Byggandet och driften av alla typer av byggnader använder stora mängder energi och naturresurser. Forskare runt om i världen har därför letat efter sätt att göra byggnader mer effektiva och mindre beroende av utsläppsintensiva material.

Nu, ett projekt utvecklat genom en MIT-klass har kommit fram till en mycket energieffektiv design för en stor samhällsbyggnad som använder ett av världens äldsta byggmaterial. För denna struktur, kallad "Långhuset, " massivt timmer gjord av konventionellt timmer skulle lamineras ihop som en sorts överdimensionerad plywood.

Designen kommer att presenteras i oktober på Maine Mass Timber Conference, som är dedikerad till att utforska nya användningsområden för detta material, som kan användas för att bygga säkra, sunda höghus, om byggnormerna tillåter dem.

John Klein, en forskare vid MIT:s arkitekturavdelning som undervisade i en workshop kallad Mass Timber Design som kom fram till den nya designen, förklarar att "i Nordamerika, vi har ett överflöd av skogsresurser, och mycket av det är övervuxet. Det finns ett försök att hitta sätt att använda skogsprodukter hållbart, och skogarna genomgår aktivt gallringsprocesser för att förhindra skogsbränder och skalbaggar."

Människor tenderar att tänka på trä som ett lämpligt material för strukturer på bara några våningar höga, men inte för större strukturer, säger Klein. Men redan har en del byggare börjat använda trävaruprodukter (en term som i princip gäller alla träprodukter som är mycket större än konventionellt virke) för större konstruktioner, inklusive medelhöga byggnader på upp till 20 våningar. Även högre byggnader borde i slutändan vara praktiska med denna teknik, han säger. En av de största timmerbyggnaderna i USA är den nya 82, 000 kvadratmeter John W. Olver Design Building vid University of Massachusetts i Amherst.

En av de första frågorna människor ställer när de hör talas om en sådan konstruktion har att göra med brand. Kan så höga träkonstruktioner verkligen vara säkra? Faktiskt, Klein säger, tester har visat att massiva träkonstruktioner kan motstå eld lika bra eller bättre än stål. Det beror på att trä som utsätts för eld naturligt producerar ett lager av röding, som är mycket isolerande och kan skydda huvuddelen av träet i mer än två timmar. Stål, i kontrast, kan plötsligt misslyckas när värmen mjukar upp den och får den att buckla.

Klein förklarar att detta naturliga brandmotstånd är vettigt när du tänker på att tappa en tänd tändsticka på en hög med spån, kontra att släppa den på en stock. Spånen kommer att brinna i lågor, men på stocken sprattlar en tändsticka helt enkelt ut. Ju större bulk träet är, desto bättre motstår den antändning.

Strukturen designad av klassen använder massiva balkar gjorda av lager av träfaner laminerade tillsammans, en process som kallas laminerat fanervirke (LVL), gjorda till paneler 50 fot långa, 10 fot bred, och mer än 6 tum tjocka Dessa skärs till i storlek och används för att göra en serie stora bågar, 40 fot hög till den centrala toppen och spänner över 50 fot över, gjord av sektioner med triangulärt tvärsnitt för att öka strukturell styrka. En serie av dessa bågar är sammansatta för att skapa ett stort slutet utrymme utan behov av inre strukturella stöd. Takets veckade design är utformad för att rymma solpaneler och fönster för naturlig belysning och passiv solvärme.

"Det strukturella djupet som uppnås genom att bygga upp den triangulära sektionen hjälper oss att uppnå den fria spännvidden som önskas för det gemensamma utrymmet, allt samtidigt som det ger ett visuellt språk på både insidan och utsidan av strukturen, " säger Demi Fang, en MIT-arkitekturstudent som ingick i designteamet. "Varje båge avsmalnar och vidgar sig längs sin längd, eftersom inte varje punkt längs bågen kommer att utsättas för samma styrka, och detta varierande tvärsnittsdjup uttrycker både strukturell prestanda samtidigt som det uppmuntrar materialbesparingar, " hon säger.

Bågarna skulle vara fabriksbyggda i sektioner, och sedan bultas ihop på plats för att göra hela byggnaden. Eftersom byggnaden till stor del skulle vara prefabricerad, den faktiska byggprocessen på plats skulle bli avsevärt effektiviserad, säger Klein.

"Långhuset är en multifunktionell byggnad, designad för att rymma en rad händelsescenarier från co-working, träningsklasser, sociala blandare, utställningar, middagssammankomster och föreläsningar, "Klein säger, och tillägger att den bygger på en lång tradition av sådana kommunala strukturer i kulturer runt om i världen.

Medan tillverkningen av betong, används i de flesta av världens stora byggnader, innebär stora utsläpp av växthusgaser från bakning av kalksten, konstruktion med massvirke har motsatt effekt, säger Klein. Medan betong ökar världens börda av växthusgaser, timmer faktiskt minskar det, eftersom kolet som tas bort från luften medan träden växer är i princip sekvestrerat så länge som byggnaden varar. "Byggnaden är en kolsänka, " han säger.

Ett hinder för ökad användning av massvirke för stora konstruktioner är i nuvarande amerikanska byggregler, Klein säger, som begränsar användningen av strukturellt trä till bostadshus upp till fem våningar, eller kommersiella byggnader upp till sex våningar. Men nyligen byggt mycket högre timmerbyggnader i Europa, Australien, och Kanada – inklusive en 18 våningar hög timmerbyggnad i British Columbia – borde hjälpa till att etablera sådana byggnaders säkerhet och leda till nödvändiga kodändringar, han säger.

Longhouse-designen utvecklades av ett tvärvetenskapligt team i 4.S13 (Mass Timber Design), en designworkshop på MIT:s arkitekturavdelning som utforskar framtiden för hållbara byggnader. Teamet inkluderade John Fechtel, Paul Short, Demi Fang, Andrew Brose, Hyerin Lee, och Alexandre Beaudouin-Mackay. Det stöddes av Institutionen för arkitektur, BuroHappold Engineering och Nova Concepts.