周金將 王艷 馬艷秋 紀(jì)微

1 CLT材料性能

1.1 CLT低碳節(jié)能性能

就CLT材料的可持續(xù)性特性而言，其在使用壽命期間能夠存儲(chǔ)碳。與鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)相比，木材產(chǎn)生的溫室氣體更少，完全可回收且可持續(xù)再生，是一種對(duì)環(huán)境影響較小的材料，可以極大地降低材料生產(chǎn)階段對(duì)全球變暖潛能值（GWP）的影響。

CLT在建筑全生命周期節(jié)能減排主要優(yōu)勢如下：1）生產(chǎn)階段，木材具有負(fù)碳屬性，1m3木材可以儲(chǔ)存多達(dá)1t二氧化碳，而生產(chǎn)1t鋼材排放的二氧化碳高達(dá)1.5t，生產(chǎn)1t水泥排放的二氧化碳超過1.1t[1]；2）建造階段，木材的密度僅為混凝土的五分之一，所需基礎(chǔ)更小，現(xiàn)場施工便捷，有利于減少材料運(yùn)輸和施工能耗；3）使用壽命階段，木材熱阻值是鋼材的400倍，是混凝土的10倍，有助于減少建筑用能需求和運(yùn)行能耗；4）壽命終止階段，木材可降解，建筑垃圾排放少，對(duì)環(huán)境影響低，回收的木材能繼續(xù)起到儲(chǔ)碳作用，進(jìn)一步減少建筑的碳足跡。

通過CLT 建筑可以更有效地利用資源，每平方米建筑大約使用0.75m3CLT，使用輕質(zhì)低環(huán)境影響的CLT 預(yù)制木材建筑系統(tǒng)，可將建筑材料和結(jié)構(gòu)中的隱含碳降低一半以上[2]。相關(guān)研究表明，在中國寒冷和嚴(yán)寒氣候區(qū)采用CLT 替代傳統(tǒng)的碳密集型材料，在全壽命周期可以減少30%以上的能源消耗和40%以上的二氧化碳排放[3]。

昆侖綠建研發(fā)樓位于鹽城市大豐港造紙產(chǎn)業(yè)園，為多層公共建筑（局部最高三層），建筑面積2 472.52m2，高度12.15m，占地面積為1 198.54m2（圖1,2）。總體設(shè)計(jì)思考起始于對(duì)周邊場地環(huán)境的解讀，建筑北高南低，規(guī)避北向大風(fēng)和主馬路的干擾，迎接南向的陽光，體塊開合之間營造出開敞的到達(dá)區(qū)域和內(nèi)部開闊的大空間。作為鉸接體系，木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力比較弱。經(jīng)過精巧的考量，必要的斜撐和拉索成為劃分空間的特色元素和取景窗界面。結(jié)構(gòu)采用木框架支撐體系，局部設(shè)置CLT剪力墻。樓面采用CLT樓板，CLT板與木梁頂接；屋面結(jié)構(gòu)由膠合木梁組成，梁上布置木格柵。同時(shí)按照《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算木梁和木柱承載力，模型中考慮膠合木的彈性性能，按構(gòu)件實(shí)際截面尺寸進(jìn)行建模，采用梁單元模擬主要梁、柱、支撐構(gòu)件，對(duì)CLT板采用正交各項(xiàng)異性材料模型進(jìn)行模擬計(jì)算。該項(xiàng)目CLT用量348m3，吸收二氧化碳348t，相較于傳統(tǒng)重質(zhì)材料建造，總減碳效應(yīng)為1.7? 348t，相當(dāng)于109.6輛汽車（1輛4L排量汽車1年的碳排放按5.4t計(jì)算）行駛1年的碳排放量。

1 昆侖綠建研發(fā)樓實(shí)景

2 昆侖綠建研發(fā)樓CLT 結(jié)構(gòu)模型

由于木材能長期大量儲(chǔ)存碳，提供了建筑“碳匯”的機(jī)會(huì)。CLT結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研發(fā)，有助于解決建筑對(duì)環(huán)境的重大負(fù)面影響，并為資源消耗少、易于重復(fù)使用的更經(jīng)濟(jì)高效的結(jié)構(gòu)提供了新途徑。種植速生軟木并復(fù)合加工為CLT結(jié)構(gòu)板，將成為未來的發(fā)展方向。

1.2 CLT力學(xué)性能

根據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果，我國現(xiàn)有森林面積2.2億hm2，森林蓄積175.6億m3，其中天然林地面積1.4hm2，蓄積量141.08億m3，人工林面積0.8億hm2，蓄積量34.52億m3。我國的森林資源儲(chǔ)量豐富，但人工林普遍徑級(jí)較小，強(qiáng)度較低。如何將國內(nèi)小徑、低強(qiáng)度木材應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，對(duì)雙碳戰(zhàn)略具有重要意義。

CLT作為正交材料，由三層及以上的層板交錯(cuò)疊合組成，根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，正交膠合木的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)取外側(cè)層板強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)這一原則，制作CLT時(shí)可以將性質(zhì)較好的材料放到外側(cè)，材料性質(zhì)次之的放到中間層。針對(duì)這一猜想，我們做了一些實(shí)驗(yàn)。

（1）試件設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩組，每組5個(gè)構(gòu)件。將構(gòu)件水平放在兩側(cè)固定支座上，在跨中施加集中荷載，加載速度不超過13mm/min，記錄破壞荷載。

（2）組胚方式

第一組實(shí)驗(yàn)構(gòu)件中，最外層采用目測分等花旗松—落葉類松類鋸材，等級(jí)符合GB/T 29897-2013規(guī)定的III級(jí)，中間采用目測分等花旗松—落葉類松類鋸材，等級(jí)符合GB/T 29897?2013規(guī)定的III級(jí)材。第二組實(shí)驗(yàn)構(gòu)件中，最外層采用目測分等花旗松—落葉類松類鋸材，等級(jí)符合GB/T 29897?2013規(guī)定的III級(jí)，中間采用目測分等花旗松—落葉類松類鋸材，等級(jí)符合GB/T 29897-2013規(guī)定的S18級(jí)材。

（3）結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2顯示，第一組強(qiáng)度平均值為47.5Mpa，第二組強(qiáng)度平均值為46.32Mpa。實(shí)驗(yàn)證明，均采用高等級(jí)層板和中間采用低等級(jí)層板+兩側(cè)采用高等級(jí)層板，CLT的抗強(qiáng)度基本一致。

通過上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，結(jié)合我國森林資源現(xiàn)狀，在制作CLT時(shí)可以將國內(nèi)小徑、強(qiáng)度等級(jí)低的木材放入中間層，將強(qiáng)度等級(jí)高的木材放到外層。此方法既可以保證CLT的結(jié)構(gòu)要求，又可以充分利用國內(nèi)小徑、低強(qiáng)度材的森林資源，促進(jìn)木結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 CLT工業(yè)化性能

2.1 工業(yè)化預(yù)制加工

墻體單元部件需要考慮設(shè)備管線綜合組裝，包括輸送系統(tǒng)、管道設(shè)備、電氣系統(tǒng)、供暖、消防系統(tǒng)等。如何在工廠協(xié)調(diào)好設(shè)備管線對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑至關(guān)重要。

CLT板在工廠完成門窗洞口、管線槽口預(yù)制加工后，可直接用于現(xiàn)場安裝（圖3）。CLT幅面上的預(yù)埋管槽口、企口及門窗洞口等需要精準(zhǔn)定位，配合工業(yè)機(jī)器人開孔洞、開槽、銑削等一次成型（圖4）。利用工業(yè)機(jī)器人組成的智能生產(chǎn)線及數(shù)據(jù)仿真軟件加工CLT，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、高效流暢地預(yù)制生產(chǎn)。

2.2 裝配式連接系統(tǒng)

CLT安裝中主要使用的結(jié)構(gòu)連接或緊固件有木螺釘、五金連接板、拉力連接件以及與之配合的環(huán)紋釘或錨固螺釘?shù)?。這些預(yù)制件可以選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或依據(jù)項(xiàng)目自身情況定制，其中最常使用的是長自攻螺釘，同時(shí)其他傳統(tǒng)連接件如釘、內(nèi)置鋼板和釘板也有廣泛應(yīng)用。如表3所示，列舉了CLT建筑物中不同連接部位的常用連接形式。

3 CLT應(yīng)用

工廠預(yù)制加工的產(chǎn)品（部品、部件、配件），通過機(jī)械化、信息化等工程技術(shù)手段，按不同要求進(jìn)行組合和安裝，充分發(fā)揮木材強(qiáng)重比、板材幅面大的優(yōu)勢，在多種場景得到了很好的應(yīng)用。

3 機(jī)械臂加工

4 預(yù)制墻體

表1 A 組實(shí)驗(yàn)

表2 B 組實(shí)驗(yàn)

表3 CLT 板常用安裝細(xì)部形式舉例

3.1 中小型建筑應(yīng)用

在木框架結(jié)構(gòu)中梁、柱的連接節(jié)點(diǎn)剛性較弱，導(dǎo)致抵抗橫向荷載的能力較差，因此抗側(cè)力構(gòu)件在框架結(jié)構(gòu)中是不可缺少的。以CLT材料制作的木質(zhì)剪力墻，可以在裸露天然木紋質(zhì)感的同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)和裝修的一體化提供了可能（圖5）。CLT屬于膠合木工程材料，在目前《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》允許的層高下，可以直接外露木材，避免了二次裝修，這也減少了現(xiàn)場施工工序，縮短了工期。

在中小型木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，箱體裝配是一種常見的應(yīng)用形式，即按照空間分隔，在工廠將建筑物劃分為箱式單元，加工完成后運(yùn)送到現(xiàn)場組裝的裝配式建造方式。CLT板在箱體模塊化的木結(jié)構(gòu)建筑中發(fā)揮了材料工法兼顧結(jié)構(gòu)和圍護(hù)的優(yōu)勢，在強(qiáng)度和安全性能方面給予保障，運(yùn)輸方面CLT箱體模塊整體性更高（圖6,7）。

相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，CLT 結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)重比，在既有建筑改造更新中有較高的應(yīng)用場景。既有建筑物改造要符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016）中民用建筑的耐火等級(jí)一、二、三級(jí)要求，屋頂加建平改坡屋蓋須不改變原建筑物的耐火等級(jí)。若該建筑下部設(shè)置有防火墻，應(yīng)將防火墻延伸出不燃燒體屋面板并隔斷木結(jié)構(gòu)屋頂。因CLT 具有更好的耐火性能，在既有建筑內(nèi)部空間更新中可提供更豐富的效果。

另外CLT材料還可應(yīng)用在項(xiàng)目外墻構(gòu)造中，例如長沙象山國際幼兒園項(xiàng)目中的裝配式飄窗就采用了CLT板作為飄窗受力構(gòu)件（圖8）。通過有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力、變形分析和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，與方案設(shè)計(jì)共同合作，同時(shí)考慮到幼童的安全與可互動(dòng)性，下部采用外凸固定窗扇，上部采用內(nèi)退開啟扇，方便老師開啟（圖9）。

長沙象山國際幼兒園項(xiàng)目共有97扇飄窗，占項(xiàng)目外立面面積的80%，由工廠組裝后運(yùn)輸至現(xiàn)場安裝（圖10），不僅保證了構(gòu)件完整性，也極大縮短了現(xiàn)場施工時(shí)間。

3.2 中高層木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》征求意見稿第11章，木結(jié)構(gòu)建筑中I級(jí)木結(jié)構(gòu)允許建造8層，5層及以上的木結(jié)構(gòu)建筑僅適用于居住建筑和辦公建筑。居住建筑和辦公建筑從平面布局上相對(duì)簡單，剪力墻宜沿兩個(gè)主軸方向或其他方向雙向布置，CLT剪力墻和CLT樓板結(jié)構(gòu)體系更適用于這類功能空間。CLT通過與其他材料合理搭配，可打破傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑受層高限制及容積率低的問題。

5 Chatham Historic Dockyard Trust

6 CLT 箱體建筑

7 CLT 箱體建筑

8 長沙象山國際幼兒園效果圖

9 長沙象山國際幼兒園CLT 飄窗現(xiàn)場安裝

10 長沙象山國際幼兒園CLT 飄窗現(xiàn)場安裝

表4 常用CLT 墻體與輕木墻體構(gòu)造及性能指標(biāo)對(duì)比

在中高層木結(jié)構(gòu)中，CLT板較輕木結(jié)構(gòu)的裝配優(yōu)勢也更加明顯，不僅整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，而且易于運(yùn)輸?shù)跹b。另外，高層建筑要求更高的耐火極限，即保持構(gòu)件的R承載力、E完整性和I隔熱性。在中高層木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，構(gòu)件需要更高的承載力，這也是輕型木結(jié)構(gòu)局限所在。如表4所示，列舉了常用CLT墻體與輕木墻體構(gòu)造及性能指標(biāo)對(duì)比，可以看出CLT墻體在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中有一定隔聲性能的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

工程木材是可再生的固碳材料，可實(shí)現(xiàn)建筑材料的二氧化碳近零排放。CLT作為工程木材的新技術(shù)結(jié)構(gòu)材料，可提升以往原木結(jié)構(gòu)、輕型木結(jié)構(gòu)和膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的局限。目前我國CLT應(yīng)用還處于萌芽階段，其發(fā)展要依賴于政策引導(dǎo)、市場推廣、規(guī)范完善、行業(yè)協(xié)會(huì)和高等院校人才培養(yǎng)的推動(dòng)。相信隨著政策、法規(guī)、產(chǎn)業(yè)和研究的完善，結(jié)合人工智能，CLT在未來將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用。

圖片來源

1?4,6,7,9,10 蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司提供

5 來源于www.archdaily.com

8 楊瑛創(chuàng)作中心提供