摘要：正交膠合木（Cross-Laminated Lumber，CLT）作為一種新興的木基工程材料目前已廣泛應(yīng)用于各類民用和非民用建筑中?！拔⑿Γ═he Smile）”項目創(chuàng)新性地使用闊葉材北美鵝掌楸作為基材加工制造CLT板材，并將其應(yīng)用于一個特殊的結(jié)構(gòu)中。此項目的成功充分說明了CLT板材優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，驗證了闊葉材用于CLT加工制造的可行性。本文從外觀設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用和施工等方面對“微笑”項目進行了介紹和討論，以期為我國闊葉材CLT的發(fā)展和應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：景觀木結(jié)構(gòu);正交膠合木;闊葉材;工程應(yīng)用

1. 前言

正交膠合木（Cross Laminated Lumber，CLT）是由至少三層實木鋸材或木基復(fù)合材料正交膠合制成的一種新型木質(zhì)工程材料。上世紀90年代，奧地利與德國率先提出了CLT的概念并開始了對CLT的研究和推廣工作[1]。相比于其他現(xiàn)代工程木制品和混凝土、鋼材等傳統(tǒng)建筑材料，CLT具有強重比高、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸穩(wěn)定性好、環(huán)境特性好及安裝施工方便快捷等優(yōu)勢[2]。基于此，CLT在歐美已廣泛應(yīng)用于各類民用和非民用建筑中。現(xiàn)階段歐洲與北美的生產(chǎn)廠家在加工CLT產(chǎn)品時，普遍采用云杉、花旗松及歐洲赤松等針葉材樹種作為原材料。目前，絕大多數(shù)闊葉材CLT的加工制造仍停留在實驗室階段，用于實驗研究。因此，闊葉材CLT在工程中的應(yīng)用案例少之又少。在現(xiàn)行歐洲CLT標準中，對可用于CLT加工制造的樹種有詳細介紹。其中，除楊木外，其他樹種均為針葉材樹種[3]。但是，現(xiàn)行北美CLT標準規(guī)定，除針葉材樹種外，所有密度達到0.35 g/cm3且力學等級達到要求的闊葉材均可用于CLT的加工制造[4]。

北美鵝掌楸（Liriodendron tulipifera），又稱美國黃楊木，廣泛生長于美國南部與東南部地區(qū)，是美國主要經(jīng)濟闊葉材樹種之一。據(jù)美國森林資源數(shù)據(jù)分析（FIA）顯示，北美鵝掌楸立木蓄積量約占美國闊葉材總量的7.7%，年砍伐量約為1 280萬m3，年生長量超過3 200萬m3[5]。北美鵝掌楸紋理相比于水曲柳和橡木顏色較淺，心邊材差異顯著，邊材呈乳白色，心材顏色呈淺黃色或棕黃色。北美鵝掌楸是散孔闊葉材，木紋通直，結(jié)構(gòu)均勻，密度適中，抗彎性能與針葉材相近。其干縮率較高，但容易干燥且干燥后尺寸穩(wěn)定性好。目前，北美鵝掌楸已廣泛應(yīng)用于家具制造、室內(nèi)裝飾和木質(zhì)復(fù)合材料的加工[6]。另外，北美鵝掌楸也是我國從美國進口的主要闊葉材樹種之一。

“微笑（The Smile）”是美國闊葉木出口委員會（AHEC）在2016年9月的倫敦設(shè)計節(jié)（London Design Festival）上建造的景觀木結(jié)構(gòu)展示項目。此項目由加拿大Alison Brooks建筑設(shè)計事務(wù)所主任Alison Brooks 女士進行整體設(shè)計，并由英國Arup建筑公司負責施工建造。本項目首次嘗試采用北美鵝掌楸CLT作為建筑材料，建造了世界上第一個闊葉材CLT示范建筑，為以后闊葉材應(yīng)用于CLT建筑提供了依據(jù)。本文對此項目的設(shè)計理念、材料應(yīng)用和施工方法和難度等方面進行了介紹和討論，以期為我國闊葉材CLT的發(fā)展和應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

2. 設(shè)計理念

設(shè)計者在設(shè)計“微笑”項目時，其初衷是設(shè)計一個連接橋梁、跳水臺或其他娛樂設(shè)施入口的封閉通道，此通道具有彎曲且出入口不等高等特點。項目的設(shè)計理念來源于整體呈弧形的矩形截面空心梁結(jié)構(gòu)，從正面看去像一個笑臉的形狀。因此設(shè)計者將本項目命名為“微笑（The Smile）”，其外部效果圖如圖1所示;其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為弧形的矩形截面管狀通道，如圖2所示。

如圖3所示，其整體結(jié)構(gòu)由一段半徑為50 m的圓弧構(gòu)成，兩端懸空構(gòu)成了兩個懸臂梁空心梁結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的整體高度為3.4 m，寬度為4.3 m，長度為34 m[7]。整個結(jié)構(gòu)在圓弧的中間位置進行了固定并與建筑的地基相連，彎曲的懸臂結(jié)構(gòu)向兩端延伸，末端懸浮在空中。整個結(jié)構(gòu)的入口位于結(jié)構(gòu)中心位置，出口位于懸臂的兩端。為保證項目結(jié)構(gòu)的整體性，充分體現(xiàn)北美鵝掌楸CLT的結(jié)構(gòu)性能，設(shè)計師決定根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，利用3塊長度為14 m左右的CLT整板拼接安裝結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻體。

值得注意的是，在本項目的設(shè)計中，設(shè)計者創(chuàng)新性的在兩側(cè)外墻上加入了若干直徑在12到20 cm的橢圓形孔洞[8]。這些孔洞除起裝飾、透光和通風換氣作用外，還便于工程人員通過其尺寸變化測量其在使用過程中的應(yīng)力變化。這些孔洞分布在整個結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較小的位置。根據(jù)Arup公司結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果，這樣的設(shè)計會在孔洞附近形成應(yīng)力集中區(qū)域，有利于整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散，進而減少材料的使用量，降低項目建造成本。另外，由于此結(jié)構(gòu)獨特的外形設(shè)計，兩端懸浮在空中。因此，整個結(jié)構(gòu)像梁一樣處在彎曲固定載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的中心位置為應(yīng)力最大點，這也增加了其結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的難度。

3. 建筑材料

本項目創(chuàng)新性的利用闊葉材北美鵝掌楸CLT作為建筑材料。北美鵝掌楸樹體通直，易于干燥，無節(jié)區(qū)域大，節(jié)子較少，易于加工。因此，北美鵝掌楸易被加工成各種厚度規(guī)格的木材，增加了其作為CLT、膠合木等工程木制品基材的靈活性和可用性。另外，北美鵝掌楸強重比較高，其物理力學性能與針葉材相近，其12%含水率條件下的物理力學性能如表1 所示。為進一步說明“微笑”項目利用北美鵝掌楸加工制造CLT的合理性，本文在表1中引入了北美最常用的針葉材黑云杉（Picea mariana）的相關(guān)物理力學性能與北美鵝掌楸進行對比[6]。由表1可以看出，北美鵝掌楸平均密度與黑云杉相近，其彈性模量、靜曲強度及順紋剪切強度等力學性能指標略低于黑云杉，但差異均在10%以內(nèi)。值得注意的是，北美鵝掌楸生材到絕干材干縮率大于黑云杉，但北美鵝掌楸易于干燥且干燥后尺寸穩(wěn)定性好。因此，其干縮率對CLT結(jié)構(gòu)的性能影響較小。由此可以得出，北美鵝掌楸可以用于CLT的加工制造（見表1）。

本項目主體結(jié)構(gòu)所用的CLT板材由德國ZüBLIN Timber 公司生產(chǎn)提供。CLT板材為7層結(jié)構(gòu)，每層單元厚度為14.3 mm。CLT面板以15×89 mm尺寸規(guī)格的北美鵝掌楸指接材為單元基材，以結(jié)構(gòu)用聚氨酯（Polyurethane）為膠黏劑，用真空壓機在800 kg/m2的壓力下加工而成。CLT成板的尺寸規(guī)格為14 m×4. 4 m×100 mm[9]。據(jù)Arup公司統(tǒng)計，包括加工損耗在內(nèi)，本項目所使用的木材總量為85.8 m3，其中項目結(jié)構(gòu)木材凈使用量為68.8 m3，其CLT使用總量及分布情況如圖4所示[10] 。

4. 項目施工

本項目在施工建造時，采用的是模塊化工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝的方式進行的。所有CLT板材根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用計算機輔助數(shù)控加工系統(tǒng)（CNC）在工廠加工成相應(yīng)的模塊單元，然后運至施工現(xiàn)場進行組裝。這種施工方式也充分體現(xiàn)了CLT建筑施工簡單、施工現(xiàn)場粉塵及噪聲污染小等優(yōu)點。

在本項目的施工中，CLT板之間采用長度為300 mm到400 mm的自攻螺釘作為連接件。依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員計算，運用此規(guī)格自攻螺釘作為連接件可以使整體的結(jié)構(gòu)強度增加20%到30%[10]。結(jié)構(gòu)主體與中心位置的地基利用螺栓進行連接。為保證結(jié)構(gòu)整體的美觀性和連貫性，本項目采用木質(zhì)地基，且地基的大部分埋于地下。但是，考慮到整體結(jié)構(gòu)的特殊性，施工人員在木質(zhì)地基殼體內(nèi)放置了鋼材以增加地基的自重，進而提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)翻或因一端過載發(fā)生擺動。另外，由于整個結(jié)構(gòu)為薄壁矩形箱體結(jié)構(gòu)，在受到風載等側(cè)向載荷時，整體結(jié)構(gòu)易發(fā)生剪切變形，造成結(jié)構(gòu)損壞。因此在施工時，工作人員在墻體與屋頂?shù)倪B接處加入了剛性金屬連接件，以增加結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向載荷的能力，防止箱體結(jié)構(gòu)變形，如圖5所示[8]。

5. 討論

“微笑”項目利用厚度僅為100 mm 的CLT板材建造了這棟大跨度懸臂箱體結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)了CLT板材卓越的結(jié)構(gòu)性能。同時，其獨特的外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計也充分體現(xiàn)了CLT在工程應(yīng)用方面的巨大潛力。在外觀設(shè)計上，“微笑”項目的整體外形極具欣賞性，就如它的名字一樣，像一張笑臉，給人以謙遜、舒適的感覺。其內(nèi)部的燈光會通過側(cè)面墻體的橢圓形孔洞中透出，使“微笑”在夜間看起來像一個溫暖、柔和的“燈籠”。另外，這個項目在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時兼顧考慮了其特殊的外形和受力情況?；诖耍卷椖吭贑LT板材單元、連接件和地基等方面都進行了改進或創(chuàng)新，為CLT結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。在此項目中，設(shè)計者還創(chuàng)新性的利用闊葉材CLT作為結(jié)構(gòu)模塊單元，并通過其特殊的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)驗證了闊葉材CLT作為建筑材料的可行性，為今后闊葉材CLT的發(fā)展和應(yīng)用提供了工程依據(jù)。由此看來，“微笑”無論是外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計還是材料應(yīng)用，都可作為CLT應(yīng)用的一個成功范例。