尔市拥有独立校区,即比尔高等木材技术学校(Higher Technical School of Wood Biel,简称“HTS”)[1]。比尔高等木材技术学校是瑞士唯一的木材工程学校,在欧洲和全世界皆享有盛誉。


瑞士高等教育院校分为州立大学、联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)、应用科学大学(University of Applied Sciences)和师范大学四种类型。四类高校分工不同,其中州立大学与联邦理工学院更关注学科的基础研究,应用科学大学偏重技术研究与应用。应用科学大学的设立源于1993年的瑞士高等教育改革,当时全国60多所高等职业技术学院按地区被合并成7所应用科学大学[2],伯尔尼应用科学大学即为其中之一。瑞士的应用科学大学不但提供本科和硕士教育,还衔接中等职业教育和继续教育,构建了完整系统的技术技能人才培养体系。应用科学大学也是欧洲国家高等教育体系的重要组成部分。


随着全球环境问题的升级,木材作为可再生(recyclable)建筑用材在避免资源转换以减少能源消耗上的优势,日益被认识和关注。木材工程及相关行业的发展为比尔高等木材技术学校带来更多生源,教育制度改革也为学校带来发展契机。自1997年起,学校不仅提供全日制的本科和硕士教育,也为从业者提供继续教育。同时,学校的科学研究、技术开发面向实践和木材工程的生产体系。


为了紧密结合木材工程及相关行业的需求,培养木材工程师和木材工程行业管理者,学校的课程以实践为导向,主要关注如何进行木材建造、木材制造的工艺以及如何开发低成本且功能合理的产品。学校教师都有专业的研究背景和实践经验,以确保课程中理论和实践的紧密结合。由于积极面向市场与实践,学校的毕业生在世界范围内得到广泛认可。他们既可在木材相关企业的研发和测试部门工作,也可在这些企事业单位中担任管理职位或从事行政职务,有的还投身教育,在木材工程的教学和科研中施展才能。


2 高度职业化和全球视野的教学体系


2.1 模块化的课程设置

比尔高等木材技术学校本科学制为三年(6个学期)。教学内容涵盖原木材料(wood)和复合木材(wood-composite materials)的工艺和应用。课程具有模块化的结构,包括教学和自学两大模块,分为三种类型——必修、选修和自选课。在两大模块下,设有下一层级的专业模块,包括一年级学习基础知识的一系列模块、二年级的木结构与技术模块(TST)和工艺与产品管理模块(PPM),以及三年级不同领域的多个模块。每个专业模块包含一系列相应课程。


比尔高等木材技术学校本科课程模块设置


硕士阶段的课程设置也具有模块化结构,学生可在复杂木材结构(CTS)或工艺和创新管理(MPI)两个模块中选择一个深入研修。每个模块中都含有两个项目,分别持续一学期。每个项目包含有两个次级模块,分别是案例研究模块与组织协同模块。


比尔高等木材技术学校硕士课程模块设置


所有专业性的课程模块都有自身的特点和适用范围。在本科学习的基础阶段,木结构与技术模块强调静力学、数学计算和尺寸制定以及具体的建造和实施,并让学生熟悉瑞士和欧洲的规范,在复杂建筑及其支撑结构的建造中掌握木构的基本概念和特性。工艺与产品管理模块专注于优质和环保的木材产品的工艺,涵盖加工和机械技术、操作计划、企业管理、产品开发营销等领域[3]


三年级学生可选择6个模块:工艺管理模块、产品管理模块、室内装修模块、建筑表皮模块、木结构房屋模块、工程和木材建造模块。工艺管理模块在生产、效率、柔性精加工和逆向工程等方面培养学生开发并应用复杂、经济的精加工工艺的能力。产品管理模块则作为产品开发、设计技术和可视化的一部分,培养学生协调设计、生产和销售的能力。选课学生需要开发新产品,做好进入市场的准备。室内装修模块通过融汇设计、建筑、装修和规划等模块中的知识,培养学生与建筑师合作进行室内设计的能力。建筑表皮模块针对建筑外表、窗和外墙技术,传授改造和新建建筑所需的节能技术和方法。木结构房屋模块专注于确保木材建筑的质量和耐久性,并注重效率和环境。工程和木材建造模块学习基础和建模、构造和工艺、木材构造和稳定性以及复合结构和静力学方面的知识,使学生获得开发和建造受力结构的能力[3]10


在硕士教育阶段,复杂木结构(CTS)包含两个项目。在第一个项目“复杂木结构的建模”中,学生需要分析多种自由形式和各种壳体结构。重点是建模、静力学分析、计算复杂的受力结构与节点及其具体实现方式,并在制造和装配的跨学科工作中优化设计。同时,还将考虑相关的施工过程、计划和成本。第二个项目关注多层木结构和混合结构,包括测试多层木结构的承载能力,对抗震木材受力结构进行设计、模拟和计算,应用目前的抗震结构标准。此外还学习评估抗震设计结果。同时,发展多层建筑的概念,应用现有建筑物的评估和加固程序,解决建筑物理和消防安全方面的问题以及相关规划和施工过程管理的具体问题。


工艺和创新管理(MPI)模块的第一个项目是木材工业中的数字化制造,学生将设计一个智能工厂,同时学习信息管理的基本知识以及组织流程、物流和业务流程的规划和设计。第二个项目与创新管理有关,学生需要提出一个想法,作为创新项目的起点,并将之推向市场。在此,学生将了解企业如何培育创新文化,如何发展和实施创新战略和创新结构[4]


2.2 不同职业诉求的差异化培养

为了培养职业化人才,学校的课程设置有很强的针对性。对具有不同职业诉求的学生,学校提供差异化的培养方案,让学生在就业时具有更强的适应能力。


在本科教学中,一年级的两个学期主要锻炼学生的沟通技巧并传授基本的技术知识。通识课程包括自然科学和材料科学的模块,以及瑞士的法律框架和经济结构。第一年结束时,学生需要在木结构与技术(TST)和工艺与产品管理(PPM)两大模块中选择,以确定未来两年的专业研究方向,并根据所选模块来选择专业导师。两大模块中,前者偏向建造技术,后者偏向工程管理。


学生在二年级开始所选模块的学习,得到差异化培养。同时,除了这两大专业模块,还将学习一些公共模块中的课程以提升综合能力,如商业研究、木材工程、建筑工程、物流、测量和工艺控制技术、能源管理和建筑物理等。


三年级学生在第五学期安排实习,学生可以选择在木业公司或国内外木材研究机构有针对性地获得实践经验。在第六学期,学生可以从工艺管理、产品管理、室内装修、建筑表皮、木结构房屋、工程和木材建造这6个领域里选择学习模块。需要说明的是,最初选择了木材结构与技术(TST)的学生不能在三年级选择工艺管理模块,选择了工艺与产品管理(PPM)的学生也不能在三年级选择工程和木材建造模块。这种区分强化了针对不同职业诉求的差异化培养。最终,学生将在一个跨学科的项目中完成研究工作并准备学士论文的写作,且可以尝试把论文内容付诸实践。


三年的本科学习培养两种不同类型的人才——技术类与管理类。硕士阶段同样面对差异化的职业诉求进行培养,不同的是,硕士阶段的差异化培养不再体现为技术与管理的区分。在硕士阶段,学校旨在培养学生对木材行业未来发展的深刻认识。毕业生将在未来的工作中应对木建筑、木工及木材加工行业或供应行业中具有挑战性的任务。这意味着从学校毕业的学生不仅需要掌握模式化的技术操作,更需要具备解决问题的能力。因此在这一阶段的教学中,技术能力与管理能力并重。


在硕士阶段,两大模块分别为传统的复杂木构教学和创新的数字化建造。复杂木结构(CTS)以及工艺和创新管理(MPI)两大模块的差异就是在传统与创新之间的区分,但二者都包含技术设计与应用管理的二级模块部分。选择复杂木结构模块的学生侧重于解决传统木结构在面临复杂情况下的各类问题;选择工艺和创新管理模块的学生倾向于木结构建造创新、数字化建造以及相应的管理能力。


教学上的差异化培养不是目的而是手段,是为了让学生更好地适应职业化市场。因此,除了全日制学习外,硕士生可以参与为期一年的实训或兼职,也可以担任伯尔尼应用科学大学的学生助理。同时,学校通过教学和研究,组织世界各地的专业人士和具有实践经验的专家进行密集对话,使学生及时获得最新的创新成果和相关信息。学校还提供继续教育课程(MAS和CAS)、专家会议和其他相关课程。所有这些都面向学生的个体情况、职业需求以及招聘单位的要求。


2.3 灵活的学分体系和学习模式

比尔高等木材技术学校的学分系统比较灵活。根据欧洲学分转换系统(ECT),本科毕业的最低学分为180学分。在该校,实习的一学期可为学生在180学分之外带来30学分。30学分的余量使学生在学习期间有调整模块计划的可能,可更好地应对市场需求的变化。同时,学分体系中有一定自主性学习的比例,以此为每个学生特定的职业诉求提供最适宜的教学培养计划。具体而言,每个教学模块都分配一定数量的学分,约40%的模块是授课型,剩下的模块既有教学部分又有自学部分[3]7


学校的硕士教育与本科教育相比,专业学习更深入,教学培养模式也更灵活。除了全日制教学,还有半工半读和完全在职共三种学习方式。全日制学生需要三个学期完成学业,在职学习则需要4~6个学期才能毕业。


比尔高等木材技术学校硕士阶段不同学习模式


2.4 国际、校际及机构合作的联合培养

比尔高等木材技术学校重视国际交换,加入了“博洛尼亚改革”的“伊拉斯谟计划”(Erasmus program),该计划让不同国家不同大学的学生交换学习一年左右并互认学分。该校的硕士教育提供国际交换联合培养的机会,学生可以在德国罗森海姆应用科学大学(Rosenheim University of Applied Sciences)以跨学科的方式进行实际项目的研究。同时,学校和“发展与合作中心”(Centre for Development and Cooperation)联系紧密,以增进与新兴国家和发展中国家的合作。学校与伯尔尼应用科学大学木材资源与材料中心(BFH Centre for Wood-resource and Material)也有密切合作。另外,学校在比尔校区设有瑞士木材工业最大的研究中心,在布格多夫(Burgdorf)与伯尔尼大学地质研究所共同设立了土工技术实验室。


从模块化的课程设置、不同职业诉求的差异化培养,到灵活的学分体系和学习模式,以及国际交换、校际和机构合作的联合培养,比尔高等木材技术学校的教学体系完整而系统。这个教学体系体现了强烈的职业化倾向和全球视野。


3 结合教学和应用研究需求的科研体系


3.1 与课程模块对应的模块化科研体系

比尔高等木材技术学校的科研体系分为三个模块——“木材建造、结构和建筑相关研究”“木材市场与工程管理研究”和“木材数字化建造探索”,与本科、硕士的主要课程模块紧密结合,有效互动。其中,“木材建造、结构和建筑相关研究”主要对传统意义上复杂木材工程技术进行探索,包含结构与抗震工程、防火与建筑物理、门窗和立面,以及木材建造和建成环境及历史保护等具体方向。“木材市场与工程管理研究”侧重市场和管理,包含木材市场分析和研究、木材价值链的具体分析评价与建议、材料利用率和细分市场变化的监测、产品管理、业主与建筑师及顾客与员工满意度决策标准调查等。“木材数字化建造探索”则关注未来的可能性,包含建造行业的生产工艺、机器人建造与自动化、BIM建造程序、无线射频识别技术、逆向工程CAD/CAM、Maschine测算、微粉涂层研究等具体方向。


以“木材建造、结构和建筑相关研究”模块为例,该模块里的结构与抗震安全研究团队由科尼利厄斯·奥斯特里(Cornelius Oesterlee)教授领衔,立足于结构整体性概念,从木材与多种材料的结合(包含混合、复合与轻质材料共同构成的复杂的动态结构)着手,对这些结构在实际情况下的荷载进行研究。其中,在结构方面,研究涵盖高性能纤维混凝土、复杂混合结构、结构动力学、非线性数值分析等;在抗震工程方面,涉及检测程序、特性研究、构件性能研究、连接性能研究等。

 

防火和建筑物理团队由汉斯佩特·库伯(Hanspeter Kolb)教授带领,在木材建筑物的热力学和防潮、建筑和室内声学以及消防安全方面进行深入研究。在建筑防火方面,研究涵盖防火理念、检测程序、建筑材料及构件、工程方法及模拟等;在建筑物理方面,研究包括测湿建筑及构件模拟、室内小气候与排气、噪声防护与声学、门窗噪声控制等。


门窗和立面团队由乌尔斯·尤林格(Urs Uehlinger)教授负责。主要研究建筑围护结构及其相邻构件的施工、静力学、建筑物理和生产技术等问题。研究包括系统开发、材料测试、防盗测试、传热测量与计算、窗与立面静力学、连接技术、环境测试、车辆零部件试验(公共交通)等。


木材建造和建成环境及历史保护团队涉及木材结构问题,研究主要集中在多层木结构、工程木材构造和施工管理上,由安德里斯·穆勒(Andreas Müller)教授负责。在木材建造方面的研究包括木材工程、多层木材建筑、木材建造系统、高性能连接、结构力学有限元分析;在建成环境与历史保护方面包括结构健康评估(含无损检测方法)、既有建筑再开发、建筑历史和文化遗产、可持续性研究等。


3.2 多渠道资助的应用科学研究

比尔高等木材技术学校的科研关注木材工程的应用研究需求,获得政府部门和基金会的大量资助。在结构与抗震工程方面,钢筋混凝土构件的抗震隔热项目(2015—2017年完成)、钢筋混凝土地下室木结构整体优化锚固系统(2018年开始,预计2020年完成)得到技术与创新委员会(Commission for Technology and Innovation)资助。另外,还有联邦环境局办公室(Federal Office for the Environment ,简称“FOEN”)的资助项目,如基于韧性结构性能概念的木结构抗震设计(2016—2018年)、多层木框架结构基本振动时间的试验研究(2017—2020年)等。


上图:钢筋混凝土建筑构件的抗震隔热项目 

下图:基于韧性结构性能概念的木结构抗震设计


在防火与建筑物理方面,内部构件水分平衡监测项目(2014—2017年,约14万CHF)得到瑞士联邦能源办公室(Swiss Federal Office of Energy)资助;木材结构及蓄热优化项目(2016—2017年)得到联邦环境局办公室资助;老式窗的噪声防护与渗透性获得文物保护基金会(Foundation for Monument Preservation)的资助(11万CHF)。


上图:木材构造及蓄热优化 

下图:老式窗的噪声防护与渗透性


门窗和立面、木材建造和建成环境及历史保护领域也有大量项目获得资助。中空玻璃——新型封闭系统的研制项目(2014—2017年)得到技术创新委员会资助(11万CHF);联邦运输局(Federal Office of Transport)资助了车辆保温性能研究,通过改进车身隔热降低列车的热能需求。此外,联邦环境局办公室资助了木结构节点改造项目。最近,针对木板铺装桥梁防水层和沥青层(沥青路面)的设计与建造,学校正在申请木桥防水系统方面的资助。


左上图:隔热玻璃——新型封闭系统的研制 

右上图:车辆保温性能研究

左下图:木结构节点的改造 

右下图:木桥防水系统


3.3 木材数字化建造的前沿探索

学校在木材数字化建造方面也展开了前沿探索,尤其关注复杂木结构的机器人辅助建造,取得了一系列实验成果。通过计算机设计赋予木材以形式,并设计不同连接节点应对不同连接要求。很多前沿探索已在实际项目中得到应用,苏黎世联邦理工学院建筑技术实验楼室内曲面吊顶即为其中之一。学校实验室为这些探索与工程实践提供了良好的条件。


左上图:木材的机器人建造

右上图:连接节点优化处理 

左下图:苏黎世联邦理工学院建筑技术实验楼室内吊顶

右下图:方法与实验


比尔高等木材技术学校的科研从传统的木材建造技术、市场管理到前沿的数字化建造,形成一个完整的体系,不但应对了木材工程相关领域的应用研究需求,也与其教学体系紧密相关。


4 现代多层木构建造范例的学校教学楼


4.1 作为现代木构范例的设计要求

除了教学体系和科研探索,比尔高等木材技术学校的教学楼同样值得称道。教学楼在当时解决了多层木构建造的诸多难题,也因此成为多层木构建筑设计中享誉全球的经典范例。


比尔高等木材技术学校立面


教学楼设计始于1990年的一场竞赛。为了突出木材专业学校的特点,人们希望教学楼能够成为木构和木制产品使用的范例。也即,教学楼不仅需体现个案意义上的创新性和经济性,更需成为一个示范项目而具备推广的可能。最终,由建筑师迈利、彼得(Meili & Peter)与工程师康策特、布尔齐尼与加特曼(Conzett, Bronzini & Gartmann)组成的团队赢得了竞赛。


教学楼的基地像一个被住宅、工业区与山坡围绕而成的孤岛。在这片孤岛中,新建的四层教学楼是当时瑞士最高的木结构建筑。它紧邻原有低层既有建筑,在视觉上与老建筑形成鲜明对比。新教学楼与瑞士传统木构截然不同,试验了现代木构和木材工业在建造领域的可能。


上图:教学楼及环境

下图:基地环境


4.2 结构概念

教学楼的整体尺寸约为100 m×20 m×18 m。各层预应力钢筋混凝土水平走道和4个竖向支撑的预应力钢筋混凝土通风井形成了建筑的内核结构,通风井中布置电梯、楼梯和卫生间。这个巨大的钢筋混凝土内核将整个建筑一分为二,形成东、西两个独立的木构区域。此外,第4层连续的木结构通过预制木箱柱和梁(box column and box beam)把北面的木结构和低层的木盒子与混凝土内核相连接。北面木结构为公共区域,包括食堂、会议室和图书馆,4层连续木结构为办公区域。


左上图:四层平面

左下图:二层平面

右图:底层平面


东、西两面的木构区域由一系列自承重木箱体组成,并不向混凝土内核传递竖向荷载,只是由预制的木箱柱梁与混凝土内核连接。木箱体之间的缝隙形成对外的平台,有效地解决了木材在大空间建造时跨度不足的问题,也能解决防火和逃生的问题。5个木箱体由预制构件组成,可以被分割成不同数量的教室。每个木盒的承重结构由6面尺寸为2.7 m×9.7 m的预制木结构墙体组成。地板和天花板也是预制的,由中空的箱形构件构成[5]。屋顶梁同样是箱形构件以胶合的方式叠合而成,放置于承重柱顶部。屋顶由两块大木板组成,每块长97 m、宽13 m。由于梁的间距为9.6 m,基于尺寸的连续性,屋顶梁的宽度被缩小到220 mm,为顶层的内部布局留下了足够的空间[6]。北侧木结构由内部的梁柱结构独立支撑。


4.3 木材立面

建筑的立面与木结构体系相关。木箱体通过预制框架的方式连接起来,地板由大跨度箱体构件组成。承重立面框架的底部是一个胶合层压木梁,与拱板的高度相匹配,用作地板的纵向梁。这意味着可以安装洞口较大的、细分的窗户,这些窗户的比例与传统木建筑不同,不再由木材的间距决定,而是由它们与房间的关系决定。未经处理的橡木作为外墙面板在使用中呈现出自然风化的痕迹。在这种类型的面层中,各块板之间的连接件是看不见的,构件之间的凹凸部位则非常明显,由此实现外立面的立体感[6]383


校舍结构体系轴测图


4.4 木材防火

防火是多层木构教学楼必须解决的重要问题。在建筑的空间布局方面,设计师已经考虑了防火要求。混凝土核心与木材箱体相互隔开,疏散楼梯设置于混凝土通风井内,混凝土内核与木箱体之间的木墙由金属包覆,提供相对安全的防火疏散通道。两侧木材箱体之间的缝隙平台可以作为独立的防火分区,每个防火分区的防火时间可以达到30分钟。同时,建筑设置灭火喷淋装置、自动防火门、消防通道等传统防火设施,保障这栋木材建筑的火灾安全性。


值得一提的是,楼层之间的防火问题在设计时经过仔细考虑。在综合防火、声学、震动等多方面因素之后,很多开始时基于防火的考虑,让位于最终采用的木楼板系统。木楼板是这栋建筑最复杂的构件之一,由一系列三角单元构件组成,楼板高320 mm、单跨8.5 m,由胶粘剂将水平和垂直向的木板结合到一起。为了提高室内声学性能,楼板底部构件被切割成约1.2 m长的截面,以增大吸附声音的表面。但这也给防火安全带来隐患,通过一系列计算和测试,证明这样处理后的地板仍可提供30分钟的耐火能力[7]


木楼板构造


4.5 使用后测试

1999年教学楼投入使用后,专业人员对建筑性能进行了现场测试。声学测试表明,虽然相邻房间之间的隔声未达到预期设想,但隔着地板的上下层和单元到走廊之间的声学效果良好。预估的热力学状况得到了证实,夏季对热量的隔绝令人满意,混凝土核心的冷却保温效果良好。不足的是,当人们行走时,木材地板的振动较为明显。对此,目前正在进行研究,旨在从静态和声学的角度系统地改进现有的地板系统[5]7。在这样一座实验性建筑中出现一些瑕疵在所难免,但重要的是,在探索现代多层木构建筑的可能性方面,比尔高等木材技术学校校舍解决了大量问题,提供了一种可作参考的范例。 


5 对中国现代木构建造发展的启示


比尔高等木材技术学校职业化的教学、面向应用需求的科研和前沿的工程实践,得益于瑞士积极发展木材工程所形成的从职业教育到产业、从技术探索到实践应用的完整体系。比尔高等木材技术学校并非孤例,距比尔市不远的法国南特,就有另一所相似的学校——法国南特高级木材工业学校(Ecole Supérieure du Bois à Nantes)——长期进行着木材工程的教学和科研。这两所木材学校,代表了以德语和法语区为主的欧洲三大传统木构区域之一的阿尔卑斯山地区的现代木构建造教育。


5.1 中国现代木构建造的边缘化现状及成因

中国的现代木构建造从教育、科研到实践一直比较边缘,有其历史和现实原因。


1)对钢筋混凝土结构的推崇与对木结构的误解。1949年后,为节约三材(钢材、木材、水泥),中国扩大了砖石结构的应用范围并推广预应力钢筋混凝土结构。1950年中国开始对预应力钢筋混凝土结构进行试验研究,1956年正式推广使用。钢结构和木结构的使用范围随之缩小,低层木结构建筑多为砖石结构替代。20世纪90年代以来,中国的高速城市化建设对钢筋混凝土结构的全面依赖有目共睹。


对于木结构,人们普遍存在观念上的误解:木结构承载能力不足,防火、防潮、防腐等性能不佳。事实上,在材料和建造技术不断发展的今天,经过加工处理的人造木材的结构性能及防火、防腐性能已经远优于天然原木,可以满足现当代建造所需。


2)边缘化的木构建造教学。20世纪30年代中国就已有木结构教材;20世纪50年代,同济大学江景波等参考苏联资料编写了《木结构设计》,当时还有一些译自苏联的木结构教材在教学中使用;即使在“文革”期间,同济大学“五七公社”也编写了《木结构》(1970年)、《木结构计算图表》(1970年)等教学用书。20世纪八九十年代这20年,中国的现代木构教学基本沉寂。这与当时木材被大量砍伐,国家没有足够的外汇储备进口木材,木构建造失去了市场等有关。


21世纪以来,中国部分高校逐渐恢复木结构教学并增加与时俱进的内容。同济大学、东南大学等与加拿大不列颠哥伦比亚大学合作,在土木工程专业开设木结构选修课。中国的木结构教学虽有所发展,却仍处于建筑、土木类学科教学的边缘,少量的选修课程也以英文授课为主。


3)木结构设计规范的限制。从20世纪50年代受苏联影响的木结构建筑暂行规范,到70年代的国家标准,再到80年代末以北美木构建造体系为标准制定的木结构设计规范以及21世纪初与北欧木业协会有关的设计规范,规范的调整都伴随着木结构建造系统的更迭。随之变动的还有与规范配套使用的木结构设计手册、施工质量验收标准、木结构资料集等参考用书。


2004年正式实行的《木结构设计规范》(GB50005-2003)在设计方面缺乏灵活性,当时的《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)还规定木结构不超过3层。最新的防火规范更新于2014年,调整了木结构建筑的耐火时间,木结构组合建筑甚至允许建造至7层。2018年8月颁布了最新的《木结构设计标准》(GB50005-2017),其中更细致地区分了木结构的类型、增加了不规则木结构的设计依据,且根据最新防火规范做了一系列调整,但对木结构建筑建造的限制依然存在。


4)主流设计机构对木构建造的陌生。主流建筑设计机构对木结构普遍比较陌生。对设计机构而言,培养一批设计木结构建筑的人员来应对市场为数不多的木结构项目,成本高昂。目前,木结构建筑的设计主要由各类专业木结构设计、生产和施工公司承担。


5)不完整的现代木构建造产业体系。中国现代木构建造产业体系尚不完善。对比西方从教育、设计、产品生产到施工建造全面工业化的木材工程产业体系,中国的现代木构产业并不完整。在中国发展木结构建筑,需要的是现代木构建造产业体系的完善和整体提升。


5.2 中国现代木构建造发展的契机

中国现代木构建造的发展与国家政策高度有关。近年来,随着国家对可持续发展理念和环保的重视,对木结构设计规范和防火规范的积极调整,对工业化预制装配技术的推广,木构建造获得发展契机。


从早期设计、建造面向外国人的高档别墅到现在的度假小区和低层公共建筑,具有敏锐市场意识的木结构设计、生产、施工厂家如苏州昆仑绿建、菲特威尔等已在行业先行,推动木结构建筑工业化的预制装配技术。苏州太湖御玲珑项目(2016年,苏州昆仑绿建设计建造)由别墅及公寓式建筑组成。其中,别墅为纯木结构,公寓采用混凝土框架、木骨架组合墙体及木结构装饰元素。苏州昆仑绿建也和建筑师事务所合作,进行木结构的深化设计、生产和施工。


建筑类高校出现了数字化木构建造的前沿探索和对传统木结构的现代转译。同济大学袁烽教授在他领衔的“数字未来”暑期工作营里,开展了一系列数字化木构建造的实验项目(2014—2018年),比如2017年的“机器人木构建造”、2018年的“机器人木匠”。实验项目运用结构性能找形工具初步确定空间形态,然后对结构形式进行多维度的模拟和优化,再用机器人批量定制木构件现场搭建,探索木材数字化建造的可能。袁烽的数字化木构建造实验也延伸到实际项目如第九届江苏省园艺博览会现代木结构主题馆(2016年)。主题馆约2 000 ,最大跨度45 m,采用胶合层积木的自由网壳结构,包含27根长曲主梁、184根短次梁[8]。长曲梁以CNC辅助定位的方式在工厂胶合和加工,短次梁以机器人大批量定制加工。主次梁间采用螺栓板植筋混合节点和螺栓板节点工艺,并对节点进行了刚度试验。这个项目对于木构产业的意义在于对复杂木结构构件的大批量定制生产和装配的探索,预示了现代木结构的产业升级。


上图:木材的机器人建造

下图:江苏园艺博览会现代木结构主题馆


王灏依托中国美术学院建筑艺术学院的设计课程,带领学生对传统木构的现代建造进行了持续的主题式研究,同时他主持的事务所也在宁波、前童等地设计建造了与主题式研究相关的建筑。这些研究提炼了传统木构的一系列“木构原型”,如:柱式原型(如束柱、叉柱造)、屋架原型(如抹角叠木、螺旋殿)、结构原型等,并与空间类型相结合;同时,也力图与工业化的预制生产、乡村工匠建造结合。


5.3 对中国现代木构建造教学与科研的启示

对于中国的现代木构建造而言,最重要的是形成从职业教育到产业、从技术探索到实践应用的完整体系。相对于现代木构建造科研的开展,中国建筑类高校的木构建造教学更为薄弱。目前大部分高校的建筑与土木类学科并没有开设现代木构建造相关课程,仅在部分土木类学科的高年级开设木结构设计选修课。如果要发展现代木构建造产业,可在高等教育中借鉴比尔高等木材技术学校的课程体系:从基础课程、专业基础课程到专业课程的设置应形成木材工程的完整体系;木结构技术、工艺和产品管理两个方向的教学可以有一定区分以适应木材工程师和管理者培养的不同需求;面向职业人员的继续教育同样值得重视。


从比尔高等木材技术学校的经验看,科研方向和教学体系结合能够使教学和科研相互受益。科研方向也可从木材建造、结构和建筑,木材市场与工程管理,木材数字化建造三个大方向展开。就科研和设计实践而言,与生产厂家、施工企业的合作研究和开发能够更好地解决技术、工艺问题。


由于中国的木构建造尚未形成完整的工业化产业体系,轻型木结构体系、重木结构体系、壁板式结构体系等标准化预制装配技术的应用尚未形成规模,数字化木构建造的木构产业升级刚刚初现端倪,中国现代木构建造的教学、科研与比尔高等木材技术学校相较,必然面对着更多必须一步步解决的问题。


(感谢HTS的Christophe Sigrist教授的现场讲解和提供的相关资料,感谢瑞士领馆李丹、Heidi,瑞士国家形象委员会Ivana的热心帮助。)


(图片来源:本文图片由克里斯多夫·西格里斯特教授、作者、韩爽、迈利和彼得建筑事务所、Marcel Meili, Markus Peter. Swiss School of Engineering for the Wood Industry, Biel[C]// Andrea Deplazes. Constructing Architecture. Basel: Birkhäuser Press, 2005: 283-393.、Christophe Sigrist. A Four-story School Building in Timber[C]// proceedings of the World Conference on Timber Engineering, Vancouver, Canada, July 31 - August 3, 2000、袁烽教授提供)


注释:

① 瑞士历来有重视职业教育的传统。约70%的初中毕业生选择就读中等职业学校,完成了3~4年的职业教育后,可凭联邦职业教育结业证书,直接进入应用科学大学学习。多数中职毕业生会先参加工作,再根据实际需要进入应用科学大学攻读学位或进修短期课程。经过20年的发展,应用科学大学在瑞士高等教育体系中越来越重要,为产业发展提供了大批高层次的技术技能人才。

② 在生产相同单位质量的材料时,与从自然物转换为人造物时消耗大量能源的可再生人工建材如金属、玻璃等相比,木材这种自然材料耗能很低;而且采取适当的林业技术,木材也是有供给保证的可再生资源。

③ 比尔高等木材技术学校的克里斯多夫·西格里斯特(Christophe Sigrist)教授现场讲解。

④ 1955年以前,跨度15 m以上的厂房多采用钢屋架,随着预应力钢筋混凝土屋架的试验推广,跨度36 m以下的工业与民用建筑一般都可用钢筋混凝土屋架代替钢屋架。


参考文献:

[1] The Higher Technical School of Wood Biel[EB/OL]. https://www.ahb.bfh.ch/en/home/hts-wood.html, 2018-08-04.

[2] 赵志群,周瑛仪.瑞士经验:现代职业教育体系建设[J].华中师范大学学报(人文社会科学版),2015(5):154-159.

[3] Study Guide of Bachelor of Science in Wood Engineering[EB/OL]. https://www.ahb.bfh.ch/en/home/bachelor/bachelor-holztechnik-en.html, 2018-08-04.

[4] Study Guide of Master of Science in Wood Engineering[EB/OL]. https://www.ahb.bfh.ch/en/home/bachelor/bachelor-holztechnik-en.html, 2018-08-04.

[5] Christophe Sigrist. A Four-story School Building in Timber[C]// Proceedings of the World Conference on Timber Engineering, Vancouver, Canada, July 31 - August 3, 2000.

[6] Marcel Meili, Markus Peter. Swiss School of Engineering for the Wood Industry, Biel[C]// Andrea Deplazes. Constructing Architecture. Basel: Birkhäuser Press, 2005: 283-393.

[7] [美]斯拉维德.木建筑[M]. 周志敏,陈海明,译.中国电力出版社,2007:174-179.

[8] 袁烽,柴华.机器人木构工艺[J].西部人居环境学刊,2016(6):1-7.


本文精选于《时代建筑》2018年第5期 建筑设计作为现代组织,彭怒、李凌洲《现代木材建造的全方位技术技能培养:瑞士比尔高等木材技术学校的启示》,未经允许,不得转载。


作者单位:同济大学建筑与城市规划学院、高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

作者简介:彭怒,女,同济大学建筑与城市规划学院 教授;李凌洲,男,同济大学建筑与城市规划学院 博士研究生

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