兩種建筑用重型無膠木基工程結(jié)構(gòu)材介紹

賀勤 龔蒙

摘要：近幾十年來重型木基工程結(jié)構(gòu)材在北美和歐洲備受青睞，逐步被應(yīng)用于中高層木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和建造中。本文主要介紹層板釘合木和層板銷合木這兩類重型無膠木基工程結(jié)構(gòu)材的結(jié)構(gòu)和性能特點，分析了其優(yōu)缺點，并列舉了相關(guān)應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：重型木基工程結(jié)構(gòu)材;層板釘合木;層板銷合木

前言

在鋼材和混凝土尚未被使用前，木材一直是北美及世界上其他森林資源充足地區(qū)最主要的建筑材料。然而，自上個世紀(jì)以來，原材料資源結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，逐漸以速生材和小徑積材為主。為了適應(yīng)這種原材料的變化和市場對木材的需求，各種工程結(jié)構(gòu)材（Engineered Wood Product，EWP）被相繼開發(fā)并投入生產(chǎn)，逐漸成為實木的替補材料。EWP包括膠合木（Glue Laminated Timber，GLT或Glulam）、單板層積材（Laminated Veneer Lumber，LVL）和定向刨花板（Oriented Strand Board，OSB）等。因為實木和木基工程結(jié)構(gòu)材是一種“綠色”材料，它迎合可持續(xù)發(fā)展的趨勢，有利于減緩氣候變化，從而得到了世界各國政府的支持和鼓勵。

相比實木產(chǎn)品，現(xiàn)代EWP通常具有更好的物理力學(xué)性能且可設(shè)計，其結(jié)構(gòu)均一、尺寸穩(wěn)定性好、強度和剛度大。利用EWP建造民用建筑、非民用建筑、橋梁和工業(yè)建筑更為經(jīng)濟。EWP最初是為替代輕型木結(jié)構(gòu)建筑上部結(jié)構(gòu)的小尺寸鋸材和板材從而發(fā)展起來的，近幾十年人們關(guān)注更多的是EWP中的一類結(jié)構(gòu)材—重型結(jié)構(gòu)材（Mass Timber Product，MTP）的開發(fā)。MTP是一類可替代結(jié)構(gòu)鋼材和混凝土的重型工程結(jié)構(gòu)材，包括厚型板材產(chǎn)品，如正交膠合木（Cross Laminated Timber，CLT）、結(jié)構(gòu)復(fù)合木材（Structural Composite Lumber，SCL）、膠合木（GLT）、層板釘合木（Nail Laminated Timber，NLT）和層板銷合木（Dowel Laminated Timber，DLT）等。其中SCL又包括單板層積材（LVL）、層疊木片膠合材（Laminated Strand Lumber，LSL）和定向木片膠合材（Oriented Strand Lumber，OSL）。另外平行木片膠合材（Parallel Strand Lumber，PSL）也被認(rèn)為是一種SCL，通常用于連接柱子與其他MTP。有時，木材-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)材（Timber Concrete Composite，TCC）和其它復(fù)合材料也被歸為MTP。總之，MTP能滿足設(shè)計者和建造者的創(chuàng)作理念和不同建筑形式的技術(shù)要求。

MTP被廣泛用于大型木結(jié)構(gòu)的建造，它有別于傳統(tǒng)輕型木結(jié)構(gòu)和梁柱木結(jié)構(gòu)的建造方式，其建筑物上部結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)可使用單一或多種材料。因不一定需要梁柱，故出現(xiàn)了柱-板結(jié)構(gòu)及其建造技術(shù)。目前，對建筑中使用什么類型的MTP及建造標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定，但有些國家已有或正在制定相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，逐漸從定性指標(biāo)向性能指標(biāo)轉(zhuǎn)變，最主要是修改了建筑物的防火性能指標(biāo)。通過研究者和建造企業(yè)的大量實驗和實踐證明，MTP具有價格競爭優(yōu)勢強、碳匯性能好、可持續(xù)、耐候、隔音好和抗震性好等特點?？梢哉fEWP和MTP材料的技術(shù)發(fā)展水平與其它主要的建筑材料相當(dāng)。本文將主要介紹層板釘合木（NLT）和層板銷合木（DLT）這兩種類型的MTP。因為這兩種材料在其制造過程中，基本不用任何膠粘劑，所以更加環(huán)保，從而受到了廣泛關(guān)注，并逐漸應(yīng)用在大型木結(jié)構(gòu)建筑中。

層板釘合木

層板釘合木（NLT）是將規(guī)格材側(cè)面拼接，并用釘子或螺釘緊固，制成的尺寸較大的平板結(jié)構(gòu)材（圖1）。早在19世紀(jì)初，美國東南部的棉花加工廠和鋸材廠就利用NLT制造木地板，被稱為“工廠結(jié)構(gòu)材”。從此，NLT在工業(yè)建筑中流行起來。在1916年美國木材制造商協(xié)會出版了《重型木材工廠木結(jié)構(gòu)》。一個多世紀(jì)以來，NLT一直用于橋梁鋪面板、隔板和建筑物的建造。與膠合木（GLT）相同，NLT也是單方向拼接。在北美NLT和其他層合板類似，每層的厚度為38 mm以上、寬度為64 mm以上。NLT制造時的含水率通常為12%～16%，選用目測或機械分等（如應(yīng)力分等MSR）的軟木規(guī)格材，如2級規(guī)格材或1 650 f-1.5 E級MSR材。如果預(yù)制板材的長度在6 m以內(nèi)，只需用拼板即可;如果超過6 m，就需要用膠接或指接木材。所以，在制造NLT時，不用或極少量使用膠粘劑。根據(jù)加拿大O86標(biāo)準(zhǔn)“木材的工程設(shè)計”，在拼接NLT時，要求釘子的長度要穿過兩層拼板，并且要超過第三塊的一半（圖2）。例如102 mm長的釘子用于緊固38 mm厚的拼板，152 mm長的釘子用于64 mm的拼板。這種拼接釘材的要求源于實際生產(chǎn)，它能保證NLT始終完整。釘子也可錯位排列，如圖2所示，但每行的間隔應(yīng)大于450 mm。NLT板材的尺寸只受到運輸?shù)南拗?，一般預(yù)組裝的NLT長度為3～8 m。NLT的優(yōu)點在于適合現(xiàn)場組裝;在運輸或持續(xù)的動態(tài)力作用下（例如車輪載荷和往復(fù)運動的工業(yè)設(shè)備），釘子能夠吸收能量阻尼振動;此外，NLT還具有很好的防火性能。NLT的缺點是，當(dāng)施加較高的剛性載荷或作為彎曲構(gòu)件時，機械制造效率會變差;另外拼板間釘子彎曲以及連接容易產(chǎn)生縫隙（各層間的水分轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的裂縫）;組裝速度慢;另外，因金屬釘子的存在，NLT組裝后難以切割。

作為一種重型木基結(jié)構(gòu)材，近年來NLT的使用率有所提高。在一些復(fù)雜的木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和建造中，可以選用NLT。圖3所示的是一家位于中國青島的旅游接待中心，其屋頂是以NLT為主體，結(jié)合規(guī)格材、膠合板和OSB等覆面板來加固完成整體結(jié)構(gòu)。覆面板用釘子緊固于NLT上，這種隔板結(jié)構(gòu)可以抵抗側(cè)向力，同時使整個系統(tǒng)處于干燥狀態(tài)。圖4所示的是美國明尼阿波利斯T3木結(jié)構(gòu)大樓，高七層，其中樓板使用了NLT，梁合柱選用了GLT。

層板銷合木

層板銷合木（DLT）是MTP中的另一類板材。DLT和NLT的拼板相同，但連接的方式不同。DLT用木銷緊固，如圖5所示。DLT也是單方向拼接?，F(xiàn)代DLT是20世紀(jì)90年代由瑞典人首先發(fā)明的。DLT使用厚38 mm，深度為89 mm、140 mm或者184 mm的軟木規(guī)格材，通過側(cè)面拼接，面與面間用木銷連接。與NLT不同的是，拼接DLT主要用指接材，其拼接時的含水率在19%以下。如使用SPF規(guī)格材，目測等級為2級及以上，MSR的等級為2 100 f-1.8 E。木銷通常為高密度的闊葉材（例如櫟木），直徑一般為19 mm，含水率約為6%～8%。將木銷插入拼板之前，要做出直徑相同的預(yù)留孔。木銷可以線性排列或交位排列，如圖6所示。銷間間隔為300 mm，錯位排列的DLT剛度更高。通常木銷穿透7～10拼板，所以，DLT比NLT的加工效率更高。組裝后的DLT的含水率需要平衡，木銷濕漲而板材干縮，這樣兩者結(jié)合的更加緊密，不需要再用膠粘劑或釘子進行增強。由于DLT除了指接材時使用少量膠黏劑，幾乎為純實木，所以它受到歐洲和北美地區(qū)的廣泛青睞，被認(rèn)為是真正意義上的100%木基產(chǎn)品。DLT可用CNC加工，如車削、刨削和磨削。預(yù)組裝的DLT的長度達18 m以上，寬度從4.3 m開始遞增，厚度76～349 mm;和NLT一樣，其尺寸主要受到運輸?shù)南拗啤?/p>

DLT板材上可加工線管和其它孔，實現(xiàn)個性設(shè)計，如圖6所示。設(shè)計者通過加工切口和凹槽來提高聲學(xué)性能和美化外觀。例如吸聲條可以安裝到DLT板材的內(nèi)部，這樣可以降低噪音同時又不影響外部紋理形態(tài)，同時還可以進行其它外部裝飾。

DLT很適合用于地板、樓板和屋頂板建造，如圖7所示，同時也可以用于墻體。如果在DLT的上部增加多層膠合板，就可以獲得雙層結(jié)構(gòu)。另外，DLT可以用于承重構(gòu)件和剪切墻，電梯和樓梯踏板的構(gòu)建。DLT的設(shè)計要求可以參照NLT，目前尚無可參考的產(chǎn)品規(guī)范，只有少數(shù)公司的DLT產(chǎn)品提供自己產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)。因此，在使用DLT前，需征求建筑設(shè)計者的意見。

討論：現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)材基本上起源于北美和歐洲，在把英文名稱翻譯成中文時，出現(xiàn)了許多不同的中文名稱，容易讓讀者造成困惑。如何較為確切地把英文翻譯成中文，是一個值得推敲的問題。筆者認(rèn)為，英文名稱以timber結(jié)尾的，翻譯成“木”為好，因為這類工程結(jié)構(gòu)材基本上是用鋸材（lumber）制成的，厚度相對較大，大于38 mm。如大家熟悉的glue laminated timber，翻譯成膠合木或?qū)影迥z合木;cross laminated timber，翻譯成正交膠合木;還有本文介紹的nail laminated timber和dowel laminated timber，翻譯成層板釘合木和層板銷合木。英文名稱以lumber結(jié)尾的，翻譯成“材”為妥，因為這類工程結(jié)構(gòu)材基本上是用單板（veneer）和木片（strand）制成的，厚度和鋸材差不多，大概為38 mm。如structural composite lumber，翻譯成結(jié)構(gòu)復(fù)合材;veneer laminated lumber，翻譯成單板層積材，或旋切單板層積材;laminated strand lumber，翻譯成層疊木片膠合材;oriented strand lumber，翻譯成定向木片膠合材。

附注

本文主要參考文獻是“Timber Buildings and Sustainability”中的第二章“Lumber-based mass timber products in construction”，由本文的第二作者撰寫，英國倫敦的IntechOpen出版社出版。