正交膠合木結構的研究現狀與發展前景

(廣州大學 廣東 廣州 510006)

一、CLT的概念

正交膠合木(Cross-laminated timber，也稱交叉層積材，CLT)最早起源于20世紀90年代的德國，是一種一般由奇數層(一般為3-7層，可超過7層但不得少于3層)的實木鋸材通過垂直交叉或以特定角度交叉組胚，并用結構膠黏劑疊合壓制形成的新型結構用板材，如圖1所示。

圖1 CLT板結構示意

CLT的制造過程為：主要木材選擇，木材分組，木材刨削，木材切割，粘合劑應用，面板鋪設，裝配壓制，質量控制。

CLT長度可至18m,寬度可至3m，厚度可至508mm。通過以垂直角度粘合木材層，面板能夠在兩個方向上實現更好的結構剛度，CLT板的尺寸穩定性可達實木或膠合木橫紋方向的12倍。[1]

二、CLT結構的歷史發展

CLT最初是在20世紀90年代初在德國和奧地利開發和使用的，但直到1990年代中期才開始進行更多的研究。21世紀以來，CLT在歐洲得到了更廣泛的應用，被用于各種建筑系統，典型的有學生公寓和獨戶住宅。

2009年，英國倫敦東區Shoreditch區一棟學生公寓采用了CLT作為結構主體材料，一共九層，成為當時全世界最高的木結構建筑。[2]

2011年，加拿大魁北克州跨度68m的Maicasagi大橋建成，成為北美最長的CLT橋梁，2014年同州160m的Mistissini大橋建成。2013年，加拿大英屬哥倫比亞大學的地球科學中心建成，使用CLT作為主要材料，共5層。2017年9月，該校建成了18層高的一棟學生公寓，高約53米，有18層，可容納約400名學生。該結構采用混凝土核心筒，但18層中有17層使用CLT作為地板和立柱，立面中70%的面層由CLT制成。與全部使用混凝土和鋼材相比，二氧化碳排放量約減少了2000噸。

2017年，澳大利亞悉尼市標志性建筑物悉尼國際中心落成，該建筑地面以上6層全部使用CLT材料建造，約消耗3500立方米的木材。2018年，布利斯本市建成一棟9層高的寫字樓。由于CLT比混凝土和鋼鐵等傳統建筑材料更輕，故項目將20%的空間從結構元件重新分配到功能空間。

在我國，臺灣省于2014年建成全亞洲首棟正交膠合木結構——森科總部大樓[3]，全樓高度50m。隨后幾年，臺中、臺南市相繼有新的CLT建筑落成，CLT材料開始在全臺得到普遍認可。

三、CLT結構的研究現狀

Jingjing Li[4]通過測試研究了拉伸和剪切載荷對CLT壓緊連接的耦合效應。連接的單調和循環測試在3個不同水平的共存恒定剪切力的張力下進行，并且在5個不同水平的共存張力下進行剪切。詳細描述并討論了失效模式，磁滯回線，強度和剛度，等效粘性阻尼和強度降低，能量耗散和耦合效應。結果表明，在大豎向位移下，共存剪切載荷削弱了軸向承載能力和耗能能力。

J.Daniel Dolan[5]等人通過在多層CLT建筑物中引入阻尼和彈性恢復裝置以實現延性響應，同時保持低縱橫比墻壁的完整性以降低建筑成本和提高耐火性，同時，結合響應修正裝置的設計方法，評估了地震下設計結構的性能。

國內方面，同濟大學研究了地震作用下剪力墻CLT結構的層間位移角限值，北京科技大學研究了CLT填充墻鋼框架結構在循環加載作用下的受力性能，南京林業大學研究了新型混合CLT的力學性能。

四、CLT結構的優缺點

(一)CLT結構的優勢

今年以來，國家生態環境部已經在全國進行大規模督查回訪，重點檢查企業非法排放問題，國家對環境問題的重視達到前所未有的高度。而建筑行業長期是高能耗高污染的代表，在國家產業轉型的大背景下，建筑行業也需要更環保的材料和施工方法。CLT是再生可循環再生的綠色建筑材料，同時可實現裝配化甚至模塊化施工，大大減少了從原材料到拆除后建筑全生命周期的污染物排放。

CLT沿襲木材固有的質輕優勢，通過交叉層積作用后，明顯提升了其承載力水平。經過意大利、加拿大等國的一系列試驗研究，CLT結構的抗震性能也令人滿意。CLT材料優良的保溫性能和帶給用戶的溫馨舒適體驗更是其他建筑材料難以比擬的優勢。發生火災時CLT表面形成碳化層，內部結構長時間保持穩定，承載力變化不大，具有良好的耐火性能。

(二)CLT結構的問題

目前我國CLT原材料依賴進口，成本高，供貨不穩定，國內廠商數量少，技術水平處于劣勢地位，產量難以滿足大規模應用的需求。由于CLT質量較輕，建筑物的抗風性能受到質疑，民眾短時間內也難以接受木材建筑的可靠性。考慮到我國大部分地區季節變化，特別是南方地區洪澇災害多，蟲害多，CLT的耐久性和抗腐蝕能力仍未得到驗證。

我國人多地少，建設用地成本高、供應少，對住宅用地的層數要求高，但目前該結構最高僅能做到18層，與我國住宅約30層的要求相距甚遠。與歐美日等發達國家相比，我國民眾更注重建筑物的隱私性，而木材隔音效果普遍較差，難以滿足普通民眾要求。我國目前相關規范也不完善，一定程度上限制了CLT結構的發展。

五、CLT結構的發展前景

在我國產業轉型，淘汰高耗能產業、環保要求越來越嚴格的大背景下，建筑業也必然尋求轉型，而CLT這一可循環再生、輕質高強的材料符合國家發展需求。但考慮到我國具體國情，該材料的應用范圍受到較大限制，大規模的應用需要解決層高限制等諸多問題。隨著國內相關研究和產業鏈的不斷進步，CLT結構的發展仍值得期待。