胶合木结构在场馆建造中的应用∗

2017-03-10伍家华谢力生乔鹭婷袁梓晶

林产工业 2017年11期

伍家华谢力生乔鹭婷袁梓晶

巴西花费约46亿美元举办里约奥运会，而奥运会结束仅仅6个月，部分场馆就已经被废弃。这固然存在巴西政府经营运作不当的原因，但从雅典奥运到里约奥运，场馆被废弃似乎成了惯例[1]。我国也存在这种现象，广州佛山的世纪莲体育中心自2006年建成以来只是零星地承接过国际足球赛；为举办北京奥运会而修建的顺义水上奥林匹克公园、朝阳公园沙滩排球馆、老山自行车馆等一些场馆都处于闲置或半闲置状态[2]。场馆废弃后为何不进行拆除，一方面拆除成本高，另一方面拆除产生的建筑垃圾无法回收，使用现代胶合木结构建造的大型场馆就不会出现这些问题。

1 建造胶合木场馆的可行性

1.1 已建成的胶合木场馆

一些国家已凭借着其先进的木材科学技术和建筑工艺将木结构应用于建设大型场馆，效果十分显著[3]。例如1983年世界上第一座大型木结构穹顶，跨度达162 m的美国塔科马穹顶；1987年采用木制薄壳帐篷结构，覆盖面积达2 500 m2的德国巴特迪尔海姆游泳馆屋盖；1988年采用木网架结构，跨度达56 m的日本小国町民体育馆；1996年采用半刚性悬挂式结构，跨度达80 m的日本长野奥运会纪念馆。2010年拱形屋顶跨越了120 m的场地宽度，整个屋顶使用了14根曲梁，每根曲梁包括4组长度24.7 m的胶合木的列治文冬奥会椭圆速滑馆。

1.2 胶合木的特性

1905年，德国人奥托·海茨发明了胶合木。胶合木是将二层或二层以上的规格材叠层用胶顺纹粘接而成，用于制作梁、柱、拱等大型结构构件[4]。相比实木锯材，胶合木有以下优点：

1）合理利用木材。胶合木是由板材或小方材在厚度、宽度和长度方向顺纹胶合而成的，板材的接长一般采用指接，指接板材强度可达健全材的60%～80%[5]。制作胶合木所用的木板，先进行干燥和分等分级，组坯时再根据受力的大小和方向将不同等级的木板合理配置。需要承受较大应力的部位放置强度较高的木板，以增加胶合木整体的强度；远离截面中轴的抗弯或抗拉侧放置弹性模量较高的木板，以增加胶合木构件的抗变形能力[6]。

2）构件设计自由。因胶合木是由厚度为2～4cm的板材在各个方向胶合而成的，故可制成各种特殊形状的木构件。如弓弦桁架、拱架、上弦构件和弯曲的龙骨、框架等，弯曲胶合木的弯曲半径最小可达其厚度的150倍，为木结构建筑的设计、建造提供了任意想象的空间[7]。目前世界跨度最大的胶合木结构为美国华盛顿州的塔科马体育馆的木结构穹顶，直径162 m，矢高33.5 m，穹顶顶部到地面的高度为46.3 m[8]。

3）尺寸稳定性高。木料先干燥后胶合，干燥时木材尺寸较小，相对于实木锯材更易于干燥，不易产生干燥缺陷。胶合后整个胶合木构件各部分含水率相近，在温度变化的情况下不易开裂变形，使得大截面和异型结构木制构件尺寸能够保持稳定。

4）易于特殊处理。人们普遍担心的木材腐化与白蚁虫蛀问题，已经得到了解决。胶合木会在组坯胶合前对层板进行防腐、防火、防虫、防蚁等各种特殊处理，相对于实木锯材而言，药剂能更好地分散到木材各处，效果更明显[9]。

5）优良的耐火性。人们的传统观念认为木结构不可靠，很多人认为木材不防火。其实没有任何建筑材料能够做到真正的防火，GB 50016—2014国家《建筑设计防火规范》中对建筑物的耐火极限有明确定义：在标准耐火试验条件下，建筑构件、配件或结构从受到火的作用时起，到失去稳定性、完整性或隔热性时止的这段时间，用小时表示。木结构在发生火灾的情况下，其表面木材经过燃烧后会形成碳化层阻碍氧气与内部木材接触，有效地延长了燃烧时间[10]。胶合木结构通过增加尺寸延长其耐火极限，保证内部木材的强度足够支撑整个结构，达到相应的耐火时间。美国林业及纸业协会的数据表明170 mm×340 mm的木质胶合梁就可满足1h的耐火极限[11]。

6）抗震性能好。木材相对其他材料有极强的韧性，木结构在受到冲击时，在木材各连接处产生弹性变形再回复，分散并能抵消一部分冲击荷载，对周期性疲劳破坏有很强的抵抗力[12]。木材的强重比高，建成的建筑物整体质量比钢筋混凝土结构低，在地震中受到的冲击力也小，在地震中更容易保持结构的完整性，具有极佳的抗震性。

7）可工业化生产。我国胶合木已实现工厂化预制生产，提高了构件尺寸的加工精度，保证了产品质量，提高了木构件的生产速度和建筑物的组装速度，同时也降低了生产成本和施工成本[13]。

2 建造胶合木场馆的成本优势

目前由于设备进口、加工工厂离木材产地远等原因，胶合木建筑一次性的建造成本比混凝土和砖混结构等建筑的成本要高，因此建筑市场普遍认为胶合木建筑属于高成本建筑[14]。但是事实上这种对比是不够全面的，不同结构的建筑的外观、内部环境、给人的感受很难量化到成本当中比较。使用胶合木结构建造场馆与其他结构相比具有以下几点成本优势：

1）人工费用低。胶合木已实现预制化生产，所有构件在工厂进行加工，再运输到工地进行组装。工地施工主要是建筑基础的建造、各种构件的拼装等，因此整个工程可多平面同时施工，提高了建造效率，缩短了施工周期，施工噪音小，对周边居民影响小。在人工费用按天结算的劳务市场环境下，凸显了胶合木结构的人工成本优势。例如1幢普通木结构别墅的建筑工期大约 3 个月，而同等规模的混凝土别墅的建筑工期为5 个月，所需人工量则相当于木结构房屋的数倍[15]。

2）需求地基浅。由于木材自身的强重比高、密度小，建造同样规格的建筑，胶合木建筑总重量相对其他结构要轻，所需地基深度更浅，节约了建造成本。

3）无需二次装修。因为木材本身的纹理与色彩具有观赏性，胶合木建筑内部结构一般不需要进行二次装修。而对于一些特殊用途的场馆，木材的特性能得到很好的利用。例如游泳馆，因为使用了大量的消毒液，金属材料易受到游泳馆中水蒸汽的腐蚀，而胶合木本身具备较强的耐化学腐蚀性能，因此在游泳馆及化工车间等建设中有着独特的优势[16]。在音乐场馆或者对隔音有要求的场馆中，可以用木质材料设计成一些特殊的隔声或吸声结构。木材通过胶合木的方式组合不仅能够创造具有独特魅力的木建筑内部空间，还能满足场馆的特殊要求，所以这种结合了建筑设计与室内设计的建造方式大大地节约了胶合木建筑成本。

4）运营能耗低。木结构具有良好的调温调湿性能，在不同的季节里能保持室内温度和湿度在一个相对稳定的数值。而胶合木结构的墙体中填充了保温棉，保温性能更佳，经测试150 mm 厚的木结构墙体，其保温能力相当于610 mm 厚的砖墙，木结构建筑相比于混凝土结构建筑可节约使用能耗 50%～70%。所以在建筑的整个使用周期里，胶合木建筑的运行费用低于其他结构[17]。

5）易回收再利用。常用的建筑结构中钢铁等金属材料尚且可以回收利用，但水泥材料不仅消耗能源且不易回收。而胶合木结构的连接使用金属连接件，木制构件能快速地与其他材料分离，节省了拆除成本和时间，进而提高了土地利用率。分离出的木料可根据质量、大小的不同用于制造不同类型的人造板，通过控制新旧木料的比例以确保人造板的质量，实现废旧木材的回收利用[18]。

3 建造胶合木场馆的环保优势

1）木材加工耗能低。木材的加工只需要把砍伐下的树木进行锯刨、胶合、热压，相比钢铁与混凝土，不需要消耗过多热能与动力。

钢筋混凝土的制造需要消耗大量能源，产生大量温室气体与工业废水，增加环境负荷。据测算，生产同等质量的材料，水泥所需要的能源是木材所需能源的3～4倍；塑料所需要的能源是木材的35～45倍；钢铁所需要的能源是木材的50～60倍；铝所需要的能源是木材的100～130倍[19]。生产具有相同强度的长1m的大截面集成材梁和钢梁的制造能源分别为115MJ和1 400MJ，其碳排放量分别为9.1kg和28kg；生产具有相同性能的1m2胶合板外墙和钢板外墙的制造能源分别为72MJ和165MJ，其碳排放量分别为1.7kg和3.3kg[20]。

2）合理使用木材有利于环境。大量使用木材，必然会使人联想到砍伐树木对生态的破坏。其实，作为原料的树木在自然中生长，不仅不会产生环境污染，还有着保持水土、固碳制氧等益处。据研究，树木生产1t的木材物质，需在阳光下进行光合作用，吸收1.6 t的CO2，产生1.2 t的O2[21]。木材无论是作为原料还是产品，在整个使用期间及后续的循环利用中，不向外界释放CO2。虽然木材或木质材料中储存的碳最终会通过焚烧或腐朽等方式以CO2返回到大气中，但如果在采伐地进行“伐则植”这一基本的、正确的森林管理，在使用的树木从采伐到回归自然这段时间内，森林中新的树木也在生长，继续发挥固碳制氧的作用。只要木材的焚烧或腐朽量不超过生长量，大气中的CO2就会由于木材的利用向减少的方向发展。因此使用木材即是对树木生长过程中所储存碳的有效利用，相当于在时间和空间上扩大了森林的储碳作用，有利于改善环境。

3）废弃时的环境负荷低。胶合木结构中各构件的连接主要依靠金属连接件，拆除时不需要使用大量的重型机械设备和劳动力，节约能源。从建筑物拆解下来的废旧木材，保存完好的可以直接重新利用。表面受污染的木材在清除其污物后，也可根据其大小直接利用，而不必降级使用。不能再利用的废旧木材还能作为燃料，发挥其剩余价值，并不会对环境造成污染。即使木材作为建筑垃圾被填埋处理，可被微生物降解，仅放出CO2，不会改变土壤、水源或空气的性质[22]。钢筋混凝土建筑拆除时可回收的钢铁很难与混凝土分离，难以得到有效利用。混凝土不能降解，填埋处理需占用大量土地，且污染环境，导致土地在很长一段时间内理化性质不稳定，污染地下水、地表水、土壤和空气，并且污染还会随着物质的流动扩散。即使经过长时间的自然活动，建筑垃圾已经稳定化，但无法分解的无机物仍然会占用大量土地[23]。