En ny byggnad som håller på att ta form i Bostons Roxbury-område kan, dess designers hoppas, förebådar ett nytt sätt att bygga bostadsstrukturer i städer.

Designad av arkitekter från MIT och design- och konstruktionsföretaget Placetailor, den fem våningar höga byggnadens struktur kommer att vara gjord av korslaminerat trä (CLT), vilket eliminerar de flesta utsläpp av växthusgaser som är förknippade med vanliga byggmaterial. Den kommer att monteras på plats mestadels från fabriksbyggda underenheter, och det kommer att vara så energieffektivt att nettoutsläppen av koldioxid kommer att vara i princip noll.

De flesta försök att kvantifiera en byggnads bidrag till växthusgaser fokuserar på byggnadens verksamhet, speciellt dess värme- och kylsystem. Men materialen som används i en byggnads konstruktion, speciellt stål och betong, är också stora källor till koldioxidutsläpp och måste inkluderas i varje realistisk jämförelse av olika typer av konstruktioner.

Träbyggande har tenderat att begränsas till enfamiljshus eller mindre hyreshus med bara ett fåtal enheter, minska effekten som det kan ha i stadsområden. Men den senaste utvecklingen – som involverar produktion av storskaliga träkomponenter, känd som massa timmer; användningen av tekniker som korslaminerat trä; och förändringar i USA:s byggregler – gör det nu möjligt att utöka träets räckvidd till mycket större byggnader, potentiellt upp till 18 våningar höga.

Flera nya byggnader i Europa har tänjt på dessa gränser, och nu börjar några större träbyggnader ta form även i USA. Det nya projektet i Boston kommer att bli ett av de största sådana bostadshusen i USA hittills, samt en av de mest innovativa, tack vare dess konstruktionsmetoder.

Beskrivs som ett passivhus-demonstrationsprojekt, Boston-byggnaden kommer att bestå av 14 bostäder i olika storlekar, tillsammans med ett samarbetsutrymme på bottenvåningen för samhället. Byggnaden ritades av Generate Architecture and Technologies, ett nystartat företag från MIT och Harvard University, ledd av John Klein, i samarbete med Placetailor, en design, utveckling, och byggföretag som har specialiserat sig på att bygga byggnader med nettonollenergi och koldioxidneutrala byggnader i mer än ett decennium i Boston-området.

Klein, som har varit en huvudutredare vid MIT:s arkitekturavdelning och nu fungerar som VD för Generate, säger att stora byggnader gjorda av massvirke och monterade med hjälp av det kit-of-parts-metod som han och hans kollegor har utvecklat har ett antal potentiella fördelar jämfört med konventionellt byggda strukturer med liknande dimensioner. Till att börja, även när man räknar in energin som används vid avverkning, transportera, montering, och efterbehandling av de strukturella virkesbitarna, de totala koldioxidutsläppen som produceras skulle vara mindre än hälften av en jämförbar byggnad gjord av konventionellt stål eller betong. Klein, tillsammans med medarbetare från ingenjörsfirman BuroHappold Engineering och ekologisk marknadsutvecklingsföretaget Olifant, kommer att presentera en detaljerad analys av dessa livscykelutsläppsjämförelser senare i år vid den årliga konferensen Passive and Low Energy Architecture (PLEA) i A Coruña, Spanien, vars tema i år är "planering av städer efter koldioxidutsläpp".

För den studien, Klein och hans medförfattare modellerade nio olika versioner av en åtta våningar hög massiv timmerbyggnad, tillsammans med en stål- och en betongversion av byggnaden, alla med samma övergripande skala och specifikationer. Deras analys visade att material för den stålbaserade byggnaden gav de mest växthusgasutsläpp; betongversionen producerade 8 procent mindre än så; och en version av den massiva timmerbyggnaden producerade 53 procent mindre.

Den första frågan folk brukar ställa om idén med att bygga höga byggnader av trä är:Hur är det med eld? Men Klein säger att denna fråga har studerats grundligt, och tester har visat att faktiskt, en massiv timmerbyggnad behåller sin strukturella styrka längre än en jämförbar byggnad med stålstomme. Det beror på att de stora träelementen, vanligtvis en fot tjock eller mer, tillverkas genom att limma ihop flera lager av konventionellt dimensionerat virke. Dessa förkolnar på utsidan när de utsätts för eld, men det förkolnade lagret ger faktiskt bra isolering och skyddar träet under en längre tid. Stålbyggnader, däremot kan kollapsa plötsligt när eldens temperatur närmar sig stålets smältpunkt och gör att det mjuknar.

Det kit-baserade tillvägagångssättet som Generate och Placetailor har utvecklat, som teamet kallar Model-C, innebär att vid design av en ny byggnad, det är möjligt att använda en serie förkonfigurerade moduler, monteras på olika sätt, att skapa en mängd olika strukturer av olika storlekar och för olika användningsområden, ungefär som att montera en leksaksstruktur av LEGO-klossar. Dessa underenheter kan byggas i fabriker i en standardiserad process och sedan transporteras till platsen och bultas ihop. Denna process kan minska vädrets påverkan genom att hålla mycket av tillverkningsprocessen inomhus i en kontrollerad miljö, samtidigt som byggtiden på plats minimeras och på så sätt minskar byggets påverkan på kvarteret.

"Det är ett sätt att snabbt distribuera den här typen av projekt genom ett standardiserat system, " säger Klein. "Det är ett sätt att bygga snabbt i städer, med en estetik som omfattar offsite industriell konstruktion."

Eftersom de tjocka träkonstruktionselementen naturligtvis är mycket bra isolatorer, Roxbury-byggnadens energibehov för uppvärmning och kylning minskar jämfört med konventionell konstruktion, säger Klein. De producerar också mycket bra akustisk isolering för dess åkande. Dessutom, byggnaden är designad för att ha solpaneler på taket, vilket kommer att bidra till att kompensera byggnadens energianvändning.

Teamet vann ett bidrag för träinnovation 2018 från U.S. Forest Service, att utveckla ett massivt timmerbaserat system för medelstora bostadsutvecklingar. Den nya Boston-byggnaden blir det första demonstrationsprojektet för det system de utvecklat.

"Det är verkligen ett system, inte en engångsprototyp, " säger Klein. Med montering på plats av fabriksbyggda moduler, som inkluderar färdigmonterade badrum med VVS på plats, han säger att byggnadens grundläggande struktur kan färdigställas på bara cirka en vecka per våning.

"Vi är alla medvetna om behovet av en omedelbar övergång till en koldioxidfri ekonomi, och byggsektorn är ett främsta mål, säger Andres Bernal SM '13, Placetailors chef för arkitektur. "Som ett företag som endast har levererat byggnader utan koldioxidutsläpp i över ett decennium, vi är mycket glada över att få arbeta med CLT/massvirke som ett alternativ för att skala upp vårt tillvägagångssätt och dela kit av delar och lärdomar med resten av Boston-samhället."

Med amerikanska byggnadsnormer som nu tillåter massiva timmerbyggnader på upp till 18 våningar, Klein hoppas att denna byggnad kommer att markera början på en ny boom inom träbaserad eller hybridkonstruktion, som han säger kan bidra till att skapa en marknad för storskaligt hållbart skogsbruk, såväl som för hållbara, netto-noll energi bostäder.

"Vi ser det som mycket konkurrenskraftigt med betong och stål för byggnader på mellan åtta och tolv våningar, " säger han. Sådana byggnader, han lägger till, kommer sannolikt att ha stor attraktionskraft, speciellt för yngre generationer, eftersom "hållbarhet är väldigt viktigt för dem. Detta ger lösningar för utvecklare, som har en verklig marknadsdifferentiering."

Han tillägger att Boston har satt som mål att bygga tusentals nya bostäder, och även ett mål att göra staden koldioxidneutral. "Här är en lösning som gör både och, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.