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的生產工藝與膠合板類似，都遵循3大原則，即奇數層原則、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于歐洲，那里有很多類似的新型材料產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主要為奇數層，這種疊合方式在構造上比偶數層更加勻稱，力學性能也較為穩(wěn)定。奇數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生的變形。由于正交膠合木的結構采用正交組坯，因此其產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板制作的產品來代替中高層的建筑中的鋼筋混凝土結構。

1.4 經濟效益

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濟效益和原料利用率。國外的CLT產品已經實現了大批量生產，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 正交膠合木的國內外研究現狀

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CLT產品的優(yōu)勢之后也開展了相關的研究工作，繼而出現了許多研究成果，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。

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，然后運輸到施工現場進行組裝，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、層數更高的建筑[22]，瑞士和加拿大等國家已經開始研發(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的膠合板和釘合板進行了有限元數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，實現了該建筑在整個生命周期內零碳排放的目標。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。高強度木質工程材料的研發(fā)極大地推動了木結構產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結構的相關內容。

3 結論

雖然鋼筋混凝土在現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，國內有關CLT的研究較少，產品認知度不高。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CLT，我國的CLT產品在性能和價格上將比國外CLT產品更具有競爭力。