膠合木結(jié)構(gòu)在場館建造中的應(yīng)用?

伍家華 謝力生 喬鷺婷 袁梓晶

巴西花費約46億美元舉辦里約奧運會，而奧運會結(jié)束僅僅6個月，部分場館就已經(jīng)被廢棄。這固然存在巴西政府經(jīng)營運作不當?shù)脑颍珡难诺鋳W運到里約奧運，場館被廢棄似乎成了慣例[1]。我國也存在這種現(xiàn)象，廣州佛山的世紀蓮體育中心自2006年建成以來只是零星地承接過國際足球賽；為舉辦北京奧運會而修建的順義水上奧林匹克公園、朝陽公園沙灘排球館、老山自行車館等一些場館都處于閑置或半閑置狀態(tài)[2]。場館廢棄后為何不進行拆除，一方面拆除成本高，另一方面拆除產(chǎn)生的建筑垃圾無法回收，使用現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)建造的大型場館就不會出現(xiàn)這些問題。

1 建造膠合木場館的可行性

1.1 已建成的膠合木場館

一些國家已憑借著其先進的木材科學技術(shù)和建筑工藝將木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建設(shè)大型場館，效果十分顯著[3]。例如1983年世界上第一座大型木結(jié)構(gòu)穹頂，跨度達162 m的美國塔科馬穹頂；1987年采用木制薄殼帳篷結(jié)構(gòu)，覆蓋面積達2 500 m2的德國巴特迪爾海姆游泳館屋蓋；1988年采用木網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，跨度達56 m的日本小國町民體育館；1996年采用半剛性懸掛式結(jié)構(gòu)，跨度達80 m的日本長野奧運會紀念館。2010年拱形屋頂跨越了120 m的場地寬度，整個屋頂使用了14根曲梁，每根曲梁包括4組長度24.7 m的膠合木的列治文冬奧會橢圓速滑館。

1.2 膠合木的特性

1905年，德國人奧托·海茨發(fā)明了膠合木。膠合木是將二層或二層以上的規(guī)格材疊層用膠順紋粘接而成，用于制作梁、柱、拱等大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件[4]。相比實木鋸材，膠合木有以下優(yōu)點：

1）合理利用木材。膠合木是由板材或小方材在厚度、寬度和長度方向順紋膠合而成的，板材的接長一般采用指接，指接板材強度可達健全材的60%～80%[5]。制作膠合木所用的木板，先進行干燥和分等分級，組坯時再根據(jù)受力的大小和方向?qū)⒉煌燃壍哪景搴侠砼渲?。需要承受較大應(yīng)力的部位放置強度較高的木板，以增加膠合木整體的強度；遠離截面中軸的抗彎或抗拉側(cè)放置彈性模量較高的木板，以增加膠合木構(gòu)件的抗變形能力[6]。

2）構(gòu)件設(shè)計自由。因膠合木是由厚度為2～4cm的板材在各個方向膠合而成的，故可制成各種特殊形狀的木構(gòu)件。如弓弦桁架、拱架、上弦構(gòu)件和彎曲的龍骨、框架等，彎曲膠合木的彎曲半徑最小可達其厚度的150倍，為木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計、建造提供了任意想象的空間[7]。目前世界跨度最大的膠合木結(jié)構(gòu)為美國華盛頓州的塔科馬體育館的木結(jié)構(gòu)穹頂，直徑162 m，矢高33.5 m，穹頂頂部到地面的高度為46.3 m[8]。

3）尺寸穩(wěn)定性高。木料先干燥后膠合，干燥時木材尺寸較小，相對于實木鋸材更易于干燥，不易產(chǎn)生干燥缺陷。膠合后整個膠合木構(gòu)件各部分含水率相近，在溫度變化的情況下不易開裂變形，使得大截面和異型結(jié)構(gòu)木制構(gòu)件尺寸能夠保持穩(wěn)定。

4）易于特殊處理。人們普遍擔心的木材腐化與白蟻蟲蛀問題，已經(jīng)得到了解決。膠合木會在組坯膠合前對層板進行防腐、防火、防蟲、防蟻等各種特殊處理，相對于實木鋸材而言，藥劑能更好地分散到木材各處，效果更明顯[9]。

5）優(yōu)良的耐火性。人們的傳統(tǒng)觀念認為木結(jié)構(gòu)不可靠，很多人認為木材不防火。其實沒有任何建筑材料能夠做到真正的防火，GB 50016—2014國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中對建筑物的耐火極限有明確定義：在標準耐火試驗條件下，建筑構(gòu)件、配件或結(jié)構(gòu)從受到火的作用時起，到失去穩(wěn)定性、完整性或隔熱性時止的這段時間，用小時表示。木結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)的情況下，其表面木材經(jīng)過燃燒后會形成碳化層阻礙氧氣與內(nèi)部木材接觸，有效地延長了燃燒時間[10]。膠合木結(jié)構(gòu)通過增加尺寸延長其耐火極限，保證內(nèi)部木材的強度足夠支撐整個結(jié)構(gòu)，達到相應(yīng)的耐火時間。美國林業(yè)及紙業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)表明170 mm×340 mm的木質(zhì)膠合梁就可滿足1h的耐火極限[11]。

6）抗震性能好。木材相對其他材料有極強的韌性，木結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時，在木材各連接處產(chǎn)生彈性變形再回復，分散并能抵消一部分沖擊荷載，對周期性疲勞破壞有很強的抵抗力[12]。木材的強重比高，建成的建筑物整體質(zhì)量比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)低，在地震中受到的沖擊力也小，在地震中更容易保持結(jié)構(gòu)的完整性，具有極佳的抗震性。

7）可工業(yè)化生產(chǎn)。我國膠合木已實現(xiàn)工廠化預制生產(chǎn)，提高了構(gòu)件尺寸的加工精度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了木構(gòu)件的生產(chǎn)速度和建筑物的組裝速度，同時也降低了生產(chǎn)成本和施工成本[13]。

2 建造膠合木場館的成本優(yōu)勢

目前由于設(shè)備進口、加工工廠離木材產(chǎn)地遠等原因，膠合木建筑一次性的建造成本比混凝土和磚混結(jié)構(gòu)等建筑的成本要高，因此建筑市場普遍認為膠合木建筑屬于高成本建筑[14]。但是事實上這種對比是不夠全面的，不同結(jié)構(gòu)的建筑的外觀、內(nèi)部環(huán)境、給人的感受很難量化到成本當中比較。使用膠合木結(jié)構(gòu)建造場館與其他結(jié)構(gòu)相比具有以下幾點成本優(yōu)勢：

1）人工費用低。膠合木已實現(xiàn)預制化生產(chǎn)，所有構(gòu)件在工廠進行加工，再運輸?shù)焦さ剡M行組裝。工地施工主要是建筑基礎(chǔ)的建造、各種構(gòu)件的拼裝等，因此整個工程可多平面同時施工，提高了建造效率，縮短了施工周期，施工噪音小，對周邊居民影響小。在人工費用按天結(jié)算的勞務(wù)市場環(huán)境下，凸顯了膠合木結(jié)構(gòu)的人工成本優(yōu)勢。例如1幢普通木結(jié)構(gòu)別墅的建筑工期大約 3 個月，而同等規(guī)模的混凝土別墅的建筑工期為5 個月，所需人工量則相當于木結(jié)構(gòu)房屋的數(shù)倍[15]。

2）需求地基淺。由于木材自身的強重比高、密度小，建造同樣規(guī)格的建筑，膠合木建筑總重量相對其他結(jié)構(gòu)要輕，所需地基深度更淺，節(jié)約了建造成本。

3）無需二次裝修。因為木材本身的紋理與色彩具有觀賞性，膠合木建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般不需要進行二次裝修。而對于一些特殊用途的場館，木材的特性能得到很好的利用。例如游泳館，因為使用了大量的消毒液，金屬材料易受到游泳館中水蒸汽的腐蝕，而膠合木本身具備較強的耐化學腐蝕性能，因此在游泳館及化工車間等建設(shè)中有著獨特的優(yōu)勢[16]。在音樂場館或者對隔音有要求的場館中，可以用木質(zhì)材料設(shè)計成一些特殊的隔聲或吸聲結(jié)構(gòu)。木材通過膠合木的方式組合不僅能夠創(chuàng)造具有獨特魅力的木建筑內(nèi)部空間，還能滿足場館的特殊要求，所以這種結(jié)合了建筑設(shè)計與室內(nèi)設(shè)計的建造方式大大地節(jié)約了膠合木建筑成本。

4）運營能耗低。木結(jié)構(gòu)具有良好的調(diào)溫調(diào)濕性能，在不同的季節(jié)里能保持室內(nèi)溫度和濕度在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。而膠合木結(jié)構(gòu)的墻體中填充了保溫棉，保溫性能更佳，經(jīng)測試150 mm 厚的木結(jié)構(gòu)墻體，其保溫能力相當于610 mm 厚的磚墻，木結(jié)構(gòu)建筑相比于混凝土結(jié)構(gòu)建筑可節(jié)約使用能耗 50%～70%。所以在建筑的整個使用周期里，膠合木建筑的運行費用低于其他結(jié)構(gòu)[17]。

5）易回收再利用。常用的建筑結(jié)構(gòu)中鋼鐵等金屬材料尚且可以回收利用，但水泥材料不僅消耗能源且不易回收。而膠合木結(jié)構(gòu)的連接使用金屬連接件，木制構(gòu)件能快速地與其他材料分離，節(jié)省了拆除成本和時間，進而提高了土地利用率。分離出的木料可根據(jù)質(zhì)量、大小的不同用于制造不同類型的人造板，通過控制新舊木料的比例以確保人造板的質(zhì)量，實現(xiàn)廢舊木材的回收利用[18]。

3 建造膠合木場館的環(huán)保優(yōu)勢

1）木材加工耗能低。木材的加工只需要把砍伐下的樹木進行鋸刨、膠合、熱壓，相比鋼鐵與混凝土，不需要消耗過多熱能與動力。

鋼筋混凝土的制造需要消耗大量能源，產(chǎn)生大量溫室氣體與工業(yè)廢水，增加環(huán)境負荷。據(jù)測算，生產(chǎn)同等質(zhì)量的材料，水泥所需要的能源是木材所需能源的3～4倍；塑料所需要的能源是木材的35～45倍；鋼鐵所需要的能源是木材的50～60倍；鋁所需要的能源是木材的100～130倍[19]。生產(chǎn)具有相同強度的長1m的大截面集成材梁和鋼梁的制造能源分別為115MJ和1 400MJ，其碳排放量分別為9.1kg和28kg；生產(chǎn)具有相同性能的1m2膠合板外墻和鋼板外墻的制造能源分別為72MJ和165MJ，其碳排放量分別為1.7kg和3.3kg[20]。

2）合理使用木材有利于環(huán)境。大量使用木材，必然會使人聯(lián)想到砍伐樹木對生態(tài)的破壞。其實，作為原料的樹木在自然中生長，不僅不會產(chǎn)生環(huán)境污染，還有著保持水土、固碳制氧等益處。據(jù)研究，樹木生產(chǎn)1t的木材物質(zhì)，需在陽光下進行光合作用，吸收1.6 t的CO2，產(chǎn)生1.2 t的O2[21]。木材無論是作為原料還是產(chǎn)品，在整個使用期間及后續(xù)的循環(huán)利用中，不向外界釋放CO2。雖然木材或木質(zhì)材料中儲存的碳最終會通過焚燒或腐朽等方式以CO2返回到大氣中，但如果在采伐地進行“伐則植”這一基本的、正確的森林管理，在使用的樹木從采伐到回歸自然這段時間內(nèi)，森林中新的樹木也在生長，繼續(xù)發(fā)揮固碳制氧的作用。只要木材的焚燒或腐朽量不超過生長量，大氣中的CO2就會由于木材的利用向減少的方向發(fā)展。因此使用木材即是對樹木生長過程中所儲存碳的有效利用，相當于在時間和空間上擴大了森林的儲碳作用，有利于改善環(huán)境。

3）廢棄時的環(huán)境負荷低。膠合木結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的連接主要依靠金屬連接件，拆除時不需要使用大量的重型機械設(shè)備和勞動力，節(jié)約能源。從建筑物拆解下來的廢舊木材，保存完好的可以直接重新利用。表面受污染的木材在清除其污物后，也可根據(jù)其大小直接利用，而不必降級使用。不能再利用的廢舊木材還能作為燃料，發(fā)揮其剩余價值，并不會對環(huán)境造成污染。即使木材作為建筑垃圾被填埋處理，可被微生物降解，僅放出CO2，不會改變土壤、水源或空氣的性質(zhì)[22]。鋼筋混凝土建筑拆除時可回收的鋼鐵很難與混凝土分離，難以得到有效利用。混凝土不能降解，填埋處理需占用大量土地，且污染環(huán)境，導致土地在很長一段時間內(nèi)理化性質(zhì)不穩(wěn)定，污染地下水、地表水、土壤和空氣，并且污染還會隨著物質(zhì)的流動擴散。即使經(jīng)過長時間的自然活動，建筑垃圾已經(jīng)穩(wěn)定化，但無法分解的無機物仍然會占用大量土地[23]。

4 結(jié)論

1）膠合木具有合理利用木材、構(gòu)件設(shè)計自由、尺寸穩(wěn)定性高、易于特殊處理、耐火性能優(yōu)良、抗震能力高和可工業(yè)化生產(chǎn)等特點，能夠且適合建造大型場館。

2）膠合木結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，建造時間短、需求地基淺、無需二次裝修、運營能耗低、易回收再利用，建造成本更低。

3）木材無論是從生產(chǎn)、使用再到回收處理的過程中，消耗的能源少，幾乎不產(chǎn)生污染，相較其他結(jié)構(gòu)材料更環(huán)保，更符合當今對低碳經(jīng)濟的要求。

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