坂田弘安 山崎義弘

1 CLT的定義

CLT是Cross-Laminated Timber的簡稱，在日語中被叫做直交集成板，是1990年代歐洲開發(fā)的一種相對較新的木制材料。將從圓木上刨切下來的薄板（通常厚度為30mm）橫向排開，每層木板纖維方向相互垂直地累疊并粘合。由于日本國內(nèi)木材產(chǎn)量豐富，CLT作為一種能有效使用木材的建筑材料，受到大家關(guān)注。

木材在順紋方向上（即木材生長的方向）有著與普通混凝土相匹敵的抗壓強度，但橫紋方向的強度相對較弱（約為順紋方向的1/10），且橫紋方向應(yīng)對割裂破壞的強度非常弱。而CLT材料的優(yōu)勢在于，能夠在一定程度上克服木材的這種弱點，且能夠制作更大的板材。與一般木材相比，CLT材料使用的木材并沒有更加堅固，其密度約為0.4～0.5g/cm3，在建筑材料中算是比較輕的。

單塊CLT板的最大尺寸由制造機器決定，根據(jù)工廠的不同有所不同，日本能夠生產(chǎn)的最大尺寸為3m? 12m（圖1）。板材的厚度從三層板90mm到九層板270mm不等。日本在2014年施行《直交集成板的日本農(nóng)林規(guī)格》（Japanese Agricultural Standards規(guī)格，簡稱JAS）；在2016年制定了構(gòu)造計算基準等標準。在這之后，使用CLT材料的建筑物急速增加，預(yù)計在2022年底能達到1 000座左右[1]。

日本在建立CLT技術(shù)基準的過程中，一個巨大的課題是針對地震的安全性驗證，即抗震設(shè)計方法的確立。從2011 2015年，為了制定新的法律日本進行了各種構(gòu)造實驗。例如，2014年制作了五層實驗體（圖2），利用防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所的實體尺寸三維震動破壞實驗設(shè)施（E-Defense）進行實驗，證實在與1995年兵庫縣南部地震（JMA神戶）相同的破壞力下，使用CLT板材的建筑物不會倒塌。從2016年開始，使用“CLT板材工法”的建筑物只要根據(jù)建筑基準法的相關(guān)規(guī)定進行構(gòu)造計算，就可以免除個別申請程序，直接獲得建設(shè)批準。

1 日本國內(nèi)可制造的最大尺寸的CLT

2 2014 年進行的五層CLT 板材施工方法建筑物的振動臺實驗

3 CLT 板材工法的架構(gòu)形式

4 局部使用CLT 板材的結(jié)構(gòu)案例

2 CLT在建筑中的使用

“CLT板材工法”是指用CLT板材構(gòu)成墻體和樓板的建筑。雖然也有只用一塊CLT板材構(gòu)成墻體的情況，但通常做法是將多塊板連接起來形成一整個面（圖3）。另外，也有在以其他工法為主的木造建筑中局部使用CLT的情況（圖4a,4b）。

利用“CLT板材工法”的建筑物，在日本最高可以建造5層。超過5層的建筑物一般使用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，或者在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中將墻體或樓板部分的材料換成CLT的部分利用（圖4c,4d）。與鋼材和混凝土相比，木材具有“重量輕、強度高”的特性。在建造中不全部使用CLT，而是將部分材料合理替換成CLT，可以減輕建筑的重量，減輕地震水平荷載。然而，由于CLT是由纖維方向相互垂直的薄板疊加制作的材料，作為墻體使用時并不適合負擔太大的垂直荷載。因此對于高層建筑來說，需要使用鋼柱作為受壓構(gòu)件，以確保地震時的安全（圖4d）。

另外，根據(jù)日本法律，建筑物頂部的4層需要滿足"1h防火"，這一規(guī)定雖然不算嚴苛，而從建筑物底部算起的第五層以上 "2h防火"的規(guī)定則對防火性能有更高的要求，因此，木材通常都要用石膏板等不燃材料覆蓋。在這種情況下，即使木材自重較輕，但由于石膏板的增加，建筑的重量也會增加，并且將木材暴露出來也變得困難。因此最好是如圖4c中所示，僅在建筑上部使用木結(jié)構(gòu)。

3 CLT板材構(gòu)造的建筑物

CLT板材之間是用相對標準化的金屬構(gòu)件進行連接的，也有不同廠家各自開發(fā)的構(gòu)件。建造過程通常是先在地基上建一層的墻板，隨后在其上鋪設(shè)二層的地板，接下來再進行二樓的施工，不斷重復(fù)這個過程逐層建造。2016年，在建筑研究所的場地上建造了一座實驗建筑，測定其居住環(huán)境性能和耐久性能等。2020年建成的兩層高的辦公建筑，大約278m3的CLT作為墻體、樓板、屋頂和梁被使用，其中V形CLT梁的跨度為9m（圖5,6）。2022年建成的休息亭，則是把CLT制作成單元模塊后，在現(xiàn)場直接裝配的例子（圖7?9）。

4 CLT板材工法的力學(xué)性能

CLT板材之間的連接方法主要有三種：外蓋鋼板螺釘連接（圖10）、內(nèi)嵌鋼板銷釘連接（圖11）、張拉螺栓連接（圖12）。

（1）外蓋鋼板螺釘連接：使用的部件是在一般市場流通的標準構(gòu)件。螺釘可以在施工現(xiàn)場用電動工具打入，無需預(yù)先鉆孔。但由于每個螺釘?shù)膹姸燃s為3kN，需要在主要受力點打入非常多的螺釘。同時為了保證建筑氣密性，需要按鋼板的厚度給CLT開槽。

（2）內(nèi)嵌鋼板銷釘連接：需要在工廠生產(chǎn)時對CLT進行開孔和挖槽等多項加工。在內(nèi)嵌鋼板開孔時，如果孔洞尺寸過小就很難打入銷釘，反之如果孔洞太大在施力初期會出現(xiàn)滑移導(dǎo)致剛度降低，因此需要在可操作性和結(jié)構(gòu)性能間取得平衡。此連接方法可以實現(xiàn)強度較高的節(jié)點。

（3）張拉螺栓連接：需要對CLT進行開孔，但施工相對簡單。只要把CLT表面的方洞堵住，就可以藏住金屬構(gòu)件，把CLT作為面材使用。

5 CLT 實驗建筑

6 CLT 實驗建筑

7 銘建工業(yè)休憩所CLT 單元吊裝

8 建成后的銘建工業(yè)休憩所

9 建成后的銘建工業(yè)休憩所

10 外蓋鋼板螺釘連接

11 內(nèi)嵌鋼板銷釘連接

12 張拉螺栓連接

這些節(jié)點的剛度、強度等力學(xué)性能，有一部分可以參考普通木材和集成材以往的設(shè)計準則來進行計算，但由于CLT是通過將薄板纖維方向相互垂直疊合制作而成的，也有一些現(xiàn)有的設(shè)計公式并不能適用于CLT。此外，在中高層建筑中使用CLT材料時，一般規(guī)格的金屬構(gòu)件強度可能不夠。因此有必要開發(fā)新的連接方法，并通過實驗逐一評估其性能。

CLT墻板基部的配件安裝需要在墻板兩端設(shè)置抗拉構(gòu)件，以防止墻板在受到地震和風的水平荷載時旋轉(zhuǎn)，并避免墻板被掀起。除此以外，還需要設(shè)置抗剪托架來防止橫向滑動。由于每個配件都需要使用預(yù)埋螺栓，目前與普通木構(gòu)建筑相比CLT建筑需要使用更多預(yù)埋螺栓，因此在連接方法的合理化方面還需要進一步研究。

在CLT實驗建筑（兩層，總建筑面積166m2）中，8天即完成了安裝，連接方法主要采用外蓋鋼板螺釘連接。大約使用了18 000個螺釘和200個預(yù)埋螺栓（約是相同規(guī)模的木結(jié)構(gòu)建筑使用數(shù)量的兩到三倍）。

5 關(guān)于CLT的普及

近年來，人們對地球環(huán)境問題的關(guān)注度逐漸提高，并試圖通過積極使用木材，為減少大氣中的二氧化碳做出貢獻。在以往鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物中，以CLT為首的各類木質(zhì)材料將會得到更多的利用。在研究CLT的應(yīng)用時，不僅要考慮抗震設(shè)計，防火、保溫以及聲環(huán)境等都需要加以考慮，CLT建筑應(yīng)用的相關(guān)研究和開發(fā)正在各個領(lǐng)域積極進行中。

圖片來源

1?4,10?12 由日本CLT 協(xié)會繪制

5,6 (株)Nakasa & Partners 提供

7 Meiken Lamwood Corp.提供

8,9 Suehiro Photo Studio · 野上仙一郎拍攝