張婷婷， 孫 巧， 孫雪敏， 史佳文， 丁智鵬， 衛(wèi)佩行*， 王建和

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林系，江蘇 句容 212400；2.寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧海 315600)

綜 述

正交膠合木的研究現(xiàn)狀及國產(chǎn)化展望

張婷婷1， 孫 巧1， 孫雪敏1， 史佳文1， 丁智鵬1， 衛(wèi)佩行1*， 王建和2

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林系，江蘇 句容 212400；2.寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧海 315600)

介紹了一種新型木質(zhì)建材正交膠合木(CLT)的概念、優(yōu)勢及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，展望了CLT在國內(nèi)的發(fā)展前景。

正交膠合木；研究現(xiàn)狀；國產(chǎn)化；發(fā)展前景

1 正交膠合木簡介

20世紀(jì)初期，建筑市場基本被鋼筋混凝土材料所壟斷，很少應(yīng)用木材，即使有應(yīng)用也主要用于輕型木框架結(jié)構(gòu)。然而在過去的10年里，木材重新占領(lǐng)了市場，大有與礦物基建材并駕齊驅(qū)之勢。這種變化是木材這種長達(dá)數(shù)世紀(jì)被認(rèn)為是可燃物建材在城市中的復(fù)興，其中一個重要的原因就是木質(zhì)工程材料的創(chuàng)新發(fā)展[1]。

近幾年來，在歐洲和北美發(fā)達(dá)國家，以鋸材為基本單元制成的新型建材——正交膠合木(Cross Laminated Timber，CLT)為主材的新一代重型木結(jié)構(gòu)建筑正在部分取代鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)建筑，CLT解決了木結(jié)構(gòu)建筑的層高限制，可用于建造低、中層甚至高層的民用住宅和非民用建筑，其被譽為是建筑業(yè)的“第二次文藝復(fù)興”[2]。CLT是一種至少由3層實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯、使用結(jié)構(gòu)膠黏劑壓制而成的預(yù)制工程木質(zhì)板材[3]，其生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備配置如圖1所示。CLT有典型結(jié)構(gòu)、橫向斜向鋪設(shè)結(jié)構(gòu)和箱型空心結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類型，如圖2所示。

CLT的單元之間可用膠或釘連接，常見的寬度為0.6 m、1.2 m、2.4 m、3 m，長度可達(dá)18 m，厚度可達(dá)508 mm。CLT板可實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，在工廠預(yù)制成各類墻板、樓板及屋頂板，在現(xiàn)場組裝和建造，用以取代現(xiàn)澆鋼筋水泥制品和水泥預(yù)制板，可有力地推動建筑工業(yè)化的發(fā)展。CLT木結(jié)構(gòu)建筑組裝如圖3所示。

圖1 CLT生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備配置

a.典型結(jié)構(gòu)；b.橫向斜向鋪設(shè)結(jié)構(gòu)；c.箱型空心結(jié)構(gòu)圖2 CLT三種結(jié)構(gòu)類型

圖3 CLT木結(jié)構(gòu)建筑組裝

2 正交膠合木的優(yōu)勢

在歐美發(fā)達(dá)國家，木材CLT通常是由厚度為15～35 mm針葉規(guī)格鋸材通過分等、鋪層、涂膠、縱橫交錯層積和加壓膠合等工序制成的新型建筑材料，其輕質(zhì)高強，可充分發(fā)揮木材強重比高的優(yōu)勢，而且板材幅面較大。

以木材(CLT)為材料的新一代工程木制品和建筑系統(tǒng)具有高強抗震、設(shè)計靈活、舒適美觀、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土、磚混結(jié)構(gòu)和第一代輕型木框架結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)相比，它具有以下優(yōu)勢：

①強重比高，承載性能好：交錯層積材性能在縱橫兩個方向上較均勻，通過去除層積單元的缺陷，可顯著提高設(shè)計強度值。

②尺寸穩(wěn)定性好：通過縱橫正交鋪裝和控制鋸材單元的含水率可顯著提高板材的尺寸穩(wěn)定性。

③噪聲低：與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，由于交錯層積材可在工廠模塊化預(yù)制，因此組裝快，現(xiàn)場噪聲低，無污染，無建筑垃圾產(chǎn)生。

④建造快、成本低：工期短(時間僅是傳統(tǒng)的1/4～1/2，大大節(jié)省人力成本、加速資金周轉(zhuǎn))，在北美可減少建筑外殼成本約 5%～15%。

⑤抗震、隔音、保溫效果好：由于板材的低熱傳導(dǎo)性和連續(xù)大幅面特征，可保證建筑具有良好的氣密性和隔音、保溫、隔熱效果。

⑥防火性能好：燃燒后形成表面炭化層，可有效阻隔火焰的進一步傳播，不加防火層也可達(dá)到防火1 h的要求。

⑦低碳環(huán)保：儲碳固碳，拆卸后可重新回收利用。

⑧應(yīng)用范圍廣：可用于低、中層甚至高層(20層以上)的民用和非民用建筑，完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)，也可部分代替，與鋼筋混凝土等混合使用。

3 正交膠合木的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，Dr?ge 和Stoy首次提出用德語名詞“Brettsperrholz”(BSP)來描述一種性能優(yōu)越的實體腹板梁的腹板[4]。后來Steurer借用這一術(shù)語來定義木橋甲板[5]。最終，Schickhofer和Hasewend將其翻譯成英文術(shù)語“Cross Laminated Timber”(CLT)[6]。1993年，Schuler和Guyer首次將實木板材用于住宅建筑的主要承重構(gòu)件[7]。1995年，Moser建造了代表當(dāng)時最高水準(zhǔn)的第一棟CLT住宅[8]。

20世紀(jì)90年代開始，奧地利Graz 科技大學(xué)對木材CLT進行了集中研究，開展了三個長期研究項目。1994年，Schickhofer 發(fā)表了關(guān)于CLT剛性和彎曲性的論文。其他類似研究也相繼開展。木材CLT產(chǎn)品在歐洲得到迅速發(fā)展的同時，加拿大、美國、新西蘭、日本等國也開展了很多相關(guān)工作，其研究成果大大推動了該產(chǎn)品的發(fā)展。從2005年起，加拿大FPInnovations研究院、加拿大自然資源部聯(lián)合發(fā)起了一個關(guān)于木材CLT的研究項目，研究成果斐然。

CLT板的應(yīng)用廣泛，除了用于建筑墻體或樓面板外，還可以作為橋梁的主體結(jié)構(gòu)或者橋面板。國外對木材CLT板的應(yīng)用研究較多，在歐洲和北美，尤其是奧地利和德國應(yīng)用廣泛。加拿大 UBC 大學(xué)曾對木材CLT 板在歐洲的發(fā)展進行了總結(jié)[9]。此外，UBC 大學(xué)還分別對 3 層、5 層、6 層、7 層交錯疊合膠合板、釘合板進行了力學(xué)性能測試和有限元數(shù)值模擬分析，其研究結(jié)果表明這種新型木板表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能[10]。在日本，Yawalata 等人對木材CLT 板的動力學(xué)特性、蠕變性能進行了初步研究[11]，試驗裝置如圖4(a)所示；Park等研究了交錯疊合木材CLT板的靜力彎曲性能，并與傳統(tǒng)平行層壓板進行對比，得出了木材CLT板的彈性模量及強度等參數(shù)比一般層合板高的結(jié)論[12]；日本還曾在試驗室振動臺上對一座8層木材CLT木建筑進行了抗震性能研究，如圖4(b)所示。此外，木材CLT 板的承載性能引起了研究者的關(guān)注。CLT常作為承載板和抗剪板，設(shè)計時應(yīng)該采用可靠性準(zhǔn)則，得到其準(zhǔn)確彈性特性[13]。對用釘合連接的木材CLT板，還需要考慮接縫的承載能力以及連接件的屈服荷載和嵌入強度，木材CLT 板荷載試驗如圖4所示[14]。

(a).受力性能試驗裝置；(b).CLT建筑抗震試驗；(c)、(d)、(e).CLT 板側(cè)向和軸向荷載作用下的長期試驗圖4 木材CLT板荷載試驗

目前，木材CLT 板在房屋建筑方面使用比較廣泛。2009年，英國建筑工程師 Andrew Waugh 在倫敦采用木材CLT 板建造了一座9層木結(jié)構(gòu)建筑(見圖5④)[15]。圖 5①所示為采用木材CLT板建造房屋建筑的施工現(xiàn)場，其木材CLT板由工廠預(yù)制，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，通過小型吊車安裝就位。該建筑從動工到完工僅用了2個多月的時間。為了增強建筑的整體性和滿足結(jié)構(gòu)尺寸要求，CLT木建筑采用鋼制承載板、自攻螺絲釘及角鐵等連接件，如圖5②和圖5③所示。木材CLT也可以與其他建筑體系如鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等混合使用建造更高層的建筑，以具有更佳的使用效果[16]，加拿大、瑞士等國家正在研發(fā)設(shè)計30層及以上的木材CLT高層混合建筑。

① 施工現(xiàn)場；② 板間階梯形連接細(xì)部構(gòu)造；③ 板間連接件；④ Stadthaus building圖5 木材CLT建筑

國外對木材CLT的研究從廣度到深度都達(dá)到了很高的水平。根據(jù)Google學(xué)術(shù)搜索顯示，近三年(2012-2015)關(guān)于木材CLT的研究成果(論文及專利)約有6 140個，僅2016年1～3月就有233個研究成果。目前我國對木材CLT的研究還處于起步階段，僅有北京科技大學(xué)、長安大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)等科研院所針對木橋用CLT和建筑用CLT進行了初步的實驗室研究[17-22]。我國針對木材CLT建筑的規(guī)范已經(jīng)立項，《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50005)的最新修訂版也擬將補充木材CLT結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。盡管目前我國對木材CLT這一新型建材的研發(fā)和應(yīng)用還處于落后狀態(tài)，但發(fā)展速度很快。2016年6月15日，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司(中加低碳)在寧波生產(chǎn)了世界上首批用加拿大鐵杉(Western Hemlock)鋸材制作的大幅面木材CLT建筑預(yù)制板。

4 正交膠合木國產(chǎn)化展望

大力發(fā)展綠色建筑與建材，研發(fā)低能耗甚至超低能耗建筑和可再生資源建筑材料，實現(xiàn)由主動采暖或空調(diào)向被動采暖轉(zhuǎn)變，走低碳城市發(fā)展之路，倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展理念，是破解人口、資源和環(huán)境約束的治本之道。木材CLT作為一種新型綠色建材，已經(jīng)引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。發(fā)展具有中國特色的木材CLT材料及相應(yīng)的木結(jié)構(gòu)建筑，對推動節(jié)能減排、保護人居環(huán)境具有重要的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。筆者認(rèn)為，在我國發(fā)展木材CLT結(jié)構(gòu)建筑前景廣闊。

(1)具有原料優(yōu)勢。中國天然木材嚴(yán)重不足，但人工林面積居世界第一，此外我國竹材資源也非常豐富，如果能充分利用我國的竹材和人工速生林木材資源來生產(chǎn)竹木復(fù)合CLT，則產(chǎn)品強重比更高，在性能和價格上比國外的木材CLT更具優(yōu)勢和競爭力。

(2)可突破層高限制。我國人多地少，是發(fā)展木結(jié)構(gòu)的一個重要瓶頸。GB 50005-2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，我國木結(jié)構(gòu)建筑層高不能超過3層。而CLT采用縱橫交錯的組坯方式，賦予了木結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)良的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其在中高層建筑領(lǐng)域的發(fā)展成為了可能，因此也更適合我國土地資源緊張的現(xiàn)狀。

(3)具有良好的政策氛圍。2015年8月31日，國家工信部、住建部聯(lián)合頒布《促進綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動方案》，其中明確提出發(fā)展木結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)建材等綠色建材。促進城鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用，推動木結(jié)構(gòu)建筑在政府投資的學(xué)校、幼兒園、敬老院、園林景觀等低層新建公共建筑，以及城鎮(zhèn)平改坡中使用。推進多層木-鋼、木-混凝土混合結(jié)構(gòu)建筑，在以木結(jié)構(gòu)建筑為特色的地區(qū)、旅游度假區(qū)等重點推廣木結(jié)構(gòu)建筑。

雖然我國CLT木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的發(fā)展前景，但CLT作為新型材料在我國還處于起步階段，對其性能認(rèn)知、質(zhì)量控制和設(shè)備國產(chǎn)化等方面都有待于進一步深入研究。

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(責(zé)任編輯 王琦)

Research Status and Localization Prospects of Cross-laminated Timber

ZHANG Ting-ting1， SUN Qiao1， SUN Xue-min1， SHI Jia-wen1，DING Zhi-peng1， WEI Pei-xing1*，WANG Jian-he2

(1.Department of Landscape and Architecture，Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry，Jurong Jiangsu 212400，China； 2.Ningbo Sino-Canada Low-Carbon New Technology Research Institute Co.，Ltd.，Ninghai Zhejiang 315600，China)

The concept，advantages and domestic and overseas development status of CLT，new wooden building material，are introduced，and the localization prospect of the new cross-laminated timber in China is proposed.

cross-laminated timber；research status；localization；development prospect

2016-09-27

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201513103011Y)；江蘇高校品牌建設(shè)工程一期項目立項專業(yè)項目(PPZY2015A082)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(16KJD220001)

張婷婷(1993-)，女，本科在讀，專業(yè)為木材加工技術(shù)。

*通訊作者：衛(wèi)佩行(1984-)，男，講師，博士，研究方向為木質(zhì)工程材料及木結(jié)構(gòu)工程。

TS612

A

2095-2953(2017)01-0004-04