CLT建筑發展現狀及前景

左宏亮 許相宜

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

伴隨著綠色建筑的推廣及新型木材加工技術的發展，木材這一古老而天然環保的建筑材料再次回歸人們的視野當中。木材作為一種可再生的天然資源，具有環境友好、紋理美觀、力學性能優良且施工工藝簡單等諸多優點，符合綠色建筑的要求[1]，已在全世界范圍內得到了普遍認可和大力推廣，尤其是近年歐美對新型木建筑材料CLT的深入研究及廣泛應用，越來越多的中高層木結構建筑得以完成，使建筑行業迎來了“第二次文藝復興”。

1 CLT簡介

Cross-Laminated Timber，簡稱CLT，是一種可用于建筑的墻、板與柱的新型重木建筑材料。在歐洲，CLT產品一般以窯干的云杉或冷杉指接材為原料，經過分揀和切割成木方，將至少3層的實木鋸材或結構復合材均勻涂刷膠合劑，經正交(90°)疊放后，使用較大的水壓或真空壓力機將正交疊放堆積的木方壓成相互緊鎖的木板，如圖1所示。

CLT及其構成的重木結構與其他建筑結構相比，具有如下突出優勢：

1)承載能力強。基于CLT將規格材料橫豎紋交錯排布的設計性質，其膠合時遵循對稱原則與奇數原則，使得其物理力學性能在縱橫兩個方向上較為均勻，內部應力較為平衡，將具有各向異性的木質材料轉為成雙向力學性能良好的結構材料。此外，通過剔除木材的缺陷，構件設計強度得以顯著提高，充分利用了木材強重比高的特點；

2)尺寸穩定性高。相比普通層板膠合木等結構材料，CLT通過縱橫向疊合工藝及嚴格的含水率控制，其尺寸穩定性得到了大幅度提高，更適用于建造中高層建筑；

3)耐火性能極好。在燃燒情況下，CLT材料表層會以緩慢速率形成碳化層，可較長時間的維持內部原有的結構強度，在沒有防火層的條件下，也可達到耐火1 h的要求。芬蘭的“Puukuokka”聯排公寓，將所用的全部CLT結構外覆防火涂料，其消防安全性比同樣的混凝土建筑高出了50倍；

4)“負碳”、保溫、節能。由于樹木在生長過程中固化的碳多于其成為木材在生產、加工和使用過程中釋放的碳，所以被稱為“負碳”建筑材料。有人對曾經的“世界最高木樓”——采用CLT建造的Stadthsus 8層公寓進行過估算，整棟建筑使用的木材共吸收存儲了186 t碳，若使用鋼筋混凝土進行建造，則會排放137 t碳。此外木材熱傳導性低和CLT連續大幅面的特性，使建筑具有良好的氣密性和保溫隔熱隔音效果。相比于鋼材和水泥，減少了至少16%的能源消耗；

5)抗震性能優越，應用范圍廣。2010年2月，日本對一座使用CLT材料建造的7層建筑結構進行了高強地震模擬測試，結果顯示該建筑未發生明顯的結構破壞，抗震性能優越。CLT作為一種建筑材料與緊固件和連接件共同保證了整體結構具有較強的抗震能力。理論上CLT既可用于中低層，也可用于20層以上的民用和非民用建筑，既可以完全使用CLT進行建造，也可部分替代鋼材或鋼筋混凝土，形成CLT-鋼或CLT-鋼混凝土混合系統；

6)大幅提高施工效率。目前，CLT的工廠預制技術已經十分成熟，可實現工廠預制加工構件，現場搭建組裝，速度快，噪聲低。據新加坡建設局統計，CLT建筑的施工時間比傳統材料建造時間節省25%～35%。盛聯集團在墨爾本使用CLT材料建造了目前世界上最高的CLT公寓，其外墻、樓板、樓梯和電梯井道均采用CLT建成，僅6名工人，耗時不到兩個月時間便組裝完成。雖同等體量的CLT造價要高于鋼筋混凝土，但預制化生產和高效施工使工期大大縮短，整體開支大幅降低。

正是基于上述優異性能，CLT非常符合我國大力發展綠色建筑、裝配式建筑的指導方針，CLT建筑的推廣將有力推動我國建筑產業化的發展。

2 CLT建筑在國內外的發展概況

2.1 國內外的成功案例

1974年，CLT誕生于奧地利。近年建造CLT建筑的熱潮始于2009年Stadthaus公寓正式對外開放。Stadthaus公寓是一棟9層的木結構建筑，是當時世界上最高的木結構居住建筑。整個建筑，除基礎與首層考慮防潮腐等因素采用了混凝土，其余部位從底面、天花板到電梯井、樓梯井均為木質結構，選用了CLT作為承重墻和地板，整個施工時間僅4個月左右。Stadthaus公寓如圖2所示。

2012年，墨爾本建成10層公寓Forté成為新“世界最高木樓”。2013年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學建造了5層高的地球科學大樓，該大樓以CLT為主要建筑材料、梯井部分采用混凝土、大跨框架梁采用鋼梁，將不同建筑材料的優勢完美結合。2014年，亞洲第一棟CLT建筑——森科總部大樓于中國臺灣建成，如圖3所示。2017年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學的18層學生公寓Brock Commons完工，這棟53 m高的木—混凝土—鋼混合應用的公寓再次刷新了木結構建筑的高度，如圖4所示。該建筑累計減少排放2 432 t碳，生動的證明了CLT作為建筑材料的先進性與環境友好性。

2.2 國內外研究現狀

歐洲作為CLT產品的發源地，其生產工藝、科學研究、標準制定等多方面均為世界領先水平，并具有大量的試驗數據與實體工程為基礎，CLT建筑體系相對成熟，混合體系也在不斷發展。2005年以來，Bruno Dujic團隊[2-5]研究了對CLT的邊界條件，并對豎向荷載、連接件等對CLT的影響進行了系統的研究；2009年，Andrea Frangi[6]對CLT板的耐火性能進行了試驗分析，證明了CLT遇火后外部形成碳化層，具有出色的耐火性能，但膠粘劑的種類對其有較大影響；2012年，Nakashima等[7]對單個鋼制、銷接的CLT試件進行了拉伸性能試驗并進行了對比分析；2013年5月，COST Action FP1004 European Conference of Cross Laminated Timber會議在奧地利舉辦，邀請了奧、德、法、意、英等多個國家的相關企業與研究機構，近200位與會者就CLT產品的生產與測試、設計與施工、節點與抗震設計和建筑物理與工程實例四個主題進行了談論與交流。2015年，歐洲發布了標準《Timber structures-Cross laminated timber-Requirements》。

雖然我國對CLT的研究尚處于初級階段，但也已對CLT生產設備進行研發，目前已有寧波中加低碳新技術研究院有限公司、中意森科木結構有限公司、河北遷安市大樹木業有限責任公司等數家CLT生產企業，CLT材料已進入批量生產和推廣應用階段。河北遷安重型CLT示范房于2014年建成。2016年12月，寧波中加低碳新技術研究院有限公司設計并搭建了我國第一棟裝配式CLT膠囊示范房。南京林業大學的研究團隊[8-12]對CLT木材組坯形式、生產工藝、滾動剪切性能、物理力學性能和連接形式多方面進行了研究；上海美固澄梵緊固件有限公司與南京林業大學共同研發了用于木結構連接的新型自攻螺釘[13]，如圖5所示，可為CLT等木結構建筑提供可靠連接。

3 結語

目前，歐洲對CLT的研究較為系統，生產技術較為成熟，實際應用較為廣泛。歐洲CLT產量已從2005年14萬m3增長至超過100萬m3。我國對CLT的研究與實踐尚處于初級階段，但最新修訂的GB 50005—2017木結構設計規范計劃補充CLT相關設計要求與構造要求，專門的CLT規范也在制定當中。在今后的一段時間內，我們應在學習國外CLT建筑的技術成果與成功經驗的同時，充分利用我國林業資源研發CLT產品，出臺符合我國CLT生產加工工藝規范、結構設計方法等，研究膠合劑的替代品，加大對CLT產品的推廣，改善消費者對木結構建筑防火、抗震等方面性能不佳的誤解。CLT結構作為新型木質結構體系，具有鋼筋混凝土、鋼材和輕型木結構無法比擬的優秀特性，具有巨大的經濟競爭力，符合國家可持續發展、綠色建筑和發展裝配式建筑的政策，相信未來CLT建筑會為我國的建筑行業帶來嶄新的面貌。

[1] 宋莎莎,費本華,王 戈,等.木結構建筑與現代人居環境[J].林產工業,2012,39(5):17-21.

[2] Dujic B,Zarnic R.Shear Capacity of Cross-Laminated Wooden Walls[J].2008(8)：59.

[3] Fragiacomo M,Dujic B,Sustersic I.Elastic and ductile design of multi-storey crosslam massive wooden buildings under seismic actions[J].Engineering Structures, 2011,33(11):3043-3053.

[4] Sustersic I,Dujic B.Seismic strengthening of existing buildings with cross laminated timber panels[A].World Conference of Timber Engineering[C].2012.

[5] Sustersic I,Fragiacomo M,Dujic B.Influence of connection properties on the ductility and seismic resistance of multi-storey cross-lam buildings[C].Cib-W,2011.

[6] Frangi A,Fontana M,Hugi E,et al.Experimental analysis of cross-laminated timber panels in fire[J].Fire Safety Journal,2009,44(8):1078-1087.

[7] Nakashima S,Kitamori A,Komatsu K.Evaluation of tensile performance of drift pinned joint with steel plate on cross laminated timber[J].Journal of Structural & Construction Engineering,2013,78(687):969-975.

[8] 王志強,張 浩,俞駿城,等.正交膠合木墻體熱工性能測試與分析[J].新型建筑材料,2016,36(6):69-71.

[9] 王志強,付紅梅,戴驍漢,等.不同樹種木材復合交錯層壓膠合木的力學性能[J].中南林業科技大學學報,2014,34(12):141-145.

[10] 王志強,羅 冬,鄭 維,等.混合結構對正交膠合木剪力墻抗側性能的影響[J].林業工程學報,2017,2(2):145-151.

[11] 王志強,付紅梅,陳銀慧.鋸材/單板層積材混合正交膠合木力學性能研究[J].中南林業科技大學學報,2016,36(8):121-124.

[12] 付紅梅.正交膠合木平面(滾動)剪切和抗彎性能研究[D].南京:南京林業大學,2016.

[13] 姚 悅,張敬婷,周甲林,等.正交膠合木建筑連接形式及新型自攻螺釘的發展[J].林業機械與木工設備,2017,45(9):4-9.