陳艷華, 叢郁錟, 杜官本, 董春雷, 雷洪, 萬輝

西南林業(yè)大學，云南 昆明 650233

正交膠合木（Cross Laminated Timber（CLT））一般是由實木制成的多層鋸材或者面板交叉堆疊并粘合而形成。這種交叉疊層結(jié)構(gòu)一方面確保了CLT的剛性、尺寸穩(wěn)定性和機械性能，另一方面還允許使用不同形狀的木材或材料單元。CLT能應用于墻、地板和屋頂?shù)龋c混凝土和鋼材相比是一種重量較輕的建筑材。隨著可持續(xù)制造理念的形成，在產(chǎn)品制造過程中減少碳排放已經(jīng)成為一個普遍的目標。為了綠色建筑的進一步發(fā)展，目前國內(nèi)外對CLT從取材到組坯的整個流程進行了大量研究，本研究針對CLT生產(chǎn)工藝的相關(guān)研究進行概述，在現(xiàn)有的研究成果上對未來CLT制作過程中原木鋸切、加工以及混合材料的使用等進行展望，以期為CLT生產(chǎn)和應用提供參考。

1 CLT的發(fā)展歷程

CLT的應用始于20世紀90年代初的德國、瑞士等國家。德國的Otto Karl Freidrich Hetzer制作了幾層用膠黏劑粘合而成的直梁，1901年在瑞士獲得了專利[1]。隨后一些歐洲國家也開始研制，1914年丹麥工程師Guttorm N.Brekke買下Hetzer的專利權(quán)開設(shè)了一家工廠。1906年左右Hanisch加入了Hetzer公司，在學會了Glulam結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)后開辦了自己的建筑工程事務(wù)所，并在美國推廣了Glulam技術(shù)[1]。歐洲一直致力于CLT的發(fā)展，目前中歐大約有25家生產(chǎn)帶緊固件的CLT，大部分廠家使用聚氨酯（PUR）膠黏劑，一些廠家也使用三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）。在歐洲標準化委員會（CEN）的努力下，CLT的生產(chǎn)標準于2015年實施并且年產(chǎn)量在奧地利、德國、瑞士和捷克共和國等有很大的提升[2]。在北美的可用性和接受度似乎比歐洲要高[2]，北美的CLT研究首先在加拿大的國家林產(chǎn)品研究院（FPInnovations）的魁北克實驗室啟動。為了開發(fā)低碳環(huán)保和高強度的林產(chǎn)品，F(xiàn)PInnovations的研究員自2004年就開展了“多家庭和非住宅房屋地板的木質(zhì)替代品”“以厚OSB作為地板基板”“混合建筑系統(tǒng)中木地板的施工解決方案”等一系列研究。通過這些項目，他們制作并測試了幾種大型的工程木質(zhì)材料，如用路易斯安娜太平洋公司（LP）提供的定向木片工程木（OSL）做的空心梁板和箱梁，并得到了令人滿意的結(jié)果。與此同時，F(xiàn)PInnovations聯(lián)合加拿大木材協(xié)會和美國木材協(xié)會在美國推動宣傳CLT的概念和技術(shù)。2012年，美國國家標準協(xié)會批準了CLT性能等級的產(chǎn)品標準ANSI/APA PRG320，為在北美廣泛生產(chǎn)制造應用CLT提供了堅實的基礎(chǔ)。2016年，F(xiàn)PInnovations開發(fā)的CLT設(shè)計條款成為加拿大標準（CSA086），并發(fā)表在《木材工程設(shè)計》（Engineering Design In Wood）上。

現(xiàn)在美國木材協(xié)會已完全承擔起在北美或者全世界推廣CLT的責任，每年都要聯(lián)絡(luò)政府、企業(yè)、學校、研究所和建筑師召開CLT的推廣宣傳會。與此同時，美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局（USDAFS）像加拿大一樣，為了解決國有林的發(fā)展需要每年出資幾百萬美元鼓勵美國各大學與企業(yè)合作發(fā)展節(jié)能綠色的CLT生產(chǎn)制造技術(shù)。

2 CLT生產(chǎn)工藝的研究

2.1 國外CLT生產(chǎn)工藝的研究

CLT的生產(chǎn)加工工藝傳統(tǒng)上首先選擇無節(jié)子和無腐爛的木材進行鋸切后干燥，然后刨平提高鋸材的平整度，根據(jù)CLT尺寸要求鋸切，再進行組坯和膠合，最后冷壓成型（見圖1）。目前，對于CLT的工藝從木材加工到成品都有了新的研究。

在制備工藝上，Li等[3]研究了用定向刨花板（OSB）和木材制作的CLT性能，發(fā)現(xiàn)與木材制造的CLT相比，OSB制造的CLT剪切強度高一些。Michele等[4]對山毛櫸木材制造的CLT進行了研究，探索了用單組分聚氨酯（PUR）、PUR+底漆和三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）三種膠黏劑，通過液壓和真空壓制兩種形式，研究山毛櫸板材在CLT生產(chǎn)中的應用。結(jié)果表明不同膠制作的CLT面板中，PUR的性能是最差的，添加底漆提高了PUR粘合性。Bui等[5]研究了壓縮木釘制作的木梁的振動性能。結(jié)果表明設(shè)計的產(chǎn)品振動性能是可以接受的。Bahmanzad等[6]使用鐵杉木材制作與剪切載荷方向成0°、30°、45°、60°和90°的雙板剪切試件，同時測量了剪切模量和剪切強度隨取向的變化情況，通過對破壞模式的觀察，研究了取向和抗剪構(gòu)件之間的相互作用對剪切性能的影響。結(jié)果表明用鐵杉制成的傳統(tǒng)90°的CLT剪切剛度和剪切強度符合相關(guān)標準。此外，與板材主軸成30°和45°夾角的交叉層的剪切強度分別比90°交叉層的CLT高98%和59%。CLT的生產(chǎn)工藝不斷在改進，現(xiàn)在利用壓縮木釘起到緊固作用以及不同的鋸切方式提高其力學性能成為一個新的研究方向，將使得CLT形式更加多樣性。

圖1 CLT生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production processes of CLT

對于原材料的加工，密西西比州立大學[7]根據(jù)樹的節(jié)疤和變形情況對星型鋸切的美國南方松膠合件進行了表征。星型鋸切模式是一種較新的木材鋸切模式。它通過髓心鋸切木材。類似于1/4（Quarter sawn）鋸切模式（見圖2），它的切割角度可以任意改變，使木材得到充分利用。產(chǎn)生的三角形木料有兩個徑切面、一個弦切面即三個面可以用于可以粘合（見圖3），這顯然給CLT的制造提供了更多的靈活性。

密西西比州立大學發(fā)現(xiàn)在所研究的星鋸三角形中，弦切面上的變形最多；徑切面的節(jié)子較多，但變形程度較弦切面??；弦切面膠線的抗剪強度與徑切面對比較低，木材破壞率較高。在經(jīng)過24h室溫水浸泡后，美國南方松弦切面相比于徑切面膠線的分層和尺寸變化趨勢加大，共焦顯微鏡圖顯示弦切面膠線在早材部分有更大的變形趨勢。這揭示了用美國南方松的徑切面膠合的性能比用弦切面的更穩(wěn)定。然而使用星型切割技術(shù)存在一些障礙和問題。首先與傳統(tǒng)的鋸切相比，它的鋸切速度慢且工藝復雜。其次與長方形木材不同，星鋸原木制成的三角形木質(zhì)材料沒有市場價值，必須進一步加工成復合材料。而且整個生產(chǎn)工藝需要設(shè)計和制造特殊的搬運、干燥、分類、分級、施膠、加工和組裝設(shè)備。

圖2 四分之一鋸的圖示Fig.2 Diagram of 1/4 saw

圖3 60度星型切割方案Fig.3 60-degree star sawn cut pattern

密西西比州立大學[8]還研究了美國南方松的節(jié)子對6種CLT的剪切強度的影響，采用了無節(jié)子、活節(jié)子、腐爛節(jié)子、有髓木、無髓木等參數(shù)進行了研究。其結(jié)果表明具有多節(jié)子的CLT抗剪強度高于無節(jié)子的CLT，普通產(chǎn)品的CLT中節(jié)子的存在不會對其抗剪強度值產(chǎn)生負面影響。此外，研究還發(fā)現(xiàn)由清晰的有髓CLT與不含髓的CLT相比，其抗剪強度沒有顯著差異；最初的CLT剪切裂縫是通過髓心或腐爛節(jié)子形成的，隨著剪切應力的增加，裂紋沿木紋擴展或橫跨木紋擴展，并沿著腐爛節(jié)子的邊界擴展。與傳統(tǒng)的林產(chǎn)品應用不同，像節(jié)子和髓心不僅不會降低CLT的性能反而會增強剪切強度。除了利用膠黏劑來組裝CLT外，還研究建造了一個由插銷層積木材制成的四層混合結(jié)構(gòu)。這種CLT無需釘子、膠水或緊箍件就可以組裝在一起[9]。另外，為了確保CLT能夠很好地用于施工目的，必須考慮CLT的連接或緊固件，因此研究者們開發(fā)了一種名為X-支架的連接器，為CLT剪力墻提供了良好的延展性和耗散能力[10]。這不但為重新定義用于CLT制造的木材等級提供了可行性依據(jù)，同時也為在CLT制造中合理利用資源和實行綠色制造提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 國內(nèi)CLT生產(chǎn)工藝的研究

國外對于CLT的生產(chǎn)工藝的研究，從取材到組坯都有較系統(tǒng)的研究，目前國內(nèi)的研究主要集中在材料的選擇以及生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

在生產(chǎn)工藝參數(shù)上，張彥娟[11]選用國產(chǎn)膠黏劑雙組分水性高分子異氰酸酯（API），施膠量分別選用150 g·m-2、200 g·m-2、250 g·m-2、300 g·m-2、350 g·m-2，壓 力 分 別 選 用0.40 MPa、0.60 MPa、0.80 MPa、1.00 MPa、1.20 MPa制備杉木集成材。結(jié)果表明較優(yōu)的膠合工藝條件為單位壓力0.80 MPa，雙面涂膠量250 g·m-2，加入200目的山核桃粉10%。秦理哲等[12]采用弦切面-弦切面的膠合方式制作柳杉實木CLT。得到加壓時間為30 min、壓力為1.00 MPa和施膠量為180 g·m-2能夠制成達到標準的膠合木。龔迎春[13]選用日本落葉松，采用異氰酸酯膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、間苯二酚-甲醛樹脂膠粘劑進行粘合，通過研究壓力、施膠量、熱處理等對CLT的影響，得到采用聚氨酯膠黏劑，施膠量為200 g·m-2，壓力為1.20 MPa的工藝最佳。張龍等[14]研究了不同施膠量等對云南松CLT剪切性能的影響，得出云南松采用國產(chǎn)EPI（水性高分子異氰酸酯）膠黏劑，施膠量為220 g·m-2，壓力為0.80 MPa的生產(chǎn)工藝最佳。王建和等[15]采用單組分聚氨酯，不同壓力參數(shù)研究加拿大鐵杉CLT膠合性能問題。研究結(jié)果表明壓力大小對加拿大鐵杉CLT的膠合性能有明顯效果，壓力為0.83 MPa的單組分聚氨酯相比于壓力為0.28 MPa的膠層浸漬剝離率低，而且木破率高。寧凡等[16]利用興安落葉松和聚氨酯膠粘劑制成1 200×1 200×80 mm的CLT，采用三層交叉和四層交叉的兩組組坯方式，研究豎向撓度、彎曲破壞等力學性能，并通過理論計算分析組坯方式對CLT力學性能研究的影響。結(jié)果表明厚度相同的雙向板在四邊簡支的狀態(tài)下增加板的膠合層數(shù)使得板的整體承載力有所提高。通過研究木材的工藝參數(shù)，得到最優(yōu)工藝，進一步推動CLT在各領(lǐng)域的應用。

在原木選取上，李敏敏[17]采用橫向振動法和應力波法研究加拿大鐵杉規(guī)格材。結(jié)果表明加拿大鐵杉規(guī)格材順紋彈性模量平均值達到CLT力學性能標準。王志強等[18]采用速生楊木、浸漬改性楊木等材料制成CLT研究其滾動剪切強度、抗彎強度、抗剪強度，采用花旗松和楊木等不同樹種的不同組合方式制成了CLT，并對其力學性能進行分析。研究結(jié)果表明混合板材比使用單一板材效果更好，楊木制造的CLT力學性能明顯低于花旗松與楊木混合CLT的力學性能。龔迎春[19]發(fā)現(xiàn)了表層層板模量增加對抗彎彈性模量與抗彎強度的效果顯著，同時也對抗壓彈性模量和抗壓強度效果顯著，且增幅很大；而層板模量增加對層間剪切模量和滾動剪切模量沒有效果，層間剪切強度和滾動剪切強度變化幅度很小。高子震等[20]運用橫向振動法對西部鐵杉的力學性能進行分析。結(jié)果表明用鐵杉制造的CLT主強度方向彈性模量、抗彎強度、剪切強度以及耐久性等性能達到北美標準的CLT性能要求。王韻璐[21]通過懸臂板橫向振動法動態(tài)測試和四點彎曲法靜態(tài)測試對加拿大鐵杉制造的CLT進行彈性模量研究。結(jié)果表明CLT主強度方向彈性模量實測值為11312 MPa，加拿大鐵杉制成的CLT板材彎曲性能達到CLT樓板等工程應用等級要求。何敏娟[22]通過CLT結(jié)構(gòu)節(jié)點和墻體試驗數(shù)據(jù)建立有效的有限元模型，并采用增量動力分析方法結(jié)合可靠性設(shè)計計算出多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下3層和6層CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值，計算出在多種地震作用下的荷載-位移限值。孫曉峰[23]等研究了五層鐵杉CLT強弱軸方向的彎曲及剪切性能，采用剪切類比法獲取了彎曲及剪切性能相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明CLT板在弱軸方向受彎曲和剪切時，底層橫紋板對抗彎性能、剪切性能幾乎沒有影響。綜合國內(nèi)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)利用國內(nèi)木材用于CLT的力學性能研究還是較少的?，F(xiàn)在國內(nèi)有大量速生木，如果合理利用速生木作為CLT的制造將使木結(jié)構(gòu)建筑有新的進展。

在原材料加工上，原木的樹木種類和生長特性決定了它是否適合用于CLT的制造，而利用樹木的本身特性，選擇合適的鋸切方式來提高木材的出材率用于CLT的制造的研究很少。有用梯形下鋸法鋸切方式來處理鋸材，但是出材率沒有大幅度提高[11]。因此提高木材出材率不僅可以節(jié)約木材資源，避免造成木材過度浪費，同時還可以降低CLT制造成本。

相比國外，建筑行業(yè)對木材的偏見、歷來的木材資源緊張以及天然林保護工程的啟動等問題，使得研究混合材料制造CLT對于我們國家建筑材料的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護有著十分重要的意義。竹材具有生長快、易降解、強度高、韌性高等特點，是全世界公認的綠色可持續(xù)材料[24-25]。合理的竹材與木材結(jié)合可以優(yōu)勢互補，這使得竹木復合已成為新的研究方向。但是竹材本身的特性決定了它取材困難。一般對竹材的處理是去除竹青、竹黃，再進行膠合處理加工，其工藝較復雜且出材率不高，目前竹木復合的竹材是利用集裝箱的廢料，經(jīng)過簡單處理使用[26]。大多數(shù)的竹木復合結(jié)構(gòu)形式是疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種設(shè)計有利于產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)效率和提升產(chǎn)品力學性能[27]。竹木復合形式的CLT在組坯前對竹材施膠的方法通常是進行浸膠處理，然后與木材進行復合[27-28]?，F(xiàn)在因其強度高等特點重組竹也被用于竹木復合材料[24]，加工出的產(chǎn)品可用在結(jié)構(gòu)承重方面。但重組竹處理工藝煩瑣，可能是這個原因，沒有被廣泛用于竹木復合。因此，簡化對竹材的加工處理和提高竹材利用率，特別是對竹青的利用仍是竹木復合材料中的一個重要問題，解決了此問題竹木復合材料才能提高竹木復合材料的力學性能和減少木材的使用，節(jié)約木材資源，從而推動綠色林產(chǎn)品的理念，為CLT在國內(nèi)的發(fā)展開辟一新的途徑。

3 國內(nèi)CLT在建筑中的應用

目前CLT在國內(nèi)開始廣泛應用于建筑中，例如位于上海西郊的意境園餐廳從結(jié)構(gòu)到裝飾大量使用了加拿大花旗松木材，膠合木梁和SPF的檁條支撐著六頂樹葉形狀的屋面，形成三角形結(jié)構(gòu)。木骨架是由加拿大花旗松在本地工廠加工制成，該項目于2018年10月竣工完成（如圖4所示圖片來源于加拿大木業(yè)）。

2015年6月，開發(fā)商北科泰達、加拿大木業(yè)與B+H建筑設(shè)計公司合作設(shè)計了三棟四層辦公樓CMaRs，總建筑面積為1100 m2。CMaRs辦公樓位于中加生態(tài)示范區(qū)產(chǎn)業(yè)地塊楓創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園。它采用了混合設(shè)計，其主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而外墻非承重結(jié)構(gòu)采用預制的木墻（如圖5所示圖片來源于蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司）。

圖4 意境園餐廳Fig.4 Yijingyuan restaurant

天津濱海中加生態(tài)示范區(qū)的項目是由加拿大自然資源部（NRCan）和北科泰達研發(fā)的，其中包含了輕型木結(jié)構(gòu)、混合木結(jié)構(gòu)和重型木結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)建筑，加拿大Super E?健康住宅節(jié)能技術(shù)標準采用了環(huán)保保溫的木結(jié)構(gòu)材料以及結(jié)合熱回收通風設(shè)備（HRV）等先進系統(tǒng)，這樣在環(huán)保節(jié)能方面有大幅度提升。如圖6所示（圖片來源于加拿大木業(yè)）該項目于2018年9月竣工完成。

另外，CLT木結(jié)構(gòu)中高層建筑在國內(nèi)開始有了初步進展，2020年山東煙臺建造了國內(nèi)首個6層木結(jié)構(gòu)建筑，建筑面積為4778.5 m2并采用CLT進行設(shè)計（如圖7所示圖片來源于齊魯晚報）。2017年，上海電氣研砼與加拿大木業(yè)協(xié)會合作研發(fā)了派柯體系（PEC System）。派柯體系是指建筑主體結(jié)構(gòu)采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，外圍墻采用裝配式非承重木骨架組合墻體的混合建筑體系，這樣能夠有效減少能耗問題，更加經(jīng)濟環(huán)保。綜上，如果合理利用CLT用于建筑結(jié)構(gòu)的外觀設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的制造將會使木結(jié)構(gòu)建筑和木材的高附加值利用有新的突破。

4 建議

CLT在建筑領(lǐng)域的應用已經(jīng)取得巨大進展，但在保證CLT質(zhì)量的前提下，如何優(yōu)化生產(chǎn)工藝和降低成本需要引起廣泛的關(guān)注。針對優(yōu)化CLT生產(chǎn)工藝以及降低成本的問題，提出以下幾點建議：

（1）CLT是一種創(chuàng)新的建筑材料，盡管它與傳統(tǒng)的林產(chǎn)品有著千絲萬縷的聯(lián)系，北美的經(jīng)驗證明其廣泛應用仍然需要一個系統(tǒng)來支持它。而這個系統(tǒng)在國外是林產(chǎn)工業(yè)聯(lián)合研究所、學校、建筑師等在政府的財政支持下構(gòu)成的。另一方面這也表明林產(chǎn)工業(yè)這個古老的系統(tǒng)需要更新，以便更多更好的創(chuàng)新理念和產(chǎn)品容易被建筑行業(yè)和社會廣泛接受。

圖5 CMaRs辦公樓Fig.5 CMaRs office building

圖6 天津濱海新區(qū)Fig.6 Tianjin Binhai New District

圖7 山東鼎馳木業(yè)研發(fā)中心Fig.7 Shandong Dingchi Wood R&D Center

（2）據(jù)調(diào)查，在CLT制造過程中木材成本超過了60%。因此，提高原木利用率和減少生產(chǎn)浪費將大大降低CLT的制造成本。這可以通過星型鋸切模式來盡可能多利用原材料。另一種提高原木利用率的方法是使用六角形木質(zhì)材料制造CLT，由于它使用心材并將原木加工成六角柱，會產(chǎn)生比星型鋸切模式更高的效率，但它可能會對CLT制造過程中的膠合、組裝和壓制工藝提出新挑戰(zhàn)。

（3）木材干燥的目標是在不產(chǎn)生表面缺陷、端面缺陷、裂痕、變色等干燥缺陷的情況下，將木材中的水分盡快排出。傳統(tǒng)的木材干燥是在相對較低的溫度下進行的，包括加熱、除濕和調(diào)質(zhì)幾個步驟，通常需要幾天時間，費用也很高。

為了進一步降低CLT的制造成本，受木質(zhì)復合材料制造的啟發(fā)，可以考慮高溫加壓干燥。木材的平整度是CLT制造的關(guān)鍵因素，假設(shè)利用高溫加壓干燥木材，不僅干燥速度快而且有利于重新分配生長應力和干燥應力，從而提高木材干燥的尺寸穩(wěn)定性以及干燥后木材的合格品率，獲得平直、扁平的木元素。因此，高溫加壓干燥將增加CLT制造單元的產(chǎn)量，加上較短的干燥時間會降低CLT的生產(chǎn)成本。

（4）將竹子用于CLT的制造和應用可以在一定程度上緩解了我國木材資源不足的問題，竹材、木材雖都有各向異性，但材質(zhì)差別明顯[29]，竹木復合產(chǎn)品所用材料以及組合方式的不同，都將影響竹木復合材料的整體性能。因此需要研究不同竹材和木材組合方式，采用合理的竹木結(jié)構(gòu)設(shè)計，將充分發(fā)揮竹材在竹木復合材料中的優(yōu)勢。但是竹材本身的生長特性造成其利用率不高，如果能全竹利用將進一步提高竹材的經(jīng)濟價值，提高CLT的質(zhì)量，從而進一步推動我國林產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

5 展望

與集成材相比，CLT更加強調(diào)產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。因此，在CLT制造過程中，對原料的選擇有更大的空間。這意味著一些未充分利用的木材品種也有可能用于CLT制造，并且它可以讓我們以不同的角度看待木材的缺陷。實際上，有人研究了如何利用南方松樹的特性來制造工程木和CLT[30]。從整個社會需求來說，一方面在木材-木材、木材-水、木材-聚合物、木材-鋼材、木材-混凝土、木材加工、木材-防腐劑的關(guān)系等方面開展更多的基礎(chǔ)性研究已成為共識。另一方面人們也意識到木材在建筑中的應用研究僅限于將木材作為替代鋼筋和混凝土的填充材料，雖然有一些關(guān)于木材環(huán)境心理影響的研究項目指出木質(zhì)住宅比鋼筋和混凝土住宅提供了更好的心理和生理效果，但研究不同樹種對人的影響微乎其微。如果當人們討論木質(zhì)住宅對人的影響時，能將其與木材的顏色、光線、溫度、水分、揮發(fā)性有機物、濕度的變化和審美價值等聯(lián)系起來，這將使木材成為一種獨特的、高價值的建筑材料。同時在原料準備及加工上，一旦發(fā)現(xiàn)或確認了木材的有機特性與人類健康之間的相關(guān)性，就將需要對整個木材和木制品生產(chǎn)過程進行修改，以盡量多的保留木材的有用特性，加上原有的木材加工企業(yè)，這將創(chuàng)造出更多新的林產(chǎn)品加工企業(yè)。