CLT在工程中的應(yīng)用（一）—生態(tài)示范民居度假屋

彭思，黃素涌，王建和，曹龍，張龍

（1.西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 云南 昆明 650224）（2.寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司 浙江 寧波 315000）

0 引言

建筑業(yè)消耗了大量的混凝土、鋼材和石材，是世界上最大的固體廢物產(chǎn)生源之一。據(jù)相關(guān)研究，建筑業(yè)在全球年度溫室氣體排放量中占比高達(dá)30%，減少建筑行業(yè)的碳足跡在減緩氣候變化方面有著至關(guān)重要的作用。

木材，曾經(jīng)是世界上最古老的建筑材料，也是唯一的天然的和可再生、可持續(xù)利用的建筑材料。從古至今，人們都在不斷發(fā)掘木材在建筑結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。如今更是通過木材加工技術(shù)的創(chuàng)新，利用工程技術(shù)將實(shí)木材料轉(zhuǎn)化為更加復(fù)雜穩(wěn)定的現(xiàn)代工程木材料。這種目前被業(yè)內(nèi)稱為重型木結(jié)構(gòu)（mass timber）的建造方式正在動(dòng)搖曾經(jīng)牢牢扎根建筑行業(yè)的混凝土和鋼材。木材不再被限制在建造低層建筑當(dāng)中，我們現(xiàn)在可以利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料大大加快木建筑的施工加工效率，同時(shí)讓木建筑造的更高。

正交膠合木（Cross Laminated Timber，CLT）是一種發(fā)源于歐洲并在近十年來廣受推崇并逐漸受到世界其他地區(qū)關(guān)注的新型工程木材料。因其可以匹敵混凝土材料的強(qiáng)度，漂亮自然的外觀，多功能性，易裝配性和可持續(xù)性而脫穎而出。CLT規(guī)格材和膠合木產(chǎn)品已被廣泛用于各類大型建筑項(xiàng)目，從體育館到橋梁，到住宅。由于其自然的外觀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，它成為建造高層、大樓的理想材料。CLT可以在工廠內(nèi)被方便地進(jìn)行CNC數(shù)控加工，根據(jù)BIM設(shè)計(jì)提前進(jìn)行鉆孔和金屬連接件的安裝?，F(xiàn)場(chǎng)的施工就如搭樂高積木般，可以做到90%以上的裝配率。而且CLT因?yàn)閷儆谥匦凸こ棠静牧?，在消防?guī)范允許的層高下可以把木材暴露在外，這又大大減少了室內(nèi)裝修的工序。CLT項(xiàng)目工地現(xiàn)場(chǎng)一般幾乎沒有建筑垃圾。雖然CLT材料的生產(chǎn)成本仍然很高，但如果考慮到更短的施工時(shí)間和更好的質(zhì)量以及環(huán)保等因素，其仍然是替代混凝土鋼材的絕佳選擇。

1 正交膠合木應(yīng)用研究現(xiàn)狀

正交膠合木（CLT）是一種由3層或多層木質(zhì)鋸材通過橫縱交錯(cuò)組坯膠合制成的新型工程木質(zhì)材料[1]。CLT具有強(qiáng)重比大、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異、防火隔音性能好、環(huán)境友好等特性，使用其進(jìn)行木質(zhì)結(jié)構(gòu)建造時(shí)，具有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝施工方便、耐候性能好等優(yōu)點(diǎn)，相較于其他現(xiàn)代木竹工程材料、鋼筋混凝土材料等具有明顯優(yōu)勢(shì)，在歐美等地區(qū)已將其應(yīng)用在裝配式木結(jié)構(gòu)建筑和高層木結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中[2]。

CLT及其重型木結(jié)構(gòu)建筑體系與傳統(tǒng)鋼筋混凝土、磚混結(jié)構(gòu)和輕型木框架結(jié)構(gòu)建筑體系相比，具有以下明顯優(yōu)勢(shì)[3-5]：

（1）尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異。CLT板材用于預(yù)制化和裝配式建筑物時(shí)，有其自身無可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于CLT在制造過程中采用了橫縱交錯(cuò)的正交膠合模式，使其一定程度上避免了木材本身的各向異性，尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，非常適用于幅面和跨度較大的墻面和樓板。CLT用于裝配式建筑時(shí)，CLT奇數(shù)面的規(guī)格材排布方向一般與受力方向一致，如CLT墻板應(yīng)平行于前面方向，這時(shí)由于CLT相對(duì)較高的剛度和雙向強(qiáng)度，使其性能達(dá)到甚至超過相同厚度的鋼筋混凝土墻面；

（2） 承載性能強(qiáng)。由于CLT在制造過程中選用經(jīng)過分等的、含水率均一的木質(zhì)鋸材，在一定程度上保證了CLT板材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度能夠達(dá)到建筑要求。同時(shí)，橫縱交錯(cuò)的正交膠合模式使其在各個(gè)方向上均有較好的承載性能，能夠較好地發(fā)揮木材本身強(qiáng)重比高的特點(diǎn)；

（3） 防火性能好。木材在受熱燃燒時(shí)會(huì)在其表面形成2~5 mm厚的炭化層，由于木材自身的微觀結(jié)構(gòu)以及炭化層的存在，燃燒的熱量不能快速地向木材內(nèi)部傳遞，使炭化層的木材能夠一定程度上阻隔在火焰之外。CLT具有和木材相似的燃燒性能，國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)CLT箱式房屋進(jìn)行全屋燃燒試樣表明，CLT板材的耐火極限達(dá)1 h以上，同時(shí)其在燃燒過程中仍保持了一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有助于房屋內(nèi)的人員撤離；

（4） 保溫隔音性能好。木材具有良好的人體健康屬性，其保溫隔音性能良好。日本有關(guān)專家進(jìn)行了長(zhǎng)期木材人居環(huán)境學(xué)的研究表明，木質(zhì)房屋內(nèi)溫度將長(zhǎng)期保持在18~25℃，濕度將長(zhǎng)期保持在55%左右，且具有較好的隔音性能，長(zhǎng)期居住有利于人體健康。CLT由木質(zhì)鋸材組成，繼承了木材優(yōu)良的保溫隔音性能，其建筑的總體保溫節(jié)能綜合指標(biāo)較鋼筋混凝土建筑高，同比減少16%~17%的能源消耗和26%~31%的溫室氣體排放；

（5） 固碳環(huán)保屬性。近日，由中國(guó)建筑科學(xué)研究院牽頭，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，完成了《木結(jié)構(gòu)建筑全壽命期碳排放計(jì)算研究報(bào)告》，對(duì)木質(zhì)建筑的碳排放和碳足跡進(jìn)行了一系列的調(diào)研、分析、論證工作。全壽命期碳排放計(jì)算是指對(duì)建筑物從建筑材料取材、運(yùn)輸?shù)浇ㄖ锝ㄔO(shè)，以及建筑物建成后的運(yùn)行、維護(hù)，直至建筑物壽命終止后的拆除，這一整個(gè)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放情況計(jì)算。通過對(duì)國(guó)內(nèi)7個(gè)相關(guān)項(xiàng)目的綜合分析，木結(jié)構(gòu)建筑在建材生產(chǎn)階段的碳排放降低48.9%~94.7%，建筑物的全壽命期減排幅度高達(dá)8.6%~13.7%。木結(jié)構(gòu)建筑在運(yùn)行能效上較鋼材和混凝土等傳統(tǒng)建材優(yōu)勢(shì)明顯，這在全球氣候變化的大背景下具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠有力推動(dòng)木建筑相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；

（6）快速建造拆除。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑相比，CLT木結(jié)構(gòu)建筑可以進(jìn)行模塊化生產(chǎn)、裝配式建造。CLT可以在工廠中預(yù)制生產(chǎn)成各種墻板、樓板、梁、柱等結(jié)構(gòu)單元，再在建筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝和建造。因此其施工快、工時(shí)短、用工少，同時(shí)建筑過程噪音低、建筑垃圾少，拆除后可以再次重裝或重新利用；

（7） 建筑類型廣泛。生產(chǎn)CLT的單元木質(zhì)鋸材一般為10~50mm厚，60~240mm寬；CLT層數(shù)為3層及以上，長(zhǎng)度上還能夠通過指接等方式進(jìn)行接長(zhǎng)，因此理論上可以制造不受尺寸限制的CLT建材。CLT可用于低、中層甚至高層（20層以上）的民用住宅和非民用建筑，可完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)，也可部分代替，與鋼筋混凝土等混合使用；

2 CLT生態(tài)民居建筑實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首個(gè)兩層高的CLT度假屋，采用葡萄牙制造的隔熱軟木板（Insulated Cork Board，ICB）作為外墻和屋頂覆層以及室內(nèi)地板基材，極大地提升了CLT建筑物綠色環(huán)保的生態(tài)特性。ICB的集成不僅使這座CLT建筑更加耐用，外觀舒適，節(jié)能環(huán)保。

該兩層全生態(tài)CLT度假屋的占地面積66.4m2，居住面積為72m2，主體結(jié)構(gòu)由35個(gè)CLT預(yù)制板組成，總用材量為25 m3。

項(xiàng)目由江蘇某建筑工程有限公司承建，4名工人共用時(shí)2天，于2017年10月20日完成了初次搭建；于2018年12月又進(jìn)行了拆建遷移，僅用時(shí)3天便完成遷移工作。實(shí)踐證明，裝配式CLT建筑易拆易建，材料環(huán)保且可完全回用，很適合在中國(guó)旅游地產(chǎn)，城鎮(zhèn)化建設(shè)和農(nóng)房工業(yè)化等領(lǐng)域進(jìn)行示范和推廣。度假屋總體建筑效果和實(shí)物如圖1所示。

圖1 總體建筑效果圖

2.2 建筑構(gòu)造

建筑主體結(jié)構(gòu)所使用的正交膠合木（CLT），是一種風(fēng)靡全球的綠色低碳預(yù)制型建材，可實(shí)現(xiàn)裝配式建造和取代鋼筋水泥預(yù)制板；外墻裝飾所使用的軟木板（ICB），是一種100%純天然和可持續(xù)的生物質(zhì)材料，可提升建筑物的環(huán)保品質(zhì)和使用性能；室內(nèi)裝飾選用無醛實(shí)木地板和正交膠合木，營(yíng)造了一個(gè)更為舒適安全的居住環(huán)境。實(shí)際建造過程如圖2所示。

圖2 實(shí)際建造過程

（1） 結(jié)構(gòu)框架：建筑物的墻板，樓板和屋面板為CLT預(yù)制板，并與意大利Rothoblass Inc.提供的角撐架和自攻螺釘連接；建筑物的高度為5.095m。CLT面板由中國(guó)寧波中加低碳技術(shù)研究院制造。

（2）地板：采用寧波中加低碳技術(shù)研究院制造的綠慧牌無甲醛工程木地板。底層使用20mm厚的ICB，以實(shí)現(xiàn)良好的減震和防潮性能。

（3） 屋頂：采用預(yù)制的CLT面板，覆蓋有防水瀝青卷和40 mm厚的ICB，帶有傾斜的屋頂，可輕松排水，頂板有一個(gè)500 mm的懸垂保護(hù)窗戶。

（4）內(nèi)部隔板：第一層沒有隔板，但是在右側(cè)安裝了CLT梯子。二樓專為休息區(qū)和臥室而設(shè)計(jì)。建筑物的內(nèi)部覆蓋有綠慧牌無甲醛工程木地板，用于墻壁裝飾。

（5） 外墻：它采用ICB作為外墻板，貼在覆蓋有呼吸紙的CLT墻上。

（6）門窗：采用鋁合金門窗。前，左和右標(biāo)高的窗口大小為800 mm×2100 mm；后標(biāo)高的窗口大小為1000 mm×1200 mm；屋頂?shù)拇皯舫叽鐬?60 mm×1340mm；前門的尺寸為2390 mm×2200mm。整座建筑具有良好的通風(fēng)和采光效果，實(shí)際室內(nèi)裝飾效果如圖3所示。

圖3 度假屋室內(nèi)裝飾效果

3 結(jié)語(yǔ)

目前，發(fā)展綠色節(jié)能建筑已成為世界主流，CLT結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)良的固碳特性十分符合可持續(xù)發(fā)展的需要。CLT重型木結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展、低碳環(huán)保、節(jié)省能源、施工迅速、低污染、低噪音等巨大優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為歐、美、日及澳洲等多個(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的建筑工法。著名建筑師、普利茲克獎(jiǎng)得主王澍在接受采訪時(shí)，曾擔(dān)憂中國(guó)未來50年將會(huì)面臨特別嚴(yán)重的建筑垃圾問題。而CLT結(jié)構(gòu)建筑的推動(dòng)及發(fā)展很大程度上實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)全過程低碳環(huán)保、節(jié)能減排的目標(biāo)。加之，ICB作為外墻隔熱、節(jié)能、裝飾材料，在建筑使用壽命終結(jié)后仍可被ICB生產(chǎn)公司100%回收重復(fù)利用，進(jìn)一步推動(dòng)了建筑廢棄物的高效處理與再利用，助力中國(guó)綠色建筑發(fā)展。