肖強(qiáng) 郭屹民

1 CLT 材料

1.1 研究背景

正交膠合木（CLT）是一種現(xiàn)代木材產(chǎn)品，由多層結(jié)構(gòu)的垂直堆疊木板經(jīng)高壓粘合組成，具有多種品種和等級(jí)。利用交叉層壓優(yōu)化不同等級(jí)的軟木（圖1），形成具有高強(qiáng)度和可預(yù)測(cè)強(qiáng)度的板材。其橫截面通常由3～9層板構(gòu)成，通過(guò)改變木材層的方向，使面板平面內(nèi)的膨脹和收縮最小化，顯著提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力，由此形成的工程復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高、更強(qiáng)、更穩(wěn)定和更安全的木結(jié)構(gòu)，滿足高密度建筑的要求。同時(shí)，這種材料有助于隔熱和隔音，并具有可驗(yàn)證的健康和福利效益，也有利于建筑的可持續(xù)性發(fā)展。

在國(guó)外，CLT已經(jīng)被廣泛實(shí)驗(yàn)和試用，但暫未得到真正的推廣。事實(shí)上，通過(guò)工藝處理后的木材能夠達(dá)到甚至超過(guò)混凝土和鋼材等常用建材的規(guī)范要求。通過(guò)典型項(xiàng)目展示木結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)建筑項(xiàng)目對(duì)于CLT材料的應(yīng)用。

1.2 發(fā)展與新的可能

CLT材料可以通過(guò)簡(jiǎn)單復(fù)合為建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)造新的可能。一方面，在方案初始充分考慮CLT的優(yōu)點(diǎn)和限制能夠提高結(jié)構(gòu)體系效率。通過(guò)高強(qiáng)度性能和多種荷載傳遞路徑實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合化，例如直接延伸樓板實(shí)現(xiàn)懸挑，將樓板上方的梁作為欄桿等。相較于傳統(tǒng)混凝土框架建筑，CLT樓板和梁厚度小，在相同凈高的情況下建筑高度更低。另一方面，CLT材料的自然美可以減少室內(nèi)外裝飾，實(shí)現(xiàn)建筑的整體化表現(xiàn)。因此，充分考慮和利用所有特性，才能創(chuàng)造更多的可能。

然而，并非所有混凝土建筑都適合改用CLT材料。通過(guò)研究國(guó)外實(shí)踐案例可以發(fā)現(xiàn)，在低層方案中，相比于全CLT結(jié)構(gòu)，僅在樓板和交通筒使用CLT板效率更高。因此，在高層建造上采用基于CLT的異類材料結(jié)構(gòu)組合——CLT和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)等上下混合或同層混合體系，在低層建造上采用基于CLT的木材類結(jié)構(gòu)組合——CLT和混凝土框架/鋼框架/木框墻結(jié)構(gòu)（圖2）更為合適。CLT適用于不加固地基的改擴(kuò)建項(xiàng)目，如外圍護(hù)墻體的結(jié)構(gòu)加固、大跨屋頂?shù)慕ㄔ斓取?/p>

2 CLT 在橫向空間的運(yùn)用

CLT為具有三組相互垂直對(duì)稱平面的正交異性板，在每個(gè)方向上具有不同特性，可承受的各軸向荷載不同，由此能夠打造獨(dú)特的空間。同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)性能良好、外形美觀，因此在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑中可以代替部分鋼結(jié)構(gòu)框架（圖3）。例如瑞典隆德Flyinge騎術(shù)學(xué)校使用桁架式CLT屋頂，在減少造價(jià)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水平大跨空間。與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相比，CLT在充當(dāng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)也可以作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 上層墻體作為上翻梁

（1）惠特莫爾路住宅

惠特莫爾路住宅位于倫敦哈克尼區(qū)攝政運(yùn)河的惠特莫爾橋附近，在這座多用途建筑中，墻充當(dāng)了支撐下方開(kāi)放式攝影棚屋頂?shù)纳盍海▓D4）。這座7層建筑高20.5m，為4個(gè)客戶提供了底層辦公空間、2層通高照相館和上層公寓，頂部還有俯瞰運(yùn)河的寬敞露臺(tái)。建造僅用了5周時(shí)間，CLT結(jié)構(gòu)非常適宜于這個(gè)緊湊的城市場(chǎng)地。上層CLT結(jié)構(gòu)結(jié)合混凝土底層基座，利用空間上方的墻作為深梁，為建筑核心區(qū)域的通高工作室創(chuàng)造開(kāi)放式無(wú)柱空間。對(duì)于大空間上的小空間，相比于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，CLT結(jié)構(gòu)更加靈活巧妙（圖5）。

（2）南格洛斯特郡和斯特勞德學(xué)院可再生能源工程技能中心

在南格洛斯特郡和斯特勞德學(xué)院（SGS）可再生能源工程技能中心改造中，采用混合CLT結(jié)構(gòu)，樓板和梁使用CLT，并且將上層扶手作為上翻梁，同時(shí)增強(qiáng)空間的視覺(jué)美學(xué)（圖6,7）。

2.2 CLT殼體結(jié)構(gòu)

（1）Hunsett Mill住宅擴(kuò)建

早期CLT殼體結(jié)構(gòu)只能通過(guò)直線搭接，桿件主要承受法向力。使用不同類型的折板結(jié)構(gòu)打造室內(nèi)無(wú)柱空間，實(shí)現(xiàn)的跨度不算很大。Hunsett Mill房屋擴(kuò)建通過(guò)模仿當(dāng)?shù)亟ㄖZ(yǔ)言形成復(fù)雜的折疊屋頂，連同生成的剛性平面和高強(qiáng)度墻體一起實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部無(wú)柱空間（圖8,9）。

（2）劍橋大學(xué)游艇庫(kù)和蘇黎世動(dòng)物園

劍橋大學(xué)游艇庫(kù)屋頂由一塊折疊的CLT板構(gòu)成（圖10,11），位于橫跨混凝土和鋼筋砌磚橫墻之間的鋼梁上。2014年建成的蘇黎世動(dòng)物園的巨型殼體結(jié)構(gòu)則擺脫了直線的限制，CLT的精準(zhǔn)切割讓曲面空間成為可能（圖12）。

3 CLT 在豎向空間的運(yùn)用

近年來(lái)，混合木結(jié)構(gòu)在豎向高度上逐漸發(fā)展，以上下混合式結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和木鋼混合結(jié)構(gòu)三種方式為主。例如，一個(gè)8層混合木結(jié)構(gòu)建筑的底部和核心筒為混凝土結(jié)構(gòu)，采用CLT剪力墻和膠合木梁柱的混合結(jié)構(gòu)形式；還有底部2層為混凝土結(jié)構(gòu)，上部5層為輕型木結(jié)構(gòu)的7層住宅樓。上下混合木結(jié)構(gòu)將混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好、防火性強(qiáng)和木結(jié)構(gòu)抗震、施工速度快、保溫節(jié)能、隔音效果好、節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。CLT自重輕的特性決定了其在豎向結(jié)構(gòu)使用以及擴(kuò)建中的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)混合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等可以實(shí)現(xiàn)更多可能（圖13）。

1 CLT 交叉層壓方式

2 CLT 的木材類結(jié)構(gòu)組合

3 CLT 與鋼結(jié)構(gòu)的混合使用圖解

4 惠特莫爾路住宅結(jié)構(gòu)空間示意圖

5 惠特莫爾路住宅傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)與CLT 結(jié)構(gòu)在大小空間處理對(duì)比

6 SGS 可再生能源工程技能中心結(jié)構(gòu)示意圖

7 SGS 可再生能源工程技能中心室內(nèi)

8 Hunsett Mill 住宅擴(kuò)建立面構(gòu)成

9 Hunsett Mill 住宅擴(kuò)建

10 劍橋大學(xué)游艇庫(kù)剖面

11 劍橋大學(xué)游艇庫(kù)

3.1 混凝土核心筒結(jié)構(gòu)

UBC Brock Commons學(xué)生公寓是一個(gè)多用途住宅綜合體，高54m。一層為公共設(shè)施、集會(huì)空間和自修室，以及其他服務(wù)空間；二至十八層為學(xué)生宿舍，其中學(xué)習(xí)社交休息室位于十八層，10根265mm×215mm的集成材柱暴露在外。兩個(gè)18層混凝土核心筒作為結(jié)構(gòu)的一部分，內(nèi)部布置豎向交通和服務(wù)設(shè)施。第二層鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換板上方的16層上部結(jié)構(gòu)由膠合層壓木材（GLT）、平行股木材（PSL）柱和CLT地板組件構(gòu)成，使用鋼連接，不需要具有雙向跨越能力的梁（圖14）。

3.2 CLT木鋼混合結(jié)構(gòu)

在一層為混凝土結(jié)構(gòu)的情況下，上部選用CLT結(jié)構(gòu)既滿足了美學(xué)需求，又降低了飾面成本。例如，英國(guó)第一座高層CLT結(jié)構(gòu)建筑Stadthaus公寓，所有墻壁、樓板和電梯核心筒共同作用，形成非常穩(wěn)定和高效的結(jié)構(gòu)（圖15,16）。木鋼混合結(jié)構(gòu)體系使用CLT構(gòu)成豎向承重結(jié)構(gòu)，將鋼梁通過(guò)螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接，成為弱連接構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震理念。

上下混合式結(jié)構(gòu)、混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和木鋼混合結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。從施工便利性來(lái)講，上下混合的方式可以在不影響下層已完工結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上繼續(xù)施工，適合改擴(kuò)建項(xiàng)目以及學(xué)校施工——避免影響教學(xué)。而增加了混凝土結(jié)構(gòu)的CLT結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防火等級(jí)更高，同時(shí)可以獲得更大的跨度，利于營(yíng)造大空間。

4 CLT 結(jié)構(gòu)構(gòu)件化

CLT紋理美觀，同樣適宜打造家具。海斯小學(xué)的擴(kuò)建中，一堵76.2m長(zhǎng)、0.635m深的墻成為學(xué)校內(nèi)部空間的醒目標(biāo)志（圖17）。它由水平堆疊的CLT板制成，標(biāo)識(shí)了循環(huán)路線，一直延伸到教室；墻上的開(kāi)口提供了教學(xué)空間的視覺(jué)交流；在兩側(cè)交替設(shè)置凹槽，形成學(xué)校圖書(shū)館的書(shū)架、座椅和閱讀壁龕，以及教室設(shè)備和教材的儲(chǔ)藏室。

5 結(jié)語(yǔ)

可以看出，CLT在混合結(jié)構(gòu)及改擴(kuò)建項(xiàng)目中已經(jīng)有豐富的運(yùn)用。由于CLT水平與豎向受力的均好性，以其為主要木構(gòu)件的現(xiàn)代混合木結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的層高限制。在實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的過(guò)程中，木結(jié)構(gòu)建筑開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。而目前木材在國(guó)內(nèi)建筑中應(yīng)用占比不高，隨著相關(guān)教材的編寫(xiě)，CLT體系、構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)逐漸規(guī)范化，混合木結(jié)構(gòu)體系也越來(lái)越受到重視。以上實(shí)踐案例中，建筑師根據(jù)CLT的特性創(chuàng)造建筑空間、完善結(jié)構(gòu)體系，值得我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

12 蘇黎世動(dòng)物園

13 三種混合結(jié)構(gòu)對(duì)比

14 UBC Brock Commons 學(xué)生公寓

＊ 本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（5197081528）資助。

15 Stadthaus 公寓16 Stadthaus 公寓軸測(cè)

17 海斯小學(xué)擴(kuò)建項(xiàng)目

1-6,8,10 作者自繪

13,14,16,17 作者自繪

7,9,11,12,15 來(lái)源于https://が.greengage-env.com