正交膠合木在日本建筑中的應(yīng)用

坂田弘安 山崎義弘

1 CLT的定義

CLT是Cross-Laminated Timber的簡(jiǎn)稱，在日語(yǔ)中被叫做直交集成板，是1990年代歐洲開(kāi)發(fā)的一種相對(duì)較新的木制材料。將從圓木上刨切下來(lái)的薄板（通常厚度為30mm）橫向排開(kāi)，每層木板纖維方向相互垂直地累疊并粘合。由于日本國(guó)內(nèi)木材產(chǎn)量豐富，CLT作為一種能有效使用木材的建筑材料，受到大家關(guān)注。

木材在順紋方向上（即木材生長(zhǎng)的方向）有著與普通混凝土相匹敵的抗壓強(qiáng)度，但橫紋方向的強(qiáng)度相對(duì)較弱（約為順紋方向的1/10），且橫紋方向應(yīng)對(duì)割裂破壞的強(qiáng)度非常弱。而CLT材料的優(yōu)勢(shì)在于，能夠在一定程度上克服木材的這種弱點(diǎn)，且能夠制作更大的板材。與一般木材相比，CLT材料使用的木材并沒(méi)有更加堅(jiān)固，其密度約為0.4～0.5g/cm3，在建筑材料中算是比較輕的。

單塊CLT板的最大尺寸由制造機(jī)器決定，根據(jù)工廠的不同有所不同，日本能夠生產(chǎn)的最大尺寸為3m? 12m（圖1）。板材的厚度從三層板90mm到九層板270mm不等。日本在2014年施行《直交集成板的日本農(nóng)林規(guī)格》（Japanese Agricultural Standards規(guī)格，簡(jiǎn)稱JAS）；在2016年制定了構(gòu)造計(jì)算基準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)。在這之后，使用CLT材料的建筑物急速增加，預(yù)計(jì)在2022年底能達(dá)到1 000座左右[1]。

日本在建立CLT技術(shù)基準(zhǔn)的過(guò)程中，一個(gè)巨大的課題是針對(duì)地震的安全性驗(yàn)證，即抗震設(shè)計(jì)方法的確立。從2011 2015年，為了制定新的法律日本進(jìn)行了各種構(gòu)造實(shí)驗(yàn)。例如，2014年制作了五層實(shí)驗(yàn)體（圖2），利用防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所的實(shí)體尺寸三維震動(dòng)破壞實(shí)驗(yàn)設(shè)施（E-Defense）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在與1995年兵庫(kù)縣南部地震（JMA神戶）相同的破壞力下，使用CLT板材的建筑物不會(huì)倒塌。從2016年開(kāi)始，使用“CLT板材工法”的建筑物只要根據(jù)建筑基準(zhǔn)法的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行構(gòu)造計(jì)算，就可以免除個(gè)別申請(qǐng)程序，直接獲得建設(shè)批準(zhǔn)。

1 日本國(guó)內(nèi)可制造的最大尺寸的CLT

2 2014 年進(jìn)行的五層CLT 板材施工方法建筑物的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

3 CLT 板材工法的架構(gòu)形式

4 局部使用CLT 板材的結(jié)構(gòu)案例

2 CLT在建筑中的使用

“CLT板材工法”是指用CLT板材構(gòu)成墻體和樓板的建筑。雖然也有只用一塊CLT板材構(gòu)成墻體的情況，但通常做法是將多塊板連接起來(lái)形成一整個(gè)面（圖3）。另外，也有在以其他工法為主的木造建筑中局部使用CLT的情況（圖4a,4b）。

利用“CLT板材工法”的建筑物，在日本最高可以建造5層。超過(guò)5層的建筑物一般使用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，或者在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中將墻體或樓板部分的材料換成CLT的部分利用（圖4c,4d）。與鋼材和混凝土相比，木材具有“重量輕、強(qiáng)度高”的特性。在建造中不全部使用CLT，而是將部分材料合理替換成CLT，可以減輕建筑的重量，減輕地震水平荷載。然而，由于CLT是由纖維方向相互垂直的薄板疊加制作的材料，作為墻體使用時(shí)并不適合負(fù)擔(dān)太大的垂直荷載。因此對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，需要使用鋼柱作為受壓構(gòu)件，以確保地震時(shí)的安全（圖4d）。

另外，根據(jù)日本法律，建筑物頂部的4層需要滿足"1h防火"，這一規(guī)定雖然不算嚴(yán)苛，而從建筑物底部算起的第五層以上 "2h防火"的規(guī)定則對(duì)防火性能有更高的要求，因此，木材通常都要用石膏板等不燃材料覆蓋。在這種情況下，即使木材自重較輕，但由于石膏板的增加，建筑的重量也會(huì)增加，并且將木材暴露出來(lái)也變得困難。因此最好是如圖4c中所示，僅在建筑上部使用木結(jié)構(gòu)。

3 CLT板材構(gòu)造的建筑物

CLT板材之間是用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的金屬構(gòu)件進(jìn)行連接的，也有不同廠家各自開(kāi)發(fā)的構(gòu)件。建造過(guò)程通常是先在地基上建一層的墻板，隨后在其上鋪設(shè)二層的地板，接下來(lái)再進(jìn)行二樓的施工，不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程逐層建造。2016年，在建筑研究所的場(chǎng)地上建造了一座實(shí)驗(yàn)建筑，測(cè)定其居住環(huán)境性能和耐久性能等。2020年建成的兩層高的辦公建筑，大約278m3的CLT作為墻體、樓板、屋頂和梁被使用，其中V形CLT梁的跨度為9m（圖5,6）。2022年建成的休息亭，則是把CLT制作成單元模塊后，在現(xiàn)場(chǎng)直接裝配的例子（圖7?9）。

4 CLT板材工法的力學(xué)性能

CLT板材之間的連接方法主要有三種：外蓋鋼板螺釘連接（圖10）、內(nèi)嵌鋼板銷釘連接（圖11）、張拉螺栓連接（圖12）。

（1）外蓋鋼板螺釘連接：使用的部件是在一般市場(chǎng)流通的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。螺釘可以在施工現(xiàn)場(chǎng)用電動(dòng)工具打入，無(wú)需預(yù)先鉆孔。但由于每個(gè)螺釘?shù)膹?qiáng)度約為3kN，需要在主要受力點(diǎn)打入非常多的螺釘。同時(shí)為了保證建筑氣密性，需要按鋼板的厚度給CLT開(kāi)槽。

（2）內(nèi)嵌鋼板銷釘連接：需要在工廠生產(chǎn)時(shí)對(duì)CLT進(jìn)行開(kāi)孔和挖槽等多項(xiàng)加工。在內(nèi)嵌鋼板開(kāi)孔時(shí)，如果孔洞尺寸過(guò)小就很難打入銷釘，反之如果孔洞太大在施力初期會(huì)出現(xiàn)滑移導(dǎo)致剛度降低，因此需要在可操作性和結(jié)構(gòu)性能間取得平衡。此連接方法可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度較高的節(jié)點(diǎn)。

（3）張拉螺栓連接：需要對(duì)CLT進(jìn)行開(kāi)孔，但施工相對(duì)簡(jiǎn)單。只要把CLT表面的方洞堵住，就可以藏住金屬構(gòu)件，把CLT作為面材使用。

5 CLT 實(shí)驗(yàn)建筑

6 CLT 實(shí)驗(yàn)建筑

7 銘建工業(yè)休憩所CLT 單元吊裝

8 建成后的銘建工業(yè)休憩所

9 建成后的銘建工業(yè)休憩所

10 外蓋鋼板螺釘連接

11 內(nèi)嵌鋼板銷釘連接

12 張拉螺栓連接

這些節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能，有一部分可以參考普通木材和集成材以往的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但由于CLT是通過(guò)將薄板纖維方向相互垂直疊合制作而成的，也有一些現(xiàn)有的設(shè)計(jì)公式并不能適用于CLT。此外，在中高層建筑中使用CLT材料時(shí)，一般規(guī)格的金屬構(gòu)件強(qiáng)度可能不夠。因此有必要開(kāi)發(fā)新的連接方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)逐一評(píng)估其性能。

CLT墻板基部的配件安裝需要在墻板兩端設(shè)置抗拉構(gòu)件，以防止墻板在受到地震和風(fēng)的水平荷載時(shí)旋轉(zhuǎn)，并避免墻板被掀起。除此以外，還需要設(shè)置抗剪托架來(lái)防止橫向滑動(dòng)。由于每個(gè)配件都需要使用預(yù)埋螺栓，目前與普通木構(gòu)建筑相比CLT建筑需要使用更多預(yù)埋螺栓，因此在連接方法的合理化方面還需要進(jìn)一步研究。

在CLT實(shí)驗(yàn)建筑（兩層，總建筑面積166m2）中，8天即完成了安裝，連接方法主要采用外蓋鋼板螺釘連接。大約使用了18 000個(gè)螺釘和200個(gè)預(yù)埋螺栓（約是相同規(guī)模的木結(jié)構(gòu)建筑使用數(shù)量的兩到三倍）。

5 關(guān)于CLT的普及

近年來(lái)，人們對(duì)地球環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注度逐漸提高，并試圖通過(guò)積極使用木材，為減少大氣中的二氧化碳做出貢獻(xiàn)。在以往鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物中，以CLT為首的各類木質(zhì)材料將會(huì)得到更多的利用。在研究CLT的應(yīng)用時(shí)，不僅要考慮抗震設(shè)計(jì)，防火、保溫以及聲環(huán)境等都需要加以考慮，CLT建筑應(yīng)用的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)正在各個(gè)領(lǐng)域積極進(jìn)行中。

圖片來(lái)源

1?4,10?12 由日本CLT 協(xié)會(huì)繪制

5,6 (株)Nakasa & Partners 提供

7 Meiken Lamwood Corp.提供

8,9 Suehiro Photo Studio · 野上仙一郎拍攝