正交膠合木（CLT）在我國的應用前景

張本剛，蹇玉蘭，徐高翔，吳志剛，雷 洪

（1.西南林業(yè)大學，云南省木材膠粘劑及膠合制品重點實驗室，云南 昆明 650224；2.貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025）

正交膠合木（簡稱CLT）是當今國內(nèi)外流行的一種木結構建筑用材，其原料為鋸材或復合結構板材，通過膠粘劑在垂直方向上正交組坯后壓制而成（圖1），主要用于木結構建筑的墻板、樓板和屋板[1，2]。CLT的生產(chǎn)工藝與膠合板類似，都遵循3大原則，即奇數(shù)層原則、對稱原則和層間紋理垂直正交原則[3]。CLT的寬度一般為0.6 m、1.2 m、2.4 m和3.0 m，長度最大可達18 m，厚度可達508 mm。其中，長度方向根據(jù)需求者的不同要求還可以通過機械連接和膠連接等方式進行延伸。

圖1 正交膠合木組坯工藝Fig.1 Assemblying process of cross-laminated timber

正交膠合木的理念最早出現(xiàn)于歐洲，那里有很多類似的新型材料產(chǎn)品被廣泛用于房屋建筑。CLT板比較適合高層建筑，具有較好的承載能力及平面內(nèi)外剛度，因此，在某些層面上，CLT能夠替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構，成為一種新型可用于建高層的木結構建筑材料。文獻報道，CLT板建成的木結構建筑最高可達15 m以上[4，5]。正交膠合木板在木結構建筑中一般用作樓板或者墻體，這些結構具有較大的極限承載力及平面內(nèi)剛度，從而起到抵抗地震的作用[6]。CLT板正交疊合的構造方式既提高了產(chǎn)品的承載能力，又減少了木材含水率變化所引起的收縮與膨脹。正交膠合木板的疊合層數(shù)主要為奇數(shù)層，這種疊合方式在構造上比偶數(shù)層更加勻稱，力學性能也較為穩(wěn)定。奇數(shù)層的正交膠合木板之間存在一個規(guī)律：同樣材料制作的CLT，層數(shù)越多，木材原本的各向異性越容易被弱化，雙向力學性能越好[7]。

1 CLT板的特點

1.1 抗震、密封性能好

在日本、美國等地震頻發(fā)地區(qū)，住宅多采用木結構形式。CLT建造的木結構房屋具有良好的抗震性，干縮濕脹系數(shù)僅為0.02%，橫紋方向上尺寸穩(wěn)定性非常高，是約為膠合木和實木的12倍[8]。相關研究表明，多層CLT建筑在遇到地震時，X軸和Y軸方向上的偏移率僅為1.0%和1.3%，表明該類型建筑具有高結構強度和抗震性能方面的優(yōu)勢，也說明CLT適合應用于中高層建筑[9]。此外，正交膠合木的建筑構件具有良好的密閉性，因其較低的水蒸氣擴散和熱傳導能力，使CLT板具有良好的防火性能和隔音性能。CLT用作建筑地板和內(nèi)墻時，其阻燃效果明顯滿足建筑標準規(guī)范中對材料阻燃率的要求[10，11]。

1.2 滾動剪切性能低

滾動剪切性能是指木材在徑切面上由于受到剪切應力而產(chǎn)生的變形。由于正交膠合木的結構采用正交組坯，因此其產(chǎn)生的剪切變形也相對較小，滾動剪切性能低于其他材料。關于CLT滾動剪切性能的研究有很多，跨高比、不同測試方法、不同生產(chǎn)工藝、不同CLT尺寸及側面膠合情況等都能對CLT板的滾動剪切性能產(chǎn)生影響[12～15]。

1.3 綠色環(huán)保

正交膠合木與鋼筋類材料相比質(zhì)量較輕，但其強度很高。在能耗方面，采用CLT建造的房屋比混凝土結構建造的房屋能降低45.2%，比鋼結構建造的房屋能節(jié)省27.7%的資源。CLT房屋的使用壽命也比鋼筋混凝土房屋長，大約有一百多年，當其使用壽命結束時，CLT構件還可以回收利用。因此，CLT是一種新型的可循環(huán)再生材料。張志偉等[16]采用生命周期評價方法對CLT與鋼筋混凝土材料進行了對比評估，研究結果表明CLT材料與鋼筋混凝土材料相比，具有較少的溫室效應氣體排放和較低的資源消耗。因此，可以選用CLT板制作的產(chǎn)品來代替中高層的建筑中的鋼筋混凝土結構。

1.4 經(jīng)濟效益

在歐洲及北美地區(qū)，CLT主要應用于民用住宅、橋梁和其他非住宅建筑，并且每年都在增長[17]。CLT的原料可以是小徑級材和低等級材，它經(jīng)過不同方式重組成力學性能優(yōu)異的板材，從而大幅提高了木材的經(jīng)濟效益和原料利用率。國外的CLT產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，木結構的房屋構件也可以在工廠進行預制，施工非常方便，同時節(jié)約了建造的時間和成本。CLT作為優(yōu)良的建材，用途具有靈活性，可用于低層、中層甚至高層的民用或非民用建筑，它一方面可與鋼筋混凝土等混合使用，另一方面也可部分代替或完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土結構和磚混結構[18]。

2 正交膠合木的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1993年，Schuler等[19]首次將實木板材用于木結構房屋的主要承重構件，也開展了有關CLT的研究，發(fā)表一些關于CLT剛性和彎曲性的學術論文。1995年，Moser建造了第一棟CLT住宅，這代表了當時CLT建筑的最高標準[20]。美國、加拿大、日本等國在發(fā)現(xiàn)CLT產(chǎn)品的優(yōu)勢之后也開展了相關的研究工作，繼而出現(xiàn)了許多研究成果，這些成果極大地推動了CLT的發(fā)展。從2005年起，加拿大自然資源部與加拿大FPInnovations研究院聯(lián)合發(fā)起了一個關于木材CLT的研究項目，諸多研究成果開始涌現(xiàn)。

2009年，英國著名的建筑工程師Andrew Waugh利用CLT板建造了一座9層木結構建筑，其采用CLT板首先在工廠預制好，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行組裝，該建筑從開始到竣工僅耗時2個多月。由此可見，CLT建筑的施工周期非常短，同時也節(jié)約了人力、物力和財力[21]。此外，CLT板與鋼筋混凝土等混合使用，可以建造出尺寸穩(wěn)定性更好、層數(shù)更高的建筑[22]，瑞士和加拿大等國家已經(jīng)開始研發(fā)30層以上的高層CLT混合建筑。

CLT板的研究多集中在歐洲和北美地區(qū)，加拿大的UBC大學也對CLT板展開了相應的研究，并總結了CLT在歐洲等地的發(fā)展[23]。該所大學在研究期間對不同層數(shù)的膠合板和釘合板進行了有限元數(shù)值模擬分析和力學性能測試，研究結果表明，CLT板具有良好的力學性能[24]。對于使用釘連接的CLT板，測試時還需要考慮連接件的屈服荷載、嵌入強度及接縫的 承 載 能 力[25]。 Yawalata等[26]也 探 究 了CLT板的蠕變性能和動力學特性；Park等[27]研究了CLT板與傳統(tǒng)平行層壓板的靜力彎曲性能，該研究表明，CLT板的強度及彈性模量等參數(shù)要高于普通的膠合板。日本學者也曾在試驗室振動臺上研究了8層CLT木建筑的抗震性能。此外，CLT用作抗剪板和承載板時，應該采用可靠性準則，這樣才能得到準確的彈性特性[28]。

4年前，挪威的相關學者利用CLT對BG14大樓進行了重大改建，實現(xiàn)了該建筑在整個生命周期內(nèi)零碳排放的目標。隨后，臺灣建成了亞洲第一棟CLT建筑——森殼總部大樓，該建筑的占地面積高達600 m2。高強度木質(zhì)工程材料的研發(fā)極大地推動了木結構產(chǎn)品在建筑領域的應用，同時也推動了當前世界上高層木結構建筑的蓬勃發(fā)展。

目前，CLT的研究主要集中在一些發(fā)達國家，我國對CLT的研究還處于起步階段，僅有南京林業(yè)大學和北京科技大學等與木結構方向有關的科研院校對CLT板的應用進行了初步的實驗型探索[29～33]。但CLT的發(fā)展前景十分廣闊，發(fā)展速度也會很快，我國也將在《木結構設計規(guī)范》（GB 50005）的最新修訂版中補充CLT結構的相關內(nèi)容。

3 結論

雖然鋼筋混凝土在現(xiàn)代建筑材料中占主導地位，但是木材作為一種傳統(tǒng)的綠色建材，它正以各種新穎的方式躋身于建筑界的潮流中，較為突出的就是正交膠合木的發(fā)展。目前，CLT技術的運用尚處于推廣階段，在歐美發(fā)達國家發(fā)展迅速，但CLT才剛剛進入我國，國內(nèi)有關CLT的研究較少，產(chǎn)品認知度不高。我國的基本國情是人多地少，這也導致了木結構在我國發(fā)展緩慢。而CLT采用正交組坯的方式，有效地提高了木結構建筑的結構穩(wěn)定性和力學性能，使其能用于構造中高層建筑，因此也有利于解決我國土地資源緊張的問題。

針對CLT用樹脂膠粘劑需要常溫快速固化，其所用原料廣泛易得且符合國家的綠色生態(tài)方針，加之國內(nèi)研究相關方面的學者較少，因此研發(fā)和推廣木結構用CLT材料具有廣闊的前景。我國雖然在天然木材資源方面非常短缺，但人工林卻極其豐富。此外，我國還具有非常豐富的竹材資源，如果能將這2種豐富的資源用來生產(chǎn)CLT，我國的CLT產(chǎn)品在性能和價格上將比國外CLT產(chǎn)品更具有競爭力。