美國(guó)工程木在木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用
——訪美國(guó)工程木協(xié)會(huì)（APA）中國(guó)技術(shù)代表陳小鋒

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：陳先生您好，這次裝配式木結(jié)構(gòu)研討會(huì)，很成功，行業(yè)反響很好，為了讓更多的人了解美國(guó)工程木，請(qǐng)您先介紹一下美國(guó)的木結(jié)構(gòu)及工程木材的現(xiàn)狀。

陳小鋒：首先，我想先談?wù)勀窘Y(jié)構(gòu)的分類。木結(jié)構(gòu)建筑通常分為輕型木結(jié)構(gòu)和重型木結(jié)構(gòu)。輕型木結(jié)構(gòu)主要是由木構(gòu)架墻體、木樓蓋和屋蓋構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系，通常用于住宅。而重型木結(jié)構(gòu)通常是使用了尺寸較大的膠合木和實(shí)木構(gòu)件（通常為150 mm×150 mm以上尺寸的構(gòu)件）作為主要承重構(gòu)件，多用于公共、商業(yè)、酒店建筑、少部分住宅也采用重型木結(jié)構(gòu)體系等。

在美國(guó)建筑歷史上，木結(jié)構(gòu)始終是新建住宅和公寓的首選建筑形式。木結(jié)構(gòu)房屋不僅綠色環(huán)保，施工現(xiàn)場(chǎng)不產(chǎn)生大量垃圾，性價(jià)比也比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)高。當(dāng)今，無(wú)論是輕型木結(jié)構(gòu)還是重型木結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)水平的發(fā)展，美國(guó)的工程木材完全滿足建筑結(jié)構(gòu)性能要求，而在各種工廠化生產(chǎn)的工程木制品在生產(chǎn)的過(guò)程中，通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)介入進(jìn)行檢測(cè)檢驗(yàn)，確保工程木材的質(zhì)量穩(wěn)定可靠，且預(yù)制的木構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、快捷。工程木材也正是得益于工業(yè)化生產(chǎn)才得以大規(guī)模應(yīng)用。

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：APA對(duì)美國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展做出了哪些貢獻(xiàn)？

陳小鋒：APA（APA-The Engineered Wood Association）美國(guó)工程木材協(xié)會(huì)在美國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展上起到了一定的推動(dòng)作用，通過(guò)與會(huì)員的合作及自身的技術(shù)實(shí)力，不斷研究、推動(dòng)工程木制品的技術(shù)發(fā)展，使其滿足建筑結(jié)構(gòu)性能要求。APA參與建筑法規(guī)研發(fā)50多年，技術(shù)研發(fā)范圍包括：結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)、建筑耐久性、防火性能、建筑節(jié)能永續(xù)發(fā)展等多方面。而APA的會(huì)員由北美地區(qū)眾多的工程木制品工廠組成，生產(chǎn)的產(chǎn)品包含結(jié)構(gòu)膠合板、OSB、膠合木、木工字梁、結(jié)構(gòu)復(fù)合材（包括LVL、PSL、CLT、LSL）、正交膠合木CLT等工程木制品。這些工程木產(chǎn)品大量地被用于修建北美地區(qū)的各種建筑。APA也發(fā)布了一些產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)逐漸演變?yōu)槊绹?guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，APA發(fā)布的一系列工程木制品的產(chǎn)品說(shuō)明、使用、安裝規(guī)范也成為了美國(guó)木制品行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：美國(guó)建筑市場(chǎng)工程木使用情況現(xiàn)狀如何？

陳小鋒：美國(guó)建筑市場(chǎng)工程木的使用情況，我想分為住宅市場(chǎng)與非住宅市場(chǎng)的應(yīng)用來(lái)介紹。

依據(jù)美國(guó)U.S. Census Bureau的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自1960年以來(lái)美國(guó)每年新建住宅的開工數(shù)量隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的波動(dòng)而波動(dòng)，整體上，保持了平均每年新開工143萬(wàn)套的住宅，其中平均71.1%的住宅均為單戶住宅（獨(dú)棟別墅）。而值得關(guān)注的是，自2009年美國(guó)金融危機(jī)以來(lái)，美國(guó)每年新開工的多戶住宅套數(shù)逐年上升，2016年已經(jīng)有34%的住宅為多戶住宅。更多的美國(guó)年輕人更愿意居住在大城市，而城市中修建的中低層木結(jié)構(gòu)建筑比例也越來(lái)越高。這些木結(jié)構(gòu)住宅中，有適合年輕人居住的公寓，造價(jià)比較低的單戶住宅，也有適用于富人居住的高級(jí)豪宅。如微軟前總裁位于西雅圖華盛頓湖的“Big House”木結(jié)構(gòu)住宅，就價(jià)值上億美元。

美國(guó)的住宅絕大多數(shù)都是輕型木結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)通常為混凝土。基礎(chǔ)以上的樓面，屋面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)由不同類型的木制品組成，這些木制品都是在工廠大規(guī)模生產(chǎn)的。建筑商可以直接在建筑材料分銷中心購(gòu)買到各種配套的住宅材料構(gòu)件、部品，到施工現(xiàn)場(chǎng)后可以快速安裝，節(jié)約了大量的現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間和材料。

以2012年美國(guó)Home Innovation Research Labs統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，所有的單戶住宅全部采用結(jié)構(gòu)板材（OSB、結(jié)構(gòu)膠合板）作為屋面蓋板，而住宅市場(chǎng)所有的墻體覆面材料中，結(jié)構(gòu)板材占據(jù)了80%以上的市場(chǎng)份額?；炷?、砌體等其他材料總共才占據(jù)了接近20%的市場(chǎng)份額。究其原因，結(jié)構(gòu)板材在北美地區(qū)的生產(chǎn)已經(jīng)做到了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和工廠化的大規(guī)模生產(chǎn)。產(chǎn)品在生產(chǎn)時(shí)，不是按普通的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，而是按滿足板材的最終用途的性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品的等級(jí)、使用要求和說(shuō)明均明確標(biāo)志在產(chǎn)品上，而不需要設(shè)計(jì)師對(duì)板材進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)，施工人員也可以根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)志對(duì)結(jié)構(gòu)板材進(jìn)行正確的安裝施工，這就節(jié)約了大量的時(shí)間。根據(jù)APA2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，加拿大全年生產(chǎn)約870萬(wàn)m3結(jié)構(gòu)板材，美國(guó)生產(chǎn)了約2 000萬(wàn)m3的結(jié)構(gòu)板材，消耗了全球約2/3的結(jié)構(gòu)板材。

木工字梁通常被用于樓面框架或屋面框架材料，也是美國(guó)住宅市場(chǎng)被大量使用的工程木制品之一。木工字梁通常用于跨度較大的建筑用，中間可以開孔穿管道、線路。其特點(diǎn)也較好地解決了木樓面震動(dòng)、隔聲的問(wèn)題。木工字梁和實(shí)木鋸材是美國(guó)最主要的樓面框架材料。

其次，我想談?wù)劰こ棠驹诜亲≌袌?chǎng)的應(yīng)用情況。

美國(guó)市場(chǎng)上，非住宅市場(chǎng)的情況與住宅市場(chǎng)情況相反，鋼和混凝土是非住宅市場(chǎng)首選材料。但隨著木材技術(shù)的發(fā)展，工程木制品的市場(chǎng)份額也逐漸上升，2011年木結(jié)構(gòu)建筑在中低層非建筑結(jié)構(gòu)中占比約12%，但是多達(dá)54%的新建酒店使用了木制品作為墻體框架。

在非住宅市場(chǎng)木結(jié)構(gòu)建筑中，重型木結(jié)構(gòu)占據(jù)了較大的比例，主要使用的承重構(gòu)件是膠合木。膠合木是指通過(guò)特定的工序?qū)⑤^小尺寸的木材膠合成更大尺存的工程木材。隨著膠合木技術(shù)的推廣和應(yīng)用使得重型木結(jié)構(gòu)建筑有了新的發(fā)展契機(jī)。由于通過(guò)使用膠合木可以實(shí)現(xiàn)起拱、曲線等多種造型，一方面為建造各種形式的建筑和設(shè)計(jì)提供了廣闊的創(chuàng)作和構(gòu)想空間；另一方面也使得多高層建筑采用木結(jié)構(gòu)屢屢刷新了樓層高度，成為許多國(guó)外城市的重要象征，大量公共設(shè)施、教堂、體育館、廠房、學(xué)校采用膠合木，非常經(jīng)濟(jì)、性價(jià)比高。同時(shí)，由于大跨度的應(yīng)用不需要內(nèi)部承重墻，內(nèi)部空間靈活劃分，大跨度為室內(nèi)提供了寬闊而簡(jiǎn)潔的空間。

與輕型木結(jié)構(gòu)所有材料基本可以在建材分銷中心獲得不同，膠合木除了常見尺寸可以批量購(gòu)買外，其他尺寸需要工廠深度定制加工。通常，設(shè)計(jì)軟件的構(gòu)件數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入CNC加工中心，在工廠完成高精度的材料的切割、鉆孔、開槽等，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后無(wú)須進(jìn)行再次加工就可以直接安裝。

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：目前的工程木可完成重型木結(jié)構(gòu)建筑又是怎樣的水平？

陳小鋒：說(shuō)到重型木結(jié)構(gòu)建筑，就不得不談到穹頂結(jié)構(gòu)。

按現(xiàn)在的木結(jié)構(gòu)技術(shù)，理論上來(lái)說(shuō)，木結(jié)構(gòu)穹頂?shù)闹睆阶畲罂梢宰龅郊s240 m。而目前世界上最大的木穹頂結(jié)構(gòu)和世界第五大穹頂結(jié)構(gòu)（2010年吉尼斯世界紀(jì)錄）則位于美國(guó)密歇根州的Marquette，一期工程耗資約2 180萬(wàn)美元，完工于1991年。穹頂約44 m高，163 m的直徑，占地面積約21 000 m2，由781根花旗松膠合木和174.6 km長(zhǎng)的屋面板構(gòu)成，可以承受2.9 kPa的雪荷載和130 m/h的風(fēng)荷載。該項(xiàng)目由美國(guó)著名的WWS西部木業(yè)公司設(shè)計(jì)及施工，Doug Calvert公司提供高品質(zhì)的美國(guó)花旗松膠合木。

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：有沒有典型的案例可以列舉說(shuō)明？

陳小鋒：提到案例，目前國(guó)內(nèi)最大的木穹頂結(jié)構(gòu)是天津華僑城文化演藝中心，建設(shè)單位為深圳華僑城，由上海臻源木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、施工。2012年開始建造，位于天津?yàn)I海新區(qū)，采用的進(jìn)口美國(guó)花旗松膠合木，直徑85 m。該項(xiàng)目采用膠合木單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，穹頂按球面曲線設(shè)計(jì)，球體半徑57 m，弦高19 m，木穹頂?shù)走呏睆?5 m，采用6 m高鋼筋混凝土梁柱支撐，屋頂采用輕盈的金屬屋面+膜屋面，膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定由屋面結(jié)構(gòu)次龍骨支撐，木穹頂支座處與混凝土連接節(jié)點(diǎn)采用鉸支座，其余節(jié)點(diǎn)均采用剛性節(jié)點(diǎn)。

與冷冰冰的鋼結(jié)構(gòu)相比，自然且極具親和力的木結(jié)構(gòu)無(wú)疑得到了業(yè)主、建筑師的共同青睞。

此外，值得一提的還有奧克蘭基督之光教堂，建筑的頂部采用了雙魚囊圖形，像一葉翻過(guò)來(lái)的諾亞方舟，也像是俯瞰人間的上帝之眼。

它位于美國(guó)加州奧克蘭的基督之光大教堂高度約33 m，前身并非是木結(jié)構(gòu)，但由于在90年代加州大地震損毀后，于2002年開始重建。作為業(yè)主的Catholic Cathedral Corporation of The East Bay 要求新建的教堂設(shè)計(jì)使用壽命為300年，可抵抗千年一遇的地震，且希望外觀到24世紀(jì)也不會(huì)過(guò)時(shí)。基于這個(gè)目標(biāo)，建筑師最終選擇了木結(jié)構(gòu)，并在外面包覆了輕盈的玻璃。為了致敬2 000年的教會(huì)歷史，建筑采用了非直線型的外觀，膠合木結(jié)構(gòu)完美地表達(dá)了建筑師的意圖，特別是不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：請(qǐng)介紹一下美國(guó)CLT新產(chǎn)品的發(fā)展情況。

陳小峰：木結(jié)構(gòu)的防火與工程木制品的質(zhì)量保證是CLT新產(chǎn)品技術(shù)的重點(diǎn)。

源于歐洲的正交膠合木技術(shù)的發(fā)展，使得高層木結(jié)構(gòu)成為了可能，目前是工程木制品中一個(gè)比較熱門的話題。北美地區(qū)目前也在積極地參與研究和發(fā)展，加拿大一棟18層的CLT公寓樓已經(jīng)完工，而位于美國(guó)波特蘭的12層的正交膠合木結(jié)構(gòu)樓也已經(jīng)開工建設(shè)。

但是目前正交膠合木還面臨著防火方面的問(wèn)題，如在表面灼燒后，由于膠水原因，會(huì)導(dǎo)致碳化層剝離。

在APA與美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室的最近的一項(xiàng)全尺寸3層CLT結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)中（如圖1），CLT結(jié)構(gòu)在起火約90 min后逐漸熄滅，但在約180 min時(shí)再次起火，就是因?yàn)槟z黏劑原因?qū)е绿蓟瘜觿冸x而使構(gòu)件繼續(xù)燃燒。

隨著防火問(wèn)題的解決，CLT技術(shù)必將使高層木結(jié)構(gòu)的發(fā)展成為可能。

圖1 一項(xiàng)全尺寸3層CLT結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)Fig.1 A fire resistance test of a full-size 3-layer CLT structure

工程木制品主要適用于各種建筑工程，因而產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、安全與否特別重要。美國(guó)建筑中所使用的木制品在美國(guó)國(guó)際建筑規(guī)范IBC做了明確的質(zhì)量要求，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中也明確要求需要由有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)對(duì)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量方面的檢測(cè)、檢驗(yàn)及認(rèn)證。同時(shí)，獲得認(rèn)證的產(chǎn)品也可以獲得保險(xiǎn)公司的承保。也正是因?yàn)檫@樣，解決了木制品最關(guān)鍵的產(chǎn)品質(zhì)量保證問(wèn)題，可以大規(guī)模在美國(guó)推廣使用。

APA實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一個(gè)工廠生產(chǎn)的膠合木，進(jìn)行了連續(xù)4年的質(zhì)量跟蹤測(cè)試。膠合木強(qiáng)度特征值為35 MPa，而產(chǎn)品強(qiáng)度特征值為34.7 MPa（見圖2）。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)認(rèn)證的膠合木其強(qiáng)度穩(wěn)定、結(jié)果精確。

圖2 膠合木強(qiáng)度特征值Fig.2 Strength characteristic value of glulam

《林產(chǎn)工業(yè)》雜志：近年來(lái)，國(guó)家針對(duì)木結(jié)構(gòu)出臺(tái)了多項(xiàng)政策法規(guī)，您對(duì)中國(guó)的木結(jié)構(gòu)發(fā)展又抱有怎樣的態(tài)度呢？

陳小峰：針對(duì)中國(guó)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景，我想說(shuō)，他山之石可以攻玉。

其實(shí)木結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)歷史悠久，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)技術(shù)的精湛和高超曾遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他文明，木結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)傳統(tǒng)文化中占據(jù)著舉足輕重的地位。只是，在中國(guó)城市發(fā)展的現(xiàn)代化進(jìn)程中，鋼混結(jié)構(gòu)建筑鱗次櫛比，城市在鋼筋混凝土的包裹之下缺失的文化魅力的副作用日益明顯。然而目前的政策還是比較樂(lè)觀的，2015年工信部和住建部聯(lián)合推出的《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》，2016年發(fā)改委和住建部《關(guān)于印發(fā)城市適應(yīng)氣候變化行動(dòng)方案的通知》，以及2016年國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中都明確提出發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑，促進(jìn)木結(jié)構(gòu)在城鎮(zhèn)化建設(shè)、政府投資的學(xué)校、幼托、敬老院、園林景觀等低層公共建筑的應(yīng)用。目前，中國(guó)的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)范及裝配式木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范等一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)布，為木結(jié)構(gòu)的發(fā)展清掃了技術(shù)障礙。但是，受限于市場(chǎng)規(guī)模，產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)傳統(tǒng)的防火、腐蝕問(wèn)題的擔(dān)憂，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)單價(jià)相比其他結(jié)構(gòu)高，應(yīng)用量比較少。目前，更多的木結(jié)構(gòu)在中國(guó)被修建于旅游度假區(qū)、會(huì)所、景觀建筑中。借鑒美國(guó)的木結(jié)構(gòu)建筑及使用的工程木制品發(fā)展歷程和技術(shù)，將會(huì)或多或少地對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)的建設(shè)和發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。