正交膠合木（CLT）的國外建筑案例研究＊

肖強 郭屹民

1 CLT 材料

1.1 研究背景

正交膠合木（CLT）是一種現(xiàn)代木材產(chǎn)品，由多層結(jié)構(gòu)的垂直堆疊木板經(jīng)高壓粘合組成，具有多種品種和等級。利用交叉層壓優(yōu)化不同等級的軟木（圖1），形成具有高強度和可預測強度的板材。其橫截面通常由3～9層板構(gòu)成，通過改變木材層的方向，使面板平面內(nèi)的膨脹和收縮最小化，顯著提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力，由此形成的工程復合材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高、更強、更穩(wěn)定和更安全的木結(jié)構(gòu)，滿足高密度建筑的要求。同時，這種材料有助于隔熱和隔音，并具有可驗證的健康和福利效益，也有利于建筑的可持續(xù)性發(fā)展。

在國外，CLT已經(jīng)被廣泛實驗和試用，但暫未得到真正的推廣。事實上，通過工藝處理后的木材能夠達到甚至超過混凝土和鋼材等常用建材的規(guī)范要求。通過典型項目展示木結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)勢，鼓勵建筑項目對于CLT材料的應用。

1.2 發(fā)展與新的可能

CLT材料可以通過簡單復合為建筑設計創(chuàng)造新的可能。一方面，在方案初始充分考慮CLT的優(yōu)點和限制能夠提高結(jié)構(gòu)體系效率。通過高強度性能和多種荷載傳遞路徑實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復合化，例如直接延伸樓板實現(xiàn)懸挑，將樓板上方的梁作為欄桿等。相較于傳統(tǒng)混凝土框架建筑，CLT樓板和梁厚度小，在相同凈高的情況下建筑高度更低。另一方面，CLT材料的自然美可以減少室內(nèi)外裝飾，實現(xiàn)建筑的整體化表現(xiàn)。因此，充分考慮和利用所有特性，才能創(chuàng)造更多的可能。

然而，并非所有混凝土建筑都適合改用CLT材料。通過研究國外實踐案例可以發(fā)現(xiàn)，在低層方案中，相比于全CLT結(jié)構(gòu)，僅在樓板和交通筒使用CLT板效率更高。因此，在高層建造上采用基于CLT的異類材料結(jié)構(gòu)組合——CLT和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)等上下混合或同層混合體系，在低層建造上采用基于CLT的木材類結(jié)構(gòu)組合——CLT和混凝土框架/鋼框架/木框墻結(jié)構(gòu)（圖2）更為合適。CLT適用于不加固地基的改擴建項目，如外圍護墻體的結(jié)構(gòu)加固、大跨屋頂?shù)慕ㄔ斓取?/p>

2 CLT 在橫向空間的運用

CLT為具有三組相互垂直對稱平面的正交異性板，在每個方向上具有不同特性，可承受的各軸向荷載不同，由此能夠打造獨特的空間。同時由于其結(jié)構(gòu)性能良好、外形美觀，因此在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑中可以代替部分鋼結(jié)構(gòu)框架（圖3）。例如瑞典隆德Flyinge騎術(shù)學校使用桁架式CLT屋頂，在減少造價的同時，實現(xiàn)水平大跨空間。與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相比，CLT在充當結(jié)構(gòu)的同時也可以作為圍護結(jié)構(gòu)。

2.1 上層墻體作為上翻梁

（1）惠特莫爾路住宅

惠特莫爾路住宅位于倫敦哈克尼區(qū)攝政運河的惠特莫爾橋附近，在這座多用途建筑中，墻充當了支撐下方開放式攝影棚屋頂?shù)纳盍海▓D4）。這座7層建筑高20.5m，為4個客戶提供了底層辦公空間、2層通高照相館和上層公寓，頂部還有俯瞰運河的寬敞露臺。建造僅用了5周時間，CLT結(jié)構(gòu)非常適宜于這個緊湊的城市場地。上層CLT結(jié)構(gòu)結(jié)合混凝土底層基座，利用空間上方的墻作為深梁，為建筑核心區(qū)域的通高工作室創(chuàng)造開放式無柱空間。對于大空間上的小空間，相比于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，CLT結(jié)構(gòu)更加靈活巧妙（圖5）。

（2）南格洛斯特郡和斯特勞德學院可再生能源工程技能中心

在南格洛斯特郡和斯特勞德學院（SGS）可再生能源工程技能中心改造中，采用混合CLT結(jié)構(gòu)，樓板和梁使用CLT，并且將上層扶手作為上翻梁，同時增強空間的視覺美學（圖6,7）。

2.2 CLT殼體結(jié)構(gòu)

（1）Hunsett Mill住宅擴建

早期CLT殼體結(jié)構(gòu)只能通過直線搭接，桿件主要承受法向力。使用不同類型的折板結(jié)構(gòu)打造室內(nèi)無柱空間，實現(xiàn)的跨度不算很大。Hunsett Mill房屋擴建通過模仿當?shù)亟ㄖZ言形成復雜的折疊屋頂，連同生成的剛性平面和高強度墻體一起實現(xiàn)了內(nèi)部無柱空間（圖8,9）。

（2）劍橋大學游艇庫和蘇黎世動物園

劍橋大學游艇庫屋頂由一塊折疊的CLT板構(gòu)成（圖10,11），位于橫跨混凝土和鋼筋砌磚橫墻之間的鋼梁上。2014年建成的蘇黎世動物園的巨型殼體結(jié)構(gòu)則擺脫了直線的限制，CLT的精準切割讓曲面空間成為可能（圖12）。

3 CLT 在豎向空間的運用

近年來，混合木結(jié)構(gòu)在豎向高度上逐漸發(fā)展，以上下混合式結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和木鋼混合結(jié)構(gòu)三種方式為主。例如，一個8層混合木結(jié)構(gòu)建筑的底部和核心筒為混凝土結(jié)構(gòu)，采用CLT剪力墻和膠合木梁柱的混合結(jié)構(gòu)形式；還有底部2層為混凝土結(jié)構(gòu)，上部5層為輕型木結(jié)構(gòu)的7層住宅樓。上下混合木結(jié)構(gòu)將混凝土結(jié)構(gòu)強度良好、防火性強和木結(jié)構(gòu)抗震、施工速度快、保溫節(jié)能、隔音效果好、節(jié)約成本的優(yōu)點結(jié)合在一起。CLT自重輕的特性決定了其在豎向結(jié)構(gòu)使用以及擴建中的優(yōu)勢，同時混合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等可以實現(xiàn)更多可能（圖13）。

1 CLT 交叉層壓方式

2 CLT 的木材類結(jié)構(gòu)組合

3 CLT 與鋼結(jié)構(gòu)的混合使用圖解

4 惠特莫爾路住宅結(jié)構(gòu)空間示意圖

5 惠特莫爾路住宅傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)與CLT 結(jié)構(gòu)在大小空間處理對比

6 SGS 可再生能源工程技能中心結(jié)構(gòu)示意圖

7 SGS 可再生能源工程技能中心室內(nèi)

8 Hunsett Mill 住宅擴建立面構(gòu)成

9 Hunsett Mill 住宅擴建

10 劍橋大學游艇庫剖面

11 劍橋大學游艇庫

3.1 混凝土核心筒結(jié)構(gòu)

UBC Brock Commons學生公寓是一個多用途住宅綜合體，高54m。一層為公共設施、集會空間和自修室，以及其他服務空間；二至十八層為學生宿舍，其中學習社交休息室位于十八層，10根265mm×215mm的集成材柱暴露在外。兩個18層混凝土核心筒作為結(jié)構(gòu)的一部分，內(nèi)部布置豎向交通和服務設施。第二層鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換板上方的16層上部結(jié)構(gòu)由膠合層壓木材（GLT）、平行股木材（PSL）柱和CLT地板組件構(gòu)成，使用鋼連接，不需要具有雙向跨越能力的梁（圖14）。

3.2 CLT木鋼混合結(jié)構(gòu)

在一層為混凝土結(jié)構(gòu)的情況下，上部選用CLT結(jié)構(gòu)既滿足了美學需求，又降低了飾面成本。例如，英國第一座高層CLT結(jié)構(gòu)建筑Stadthaus公寓，所有墻壁、樓板和電梯核心筒共同作用，形成非常穩(wěn)定和高效的結(jié)構(gòu)（圖15,16）。木鋼混合結(jié)構(gòu)體系使用CLT構(gòu)成豎向承重結(jié)構(gòu)，將鋼梁通過螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接，成為弱連接構(gòu)件，實現(xiàn)了“強柱弱梁”的抗震理念。

上下混合式結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和木鋼混合結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。從施工便利性來講，上下混合的方式可以在不影響下層已完工結(jié)構(gòu)的基礎上繼續(xù)施工，適合改擴建項目以及學校施工——避免影響教學。而增加了混凝土結(jié)構(gòu)的CLT結(jié)構(gòu)強度和防火等級更高，同時可以獲得更大的跨度，利于營造大空間。

4 CLT 結(jié)構(gòu)構(gòu)件化

CLT紋理美觀，同樣適宜打造家具。海斯小學的擴建中，一堵76.2m長、0.635m深的墻成為學校內(nèi)部空間的醒目標志（圖17）。它由水平堆疊的CLT板制成，標識了循環(huán)路線，一直延伸到教室；墻上的開口提供了教學空間的視覺交流；在兩側(cè)交替設置凹槽，形成學校圖書館的書架、座椅和閱讀壁龕，以及教室設備和教材的儲藏室。

5 結(jié)語

可以看出，CLT在混合結(jié)構(gòu)及改擴建項目中已經(jīng)有豐富的運用。由于CLT水平與豎向受力的均好性，以其為主要木構(gòu)件的現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的層高限制。在實現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的過程中，木結(jié)構(gòu)建筑開始受到廣泛關(guān)注。而目前木材在國內(nèi)建筑中應用占比不高，隨著相關(guān)教材的編寫，CLT體系、構(gòu)件及節(jié)點設計逐漸規(guī)范化，混合木結(jié)構(gòu)體系也越來越受到重視。以上實踐案例中，建筑師根據(jù)CLT的特性創(chuàng)造建筑空間、完善結(jié)構(gòu)體系，值得我們進一步學習。

12 蘇黎世動物園

13 三種混合結(jié)構(gòu)對比

14 UBC Brock Commons 學生公寓

＊ 本研究得到國家自然科學基金面上項目（5197081528）資助。

15 Stadthaus 公寓16 Stadthaus 公寓軸測

17 海斯小學擴建項目

1-6,8,10 作者自繪

13,14,16,17 作者自繪

7,9,11,12,15 來源于https://が.greengage-env.com