CLT板及CLT木结构体系的研究*

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

交错层积材（Cross-Laminatied Timber，CLT），是由至少3层实心锯木或结构复合材（SCL）垂直正交胶合而成的一种预制实心工程木产品（图1），可用来制作木结构屋顶、地板和墙体[1]。CLT在20世纪90年代初由德国和奥地利首先报道，第一栋CLT建筑物诞生于欧洲，到了2000年，CLT建筑迅速发展，目前在欧洲已广泛使用于住宅和非住宅建筑。为满足建筑家、工程师和建造商对新的木制品和木结构系统的需求，CLT最近在北美迅速发展，日本也开展了相应的研究。CLT木结构体系是现代轻型和重型的另一种新型木质结构体系，具有潜在的经济竞争力，也是混凝土、砖石和钢铁等材料的合适替代品。CLT的使用促进了100年前的5～10层重木结构系统的回归。

图1 CLT 板示意

1 CLT板及其加工工艺

1.1 一般要求

为了满足材料尺寸稳定性和力学性能，如整体性和双向力学性能，根据复合材料力学的结构设计，应满足3大原则[2]：对称原则、奇数层原则和厚度原则。对称原则要求对称面的层板在树种、含水率、制造方法上相互对应，以确保各种内应力相对平衡，不会发生翘曲变形；奇数层原则要求CLT板为奇数层，常见的是3～7层；厚度原则要求层板厚度适宜，一般情况下，相同厚度的板，层数越多，质量越好。典型的CLT构件至少有3个胶合层，相邻2层层板垂直交错放置，有一些特殊的结构，连续层会平行而不是垂直放置，形成一个双层（外表面双纵层或板芯双层），以获得特殊的结构性能。CLT板子的尺寸由制造商决定，宽度一般有0.6 m、1.2 m、2.4 m和3 m，长度可以达到18 m，厚度可以达到508 mm。不同生产商根据选用材料类别、等级、胶黏剂、生产工艺不同，CLT产品性能也不同。

1）材料选择：制造CLT的材料单元有规格材或结构复合材（SCL），如单板层积材（LVL），层叠木片胶合木（LSL）或者定向木片胶合木（OSL）。木片单元的厚度范围是16～51 mm，宽度60～240 mm。选材一般需要经过目测分等或者机械分等，并且一般采用窑干干燥，以获得合适的含水率，防止木材尺寸变形和表面开裂。

2）胶黏剂的选择：胶黏剂是CLT中除木材外另一个重要组成成分。目前常用于生产CLT产品的3种结构胶分别是酚醛树脂胶（如间苯二酚甲醛树脂胶PRF）、乳液型聚异氰酸酯胶（EPI）和单组分聚氨酯胶（PUR）。PRF胶常用于北美制造胶合木，EPI胶常用于工字梁和层压板，PUR胶在欧洲已经广泛用于生产CLT。但并不是所有同种胶黏剂的配方类型都会满足结构胶的要求标准，每种不同类型胶的性能都可能有很大的变化。除了价格和性能外，每种胶都有其他的重要属性，在选择胶黏剂时这些都需要综合考虑。

1.2 加工工艺

CLT板是将3层以上相同或不同厚度的木材（或板子）90°交叉放置制造而成的。基本上，任何厚度的CLT板都可以通过2～50 mm的单板叠加压制而成。合格的CLT制造过程中的关键是保持木材质量的一致性以及控制好影响胶黏剂质量的因子。其生产工艺一般包括以下部分：

1）选材：包括木材含水率测试和质量分等。含水率测试一方面是因为含水率影响胶合质量，另一方面控制含水率变化能够减少由含水率不同导致的不均匀收缩而产生的木材内部应力。相邻2层连接的材料之间含水率差异最好不要超过5%，通常木材必须达到12%±3%的含水率，SCL的含水率要达到8%±3%；质量分等包括结构分等和外观分等，主要是为了合理利用木材。最外层一般放置外观和质量较好的木材，以确保美观性和连接需求。

2）刨平：通常建议厚度方向刨去2.5 mm，宽度方向刨去3.8 mm。3）施胶：根据所选胶黏剂种类确定施胶方式及参数。4）组坯：找到最佳的木材组合方式以达到有效黏结区，按照产品设计进行组坯。

5）加压：加压是CLT加工关键的步骤，决定了CLT的质量。常用的2种加压方式是：真空压机（柔性膜）和液压机（刚性压板）。真空加压理论上最大的压力是0.1 MPa，刚性液压机比真空压机有更高的垂直夹紧压力和侧向夹紧压力。为了减少主层的木材单元之间可能存在的间隙，垂直施压时，侧向夹紧压力一般在276～550 kPa。如果CLT单层通过边接预先成形，则只需要垂直加压。组坯时间和加压时间取决于环境的温度和湿度，以及胶黏剂的类型。由于低温环境下胶黏剂可能需要更长时间来固化，因此加压时环境温度最好高于15 ℃。

1.3 CLT板的特点

CLT板是一种新型的块状结构胶合木，可用于单向板和双向板作为主要受力构件，与传统木结构形式相比，是一种理想的轻型建筑板材。CLT将木材交错叠加地设计，利用了木材顺纹抗拉强度高和横纹抗压强度高的特点，减少了木材各向异性的缺点，使材料趋于各向同性，具备良好的双向力学性能。CLT板可根据强度设计要求由3～7块板经高压胶合而成，由于高压胶合可以减少木材本身的膨胀和收缩而达到极小的程度，所以最终在建造建筑框架的时候，这个刚性的结构木构件既可以作水平构件也可以作垂直构件。CLT板具有良好的双向力学性能，同时原材料来源广泛、利用率高、经济性好，生产加工简便、适合规模化生产，而且收缩、膨胀较小[3,4]。

2 CLT木结构体系

CLT木结构体系是以CLT楼板、墙板、屋面板为主要承重构件，配以混凝土基础，以自攻螺丝钉、钢制承载板和角铁连接为主要节点构造连接方法形成的一种装配式结构。CLT板具有轻质和高度预制性，是替代钢筋和混凝土的木基材料，已经形成了CLT系统，适用于中高层建筑。

2.1 CLT建筑结构形式

CLT建筑设计和建造的方法有多种。根据构件受力方式、连接方式以及木质和非木质材料使用类型的不同，建筑形式也不同。常见的建筑体系形式有2种：平台式建筑和连续式建筑。

平台式建筑是楼板直接架在墙板的顶端，为下层建造形成了一个平台。这种结构形式也是欧洲最常用的CLT装配形式，尤其是多层建筑。这种系统具有以下优点：使上层建筑建造更简单；连接系统简单；加载路径明确。

连续式建筑是墙体连续到几层建筑的高度，中间的楼板系统连在墙体上。由于CLT板长度的限制及设计和建造的问题，这种系统常用于低层商业或工业建筑。这种形式的连接更为复杂，相对于平台式建筑较不常用。

2.2 CLT木结构体系结构组成

1）墙板。CLT可作为墙板，CLT墙板最外层木材纹理方向通常平行于重力荷载，以最大化墙体的垂直负载能力。CLT墙板可整板线支撑，也可开口，可以作为承重墙和非承重墙（图3）。CLT墙板本身具有一定的隔热和气密性，但为了更好地满足不同的防水、保温设计要求，当CLT作为外墙时，外侧也需要安装气密层、保温层、防雨幕墙，而当CLT用于住宅内部界墙时，则两侧需要依次安装保温棉和石膏板。

图3 带有窗洞的CLT墙板示意

2）屋板。CLT可作为屋顶，CLT屋板最外层木材纹理方向要平行于大跨度方向。CLT屋顶可以是折叠的，也可以是拱形的，并可以有开口和屋顶阳台（图4）。CLT屋顶可以为建筑提供更多的内部空间，如果防火规定允许内部结构外露，则外观更具吸引力。CLT屋板的厚度需要根据承载、结构支撑、设计和板子的跨度决定。只要隔热和防水，CLT屋板可以使用各种屋面材料。

3）楼板。CLT可作为楼板，CLT地板最外层木材纹理方向也要平行于大跨度方向。CLT楼板可以使用钢梁和胶合木作为梁。使用钢梁可以获得大跨距和充足大小的吊顶，但是没有弹性；胶合木可以允许木材间的微量变形，但占据大量吊顶空间。与传统轻型木格栅楼板完全不同，CLT楼板没有格栅，并且是实心的，跨度和振动性能相同时，CLT楼板更薄，且外观与混凝土板相似（图5）。CLT楼板的振动行为与轻型木格栅楼板和重混凝土楼板也不相同。

图4 CLT屋顶示意

图5 CLT楼板（左）与轻型木格栅楼板（右）示意

2.3 CLT木结构体系特点

CLT过去几年在欧洲建筑中的广泛使用表明CLT建筑具有一定的竞争力，尤其是中高层和高层建筑。这是因为CLT建筑不仅具有木结构一般的优点，而且还有其自身的特点：

1）是重木结构，给人感觉更像是砖石和混凝土。

2）适合建造中高层和高层建筑。

3）预制水平高。

4）施工方便、安全。

5）绝热性能、隔声性能、耐火性能以及气密性佳。

6）节约材料、可持续发展。

3 CLT结构的发展展望

国外对CLT研究较多，目前CLT木结构在欧洲的生产、使用已经较为广泛，在北美和日本的应用研究才刚刚开始，国内的研究较少。

CLT材料的设计能够克服木质材料本身的一些缺点，作为建筑构件则具有良好的力学性能、保温、隔热、隔声、防火性能和气密性，能够实现标准化生产、预制装配化施工，材料的优势使得CLT建筑建造速度快、施工方便、抗震性能好，且具有一定保温、隔声和防火优势，适合中高层建筑。CLT木制品已成为替代现有钢筋混凝土的预制二维构件，是一种新的绿色材料，能够有效减少二氧化碳排放。CLT可以普遍应用于民用住宅、多层公共建筑以及桥梁。

在欧洲，CLT建筑已经形成成熟的建筑体系。CLT的生产和消费潜力已经达到较高的水平，市场随之每年有25%的增长，预计到2015年末会有1×106m3产量。在英格兰，9层CLT全木结构的默里格罗夫住宅大楼施工时间约4个月。在北美，CLT交错层积木材的发展也非常迅速。卑诗省奥地利馆展示了CLT材料在可持续生态建筑方面的重要作用。加拿大首座被动房使用了CLT建材来设计出气密极佳的房屋，因减少其整体能量消耗而达到国际上公认的被动房标准。温哥华不列颠哥伦比亚大学“生物能源研究+示范项目大楼”的墙、屋顶的建造都是采用CLT，无需使用混凝土施工。

CLT良好的性能及在欧美的广泛应用说明CLT建筑是未来绿色木结构建筑的发展方向，尤其是中高层建筑。虽然目前中国木结构建筑不应超过3层[5]，但随着木结构技术的发展与推广，未来CLT中高层木结构建筑在中国是一种趋势。首先，中国土地资源有限，建造中高层可以符合中国的实际国情，满足中国土地资源稀少的需求，CLT可以建造中高层和高层建筑，在欧洲已建起许多6～10层的CLT木建筑，更高的木建筑正在设计建造中，而轻型木结构则不能满足高层建筑的要求。其次，中国森林资源有限，使用实木建造中高层建筑缺乏原材料，而CLT的生产不需要大径级材，小径级材就可以满足，能够实现材料的合理利用和环境保护，实现可持续发展。再者，中国人受传统观念影响，喜爱重木结构，CLT板给人重木的感觉，更容易让中国人接受和喜欢。最后，中国正大力发展绿色建筑，CLT在性能上与钢材和混凝土材料十分相似，都是各向同性材料，所以CLT既可以作为它们的替代产品，又是促进绿色建筑发展的绿色材料。

目前，CLT可以用于中国的民用住宅、办公楼、度假别墅、移动组合式别墅等等，随着CLT材料和建筑工程的继续研究以及施工规程的完善，CLT中高层建筑将会不断地得到推广和应用。