正交膠合木在建筑應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望

張?jiān)葡瑁?張佳琦

正交膠合木在建筑應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望

張?jiān)葡瑁?張佳琦*

（廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

簡述了正交膠合木板材的尺寸穩(wěn)定性、防火抗震性、低碳環(huán)保性等技術(shù)領(lǐng)域所取得的研究成果，并對正交膠合木在歐美國家及國內(nèi)在建筑上的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)。正交膠合木建筑在國內(nèi)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”上有非常大的發(fā)展空間，最后展望了正交膠合木建筑的發(fā)展前景，需要關(guān)注其在國內(nèi)的推廣與發(fā)展。

正交膠合木；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用展望

正交膠合木（Cross Laminated Timber, 簡稱CLT）是歐洲德國、奧地利等國于上世紀(jì)90年代初研發(fā)的一種新型工程木材料，后在歐洲得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

正交膠合木通常由實(shí)木鋸材或復(fù)合材經(jīng)正交疊放后加壓膠合制成，相鄰層纖維方向垂直正交的結(jié)構(gòu)使得其在材料具有良好的力學(xué)性能，因此具備剛度高、塑性好等特點(diǎn)，可用于制作樓板、墻板、屋面板等[3]。正交膠合木將實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復(fù)合材通過結(jié)構(gòu)膠黏劑加壓膠合而成，通常由奇數(shù)層構(gòu)成，常有3、5或7層的規(guī)格，如圖1所示為5層正交膠合木。

圖1 5層規(guī)格的正交膠合木

奧地利和德國開創(chuàng)性的使用正交膠合木作為預(yù)制構(gòu)件，建造了全球第一棟使用該新型建材的新一代重型木結(jié)構(gòu)建筑。此后隨著更多人們開始關(guān)注建筑的綠色、環(huán)保，越來越多人不斷追求“綠色建筑”，而正交膠合木這種新型的工程木制品不但具有可預(yù)制、尺寸穩(wěn)定性高、質(zhì)輕高強(qiáng)、防火性能高等優(yōu)點(diǎn)外，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土、磚混結(jié)構(gòu)等建筑體系相比，正交膠合木及其重型結(jié)構(gòu)建筑體系具有獨(dú)一無二的環(huán)境友好特性，正符合人們對親近自然、保護(hù)自然的“綠色建筑”追求，所以在21世紀(jì)初，歐洲與北美的許多住宅和非住宅木構(gòu)建筑越來越多的使用正交膠合木。正交膠合木也不斷的發(fā)展進(jìn)步，世界各地也都不斷地開始嘗試應(yīng)用這種創(chuàng)新性木質(zhì)建筑材料，以其為建材所構(gòu)建的建筑也受到更多人的喜愛。

1 正交膠合木的特點(diǎn)

1.1 防火、抗震性能優(yōu)越

對于木結(jié)構(gòu)的建筑，其安全性也是非常關(guān)注的因素。特別是在建筑設(shè)計(jì)之初要重點(diǎn)考慮木結(jié)構(gòu)建筑所用建材的阻燃耐火性及抗震穩(wěn)定性。正交膠合木作為一種新型的工程木材料已經(jīng)在世界各國得到認(rèn)可并廣泛應(yīng)用。正交膠合木是一種實(shí)心工程木產(chǎn)品，燃燒時(shí)材料外層會炭化形成保護(hù)層，以此降低內(nèi)部木材的燃燒速度，從而最大程度的保證正交膠合木在燃燒時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性[4]。以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒時(shí)具有較厚外層板的正交膠合木所產(chǎn)生的炭化層更為牢固，因此具備更強(qiáng)的耐火性能[5]。在正交膠合木整體房屋的火災(zāi)試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)體的中部和頂部在水平和豎直方向均出現(xiàn)了撓度變化，使用石膏板防火層的實(shí)驗(yàn)，燃燒并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞[6]。目前的研究說明正交膠合木由于炭化層的存在，在火焰燃燒中能保持其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性能，并且可以通過提高正交膠合木的厚度、使用防火性能較好的膠粘劑和防火性能較好的覆面板等方式來提升正交膠合木的防火性能[4]。

在地震頻發(fā)的地區(qū)如美國、日本等，這些地區(qū)的住宅大多采用的形式是木結(jié)構(gòu)。正交膠合木作為一種新型的工程木產(chǎn)品，多個(gè)國家對正交膠合木結(jié)構(gòu)開展了許多抗震性能的試驗(yàn)與研究。正交膠合木作為樓板、墻板時(shí)，具有抵抗地震的能力是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有較大的極限承載力和平面內(nèi)剛度[7]。地震模擬實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，使用3層和7層正交膠合木建造的建筑物仍具有良好的抗震穩(wěn)定性[8]。地震模擬實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。改善正交膠合木的連接方式，可以在中高層建筑中使用正交膠合木，以達(dá)到抗震性能的要求。

圖2 3層正交膠合木建筑的地震模擬實(shí)驗(yàn)

1.2 尺寸穩(wěn)定性好，承載性能強(qiáng)

因正交膠合木是相互交錯(cuò)疊層而成，并且在其含水率位于10%至14%之間時(shí)，含水率每1%的變化在豎直方向引起的材料尺寸形變不超過0.2 mm，所引起水平方向的形變則可以被忽略[9]，這表明正交膠合木的尺寸穩(wěn)定性較好。正交膠合木的相鄰層板按木材的橫紋和順紋方向相互交錯(cuò)，力學(xué)性能在兩個(gè)方向均勻，具有更好的雙向力學(xué)性能，而且由于其獨(dú)特的組坯方式，其整體材質(zhì)更加均勻，整體力學(xué)性能更強(qiáng)，可以提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。另外因其是木制材料，所以材料重量更輕，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑相比具有質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.3 建造工期短，便于施工

正交膠合木可在工廠預(yù)制，實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，預(yù)制化程度高，只需現(xiàn)場完成裝配，能極大地縮短建造工期，也能大幅度的降低施工難度，節(jié)約人力。同時(shí)，因正交膠合木已提前預(yù)制，現(xiàn)場只需組裝建筑材料，故現(xiàn)場施工的噪音小，無污染且不會產(chǎn)生建筑垃圾，能夠達(dá)到高效建造、綠色建造的要求。

1.4 保溫隔熱，低碳環(huán)保

正交膠合木屬于木制品，具有低熱傳導(dǎo)性，且疏松多孔，有良好的保溫隔熱與隔聲性能。正交膠合木廢棄后可回收利用，廢棄后可降解，是一種環(huán)保的可再生建筑材料。生產(chǎn)1 m3的正交膠合木材料只需排放110 kg二氧化碳，且原材料本身存儲 825 kg的二氧化碳，綜合來看，每1 m3的正交膠合木材料所能存儲二氧化碳的凈量為715 kg，而生產(chǎn)所排放的溫室氣體量與鋼材生產(chǎn)所排放的溫室氣體量相比，僅為鋼材的5%[10]。木材的利用率高，在生產(chǎn)加工正交膠合木的過程中可以達(dá)到無浪費(fèi)，最大化的利用資源。

2 正交膠合木的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

正交膠合木最初在1989年被用于木質(zhì)橋梁板的制造，21世紀(jì)90年代早期，瑞士開始對其進(jìn)行研發(fā)，21世紀(jì)90年代中期奧地利首先開展了一項(xiàng)校企聯(lián)合的研究，其研究成果開啟了現(xiàn)代正交膠合木技術(shù)，并持續(xù)進(jìn)行研究發(fā)展，此后在綠色建筑風(fēng)潮的推動(dòng)下，正交膠合木建筑逐漸在德國和奧地利國家流行開來[11]。隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)大量的積累，自1998年起，正交膠合木的性能及設(shè)計(jì)方法逐漸被歐洲各國認(rèn)可，并納入歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，正交膠合木技術(shù)隨著歐洲國家木材工業(yè)的發(fā)展也得到了快速的發(fā)展。近年，除了正交膠合木產(chǎn)品與建筑在歐洲得到迅速的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用外，森林資源比較豐富、環(huán)保意識比較普及的發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、日本等國也開展了有關(guān)正交膠合木的研究。2011年，北美地區(qū)相應(yīng)的發(fā)行了加拿大版和美國版的正交膠合木設(shè)計(jì)手冊，內(nèi)容包含了制造工藝、接合部性能、抗震性能、防火性能等。2013年，日本制定了《日本農(nóng)林規(guī)格的正交集成板》，2016年，對正交膠合木的材料強(qiáng)度、正交膠合木工法的相關(guān)規(guī)定也陸續(xù)出臺。這些成果不斷推動(dòng)正交膠合木產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，促進(jìn)正交膠合木建筑的廣泛應(yīng)用。

近年來，正交膠合木及其重型木結(jié)構(gòu)建筑體系在歐美地區(qū)的住宅和非住宅建筑中迅速流行開來，建筑工程公司也積極推進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，新的正交膠合木木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑在各國不斷興建。現(xiàn)階段歐洲與北美生產(chǎn)的正交膠合木產(chǎn)品原材料多采用云杉、花旗松及歐洲赤松等針葉材樹種作為原材料，在2016年9月的倫敦設(shè)計(jì)節(jié)上，“微笑（The Smile）”項(xiàng)目首次使用闊葉材正交膠合木作為建筑材料，為闊葉材用于正交膠合木建筑提供了參考依據(jù)[12]。2009年于倫敦Hackney區(qū)建成的9層正交膠合木建筑（Stadthaus）是一座純木結(jié)構(gòu)酒店式公寓，是公認(rèn)的最早建成的正交膠合木高層木結(jié)構(gòu)建筑，打破了木結(jié)構(gòu)不能用于筑造高層建筑的限制與觀念。自此正交膠合木在歐洲和美洲的市場占有率直線上升，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑也逐漸向中、高層不斷發(fā)展[13]。Brock Commons項(xiàng)目是一棟位于加拿大哥倫比亞省UBC大學(xué)校園內(nèi)的一棟學(xué)生宿舍大樓，為404位學(xué)生提供住宿。項(xiàng)目大樓共18層，高53米，為木結(jié)構(gòu)進(jìn)入高層建筑領(lǐng)域開創(chuàng)了先河[14]。2019年，坐落于挪威布魯蒙達(dá)爾市的Mj?st?rnet大樓竣工并開放，這是迄今為止世界上最高的木結(jié)構(gòu)建筑，共18層，高達(dá)85.4 m，該項(xiàng)目不但成為綠色建筑的象征，也證明了高層建筑可以使用當(dāng)?shù)刭Y源、當(dāng)?shù)毓?yīng)商和可持續(xù)木質(zhì)材料[15]。國外中高層正交膠合木建筑項(xiàng)目實(shí)例如表1所示。

表1 國外中高層正交膠合木建筑實(shí)例

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

木結(jié)構(gòu)建筑在我國歷史悠久，但是，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)進(jìn)入我國的時(shí)間要明顯晚于歐美等發(fā)達(dá)國家，該技術(shù)于21世紀(jì)初在我國逐漸發(fā)展，主要采用來源于北美的輕質(zhì)木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，用于建造高級別墅[3]。近年來我國也不斷建成多個(gè)正交膠合木建筑，其中多為實(shí)驗(yàn)性示范項(xiàng)目，而投入使用的主要為1～2層的小型建筑，通常為私人別墅或應(yīng)用于度假、郊游等文旅活動(dòng)。

國內(nèi)正交膠合木建筑項(xiàng)目實(shí)例如表2所示。我國最早于2013年開始由河北遷安市大樹木業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)正交膠合木[16]，國內(nèi)首棟雙層正交膠合木輕型木結(jié)構(gòu)混合示范建筑項(xiàng)目于2013年12月中旬開始啟動(dòng)，2014年3月建成，位于河北省遷安市閆家店工業(yè)園區(qū)內(nèi)，一層主要以會客、辦公、展示功能為主，二層則為樣品居住空間[17]。同年8月國內(nèi)首條正交膠合木重型木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線在遷安投產(chǎn)。國內(nèi)首棟多層正交膠合木建筑于2014年竣工，該建筑是位于臺灣省的森科總部大樓，是象征國內(nèi)綠色建筑發(fā)展趨勢的地標(biāo)性建筑[17]。目前國內(nèi)還有寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司和江蘇環(huán)球新型木結(jié)構(gòu)有限公司生產(chǎn)正交膠合木。其中，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司于2016年6月以加拿大鐵杉鋸材為原料生產(chǎn)了大幅面正交膠合木建筑預(yù)制板，為世界首次。2016年第一屆中加高校木結(jié)構(gòu)邀請賽第一名的作品是來自同濟(jì)大學(xué)的OTTO 咖啡館（永續(xù)咖啡館）。寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司與同濟(jì)大學(xué)合作，于2017年10月搭建完成了中國第一棟裝配式CLT示范公共建筑OTTO 咖啡館[18]。同年，該公司與葡萄牙阿默林集團(tuán)ICB公司合作，在中加低碳基地利用生態(tài)軟木板作為外墻，建成了我國第一棟鐵杉正交膠合木結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑[19]。目前，國內(nèi)的正交膠合木建筑還是比較少的，有很廣闊的發(fā)展空間。

表2 國內(nèi)正交膠合木建筑實(shí)例

3 正交膠合木在國內(nèi)建筑應(yīng)用的展望

2020年9月22日，我國政府在聯(lián)大會議上提出，中國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，并爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。在我國經(jīng)濟(jì)與工業(yè)飛速發(fā)展的背景下，一系列環(huán)境污染問題接踵而至。為緩解環(huán)境問題，減緩溫室效應(yīng)，低碳生活、綠色生活成為要追求的生活方式。

正交膠合木建筑低碳環(huán)保，且材料本身能固碳，具有良好的生態(tài)效益，是一種新型的綠色建筑材料。此外正交膠合木質(zhì)輕高強(qiáng)、防震防火性能良好，隔聲隔熱保溫效能優(yōu)越，建造速度無污染且速度快，節(jié)省人力，可回收利用，這些優(yōu)點(diǎn)都有利于其在我國的利用。在碳達(dá)峰、碳中和的低碳背景下，為了促進(jìn)我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展，近年來政府也相繼頒布了多項(xiàng)政策，2016年印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，2022年頒布了《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》等，這些政策措施能夠促進(jìn)我國木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

我國人口眾多，東部沿海省份人口密度大，而我國建筑用地較少，堅(jiān)固、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、建造速度快的中高層正交膠合木建筑具有非常大的應(yīng)用空間，正交膠合木建筑能有效地平衡居住與生態(tài)需求之間的平衡。近年來我國不斷推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，培養(yǎng)國民環(huán)保意識，人們的環(huán)境保護(hù)意識越來越強(qiáng)，再加上長時(shí)間處于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑中生活，對生態(tài)、綠色的居住空間意愿不斷增強(qiáng)，非常有利于推進(jìn)正交膠合木建筑的廣泛應(yīng)用。

全球針葉林蓄積量主要集中于北美和歐洲，森林資源豐富也是歐美國家能大力發(fā)展推廣正交膠合木建筑的重要原因之一。我國在20世紀(jì)50年代至90年代森林采伐過度，建筑木材不斷減少。天然林禁止商業(yè)采伐，人工林徑級較小，因而制造正交膠合木所用的木材多從加拿大和歐洲進(jìn)口，這會導(dǎo)致建造正交膠合木建筑成本升高。但近年來我國實(shí)施政策鼓勵(lì)木材進(jìn)口，有利于促進(jìn)正交膠合木建筑的應(yīng)用。此外，雖然我國木材資源緊張，但有豐富的竹材資源，充分利用竹材資源與人工林資源，推動(dòng)正交膠合木生產(chǎn)材料的國產(chǎn)化是推進(jìn)中國正交膠合木建筑發(fā)展的重要途徑。目前寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司是國內(nèi)首家致力于竹木復(fù)合正交膠合木產(chǎn)品研發(fā)的單位，也有高校對竹木復(fù)合的正交膠合木產(chǎn)品進(jìn)行研究。

總的來看，中國正交膠合木建筑符合國家發(fā)展需要，發(fā)展空間大，發(fā)展范圍廣，應(yīng)用場景多，但如何降低正交膠合木成本與普及正交膠合木建筑知識是推廣這種新型木結(jié)構(gòu)建筑的重要因素。

4 總結(jié)

正交膠合木作為一種新型的木質(zhì)材料，具有低碳環(huán)保、防震防火性能佳、保溫隔聲效果好、建造速度快、可回收利用的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，滿足當(dāng)今人們對居住使用的要求同時(shí)，也能滿足生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，此外因正交膠合木建筑原材料為木材，也能滿足人們對于居住生活環(huán)境美觀舒適、接近自然的要求。國外特別是歐美地區(qū)國家對正交膠合木的研究起源早，研究深入，應(yīng)用廣泛，并且不斷致力于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)向中高層建筑發(fā)展。國內(nèi)關(guān)于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)研究起步較晚，對正交膠合木的研究數(shù)據(jù)較少，且基于人們對正交膠合木建筑了解較少，原材料多為進(jìn)口等背景條件，目前未獲得廣泛應(yīng)用。國內(nèi)目前正交膠合木建筑多為示范性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、文旅類小型建筑等，在規(guī)模較大中高層建筑及公共建筑中應(yīng)用并不多。隨著國內(nèi)正交膠合木的研究逐漸增多以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，將不斷推進(jìn)正交膠合木建筑的發(fā)展，特別是在中高層建筑上使用正交膠合木。在不斷研究正交膠合木的力學(xué)性能的同時(shí)，也應(yīng)注重正交膠合木的連接方式。目前國外多用各樣螺絲和螺栓進(jìn)行連接，并做了相應(yīng)的試驗(yàn)，證明了這種連接方式具有良好的連接性能。但應(yīng)結(jié)合我國的實(shí)際情況，開發(fā)出更適合我國使用的連接方式。國內(nèi)的正交膠合木建筑需要引起行業(yè)更多的關(guān)注，以及如何減少對國外進(jìn)口木材的依賴，推進(jìn)正交膠合木的國產(chǎn)化。為了“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，建筑領(lǐng)域必須要走節(jié)能環(huán)保的綠色低碳發(fā)展道路，而正交膠合木建筑正好符合這條道路。

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Current Status and Prospects of Cross-Laminated Timber in Building Applications

ZHANG Yunxiang, ZHANG Jiaqi*

（Guangdong Eco-Engineering Polytechnic, School of Arts and Design, Guangzhou 510520, China）

Research achievements in the technical fields of size stability, fire resistance, seismic resistance, and low-carbon environmental protection concerning cross-laminated timber (CLT) were described in this paper. The application of CLT in building construction in Europe, America, and China was also summarized. The extensive potential of incorporating CLT in the construction industry in China for the purpose of achieving the “dual carbon” objective is highlighted. Lastly, this article presents prospects for future advancements in CLT construction and underscores the significance of domestic promotion and development of CLT.

cross-laminated timber; development status; application prospect

X53

A

1004-8405(2023)03-0073-04

10.16561/j.cnki.xws.2023.03.12

2023-08-29

廣東省教育廳2022年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（2022WTSCX220）；廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院2020年校級科研課題（2020kykt-xj-sk02）。

張?jiān)葡瑁?983～），男，遼寧鞍山人，博士，講師；研究方向：木質(zhì)材料。zyx_2002_2000@163.com

通訊作者：張佳琦（1988～），女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，講師；研究方向：家具設(shè)計(jì)。zjqseven@163.com