《Buildings》：Hybrid Timber-Based and Conventional Building Systems: A Systematic Review
木材及其他生物基材料因可降低建筑环境足迹（environmental impact）而日益受到讨论，但其融入大型建筑体系涉及不同材料角色的分配，而非简单替代（simple substitution）。本文系统综述了木材基及其他生物基组件如何与钢筋混凝土（reinforced concrete）、钢材（steel）和砌体（masonry）在混合建筑体系（hybrid building systems）中结合。该系统性文献综述（systematic literature review）遵循PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）指南开展，基于Scopus和Web of Science数据库。最终综合纳入141项研究。研究识别出四种主要的混合建筑配置（hybrid building configurations）：含木材组件的钢结构；配钢筋混凝土核心筒（cores）或剪力墙（shear walls）的承重木结构；木材或其他生物基建筑围护结构（building envelopes）与常规框架（conventional frames）的组合；以及含木材组件的钢筋混凝土结构。比较分析揭示了材料功能如何塑造各配置的优势（benefits）、局限性（limitations）和设计重点（design priorities）。结构混合体系（structural hybrid systems）提供了改善侧向响应（lateral response）、降低结构质量（structural mass）和降低隐含碳（embodied carbon）的机会。其设计还需考虑连接行为（connection behaviour）、稳定性（stability）和变形兼容性（deformation compatibility）。对于生物基建筑围护结构，重点转向热性能（thermal performance）、湿度行为（moisture behaviour）和完整墙体组件（complete wall assembly）的环境影响。工程木材（engineered timber）主导承重角色（load-bearing roles），而其他生物基材料主要服务于保温（insulation）和围护功能。这些发现为基于文献的混合方案早期设计比较提供了指导。
1. Introduction（引言）
1.1 Background and Rationale（背景与依据）
隐含碳（embodied carbon）与材料选择（material selection）已成为建筑工程的重要设计议题。结构体系、围护解决方案与材料选择不仅影响建筑的环境特征，还影响技术可行性、施工过程与长期性能。这增加了对木材基及其他生物基建筑产品（bio-based construction products）的关注，因其为降低隐含影响与储存生物源碳（biogenic carbon）提供了潜在途径。木材建造已从传统木框架（timber framing）发展至工程木材产品（engineered timber products），如正交胶合木（cross-laminated timber, CLT）、胶合木（glulam）与层叠 veneer lumber（LVL），扩展了木材在多高层及更大规模建筑中的结构应用。然而，木材并非在所有结构角色中都能直接替代钢筋混凝土或钢材。其他生物基材料如大麻、秸秆、亚麻、软木、纤维素、羊毛及相关产品，常与围护、保温、内填（infill）或湿度缓冲（moisture-buffering）功能相关，而非主要承重结构体系。
1.2 Hybrid Timber-Based and Conventional Systems（混合木材基与传统体系）
混合木材基体系日益受到讨论，因其允许木材或其他生物基组件与常规结构材料在建筑体系中结合。本文使用"常规材料"（conventional materials）区分非生物基建筑材料，主要为钢材、混凝土与砌体。混合体系的相关性不仅在于使用低碳或可再生材料，还在于将不同材料分配至不同的结构与围护功能。因此，混合体系并非简单材料替代，其潜力取决于木材基、其他生物基与常规组件在结构及围护配置中的排列方式。对于大型及公共建筑应用，这种配置视角尤为重要，因这类建筑需同时解决结构、防火安全（fire-safety）、使用性能（serviceability）、耐久性（durability）、施工及法规要求。
1.3 Research Gap（研究空白）
既往研究已就混合木材基结构、工程木材产品与生物基建筑材料提供了重要知识，但现有证据仍分散于不同结构尺度、材料组合与评估视角。许多研究聚焦单个组件，如木-混凝土组合楼板（timber–concrete composite floors）、正交胶合木内填板、混合剪力墙、幕墙系统或连接，提供了详细的技术证据，但未必展示不同混合组件如何与建筑或框架层面的更广泛配置相关联。这造成了理解上的空白，即木材基或其他生物基组件如何与常规材料在跨建筑相关体系中结合。
1.4 Aim and Research Questions（研究目标与问题）
本研究旨在识别并综合木材基或其他生物基组件与钢筋混凝土、钢材或砌体在建筑系统中结合的主要混合结构组合，并评估这些组合在大型及公共建筑应用中的报告设计依据、优势与局限。研究问题采用改进的PICO框架构建。主要研究问题为：何种混合结构组合在研究与实践中被报告，其主要优势与局限是什么？辅助研究问题涉及反复出现的混合结构组合识别、优势与局限报告、以及不同材料组的使用方式。
2. Methods（方法）
2.1 Review Design（综述设计）
本研究设计为系统性文献综述（systematic literature review），对纳入研究进行结构化分类。在数据库检索前制定了工作综述方案（working review protocol），但综述未前瞻注册。综述过程遵循PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）指南进行检索、筛选、资格评估与文献选择。结构化分类借鉴系统映射原则（systematic mapping principles），按反复出现的混合结构组合、材料角色与报告的设计依据组织纳入文献。分析聚焦于识别木材基或其他生物基组件与常规材料在建筑相关结构体系中结合方式的反复模式。通过结构化分类识别的组作为文献综述类别而非官方或标准化结构体系类型。
2.2 Search Strategy and Databases（检索策略与数据库）
文献检索于2026年5月12日在Scopus与Web of Science进行。检索策略围绕三个概念模块构建：木材基或其他生物基建筑材料；常规材料如钢筋混凝土、钢材、混凝土与砌体；及混合建筑体系、结构体系、组件或构件。Scopus检索限制于工程学（Engineering）与材料科学（Materials Science）学科领域、文章与会议论文（Conference Paper）文献类型及英语语言。Web of Science检索限制于英语记录、文章与会议录论文（Proceeding Paper）文献类型，以及土木工程（Engineering Civil）与建筑施工技术（Construction Building Technology）类别。定向滚雪球法（targeted snowballing）作为额外途径识别相关记录。
2.3 Eligibility Criteria（资格标准）
纳入研究须处理木材基或其他生物基材料与钢筋混凝土、钢材、砌体或其他常规材料的组合，且组合须与建筑结构体系、建筑构件或与建筑结构行为明确相关的组件相关。当研究提供结构配置、材料角色、设计依据、报告优势、报告局限或混合方案性能评估的至少一个方面信息时纳入。合格发表类型包括期刊文章与完整会议/会议录论文。仅处理材性层面性质而无明确建筑构件关联的研究、纯木体系、纯常规体系及非建筑应用如桥梁、道路、家具均被排除。
2.4 Study Selection（文献选择）
去除重复记录后，1275条数据库记录被筛选相关性。首先标题、摘要与关键词依据资格标准审查，随后189篇全文文章被考虑资格，其中47篇无法获取，8篇被排除。数据库检索纳入134项研究，定向滚雪球法识别出七项直接相关研究。最终综述纳入141项研究。文献选择过程呈现于PRISMA流程图（PRISMA flow diagram）。
2.5 Data Extraction and Coding（数据提取与编码）
数据提取与编码由J.P.使用结构化编码表（structured coding table）进行。主要编码字段覆盖混合结构组合、木材基或其他生物基组件、常规组件、研究类型、证据类型、建筑情境、报告优势、报告局限、材料角色及编码备注。木材基组件包括工程木材产品如正交胶合木、胶合木与层叠 veneer lumber，以及当具有结构或系统相关角色时的木框架与木基板体系。其他生物基材料当在保温、内填、围护或非承重组件中出现时单独编码。编码捕捉技术与非技术方面，包括结构效率、刚度、抗震行为、预制、减重、更低隐含碳、防火安全、使用性能、连接复杂性、成本、设计-规范/监管不确定性、数据不确定性与建模不确定性。
2.6 Synthesis Approach（综合方法）
综合分三步组织：首先识别反复出现的混合结构组合；其次将识别的组合整合为更广泛的综述类别，用于组织文献并支持跨研究比较，但不应被解释为官方或标准化结构体系类型；第三为混合组合、材料组、报告优势与局限准备频率计数。综合结合了定性解释与描述性频率分析。定性解释聚焦材料角色、结构逻辑与设计依据，频率分析用于识别最常被报告的内容。鉴于纳入研究的方法学异质性，未应用单一正式研究级偏倚风险工具（risk-of-bias tool）。
3. Results（结果）
3.1 Overview of Included Studies（纳入研究概述）
最终综合纳入141项研究。语料库包括数值、实验、案例研究、设计导向、比较与生命周期评估（life-cycle assessment）研究。综述研究涵盖广泛的建筑应用，包括住宅、办公、商业及公共、机构或教育情境。60项研究被编码为处理高层情境，包括对高达40层的建筑的数值调查。
3.2 Main Recurrent Hybrid Structural Combinations（主要反复出现的混合结构组合）
识别出四个主要的建筑及框架层面混合结构组合。最大组由以下体系组成：钢材仍为主要框架、支撑、梁或稳定组件，而木材基元素作为楼板、墙体、内填板、屋顶元素或混合剪力墙组件引入。第二大组包括大型木结构承重体系与钢筋混凝土核心筒、剪力墙、底层或底座元素的组合。两个较小但结构上相关的组也被识别：幕墙与围护组通常保留钢筋混凝土或钢主体结构，通过外墙、幕墙板、保温、内填或围护系统引入木材基或其他生物基组件；钢筋混凝土框架、核心筒或剪力墙组包括钢筋混凝土仍为主要竖向或稳定体系，而木材基组件在建筑选定部分添加的系统。
3.3 Reported Benefits and Limitations of the Main Hybrid Combinations（主要混合组合的报告优势与局限）
钢-木组合（steel–timber combinations）主要与抗震行为、结构效率、预制与刚度相关，而大型木结构与钢筋混凝土核心筒或剪力墙的组合更强烈关联于更低全球变暖潜能（global warming potential, GWP）或隐含碳、减重与更快施工。幕墙与围护体系的优势主要与热性能、运营能耗（operational energy）与隐含碳相关。报告的局限亦因配置而异：钢-木与钢筋混凝土-木组合提出反复的连接复杂性、抗震需求与建模假设问题；带钢筋混凝土稳定元素的大型木结构更常与数据不确定性、设计-规范不确定性、防火安全、使用性能与成本相关；在幕墙与围护应用中，主要局限与湿度、耐久性及应用尺度相关。
3.4 Material Roles in the Identified Hybrid Combinations（已识别混合组合中的材料角色）
综述混合体系由木材基组件主导，特别是工程木材产品。正交胶合木最常用作板型组件，用于楼板、墙体、内填板及水平传力元素。其他工程木材产品包括胶合木、层叠 veneer lumber、平行弦木片（PSL）及更广泛的大型木类别，主要被报告为主要结构构件或大型木承重组件。轻型木框架体系（light timber-frame systems）、定向结构刨花板（OSB）及其他木基板体系在各种面板化应用中有所体现。非木材生物基材料报告频率低得多，主要出现在围护、保温、内填或其他非承重应用中。在常规材料方面，钢材、混凝土层与钢筋混凝土是最常报告的组。
4. Discussion（讨论）
4.1 From Material Substitution to Function-Based Hybrid Design（从材料替代到基于功能的混合设计）
混合木材基与传统建筑体系不仅关乎替代钢筋混凝土或钢材，更常见的是根据结构或围护功能在建筑不同部分组合不同材料。混合设计是关于体系配置而非仅材料替代的问题。四种主要配置代表建筑及框架层面的反复排列。主要设计问题不仅是使用了多少生物基材料，还包括其使用位置及其执行的功能。工程木材的主导作用由此说明：正交胶合木、胶合木与层叠 veneer lumber产品可在主要建筑元件中分配明确的结构角色，而对比之下非木材生物基材料主要出现在围护与非承重应用中。因此，按反复出现的系统配置分类与按材料功能解释是互补而非竞争的方法。
4.2 Component-Level Evidence and the System-Level Gap（组件层面证据与体系层面空白）
综述文献中的一个明显模式是对组件、子体系与特定结构机制的强烈关注，许多研究处理特定组件或子体系类型，包括木-混凝土组合楼板、正交胶合木内填板与混合剪力墙体系、钢-木框架相互作用或连接行为。此类证据很重要，因混合体系依赖于界面、连接及材料间元件级相互作用的性能。同时，此组件级关注造成了体系级空白：单个研究常对某一元件、连接或结构机制提供详细证据，但很少有研究解释不同混合组件如何组合为完整建筑配置。整体配置还取决于跨度排列、稳定策略、竖向荷载传递、防火策略、声学与振动要求、施工顺序及法规接受度。
4.3 System-Dependent Benefits and Implementation Barriers（体系依赖的优势与实施障碍）
报告优势与局限表明，混合体系不能通过单一一般性能声明来评估。更低隐含碳、减重、预制、刚度改善或抗震行为取决于具体混合组合及分配给每种材料的角色。例如，钢-木楼板配置相比选定的常规替代方案可减少隐含碳，但附加混凝土层或为满足振动与防火性能所需措施的存在可影响整体环境平衡。同样适用于实施障碍：连接与界面行为是钢-木、木-混凝土与钢筋混凝土-木配置中的反复关注点。在围护与改造应用中，热阻（thermal transmittance）相似的外部墙体组件可因热容与气候条件差异而表现不同的年度采暖与制冷需求。
4.4 Implications for Larger and Public Building Applications（对大型及公共建筑应用的意涵）
对于大型及公共建筑应用，发现支持基于木材在整体建筑配置中预期功能的早期设计方法。混合方案的适用性取决于主要承重结构、侧向稳定体系、楼板、建筑围护及连接如何相互作用。进一步意涵涉及单个组件与完整建筑体系之间的相互作用：木材内填墙或混合连接的侧向响应改善本身并不确立整个建筑的抗震性能。在早期设计阶段，发现可帮助比较混合配置与项目目标，并识别选择方案前需验证的结构、环境与使用性能要求。
4.5 Limitations of the Review（综述的局限性）
分析基于Scopus与Web of Science记录、英语出版物及期刊文章或完整会议/会议录论文。编码过程涉及解释，特别是当研究处理多种材料、元件或性能方面时。频率计数描述综述文献中主题的分布，不应解释为技术性能或实际适用性的直接测量。纳入研究在研究方法、结构尺度与评估条件上存在差异，因此所识别的设计考虑反映文献中的反复发现，而非普遍适用的性能估计或规定性设计规则。
5. Conclusions（结论）
本系统性综述分析了141项关于混合建筑体系的研究，将木材基或其他生物基组件与常规建筑材料相结合，识别出四种主要配置。混合建筑体系不仅关乎以钢材或混凝土替代木材，还关乎根据其在建筑中的功能组合材料。主要优势与设计考虑因配置而异：在钢-木体系中，正交胶合木墙内填可改善侧向响应，木材楼板方案可减少隐含碳；在带钢筋混凝土核心筒或剪力墙的大型木结构中，承重与侧向稳定功能的分工可支持结构更高效且隐含碳更低的解决方案，但需考虑核心筒刚度、差异变形与振动；木材及其他生物基幕墙体系提供热与环境优势；在钢筋混凝土主导系统中，木材组件可改善抗震响应或减轻结构重量。工程木材仍是主要生物基结构材料，其他生物基材料仅在七项研究中被识别，主要用于保温、内填与建筑围护。单个组件的性能不一定反映完整建筑的性能。这些发现共同为在设计早期评估混合方案提供了文献基础。
