由CLT 想到的

莊曉峻 Benjamin Zhuang

1 什么是CLT？

近年來，CLT出現(xiàn)的頻率越來越高，特別是在國內(nèi)外建筑大師的方案中，CLT往往伴隨著減少碳排放、碳中和、綠色建筑等概念一起出現(xiàn)。筆者作為一名木結(jié)構(gòu)從業(yè)人員，往往要回答來自業(yè)主、設(shè)計院、總包等單位有關(guān)CLT的諸多問題，希望本篇文章能夠系統(tǒng)地解釋CLT相關(guān)概念。

在我國，CLT被翻譯成正交膠合木（Cross-Laminated Timber），通常是采用窯干的規(guī)格材經(jīng)分揀和切割，涂刷高強度結(jié)構(gòu)膠黏劑，經(jīng)正交交錯90q疊放后，使用水壓或真空壓力機豎向膠合成大塊的實木板材，特點是橫紋和豎紋交錯排布。在成品的基礎(chǔ)上，可以再用計算機數(shù)控機器CNC對成品CLT進一步加工以確定其規(guī)格大小，成為二次深化后的建筑構(gòu)件。在定制的CLT構(gòu)件運往建筑工地前，可以先在CLT上加工門和窗的開口以及管線系統(tǒng)的槽口，從而大大縮短工地上的施工時間。在現(xiàn)場施工工序、機械和臨時措施組織得當(dāng)?shù)臈l件下，可以實現(xiàn)真正意義上的100%裝配式施工。

1 重型木結(jié)構(gòu)工程木材種類

歐美不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的CLT有所差異，主要取決于木材原材料的種類、強度等級和規(guī)格、膠水類型和連接工藝等細(xì)節(jié)。歐洲的CLT大多采用云杉為原材料，但在北美也有用花旗松、南方松和其他相似樹種的，總之遵循木材產(chǎn)地的就地取材原則。CLT的強度等級根據(jù)彈性模量來區(qū)分，通常以原材料規(guī)格材的強度等級來挑選，并不是所有木材都可以加工成CLT。北美生產(chǎn)商的尺寸通?？梢宰龅?m寬、19.5m長，而歐洲的規(guī)格可以做到3.5m寬、24m長。但長寬規(guī)格的大小除了受生產(chǎn)設(shè)備的限制之外，最主要是受到交通運輸條件的限制，尤其是越洋的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸限制。厚度也是關(guān)系到CLT結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的重要指標(biāo)，北美的厚度通?？梢宰龅?8～314mm（根據(jù)英制換算），而歐洲的厚度則為60～400mm。北美CLT的生產(chǎn)符合APA PRG-320認(rèn)證，而在歐洲則是EAD 130005?00?0304認(rèn)證。除了這些結(jié)構(gòu)受力的指標(biāo)外，業(yè)主和建筑師對CLT外觀標(biāo)準(zhǔn)的考量也是一項主要指標(biāo)，通常CLT至少有一個面是直接暴露而無需裝飾的。因此，CLT外觀的節(jié)疤大小、紋路方向甚至顏色差別也是需要提前確定的。

CLT技術(shù)自20世紀(jì)90年代中期問世后，一直備受綠色建筑行業(yè)關(guān)注。這種源自歐洲的新型工程木產(chǎn)品，不僅綠色環(huán)保，且具有較高的結(jié)構(gòu)強度，自身具備防火功能，因而可為木質(zhì)建筑提供靈活的設(shè)計方案、有競爭力的成本和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強度，大有取代傳統(tǒng)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之勢。在綠色環(huán)保方面，木材作為一種負(fù)碳的建筑材料，對比鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢不言而喻，這也是歐美建筑師對其“趨之若鶩”的主要原因之一。同時由于CLT是具有一定厚度的木材，因此在使用過程中具有天然的隔熱和隔聲效果，這和傳統(tǒng)節(jié)點構(gòu)造做法有很大不同。在結(jié)構(gòu)性能方面，CLT因為具有更高的強度重量比，自重一般比其他類型的建筑材料輕，每立方米云杉CLT重量只有500kg左右，同樣體積的鋼筋混凝土則重達(dá)2 400kg，幾乎是混凝土建筑的五分之一。這一天然優(yōu)勢讓其在地震中能夠達(dá)到很好的抗震效果，CLT作為一種建筑材料與其他在建造中使用到的連接件和緊固件一起保證了整體結(jié)構(gòu)具有較強的抗震能力。CLT的厚度也帶來了極好的耐火性，這與重型木結(jié)構(gòu)的特性相似。一旦發(fā)生火災(zāi)，CLT木板材料表層會以一定速率緩慢地炭化，并且內(nèi)部的核心部分仍保持原有的結(jié)構(gòu)強度。因此，這種炭化效果可以使CLT達(dá)到規(guī)范要求的耐火時限，保障建筑在火災(zāi)時的安全。

但是，CLT的使用也有一定局限性。由于交錯互疊的層板構(gòu)成，其尺寸穩(wěn)定，有很好的承載力和抗剪強度，可以同時在垂直和水平方向進行拼接，所以通常CLT會被用作建筑的樓地面、屋面和抗剪的剪力墻，等同于我國廣泛使用的混凝土樓地面、屋面和剪力墻。但CLT產(chǎn)品構(gòu)造上的特點使其無法做成弧形的自由體造型，這在一定程度上限制了建筑師的創(chuàng)作。

除了技術(shù)上的諸多優(yōu)勢，CLT在歐美的風(fēng)行也源自于經(jīng)濟上的優(yōu)勢。歐美的低密度建筑市場長期被輕木結(jié)構(gòu)所統(tǒng)治，木結(jié)構(gòu)有著良好的市場認(rèn)同度。如今材料技術(shù)的突破、低碳建筑的需求和規(guī)范上的更新，再加上政府和行業(yè)協(xié)會的支撐，使得CLT慢慢開始占據(jù)中高層建筑的市場。CLT的價格對比歐美建材市場的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)有一定優(yōu)勢，同時裝配式施工又可以大量節(jié)省昂貴的現(xiàn)場人工。同等類別CLT的價格和木材的國際市場價格是有一定關(guān)聯(lián)的，目前歐洲特別是加工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的德國和奧地利的CLT已經(jīng)占據(jù)了北美、大洋洲以及以新加坡為主的亞洲市場。

24 層的HoHo Wien 位于奧地利維也納，高度84m，建筑面積為25 000m2，一度與挪威Mj?st?rne（85m）爭世界第一高木結(jié)構(gòu)。這幢高樓使用了777 根大體量的GLT 膠合木柱，同時采用了約1 600m3外觀等級的CLT 作為樓地面和墻體。在施工過程中，所有CLT 墻板都在預(yù)制廠中安裝完門窗和防水層，然后直接運至工地進行安裝，大大提高了整體建筑的施工速度。在綠色環(huán)保方面，大量使用工程木所儲存的二氧化碳也使HoHo Wien 成為綠色低碳建筑的先鋒。

2 僅僅只有CLT？

雖然CLT的出現(xiàn)頻率很高，但它僅僅是一個材料的名稱。在其背后是一個更大的建筑概念——重型木結(jié)構(gòu)（Mass Timber）。如上所述，CLT作為重型木結(jié)構(gòu)的排頭兵，正在搶占?xì)W美的中高層建筑市場。在政府和行業(yè)協(xié)會的支持下，歐美的建筑業(yè)從設(shè)計、材料和施工技術(shù)各方面都在進行技術(shù)創(chuàng)新和項目實踐。

Mass Timber代表著重型木結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包含了CLT（正交膠合木）、DLT（木榫集成木）、GLT（層板膠合木）、NLT（釘接集成木）等一系列工程木產(chǎn)品。這些工程木產(chǎn)品使重型木結(jié)構(gòu)，特別是高層的木結(jié)構(gòu)成為可能。GLT通常作為梁柱體系出現(xiàn)，而樓板、墻板和屋面板則是在CLT、DLT或NLT中選擇。

2 HoHo Wien

3 HoHo Wien 中CLT 樓地面板和墻板

4 UBC District Energy Center 應(yīng)用CLT

5 北溫哥華市政廳應(yīng)用LSL

6 Soto Office Building 室內(nèi)應(yīng)用DLT

7 Soto Office Building 室內(nèi)應(yīng)用DLT

8 Soto Office Building 室內(nèi)應(yīng)用DLT

作為歷史最悠久的工程木，GLT又稱膠合木，在輕型木結(jié)構(gòu)和重型木結(jié)構(gòu)中都有使用，其產(chǎn)品技術(shù)成熟，無論國內(nèi)和國外都有成熟的設(shè)計規(guī)范。目前國內(nèi)已有數(shù)條GLT生產(chǎn)加工線，主要生產(chǎn)原材料規(guī)格材，以進口歐洲的云杉和北美的花旗松為主，不過國內(nèi)已展開了國產(chǎn)膠合木的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證體系。歐美的GLT材料除了歷史悠久和認(rèn)證過程完整外，主要的優(yōu)勢在于二次加工的能力，特別是在復(fù)雜構(gòu)件的CNC數(shù)碼加工上，高端的德國加工機械幾乎無所不能。北美則是在材料的研發(fā)上更勝一籌，在GLT的基礎(chǔ)上，除了和歐洲一樣可以生產(chǎn)高技術(shù)含量的LVL（單層板膠合木）外，又開發(fā)出強度更高的PSL（平行木片膠合木），以及不用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類樹種作為原材料的LSL（層疊木片膠合木）。這些產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)中起到梁柱作用，為重型木結(jié)構(gòu)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

DLT的主要特點是使用堅硬的硬木榫將規(guī)格材從側(cè)面層壓連接在一起，形成的厚木板適合于單向受力的平板類構(gòu)件。相比CLT，DLT最為突出的優(yōu)點是在生產(chǎn)過程中沒有復(fù)雜的膠合工藝，也沒有任何金屬連接件，所以是真正意義上的純木構(gòu)件。由于沒有膠合劑，所以它比CLT的環(huán)保性更好，因此尤其受到建筑師的歡迎。生產(chǎn)工藝上，由于受到規(guī)格材的高度限制，通常會小于285mm的厚度，但其在一個方向上的承載力特別強，最大的屋面跨度可以達(dá)到18m。

Soto Office Building 位于美國德州的圣安東尼奧市，是一幢典型的DLT+GLT的木結(jié)構(gòu)中高層商業(yè)辦公建筑。6層的建筑中，一層和核心筒為混凝土結(jié)構(gòu)，其余5層為重型木結(jié)構(gòu)。這樣的混合結(jié)構(gòu)體系也是目前北美中高層重型木結(jié)構(gòu)建筑的典型結(jié)構(gòu)形式。在6m? 9m的GLT柱網(wǎng)體系下，DLT預(yù)制板被加工成2.4m寬、18m長，直接吊裝至GLT膠合梁上。16 800m2建筑面積的施工時間比同樣的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)施工快很多，同時DLT樓面的隔聲和防顫效果都比輕型木結(jié)構(gòu)樓地面系統(tǒng)更佳。此外，木結(jié)構(gòu)和建筑的玻璃幕墻、磚墻外圍護系統(tǒng)，在精細(xì)的深化設(shè)計下也做了很好的結(jié)合。

NLT的歷史最為悠久，是由螺釘將相鄰的規(guī)格材從側(cè)面連接起來，同時在NLT的上翼緣再釘上膠合板進一步提高結(jié)構(gòu)的平面剛度。這種剛度很強的樓地面系統(tǒng)在一個世紀(jì)前北美的農(nóng)場倉庫里已經(jīng)使用，其厚度隨著規(guī)格材的高度變化，從89～285mm不等。同CLT和DLT一樣，NLT在北美的規(guī)范NBCC和IBC中是被認(rèn)可的，其中規(guī)定NLT屋面的厚度至少是64mm，樓地面的厚度至少是89mm。對比CLT和DLT這兩個工業(yè)化的產(chǎn)品，NLT還是需要一定人工在現(xiàn)場一根根釘制而成，但這也帶來了建筑設(shè)計的靈活性。例如，利用相鄰板材的位置微調(diào)，NLT板就不僅僅是平面了，可以根據(jù)建筑師的要求實現(xiàn)帶有弧度、高低錯落的自由體屋面。

9 Soto Office Building

青島小珠山游客中心建于2012 年，為實現(xiàn)建筑師概念中云一樣的雙曲屋頂，項目采用了NLT系統(tǒng)，并充分利用其設(shè)計和施工的特點，2 800m2屋頂由近400m3云杉規(guī)格材釘制而成，93 根錐形的膠合木柱托起整個屋面。同時，充分發(fā)揮木結(jié)構(gòu)強重比性能高的特點，屋面上還有150mm 覆土形成的綠植層，這也是目前國內(nèi)NLT 應(yīng)用面積最大的項目。

3 CLT在中國能用嗎？

目前為止，我國木結(jié)構(gòu)建筑市場中CLT的應(yīng)用少之又少，歸結(jié)原因主要還是在供需兩個方面。在市場需求方面，一是業(yè)主單位對大型木結(jié)構(gòu)建筑的顧慮，使整個建筑市場中大型木結(jié)構(gòu)項目屈指可數(shù)，而中高層木結(jié)構(gòu)建筑則基本沒有。業(yè)主的顧慮往往集中于防火安全、造價成本和建成后維護成本。近年來國際知名建筑師設(shè)計的項目中，有不少運用了重型木結(jié)構(gòu)，但往往由于業(yè)主的上述諸多顧慮，最終無果而終。除了技術(shù)和造價的考慮，還有就是對國內(nèi)木結(jié)構(gòu)行業(yè)是否能夠?qū)崿F(xiàn)這些技術(shù)的擔(dān)心。的確國內(nèi)目前木結(jié)構(gòu)標(biāo)志性項目不多，更沒有使用CLT的中高層木建筑案例。而本土的混凝土結(jié)構(gòu)，以及目前主要推行的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑，這二者在國內(nèi)都有廣泛的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。雖然在環(huán)保上的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及木結(jié)構(gòu)，但其技術(shù)成熟度和經(jīng)濟上的競爭優(yōu)勢足以統(tǒng)治市場。因此太多的木結(jié)構(gòu)方案，最終還是被改為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)加裝修。

在市場供給方面，由于木材資源的匱乏，我國尚未形成規(guī)模化的木結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)。目前，木結(jié)構(gòu)材料還主要依賴于從國外進口原材料，幾家GLT國產(chǎn)膠合木的生產(chǎn)企業(yè)都需要從北美和歐洲進口板材。而由于沒有市場，生產(chǎn)CLT的企業(yè)更是稀有。NLT由于不需要專業(yè)的加工機械，需要較大的現(xiàn)場勞動力，比較符合國內(nèi)的施工特點，同時由于其獨特的建筑表現(xiàn)力，因此被很多建筑師使用。

市場和技術(shù)一直是整個行業(yè)的兩大推手，沒有龐大的市場和充分的競爭就無法推動技術(shù)的更新?lián)Q代。反觀歐美市場，同樣的邏輯，最早NLT的出現(xiàn)并沒有讓其得到普及，是因為使用最廣泛、造價更有優(yōu)勢的輕型木結(jié)構(gòu)技術(shù)就可以實現(xiàn)建筑師們要求的樓地面和屋面系統(tǒng)。而低密度的木結(jié)構(gòu)建筑（特殊的建筑除外）并未對樓地面的剛度有那么高的要求。當(dāng)市場還未發(fā)展到一定程度，先進的技術(shù)自然就沉沒于輕木結(jié)構(gòu)體系泛濫的汪洋大海中。到了20世紀(jì)末，歐洲掀起了綠色低碳建筑的浪潮，市場推動著天然的綠色低碳木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品向多高層建筑發(fā)展?；趲资甑腉LT工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗，歐美各大林業(yè)產(chǎn)品企業(yè)開始爭相研發(fā)并加工投產(chǎn)CLT。同時，材料的發(fā)展很快使各國都修改了木結(jié)構(gòu)規(guī)范，越來越多的建筑師開始設(shè)計中高層木結(jié)構(gòu)建筑。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，市場的充分競爭又對產(chǎn)品提出了更高的要求，于是DLT便應(yīng)運而生。DLT不需要膠合，使工業(yè)化生產(chǎn)的效率大大提高，從而又形成了相對的價格優(yōu)勢。

10 青島小珠山游客中心雙曲NLT 屋面（BCJ）

13 蘇州河驛站采用NLT（致正建筑工作室）

14 青苗采用GLT（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司）

15 天府農(nóng)博園主展館采用GLT（本土設(shè)計研究中心）

從某種角度上說，材料的工業(yè)化是建筑行業(yè)的核心。我國由于木材資源的匱乏，因此建筑類木材的工業(yè)化程度與歐美同行差距較大。從古至今，建造都更多注重就地取材。雖然全球化的趨勢不可逆轉(zhuǎn)，但如果材料一直依賴進口，并不是長久之計?？上驳氖?，在中國建筑西南建筑設(shè)計院領(lǐng)銜的團隊多年努力下，圍繞著木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50005），已經(jīng)建立了一套完整的木結(jié)構(gòu)規(guī)范體系，其中包含了針對中高層木結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GBT 51226?2017），就包括了CLT產(chǎn)品。同時，同濟大學(xué)等國內(nèi)的高?？蒲袡C構(gòu)對CLT的研究工作也早已展開。

他山之石，可以攻玉。在目前這一階段，建議業(yè)主、設(shè)計單位和總包單位不要輕易地否決建筑師的木結(jié)構(gòu)方案，讓我國的建筑市場上涌現(xiàn)出一批標(biāo)志性的重型木結(jié)構(gòu)案例，無論是大跨度還是中高層。目前我國的防火設(shè)計規(guī)范對重型木結(jié)構(gòu)概念還是持肯定的態(tài)度，其中明確地說明木結(jié)構(gòu)的防火性能在各個方面優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)，如果防火設(shè)計在一定條件下超出了規(guī)范，也可以進行專家論證。木結(jié)構(gòu)造價的優(yōu)化，并不是單純降低材料的價格，而是要找到專業(yè)的團隊做出合理的綜合優(yōu)化方案。關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑的日常維護，更是可以在前期設(shè)計更好的構(gòu)造節(jié)點，制定好方案，以及確定合理的維護費用，從建筑的全生命周期來考慮維護成本。

當(dāng)一個個綠色低碳木結(jié)構(gòu)建筑高質(zhì)量的完成，不僅能夠體會建筑師選擇木結(jié)構(gòu)來表達(dá)理念的奇思妙想，也能對比出木結(jié)構(gòu)建筑與混凝土和鋼結(jié)構(gòu)深層次的不同。有了好的示范，才能推動我國重型木結(jié)構(gòu)在設(shè)計、材料和施工上的發(fā)展?？v觀中高層重型木結(jié)構(gòu)在歐美發(fā)展的這二十年，也是以示范項目作為領(lǐng)頭兵出現(xiàn)的。雖然我國木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)條件和技術(shù)基礎(chǔ)無法與歐美相比，但堅信市場和技術(shù)的原則，我們一定可以走出具有中國特色的重型木結(jié)構(gòu)道路，為我國的木結(jié)構(gòu)行業(yè)、綠色建筑市場、碳中和的目標(biāo)做出貢獻。

16 太原植物園溫室采用GLT（DMAA）

圖片來源

1,4?9 StructureCraft 提供

2,3 Hasslacher 提供

10,12?16 上海思卡福提供

11 來源于www.archdaily.cn