左宏亮 許相宜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

伴隨著綠色建筑的推廣及新型木材加工技術(shù)的發(fā)展，木材這一古老而天然環(huán)保的建筑材料再次回歸人們的視野當(dāng)中。木材作為一種可再生的天然資源，具有環(huán)境友好、紋理美觀、力學(xué)性能優(yōu)良且施工工藝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑的要求[1]，已在全世界范圍內(nèi)得到了普遍認(rèn)可和大力推廣，尤其是近年歐美對(duì)新型木建筑材料CLT的深入研究及廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的中高層木結(jié)構(gòu)建筑得以完成，使建筑行業(yè)迎來(lái)了“第二次文藝復(fù)興”。

1 CLT簡(jiǎn)介

Cross-Laminated Timber，簡(jiǎn)稱CLT，是一種可用于建筑的墻、板與柱的新型重木建筑材料。在歐洲，CLT產(chǎn)品一般以窯干的云杉或冷杉指接材為原料，經(jīng)過(guò)分揀和切割成木方，將至少3層的實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材均勻涂刷膠合劑，經(jīng)正交(90°)疊放后，使用較大的水壓或真空壓力機(jī)將正交疊放堆積的木方壓成相互緊鎖的木板，如圖1所示。

CLT及其構(gòu)成的重木結(jié)構(gòu)與其他建筑結(jié)構(gòu)相比，具有如下突出優(yōu)勢(shì)：

1)承載能力強(qiáng)?；贑LT將規(guī)格材料橫豎紋交錯(cuò)排布的設(shè)計(jì)性質(zhì)，其膠合時(shí)遵循對(duì)稱原則與奇數(shù)原則，使得其物理力學(xué)性能在縱橫兩個(gè)方向上較為均勻，內(nèi)部應(yīng)力較為平衡，將具有各向異性的木質(zhì)材料轉(zhuǎn)為成雙向力學(xué)性能良好的結(jié)構(gòu)材料。此外，通過(guò)剔除木材的缺陷，構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度得以顯著提高，充分利用了木材強(qiáng)重比高的特點(diǎn)；

2)尺寸穩(wěn)定性高。相比普通層板膠合木等結(jié)構(gòu)材料，CLT通過(guò)縱橫向疊合工藝及嚴(yán)格的含水率控制，其尺寸穩(wěn)定性得到了大幅度提高，更適用于建造中高層建筑；

3)耐火性能極好。在燃燒情況下，CLT材料表層會(huì)以緩慢速率形成碳化層，可較長(zhǎng)時(shí)間的維持內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在沒(méi)有防火層的條件下，也可達(dá)到耐火1 h的要求。芬蘭的“Puukuokka”聯(lián)排公寓，將所用的全部CLT結(jié)構(gòu)外覆防火涂料，其消防安全性比同樣的混凝土建筑高出了50倍；

4)“負(fù)碳”、保溫、節(jié)能。由于樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中固化的碳多于其成為木材在生產(chǎn)、加工和使用過(guò)程中釋放的碳，所以被稱為“負(fù)碳”建筑材料。有人對(duì)曾經(jīng)的“世界最高木樓”——采用CLT建造的Stadthsus 8層公寓進(jìn)行過(guò)估算，整棟建筑使用的木材共吸收存儲(chǔ)了186 t碳，若使用鋼筋混凝土進(jìn)行建造，則會(huì)排放137 t碳。此外木材熱傳導(dǎo)性低和CLT連續(xù)大幅面的特性，使建筑具有良好的氣密性和保溫隔熱隔音效果。相比于鋼材和水泥，減少了至少16%的能源消耗；

5)抗震性能優(yōu)越，應(yīng)用范圍廣。2010年2月，日本對(duì)一座使用CLT材料建造的7層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高強(qiáng)地震模擬測(cè)試，結(jié)果顯示該建筑未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)破壞，抗震性能優(yōu)越。CLT作為一種建筑材料與緊固件和連接件共同保證了整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震能力。理論上CLT既可用于中低層，也可用于20層以上的民用和非民用建筑，既可以完全使用CLT進(jìn)行建造，也可部分替代鋼材或鋼筋混凝土，形成CLT-鋼或CLT-鋼混凝土混合系統(tǒng)；

6)大幅提高施工效率。目前，CLT的工廠預(yù)制技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制加工構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)搭建組裝，速度快，噪聲低。據(jù)新加坡建設(shè)局統(tǒng)計(jì)，CLT建筑的施工時(shí)間比傳統(tǒng)材料建造時(shí)間節(jié)省25%～35%。盛聯(lián)集團(tuán)在墨爾本使用CLT材料建造了目前世界上最高的CLT公寓，其外墻、樓板、樓梯和電梯井道均采用CLT建成，僅6名工人，耗時(shí)不到兩個(gè)月時(shí)間便組裝完成。雖同等體量的CLT造價(jià)要高于鋼筋混凝土，但預(yù)制化生產(chǎn)和高效施工使工期大大縮短，整體開(kāi)支大幅降低。

正是基于上述優(yōu)異性能，CLT非常符合我國(guó)大力發(fā)展綠色建筑、裝配式建筑的指導(dǎo)方針，CLT建筑的推廣將有力推動(dòng)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

2 CLT建筑在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況

2.1 國(guó)內(nèi)外的成功案例

1974年，CLT誕生于奧地利。近年建造CLT建筑的熱潮始于2009年Stadthaus公寓正式對(duì)外開(kāi)放。Stadthaus公寓是一棟9層的木結(jié)構(gòu)建筑，是當(dāng)時(shí)世界上最高的木結(jié)構(gòu)居住建筑。整個(gè)建筑，除基礎(chǔ)與首層考慮防潮腐等因素采用了混凝土，其余部位從底面、天花板到電梯井、樓梯井均為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，選用了CLT作為承重墻和地板，整個(gè)施工時(shí)間僅4個(gè)月左右。Stadthaus公寓如圖2所示。

2012年，墨爾本建成10層公寓Forté成為新“世界最高木樓”。2013年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)建造了5層高的地球科學(xué)大樓，該大樓以CLT為主要建筑材料、梯井部分采用混凝土、大跨框架梁采用鋼梁，將不同建筑材料的優(yōu)勢(shì)完美結(jié)合。2014年，亞洲第一棟CLT建筑——森科總部大樓于中國(guó)臺(tái)灣建成，如圖3所示。2017年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的18層學(xué)生公寓Brock Commons完工，這棟53 m高的木—混凝土—鋼混合應(yīng)用的公寓再次刷新了木結(jié)構(gòu)建筑的高度，如圖4所示。該建筑累計(jì)減少排放2 432 t碳，生動(dòng)的證明了CLT作為建筑材料的先進(jìn)性與環(huán)境友好性。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐洲作為CLT產(chǎn)品的發(fā)源地，其生產(chǎn)工藝、科學(xué)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等多方面均為世界領(lǐng)先水平，并具有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)體工程為基礎(chǔ)，CLT建筑體系相對(duì)成熟，混合體系也在不斷發(fā)展。2005年以來(lái)，Bruno Dujic團(tuán)隊(duì)[2-5]研究了對(duì)CLT的邊界條件，并對(duì)豎向荷載、連接件等對(duì)CLT的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；2009年，Andrea Frangi[6]對(duì)CLT板的耐火性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，證明了CLT遇火后外部形成碳化層，具有出色的耐火性能，但膠粘劑的種類對(duì)其有較大影響；2012年，Nakashima等[7]對(duì)單個(gè)鋼制、銷接的CLT試件進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)并進(jìn)行了對(duì)比分析；2013年5月，COST Action FP1004 European Conference of Cross Laminated Timber會(huì)議在奧地利舉辦，邀請(qǐng)了奧、德、法、意、英等多個(gè)國(guó)家的相關(guān)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)，近200位與會(huì)者就CLT產(chǎn)品的生產(chǎn)與測(cè)試、設(shè)計(jì)與施工、節(jié)點(diǎn)與抗震設(shè)計(jì)和建筑物理與工程實(shí)例四個(gè)主題進(jìn)行了談?wù)撆c交流。2015年，歐洲發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)《Timber structures-Cross laminated timber-Requirements》。

雖然我國(guó)對(duì)CLT的研究尚處于初級(jí)階段，但也已對(duì)CLT生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，目前已有寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司、中意森科木結(jié)構(gòu)有限公司、河北遷安市大樹(shù)木業(yè)有限責(zé)任公司等數(shù)家CLT生產(chǎn)企業(yè)，CLT材料已進(jìn)入批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用階段。河北遷安重型CLT示范房于2014年建成。2016年12月，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司設(shè)計(jì)并搭建了我國(guó)第一棟裝配式CLT膠囊示范房。南京林業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[8-12]對(duì)CLT木材組坯形式、生產(chǎn)工藝、滾動(dòng)剪切性能、物理力學(xué)性能和連接形式多方面進(jìn)行了研究；上海美固澄梵緊固件有限公司與南京林業(yè)大學(xué)共同研發(fā)了用于木結(jié)構(gòu)連接的新型自攻螺釘[13]，如圖5所示，可為CLT等木結(jié)構(gòu)建筑提供可靠連接。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，歐洲對(duì)CLT的研究較為系統(tǒng)，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛。歐洲CLT產(chǎn)量已從2005年14萬(wàn)m3增長(zhǎng)至超過(guò)100萬(wàn)m3。我國(guó)對(duì)CLT的研究與實(shí)踐尚處于初級(jí)階段，但最新修訂的GB 50005—2017木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)劃補(bǔ)充CLT相關(guān)設(shè)計(jì)要求與構(gòu)造要求，專門的CLT規(guī)范也在制定當(dāng)中。在今后的一段時(shí)間內(nèi)，我們應(yīng)在學(xué)習(xí)國(guó)外CLT建筑的技術(shù)成果與成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，充分利用我國(guó)林業(yè)資源研發(fā)CLT產(chǎn)品，出臺(tái)符合我國(guó)CLT生產(chǎn)加工工藝規(guī)范、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等，研究膠合劑的替代品，加大對(duì)CLT產(chǎn)品的推廣，改善消費(fèi)者對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑防火、抗震等方面性能不佳的誤解。CLT結(jié)構(gòu)作為新型木質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，具有鋼筋混凝土、鋼材和輕型木結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)秀特性，具有巨大的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑和發(fā)展裝配式建筑的政策，相信未來(lái)CLT建筑會(huì)為我國(guó)的建筑行業(yè)帶來(lái)嶄新的面貌。

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