CLT板及CLT木結(jié)構(gòu)體系的研究*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

交錯層積材（Cross-Laminatied Timber，CLT），是由至少3層實(shí)心鋸木或結(jié)構(gòu)復(fù)合材（SCL）垂直正交膠合而成的一種預(yù)制實(shí)心工程木產(chǎn)品（圖1），可用來制作木結(jié)構(gòu)屋頂、地板和墻體[1]。CLT在20世紀(jì)90年代初由德國和奧地利首先報道，第一棟CLT建筑物誕生于歐洲，到了2000年，CLT建筑迅速發(fā)展，目前在歐洲已廣泛使用于住宅和非住宅建筑。為滿足建筑家、工程師和建造商對新的木制品和木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的需求，CLT最近在北美迅速發(fā)展，日本也開展了相應(yīng)的研究。CLT木結(jié)構(gòu)體系是現(xiàn)代輕型和重型的另一種新型木質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，具有潛在的經(jīng)濟(jì)競爭力，也是混凝土、磚石和鋼鐵等材料的合適替代品。CLT的使用促進(jìn)了100年前的5～10層重木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的回歸。

圖1 CLT 板示意

1 CLT板及其加工工藝

1.1 一般要求

為了滿足材料尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能，如整體性和雙向力學(xué)性能，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足3大原則[2]：對稱原則、奇數(shù)層原則和厚度原則。對稱原則要求對稱面的層板在樹種、含水率、制造方法上相互對應(yīng)，以確保各種內(nèi)應(yīng)力相對平衡，不會發(fā)生翹曲變形；奇數(shù)層原則要求CLT板為奇數(shù)層，常見的是3～7層；厚度原則要求層板厚度適宜，一般情況下，相同厚度的板，層數(shù)越多，質(zhì)量越好。典型的CLT構(gòu)件至少有3個膠合層，相鄰2層層板垂直交錯放置，有一些特殊的結(jié)構(gòu)，連續(xù)層會平行而不是垂直放置，形成一個雙層（外表面雙縱層或板芯雙層），以獲得特殊的結(jié)構(gòu)性能。CLT板子的尺寸由制造商決定，寬度一般有0.6 m、1.2 m、2.4 m和3 m，長度可以達(dá)到18 m，厚度可以達(dá)到508 mm。不同生產(chǎn)商根據(jù)選用材料類別、等級、膠黏劑、生產(chǎn)工藝不同，CLT產(chǎn)品性能也不同。

1）材料選擇：制造CLT的材料單元有規(guī)格材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材（SCL），如單板層積材（LVL），層疊木片膠合木（LSL）或者定向木片膠合木（OSL）。木片單元的厚度范圍是16～51 mm，寬度60～240 mm。選材一般需要經(jīng)過目測分等或者機(jī)械分等，并且一般采用窯干干燥，以獲得合適的含水率，防止木材尺寸變形和表面開裂。

2）膠黏劑的選擇：膠黏劑是CLT中除木材外另一個重要組成成分。目前常用于生產(chǎn)CLT產(chǎn)品的3種結(jié)構(gòu)膠分別是酚醛樹脂膠（如間苯二酚甲醛樹脂膠PRF）、乳液型聚異氰酸酯膠（EPI）和單組分聚氨酯膠（PUR）。PRF膠常用于北美制造膠合木，EPI膠常用于工字梁和層壓板，PUR膠在歐洲已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)CLT。但并不是所有同種膠黏劑的配方類型都會滿足結(jié)構(gòu)膠的要求標(biāo)準(zhǔn)，每種不同類型膠的性能都可能有很大的變化。除了價格和性能外，每種膠都有其他的重要屬性，在選擇膠黏劑時這些都需要綜合考慮。

1.2 加工工藝

CLT板是將3層以上相同或不同厚度的木材（或板子）90°交叉放置制造而成的?；旧希魏魏穸鹊腃LT板都可以通過2～50 mm的單板疊加壓制而成。合格的CLT制造過程中的關(guān)鍵是保持木材質(zhì)量的一致性以及控制好影響膠黏劑質(zhì)量的因子。其生產(chǎn)工藝一般包括以下部分：

1）選材：包括木材含水率測試和質(zhì)量分等。含水率測試一方面是因為含水率影響膠合質(zhì)量，另一方面控制含水率變化能夠減少由含水率不同導(dǎo)致的不均勻收縮而產(chǎn)生的木材內(nèi)部應(yīng)力。相鄰2層連接的材料之間含水率差異最好不要超過5%，通常木材必須達(dá)到12%±3%的含水率，SCL的含水率要達(dá)到8%±3%；質(zhì)量分等包括結(jié)構(gòu)分等和外觀分等，主要是為了合理利用木材。最外層一般放置外觀和質(zhì)量較好的木材，以確保美觀性和連接需求。

2）刨平：通常建議厚度方向刨去2.5 mm，寬度方向刨去3.8 mm。3）施膠：根據(jù)所選膠黏劑種類確定施膠方式及參數(shù)。4）組坯：找到最佳的木材組合方式以達(dá)到有效黏結(jié)區(qū)，按照產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行組坯。

5）加壓：加壓是CLT加工關(guān)鍵的步驟，決定了CLT的質(zhì)量。常用的2種加壓方式是：真空壓機(jī)（柔性膜）和液壓機(jī)（剛性壓板）。真空加壓理論上最大的壓力是0.1 MPa，剛性液壓機(jī)比真空壓機(jī)有更高的垂直夾緊壓力和側(cè)向夾緊壓力。為了減少主層的木材單元之間可能存在的間隙，垂直施壓時，側(cè)向夾緊壓力一般在276～550 kPa。如果CLT單層通過邊接預(yù)先成形，則只需要垂直加壓。組坯時間和加壓時間取決于環(huán)境的溫度和濕度，以及膠黏劑的類型。由于低溫環(huán)境下膠黏劑可能需要更長時間來固化，因此加壓時環(huán)境溫度最好高于15 ℃。

1.3 CLT板的特點(diǎn)

CLT板是一種新型的塊狀結(jié)構(gòu)膠合木，可用于單向板和雙向板作為主要受力構(gòu)件，與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)形式相比，是一種理想的輕型建筑板材。CLT將木材交錯疊加地設(shè)計，利用了木材順紋抗拉強(qiáng)度高和橫紋抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，減少了木材各向異性的缺點(diǎn)，使材料趨于各向同性，具備良好的雙向力學(xué)性能。CLT板可根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計要求由3～7塊板經(jīng)高壓膠合而成，由于高壓膠合可以減少木材本身的膨脹和收縮而達(dá)到極小的程度，所以最終在建造建筑框架的時候，這個剛性的結(jié)構(gòu)木構(gòu)件既可以作水平構(gòu)件也可以作垂直構(gòu)件。CLT板具有良好的雙向力學(xué)性能，同時原材料來源廣泛、利用率高、經(jīng)濟(jì)性好，生產(chǎn)加工簡便、適合規(guī)模化生產(chǎn)，而且收縮、膨脹較小[3,4]。

2 CLT木結(jié)構(gòu)體系

CLT木結(jié)構(gòu)體系是以CLT樓板、墻板、屋面板為主要承重構(gòu)件，配以混凝土基礎(chǔ)，以自攻螺絲釘、鋼制承載板和角鐵連接為主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造連接方法形成的一種裝配式結(jié)構(gòu)。CLT板具有輕質(zhì)和高度預(yù)制性，是替代鋼筋和混凝土的木基材料，已經(jīng)形成了CLT系統(tǒng)，適用于中高層建筑。

2.1 CLT建筑結(jié)構(gòu)形式

CLT建筑設(shè)計和建造的方法有多種。根據(jù)構(gòu)件受力方式、連接方式以及木質(zhì)和非木質(zhì)材料使用類型的不同，建筑形式也不同。常見的建筑體系形式有2種：平臺式建筑和連續(xù)式建筑。

平臺式建筑是樓板直接架在墻板的頂端，為下層建造形成了一個平臺。這種結(jié)構(gòu)形式也是歐洲最常用的CLT裝配形式，尤其是多層建筑。這種系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：使上層建筑建造更簡單；連接系統(tǒng)簡單；加載路徑明確。

連續(xù)式建筑是墻體連續(xù)到幾層建筑的高度，中間的樓板系統(tǒng)連在墻體上。由于CLT板長度的限制及設(shè)計和建造的問題，這種系統(tǒng)常用于低層商業(yè)或工業(yè)建筑。這種形式的連接更為復(fù)雜，相對于平臺式建筑較不常用。

2.2 CLT木結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)組成

1）墻板。CLT可作為墻板，CLT墻板最外層木材紋理方向通常平行于重力荷載，以最大化墻體的垂直負(fù)載能力。CLT墻板可整板線支撐，也可開口，可以作為承重墻和非承重墻（圖3）。CLT墻板本身具有一定的隔熱和氣密性，但為了更好地滿足不同的防水、保溫設(shè)計要求，當(dāng)CLT作為外墻時，外側(cè)也需要安裝氣密層、保溫層、防雨幕墻，而當(dāng)CLT用于住宅內(nèi)部界墻時，則兩側(cè)需要依次安裝保溫棉和石膏板。

圖3 帶有窗洞的CLT墻板示意

2）屋板。CLT可作為屋頂，CLT屋板最外層木材紋理方向要平行于大跨度方向。CLT屋頂可以是折疊的，也可以是拱形的，并可以有開口和屋頂陽臺（圖4）。CLT屋頂可以為建筑提供更多的內(nèi)部空間，如果防火規(guī)定允許內(nèi)部結(jié)構(gòu)外露，則外觀更具吸引力。CLT屋板的厚度需要根據(jù)承載、結(jié)構(gòu)支撐、設(shè)計和板子的跨度決定。只要隔熱和防水，CLT屋板可以使用各種屋面材料。

3）樓板。CLT可作為樓板，CLT地板最外層木材紋理方向也要平行于大跨度方向。CLT樓板可以使用鋼梁和膠合木作為梁。使用鋼梁可以獲得大跨距和充足大小的吊頂，但是沒有彈性；膠合木可以允許木材間的微量變形，但占據(jù)大量吊頂空間。與傳統(tǒng)輕型木格柵樓板完全不同，CLT樓板沒有格柵，并且是實(shí)心的，跨度和振動性能相同時，CLT樓板更薄，且外觀與混凝土板相似（圖5）。CLT樓板的振動行為與輕型木格柵樓板和重混凝土樓板也不相同。

圖4 CLT屋頂示意

圖5 CLT樓板（左）與輕型木格柵樓板（右）示意

2.3 CLT木結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

CLT過去幾年在歐洲建筑中的廣泛使用表明CLT建筑具有一定的競爭力，尤其是中高層和高層建筑。這是因為CLT建筑不僅具有木結(jié)構(gòu)一般的優(yōu)點(diǎn)，而且還有其自身的特點(diǎn)：

1）是重木結(jié)構(gòu)，給人感覺更像是磚石和混凝土。

2）適合建造中高層和高層建筑。

3）預(yù)制水平高。

4）施工方便、安全。

5）絕熱性能、隔聲性能、耐火性能以及氣密性佳。

6）節(jié)約材料、可持續(xù)發(fā)展。

3 CLT結(jié)構(gòu)的發(fā)展展望

國外對CLT研究較多，目前CLT木結(jié)構(gòu)在歐洲的生產(chǎn)、使用已經(jīng)較為廣泛，在北美和日本的應(yīng)用研究才剛剛開始，國內(nèi)的研究較少。

CLT材料的設(shè)計能夠克服木質(zhì)材料本身的一些缺點(diǎn)，作為建筑構(gòu)件則具有良好的力學(xué)性能、保溫、隔熱、隔聲、防火性能和氣密性，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、預(yù)制裝配化施工，材料的優(yōu)勢使得CLT建筑建造速度快、施工方便、抗震性能好，且具有一定保溫、隔聲和防火優(yōu)勢，適合中高層建筑。CLT木制品已成為替代現(xiàn)有鋼筋混凝土的預(yù)制二維構(gòu)件，是一種新的綠色材料，能夠有效減少二氧化碳排放。CLT可以普遍應(yīng)用于民用住宅、多層公共建筑以及橋梁。

在歐洲，CLT建筑已經(jīng)形成成熟的建筑體系。CLT的生產(chǎn)和消費(fèi)潛力已經(jīng)達(dá)到較高的水平，市場隨之每年有25%的增長，預(yù)計到2015年末會有1×106m3產(chǎn)量。在英格蘭，9層CLT全木結(jié)構(gòu)的默里格羅夫住宅大樓施工時間約4個月。在北美，CLT交錯層積木材的發(fā)展也非常迅速。卑詩省奧地利館展示了CLT材料在可持續(xù)生態(tài)建筑方面的重要作用。加拿大首座被動房使用了CLT建材來設(shè)計出氣密極佳的房屋，因減少其整體能量消耗而達(dá)到國際上公認(rèn)的被動房標(biāo)準(zhǔn)。溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)“生物能源研究+示范項目大樓”的墻、屋頂?shù)慕ㄔ於际遣捎肅LT，無需使用混凝土施工。

CLT良好的性能及在歐美的廣泛應(yīng)用說明CLT建筑是未來綠色木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展方向，尤其是中高層建筑。雖然目前中國木結(jié)構(gòu)建筑不應(yīng)超過3層[5]，但隨著木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與推廣，未來CLT中高層木結(jié)構(gòu)建筑在中國是一種趨勢。首先，中國土地資源有限，建造中高層可以符合中國的實(shí)際國情，滿足中國土地資源稀少的需求，CLT可以建造中高層和高層建筑，在歐洲已建起許多6～10層的CLT木建筑，更高的木建筑正在設(shè)計建造中，而輕型木結(jié)構(gòu)則不能滿足高層建筑的要求。其次，中國森林資源有限，使用實(shí)木建造中高層建筑缺乏原材料，而CLT的生產(chǎn)不需要大徑級材，小徑級材就可以滿足，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的合理利用和環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。再者，中國人受傳統(tǒng)觀念影響，喜愛重木結(jié)構(gòu)，CLT板給人重木的感覺，更容易讓中國人接受和喜歡。最后，中國正大力發(fā)展綠色建筑，CLT在性能上與鋼材和混凝土材料十分相似，都是各向同性材料，所以CLT既可以作為它們的替代產(chǎn)品，又是促進(jìn)綠色建筑發(fā)展的綠色材料。

目前，CLT可以用于中國的民用住宅、辦公樓、度假別墅、移動組合式別墅等等，隨著CLT材料和建筑工程的繼續(xù)研究以及施工規(guī)程的完善，CLT中高層建筑將會不斷地得到推廣和應(yīng)用。