CLT建筑發(fā)展現(xiàn)狀及前景

左宏亮 許相宜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

伴隨著綠色建筑的推廣及新型木材加工技術(shù)的發(fā)展，木材這一古老而天然環(huán)保的建筑材料再次回歸人們的視野當(dāng)中。木材作為一種可再生的天然資源，具有環(huán)境友好、紋理美觀、力學(xué)性能優(yōu)良且施工工藝簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑的要求[1]，已在全世界范圍內(nèi)得到了普遍認(rèn)可和大力推廣，尤其是近年歐美對新型木建筑材料CLT的深入研究及廣泛應(yīng)用，越來越多的中高層木結(jié)構(gòu)建筑得以完成，使建筑行業(yè)迎來了“第二次文藝復(fù)興”。

1 CLT簡介

Cross-Laminated Timber，簡稱CLT，是一種可用于建筑的墻、板與柱的新型重木建筑材料。在歐洲，CLT產(chǎn)品一般以窯干的云杉或冷杉指接材為原料，經(jīng)過分揀和切割成木方，將至少3層的實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材均勻涂刷膠合劑，經(jīng)正交(90°)疊放后，使用較大的水壓或真空壓力機(jī)將正交疊放堆積的木方壓成相互緊鎖的木板，如圖1所示。

CLT及其構(gòu)成的重木結(jié)構(gòu)與其他建筑結(jié)構(gòu)相比，具有如下突出優(yōu)勢：

1)承載能力強(qiáng)。基于CLT將規(guī)格材料橫豎紋交錯排布的設(shè)計(jì)性質(zhì)，其膠合時遵循對稱原則與奇數(shù)原則，使得其物理力學(xué)性能在縱橫兩個方向上較為均勻，內(nèi)部應(yīng)力較為平衡，將具有各向異性的木質(zhì)材料轉(zhuǎn)為成雙向力學(xué)性能良好的結(jié)構(gòu)材料。此外，通過剔除木材的缺陷，構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度得以顯著提高，充分利用了木材強(qiáng)重比高的特點(diǎn)；

2)尺寸穩(wěn)定性高。相比普通層板膠合木等結(jié)構(gòu)材料，CLT通過縱橫向疊合工藝及嚴(yán)格的含水率控制，其尺寸穩(wěn)定性得到了大幅度提高，更適用于建造中高層建筑；

3)耐火性能極好。在燃燒情況下，CLT材料表層會以緩慢速率形成碳化層，可較長時間的維持內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在沒有防火層的條件下，也可達(dá)到耐火1 h的要求。芬蘭的“Puukuokka”聯(lián)排公寓，將所用的全部CLT結(jié)構(gòu)外覆防火涂料，其消防安全性比同樣的混凝土建筑高出了50倍；

4)“負(fù)碳”、保溫、節(jié)能。由于樹木在生長過程中固化的碳多于其成為木材在生產(chǎn)、加工和使用過程中釋放的碳，所以被稱為“負(fù)碳”建筑材料。有人對曾經(jīng)的“世界最高木樓”——采用CLT建造的Stadthsus 8層公寓進(jìn)行過估算，整棟建筑使用的木材共吸收存儲了186 t碳，若使用鋼筋混凝土進(jìn)行建造，則會排放137 t碳。此外木材熱傳導(dǎo)性低和CLT連續(xù)大幅面的特性，使建筑具有良好的氣密性和保溫隔熱隔音效果。相比于鋼材和水泥，減少了至少16%的能源消耗；

5)抗震性能優(yōu)越，應(yīng)用范圍廣。2010年2月，日本對一座使用CLT材料建造的7層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高強(qiáng)地震模擬測試，結(jié)果顯示該建筑未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)破壞，抗震性能優(yōu)越。CLT作為一種建筑材料與緊固件和連接件共同保證了整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震能力。理論上CLT既可用于中低層，也可用于20層以上的民用和非民用建筑，既可以完全使用CLT進(jìn)行建造，也可部分替代鋼材或鋼筋混凝土，形成CLT-鋼或CLT-鋼混凝土混合系統(tǒng)；

6)大幅提高施工效率。目前，CLT的工廠預(yù)制技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制加工構(gòu)件，現(xiàn)場搭建組裝，速度快，噪聲低。據(jù)新加坡建設(shè)局統(tǒng)計(jì)，CLT建筑的施工時間比傳統(tǒng)材料建造時間節(jié)省25%～35%。盛聯(lián)集團(tuán)在墨爾本使用CLT材料建造了目前世界上最高的CLT公寓，其外墻、樓板、樓梯和電梯井道均采用CLT建成，僅6名工人，耗時不到兩個月時間便組裝完成。雖同等體量的CLT造價(jià)要高于鋼筋混凝土，但預(yù)制化生產(chǎn)和高效施工使工期大大縮短，整體開支大幅降低。

正是基于上述優(yōu)異性能，CLT非常符合我國大力發(fā)展綠色建筑、裝配式建筑的指導(dǎo)方針，CLT建筑的推廣將有力推動我國建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

2 CLT建筑在國內(nèi)外的發(fā)展概況

2.1 國內(nèi)外的成功案例

1974年，CLT誕生于奧地利。近年建造CLT建筑的熱潮始于2009年Stadthaus公寓正式對外開放。Stadthaus公寓是一棟9層的木結(jié)構(gòu)建筑，是當(dāng)時世界上最高的木結(jié)構(gòu)居住建筑。整個建筑，除基礎(chǔ)與首層考慮防潮腐等因素采用了混凝土，其余部位從底面、天花板到電梯井、樓梯井均為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，選用了CLT作為承重墻和地板，整個施工時間僅4個月左右。Stadthaus公寓如圖2所示。

2012年，墨爾本建成10層公寓Forté成為新“世界最高木樓”。2013年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)建造了5層高的地球科學(xué)大樓，該大樓以CLT為主要建筑材料、梯井部分采用混凝土、大跨框架梁采用鋼梁，將不同建筑材料的優(yōu)勢完美結(jié)合。2014年，亞洲第一棟CLT建筑——森科總部大樓于中國臺灣建成，如圖3所示。2017年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的18層學(xué)生公寓Brock Commons完工，這棟53 m高的木—混凝土—鋼混合應(yīng)用的公寓再次刷新了木結(jié)構(gòu)建筑的高度，如圖4所示。該建筑累計(jì)減少排放2 432 t碳，生動的證明了CLT作為建筑材料的先進(jìn)性與環(huán)境友好性。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐洲作為CLT產(chǎn)品的發(fā)源地，其生產(chǎn)工藝、科學(xué)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等多方面均為世界領(lǐng)先水平，并具有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)體工程為基礎(chǔ)，CLT建筑體系相對成熟，混合體系也在不斷發(fā)展。2005年以來，Bruno Dujic團(tuán)隊(duì)[2-5]研究了對CLT的邊界條件，并對豎向荷載、連接件等對CLT的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；2009年，Andrea Frangi[6]對CLT板的耐火性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，證明了CLT遇火后外部形成碳化層，具有出色的耐火性能，但膠粘劑的種類對其有較大影響；2012年，Nakashima等[7]對單個鋼制、銷接的CLT試件進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)并進(jìn)行了對比分析；2013年5月，COST Action FP1004 European Conference of Cross Laminated Timber會議在奧地利舉辦，邀請了奧、德、法、意、英等多個國家的相關(guān)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)，近200位與會者就CLT產(chǎn)品的生產(chǎn)與測試、設(shè)計(jì)與施工、節(jié)點(diǎn)與抗震設(shè)計(jì)和建筑物理與工程實(shí)例四個主題進(jìn)行了談?wù)撆c交流。2015年，歐洲發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)《Timber structures-Cross laminated timber-Requirements》。

雖然我國對CLT的研究尚處于初級階段，但也已對CLT生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，目前已有寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司、中意森科木結(jié)構(gòu)有限公司、河北遷安市大樹木業(yè)有限責(zé)任公司等數(shù)家CLT生產(chǎn)企業(yè)，CLT材料已進(jìn)入批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用階段。河北遷安重型CLT示范房于2014年建成。2016年12月，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司設(shè)計(jì)并搭建了我國第一棟裝配式CLT膠囊示范房。南京林業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[8-12]對CLT木材組坯形式、生產(chǎn)工藝、滾動剪切性能、物理力學(xué)性能和連接形式多方面進(jìn)行了研究；上海美固澄梵緊固件有限公司與南京林業(yè)大學(xué)共同研發(fā)了用于木結(jié)構(gòu)連接的新型自攻螺釘[13]，如圖5所示，可為CLT等木結(jié)構(gòu)建筑提供可靠連接。

3 結(jié)語

目前，歐洲對CLT的研究較為系統(tǒng)，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛。歐洲CLT產(chǎn)量已從2005年14萬m3增長至超過100萬m3。我國對CLT的研究與實(shí)踐尚處于初級階段，但最新修訂的GB 50005—2017木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)劃補(bǔ)充CLT相關(guān)設(shè)計(jì)要求與構(gòu)造要求，專門的CLT規(guī)范也在制定當(dāng)中。在今后的一段時間內(nèi)，我們應(yīng)在學(xué)習(xí)國外CLT建筑的技術(shù)成果與成功經(jīng)驗(yàn)的同時，充分利用我國林業(yè)資源研發(fā)CLT產(chǎn)品，出臺符合我國CLT生產(chǎn)加工工藝規(guī)范、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等，研究膠合劑的替代品，加大對CLT產(chǎn)品的推廣，改善消費(fèi)者對木結(jié)構(gòu)建筑防火、抗震等方面性能不佳的誤解。CLT結(jié)構(gòu)作為新型木質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，具有鋼筋混凝土、鋼材和輕型木結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)秀特性，具有巨大的經(jīng)濟(jì)競爭力，符合國家可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑和發(fā)展裝配式建筑的政策，相信未來CLT建筑會為我國的建筑行業(yè)帶來嶄新的面貌。

[1] 宋莎莎,費(fèi)本華,王 戈,等.木結(jié)構(gòu)建筑與現(xiàn)代人居環(huán)境[J].林產(chǎn)工業(yè),2012,39(5):17-21.

[2] Dujic B,Zarnic R.Shear Capacity of Cross-Laminated Wooden Walls[J].2008(8)：59.

[3] Fragiacomo M,Dujic B,Sustersic I.Elastic and ductile design of multi-storey crosslam massive wooden buildings under seismic actions[J].Engineering Structures, 2011,33(11):3043-3053.

[4] Sustersic I,Dujic B.Seismic strengthening of existing buildings with cross laminated timber panels[A].World Conference of Timber Engineering[C].2012.

[5] Sustersic I,Fragiacomo M,Dujic B.Influence of connection properties on the ductility and seismic resistance of multi-storey cross-lam buildings[C].Cib-W,2011.

[6] Frangi A,Fontana M,Hugi E,et al.Experimental analysis of cross-laminated timber panels in fire[J].Fire Safety Journal,2009,44(8):1078-1087.

[7] Nakashima S,Kitamori A,Komatsu K.Evaluation of tensile performance of drift pinned joint with steel plate on cross laminated timber[J].Journal of Structural & Construction Engineering,2013,78(687):969-975.

[8] 王志強(qiáng),張 浩,俞駿城,等.正交膠合木墻體熱工性能測試與分析[J].新型建筑材料,2016,36(6):69-71.

[9] 王志強(qiáng),付紅梅,戴驍漢,等.不同樹種木材復(fù)合交錯層壓膠合木的力學(xué)性能[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(12):141-145.

[10] 王志強(qiáng),羅 冬,鄭 維,等.混合結(jié)構(gòu)對正交膠合木剪力墻抗側(cè)性能的影響[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,2(2):145-151.

[11] 王志強(qiáng),付紅梅,陳銀慧.鋸材/單板層積材混合正交膠合木力學(xué)性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(8):121-124.

[12] 付紅梅.正交膠合木平面(滾動)剪切和抗彎性能研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2016.

[13] 姚 悅,張敬婷,周甲林,等.正交膠合木建筑連接形式及新型自攻螺釘?shù)陌l(fā)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2017,45(9):4-9.