正交膠合木結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的未來發(fā)展前景

黃智凝

廣州城建開發(fā)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 廣州 510630

引言

鋼筋混凝土是一種應(yīng)用非常廣泛的建筑材料。早在公元前的古羅馬時(shí)期，人們就利用火山灰作為原料之一制作混凝土。到了19世紀(jì)末，一條條的鋼筋被引入到混凝土中。從此，鋼筋與混凝土便不可分割，它們?cè)诮ㄖ绲牡匚灰嚯y以撼動(dòng)。在鋼筋混凝土被引進(jìn)我國以前，木、石、磚等是大眾首選的建筑材料。在舊時(shí)的中國，大至威嚴(yán)宏偉的宮廷別院，小至尋常人家的田間小屋，無處不見木制建筑的身影。可如今，國內(nèi)再也難以覓得木結(jié)構(gòu)的身影。但隨著正交膠合木這種新材料的出現(xiàn)，這個(gè)現(xiàn)狀很可能會(huì)被改變。

1 正交膠合木的定義與發(fā)展簡述

1.1 正交膠合木的定義

正交層板膠合木（cross-laminated timber），是以層板相互疊層、正交組坯后膠合而成的木制品；也簡稱為正交膠合木（CLT）。正交膠合木的層板厚度可取15～45mm，但長度和寬度方向并無具體要求，一般會(huì)根據(jù)具體應(yīng)用的需要進(jìn)行裁剪與拼接。

正交膠合木的層數(shù)一般為奇數(shù)（3～7層），以保證最外層的木纖維方向一致（也即是板的長度方向、主受力方向）。同一層的層板其纖維方向一致；相鄰層的層板，其纖維方向則呈90°布置。垂直方向的層板，對(duì)受力方向的層板有拉結(jié)作用，且能增強(qiáng)其剪切剛度。因此正交膠合木在兩個(gè)方向均能作用良好。

1.2 正交膠合木的發(fā)展與研究歷史

正交膠合木起源于20世紀(jì)90年代，目前已在歐美多地廣泛應(yīng)用。自從其面世以來，各國陸續(xù)頒布了相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋正交膠合木的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程、力學(xué)性能與耐久性的測試與分析、裝配式設(shè)計(jì)，與減震、防火、降噪等的方方面面。2012年1月21日，我國發(fā)布了第一本《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB/T 50708-2012）》。正交膠合木的產(chǎn)量一直有增無減，預(yù)計(jì)在2025年可達(dá)到300萬m3。雖然與其他傳統(tǒng)木制品對(duì)比而言，其市場占有量依舊較少，但其發(fā)展勢(shì)頭已經(jīng)十分強(qiáng)勁。

2 正交膠合木的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值

正交膠合木的發(fā)展得以如此迅猛，全得益于它擁有的不少過人之處。本章節(jié)將從其自身優(yōu)勢(shì)，與建筑建造等方面，綜合介紹正交膠合木這種才發(fā)展了短短30多年的新材料，為何能從鋼筋混凝土的強(qiáng)力統(tǒng)治中分一杯羹。

2.1 天然綠色材料，低碳節(jié)能環(huán)保

2009年的哥本哈根聯(lián)合國氣候大會(huì)，期望通過減少碳排放等的手段，共同遏制全球變暖的趨勢(shì)。我國根據(jù)本國國情與自身發(fā)展情況，在“十二五”與“十三五”的計(jì)劃中，均提及綠色建筑的重要性。

木材作為天然生物質(zhì)建筑材料，本身就是可持續(xù)發(fā)展、可循環(huán)利用的綠色固碳材料。每立方米的木材，在其生命周期內(nèi)平均可儲(chǔ)存0.8～0.9t的二氧化碳。采用正交膠合木建造的房屋比采用混凝土建造的可降低約45%的能耗，比采用鋼結(jié)構(gòu)的可降低約28%的能耗[1]。

2.2 力學(xué)表現(xiàn)良好，抗震性能優(yōu)越

比起組成它的單元層板，正交膠合木具有更高的剛度，與更強(qiáng)的力學(xué)性能。層板中的自然缺陷（如木節(jié)、裂縫，與蟲蛀等），在交錯(cuò)重疊的組合下被隨機(jī)分布，使整體均勻性得以提升。

根據(jù)過往的正交膠合木振動(dòng)試驗(yàn)可知，此類結(jié)構(gòu)可具有優(yōu)越的抗震性能。意大利林木研究院曾對(duì)3層與7層高的正交膠合木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[2]。結(jié)果顯示它承載力強(qiáng)，剛度大，展現(xiàn)了良好的抗剪抗彎性能，各正交膠合木剪力墻與樓板等均無發(fā)生明顯破壞。

2.3 炭化層隔火，耐火能力優(yōu)異

火災(zāi)似乎是木材的天敵。但實(shí)際上，木材也可以具有不差于輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)良耐火性能。在相同條件下，普通木結(jié)構(gòu)的耐火阻燃值是鋼結(jié)構(gòu)的1.3倍，是混凝土結(jié)構(gòu)的1.7倍[3]。

木材雖具有可燃性，但其在燃燒后（溫度達(dá)到300°時(shí)），會(huì)在表面形成一層炭化層。炭化層可以阻止外部火源與內(nèi)部木結(jié)構(gòu)的繼續(xù)接觸，形成隔離帶。根據(jù)設(shè)計(jì)需要的耐火極限與查閱規(guī)范可得的炭化速率，即可推導(dǎo)出炭化厚度。因此，在考慮防火設(shè)計(jì)時(shí)，只需扣除炭化部分厚度，結(jié)合規(guī)范公式，即可確保剩余部分的木結(jié)構(gòu)仍能達(dá)到承載力設(shè)計(jì)值的要求。

2.4 模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，裝配式施工與建造

正交膠合木建筑非常適合裝配式設(shè)計(jì)。它不同于混凝土結(jié)構(gòu)，不需要現(xiàn)場搭建木模或鋁模，不需要現(xiàn)場澆筑，也不需要花時(shí)間對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、等待其到達(dá)一定的強(qiáng)度。

工廠預(yù)制的正交膠合木板，不僅可以節(jié)省大量的人力與物力；材料抵達(dá)現(xiàn)場后，也能被迅速地裁剪與拼接，達(dá)到加快建造速度、縮短施工周期，與提高工作效率的效果。此外，正交膠合木在施工過程中，基本不會(huì)產(chǎn)生廢水、廢料等混凝土建筑施工時(shí)常見的問題，從而最大限度地降低了建造過程對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3 正交膠合木的缺點(diǎn)與發(fā)展限制

誠然，正交膠合木擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但距離其達(dá)到與混凝土勢(shì)均力敵的地位，還有很長的一段路要走。在分析完其優(yōu)點(diǎn)后，還要著重分析正交膠合木的自身缺陷、當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀，與限制其進(jìn)一步發(fā)展的壁壘。

3.1 木材自身缺陷，腐爛與蟲害的影響

樹木作為天然的生物材料，難免會(huì)出現(xiàn)蟲害與潮濕腐爛等的現(xiàn)象。而這些因素正影響著正交膠合木等木建筑的推廣與應(yīng)用。

當(dāng)正交膠合木處于室外露天或者經(jīng)常潮濕的環(huán)境時(shí)，它容易發(fā)生腐爛現(xiàn)象。常見的腐爛位置包括各構(gòu)件的相連之處。此外，降雨、降雪等的外部天氣因素，與水管老化與破裂等的建筑內(nèi)部因素，也會(huì)造成潮濕環(huán)境誘發(fā)腐爛現(xiàn)象的發(fā)生。此種情況一旦發(fā)生，如果沒有及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并更換相應(yīng)部件，可能會(huì)導(dǎo)致其承載力下降，甚至造成安全隱患。

3.2 木材內(nèi)供不足，對(duì)外進(jìn)口依賴大

“十三五”期間，中國林業(yè)部門為進(jìn)一步保護(hù)我國珍貴的森林資源，全面禁止天然林的商業(yè)性采伐。我國對(duì)木材的需求量巨大，當(dāng)國內(nèi)供應(yīng)量減少時(shí)，就勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口量的增加。

我國木材的進(jìn)口量，從2000年的約28%，到2014年的約51%，再增長至2019年的約59%。在木材的進(jìn)口組成中，針葉類樹種占總進(jìn)口量的3/4，主要流向了建筑業(yè)[4]。由此可見木材用量迅速增長的態(tài)勢(shì)，與建筑行業(yè)對(duì)進(jìn)口源的巨大依賴性。

3.3 科研力量不足，規(guī)范設(shè)計(jì)不完善

當(dāng)前，我國正面臨著師資力量不足與人才隊(duì)伍短缺等的困境。目前開設(shè)木結(jié)構(gòu)，特別是正交膠合木相關(guān)課程的高校非常少，且一般僅為選修課程，難以深入學(xué)習(xí)。

科研力量的稀缺，導(dǎo)致當(dāng)前我國的規(guī)范仍有許多需要完善的地方。不完整、不完善的規(guī)范體系，使得正交膠合木在建筑行業(yè)中的發(fā)展困難重重。

3.4 應(yīng)用宣傳不足，設(shè)計(jì)意識(shí)缺失

正交膠合木才剛面世三十余年，與鋼材和混凝土相比，尚且缺乏普及性。

設(shè)計(jì)人員對(duì)正交膠合木的認(rèn)識(shí)不足，缺乏設(shè)計(jì)意識(shí)。提起建筑結(jié)構(gòu)，首先想到的建設(shè)材料都是鋼筋混凝土。很少人會(huì)關(guān)注木質(zhì)結(jié)構(gòu)的可能性，更別提正交膠合木了。除了設(shè)計(jì)端以外，現(xiàn)場的建設(shè)端也缺乏有相應(yīng)施工資質(zhì)的企業(yè)與員工。施工人員大多只和鋼筋混凝土打過交道，并不具有木結(jié)構(gòu)建造與安裝等的相關(guān)知識(shí)。至于生產(chǎn)端，也存在著類似的問題。生產(chǎn)廠家數(shù)量稀少，缺乏完善的全自動(dòng)生產(chǎn)線與技術(shù)人員等，也限制著正交膠合木的發(fā)展。

4 正交膠合木應(yīng)用的推廣辦法

前文從正交膠合木的定義與發(fā)展研究歷史開始，辯證地分析了它的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展限制。接下來，將有針對(duì)性地提出讓其得到更廣泛應(yīng)用的推廣方法。

4.1 注重學(xué)校教育，培養(yǎng)專業(yè)人才

想要正交膠合木得以良性發(fā)展，教育需先行。首先，應(yīng)鼓勵(lì)更多高校開設(shè)相關(guān)的專業(yè)，加開與木結(jié)構(gòu)、特別是正交膠合木相關(guān)的必修課程。課程設(shè)置亦不可流于表面，需要注重理論教育，同時(shí)又兼顧實(shí)際操作學(xué)習(xí)。

理論教育可包括木結(jié)構(gòu)與正交膠合木的優(yōu)缺點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)行規(guī)范的講解與探討，力學(xué)性能的測試與分析等等。實(shí)際操作部分，則可以包括正交膠合木的課程設(shè)計(jì)，與實(shí)際建筑的參觀學(xué)習(xí)等等。學(xué)生可以通過上述的教育手段對(duì)正交膠合木有了更全面、更深入的了解，為后續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 開拓木材來源，開拓本土人工林市場

根據(jù)國家發(fā)展的戰(zhàn)略需要，我國目前停止了天然林的商業(yè)砍伐，對(duì)進(jìn)口木材的依賴程度已經(jīng)超過五成。材料來源受制于人，將不利于木材類相關(guān)產(chǎn)業(yè)的良性可持續(xù)發(fā)展。

我國擁有世界上最大的人工林保有面積。人工林生長速度快，地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)；但與天然林木相比，人工林木的力學(xué)性能會(huì)相對(duì)較弱。但對(duì)于正交膠合木結(jié)構(gòu)而言，其交叉疊合的結(jié)構(gòu)形式，能使整體性能更優(yōu)于原材料。因此人工林完全有作為正交膠合木原材料的巨大潛力，以此降低其對(duì)國外進(jìn)口的依賴程度。

4.3 強(qiáng)化宣傳與鼓勵(lì)，提高各方應(yīng)用意識(shí)

我國目前正加大力度研究綠色建筑相關(guān)的議題，木材作為天然的綠色材料，理應(yīng)被大力宣傳與鼓勵(lì)。在2019年倫敦設(shè)計(jì)節(jié)中，一個(gè)名為The Smile的兩端彎曲懸挑正交膠合木建筑吸引了眾人的目光，很多參觀者第一次接觸到這種材料，起到了很強(qiáng)的宣傳作用。只有包括建筑師、設(shè)計(jì)師、施工人員、投資方，與生產(chǎn)廠家等的普羅大眾都對(duì)其產(chǎn)生興趣、愿意進(jìn)一步去了解和學(xué)習(xí)時(shí)，它才能良性且快速地發(fā)展。

4.4 壯大科研團(tuán)隊(duì)，帶動(dòng)規(guī)范細(xì)化落地

在中國知網(wǎng)與萬方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)中使用篇名分別搜索“混凝土”與“正交膠合木”，由反饋的結(jié)果可知：其文獻(xiàn)總數(shù)相差巨大，總數(shù)之比高達(dá)2,700與3,500倍之多。僅2021年度，知網(wǎng)收錄的標(biāo)題含混凝土字樣的文章就有1.24萬份，而正交膠合木相關(guān)的僅有21篇。此外，發(fā)表論文的科研機(jī)構(gòu)與文章獲得國家基金支持的數(shù)量等，也存在巨大的落差。

在此種情況下，就更需要鼓勵(lì)高校和科研單位對(duì)此種材料展開研究，營造濃厚的研究氛圍。國家與地方則應(yīng)當(dāng)投入更多的科研經(jīng)費(fèi)，激發(fā)科研工作者與設(shè)計(jì)生產(chǎn)者們的研究熱情。只有充分的科學(xué)研究支持，相應(yīng)的規(guī)范才能被更好地修訂與完善，惠及后續(xù)人員的設(shè)計(jì)與建造工程。

5 結(jié)束語

正交膠合木從面世到如今，才過了短短30余年。它憑借自身綠色低碳的特性、良好的抗震性能與耐火性能，和適用于裝配式建造等的核心競爭力，已經(jīng)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)撃堋Ｈ欢诂F(xiàn)階段，正交膠合木仍面臨著自身天然缺陷、原材料進(jìn)口依賴度高、科研力量不足，與設(shè)計(jì)人員和相關(guān)規(guī)范缺乏等的問題，制約著它更進(jìn)一步地被應(yīng)用于建筑行業(yè)中去。

因此，上至高校的教育與科研投入，下至設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，與建造組裝的全流程配合，還有正交膠合木原材料的國產(chǎn)化努力，只有各方共同協(xié)作發(fā)展，才能真正推動(dòng)正交膠合木在國內(nèi)的應(yīng)用得以鋪展開來。今日的樹苗可以長為參天大樹，明日的木材也必定可以建成摩天大樓。