美国工程木在木结构建筑中的应用——访美国工程木协会（APA）中国技术代表陈小锋

《林产工业》杂志：陈先生您好，这次装配式木结构研讨会，很成功，行业反响很好，为了让更多的人了解美国工程木，请您先介绍一下美国的木结构及工程木材的现状。

陈小锋：首先，我想先谈谈木结构的分类。木结构建筑通常分为轻型木结构和重型木结构。轻型木结构主要是由木构架墙体、木楼盖和屋盖构成的结构体系，通常用于住宅。而重型木结构通常是使用了尺寸较大的胶合木和实木构件（通常为150 mm×150 mm以上尺寸的构件）作为主要承重构件，多用于公共、商业、酒店建筑、少部分住宅也采用重型木结构体系等。

在美国建筑历史上，木结构始终是新建住宅和公寓的首选建筑形式。木结构房屋不仅绿色环保，施工现场不产生大量垃圾，性价比也比钢结构、混凝土结构高。当今，无论是轻型木结构还是重型木结构，随着技术水平的发展，美国的工程木材完全满足建筑结构性能要求，而在各种工厂化生产的工程木制品在生产的过程中，通过第三方机构介入进行检测检验，确保工程木材的质量稳定可靠，且预制的木构件在施工现场安装方便、快捷。工程木材也正是得益于工业化生产才得以大规模应用。

《林产工业》杂志：APA对美国木结构建筑的发展做出了哪些贡献？

陈小锋：APA（APA-The Engineered Wood Association）美国工程木材协会在美国木结构建筑发展上起到了一定的推动作用，通过与会员的合作及自身的技术实力，不断研究、推动工程木制品的技术发展，使其满足建筑结构性能要求。APA参与建筑法规研发50多年，技术研发范围包括：结构和物理性质、建筑耐久性、防火性能、建筑节能永续发展等多方面。而APA的会员由北美地区众多的工程木制品工厂组成，生产的产品包含结构胶合板、OSB、胶合木、木工字梁、结构复合材（包括LVL、PSL、CLT、LSL）、正交胶合木CLT等工程木制品。这些工程木产品大量地被用于修建北美地区的各种建筑。APA也发布了一些产品质量标准，这些标准逐渐演变为美国的国家标准，同时，APA发布的一系列工程木制品的产品说明、使用、安装规范也成为了美国木制品行业的标准。

《林产工业》杂志：美国建筑市场工程木使用情况现状如何？

陈小锋：美国建筑市场工程木的使用情况，我想分为住宅市场与非住宅市场的应用来介绍。

依据美国U.S. Census Bureau的统计数据，自1960年以来美国每年新建住宅的开工数量随着经济增长的波动而波动，整体上，保持了平均每年新开工143万套的住宅，其中平均71.1%的住宅均为单户住宅（独栋别墅）。而值得关注的是，自2009年美国金融危机以来，美国每年新开工的多户住宅套数逐年上升，2016年已经有34%的住宅为多户住宅。更多的美国年轻人更愿意居住在大城市，而城市中修建的中低层木结构建筑比例也越来越高。这些木结构住宅中，有适合年轻人居住的公寓，造价比较低的单户住宅，也有适用于富人居住的高级豪宅。如微软前总裁位于西雅图华盛顿湖的“Big House”木结构住宅，就价值上亿美元。

美国的住宅绝大多数都是轻型木结构体系，基础通常为混凝土。基础以上的楼面，屋面及围护结构由不同类型的木制品组成，这些木制品都是在工厂大规模生产的。建筑商可以直接在建筑材料分销中心购买到各种配套的住宅材料构件、部品，到施工现场后可以快速安装，节约了大量的现场工作时间和材料。

以2012年美国Home Innovation Research Labs统计数据为例，所有的单户住宅全部采用结构板材（OSB、结构胶合板）作为屋面盖板，而住宅市场所有的墙体覆面材料中，结构板材占据了80%以上的市场份额。混凝土、砌体等其他材料总共才占据了接近20%的市场份额。究其原因，结构板材在北美地区的生产已经做到了标准化、规范化和工厂化的大规模生产。产品在生产时，不是按普通的产品标准生产，而是按满足板材的最终用途的性能标准进行生产，产品的等级、使用要求和说明均明确标志在产品上，而不需要设计师对板材进行复杂的设计，施工人员也可以根据产品标志对结构板材进行正确的安装施工，这就节约了大量的时间。根据APA2016年的统计数据，加拿大全年生产约870万m3结构板材，美国生产了约2 000万m3的结构板材，消耗了全球约2/3的结构板材。

木工字梁通常被用于楼面框架或屋面框架材料，也是美国住宅市场被大量使用的工程木制品之一。木工字梁通常用于跨度较大的建筑用，中间可以开孔穿管道、线路。其特点也较好地解决了木楼面震动、隔声的问题。木工字梁和实木锯材是美国最主要的楼面框架材料。

其次，我想谈谈工程木在非住宅市场的应用情况。

美国市场上，非住宅市场的情况与住宅市场情况相反，钢和混凝土是非住宅市场首选材料。但随着木材技术的发展，工程木制品的市场份额也逐渐上升，2011年木结构建筑在中低层非建筑结构中占比约12%，但是多达54%的新建酒店使用了木制品作为墙体框架。

在非住宅市场木结构建筑中，重型木结构占据了较大的比例，主要使用的承重构件是胶合木。胶合木是指通过特定的工序将较小尺寸的木材胶合成更大尺存的工程木材。随着胶合木技术的推广和应用使得重型木结构建筑有了新的发展契机。由于通过使用胶合木可以实现起拱、曲线等多种造型，一方面为建造各种形式的建筑和设计提供了广阔的创作和构想空间；另一方面也使得多高层建筑采用木结构屡屡刷新了楼层高度，成为许多国外城市的重要象征，大量公共设施、教堂、体育馆、厂房、学校采用胶合木，非常经济、性价比高。同时，由于大跨度的应用不需要内部承重墙，内部空间灵活划分，大跨度为室内提供了宽阔而简洁的空间。

与轻型木结构所有材料基本可以在建材分销中心获得不同，胶合木除了常见尺寸可以批量购买外，其他尺寸需要工厂深度定制加工。通常，设计软件的构件数据可以导入CNC加工中心，在工厂完成高精度的材料的切割、钻孔、开槽等，运输到现场后无须进行再次加工就可以直接安装。

《林产工业》杂志：目前的工程木可完成重型木结构建筑又是怎样的水平？

陈小锋：说到重型木结构建筑，就不得不谈到穹顶结构。

按现在的木结构技术，理论上来说，木结构穹顶的直径最大可以做到约240 m。而目前世界上最大的木穹顶结构和世界第五大穹顶结构（2010年吉尼斯世界纪录）则位于美国密歇根州的Marquette，一期工程耗资约2 180万美元，完工于1991年。穹顶约44 m高，163 m的直径，占地面积约21 000 m2，由781根花旗松胶合木和174.6 km长的屋面板构成，可以承受2.9 kPa的雪荷载和130 m/h的风荷载。该项目由美国著名的WWS西部木业公司设计及施工，Doug Calvert公司提供高品质的美国花旗松胶合木。

《林产工业》杂志：有没有典型的案例可以列举说明？

陈小锋：提到案例，目前国内最大的木穹顶结构是天津华侨城文化演艺中心，建设单位为深圳华侨城，由上海臻源木结构设计、制造、施工。2012年开始建造，位于天津滨海新区，采用的进口美国花旗松胶合木，直径85 m。该项目采用胶合木单层球面网壳结构，穹顶按球面曲线设计，球体半径57 m，弦高19 m，木穹顶底边直径85 m，采用6 m高钢筋混凝土梁柱支撑，屋顶采用轻盈的金属屋面+膜屋面，胶合木结构构件的侧向稳定由屋面结构次龙骨支撑，木穹顶支座处与混凝土连接节点采用铰支座，其余节点均采用刚性节点。

与冷冰冰的钢结构相比，自然且极具亲和力的木结构无疑得到了业主、建筑师的共同青睐。

此外，值得一提的还有奥克兰基督之光教堂，建筑的顶部采用了双鱼囊图形，像一叶翻过来的诺亚方舟，也像是俯瞰人间的上帝之眼。

它位于美国加州奥克兰的基督之光大教堂高度约33 m，前身并非是木结构，但由于在90年代加州大地震损毁后，于2002年开始重建。作为业主的Catholic Cathedral Corporation of The East Bay 要求新建的教堂设计使用寿命为300年，可抵抗千年一遇的地震，且希望外观到24世纪也不会过时。基于这个目标，建筑师最终选择了木结构，并在外面包覆了轻盈的玻璃。为了致敬2 000年的教会历史，建筑采用了非直线型的外观，胶合木结构完美地表达了建筑师的意图，特别是不规则的复杂结构体系。

《林产工业》杂志：请介绍一下美国CLT新产品的发展情况。

陈小峰：木结构的防火与工程木制品的质量保证是CLT新产品技术的重点。

源于欧洲的正交胶合木技术的发展，使得高层木结构成为了可能，目前是工程木制品中一个比较热门的话题。北美地区目前也在积极地参与研究和发展，加拿大一栋18层的CLT公寓楼已经完工，而位于美国波特兰的12层的正交胶合木结构楼也已经开工建设。

但是目前正交胶合木还面临着防火方面的问题，如在表面灼烧后，由于胶水原因，会导致碳化层剥离。

在APA与美国林产品实验室的最近的一项全尺寸3层CLT结构抗火实验中（如图1），CLT结构在起火约90 min后逐渐熄灭，但在约180 min时再次起火，就是因为胶黏剂原因导致碳化层剥离而使构件继续燃烧。

随着防火问题的解决，CLT技术必将使高层木结构的发展成为可能。

图1 一项全尺寸3层CLT结构抗火实验Fig.1 A fire resistance test of a full-size 3-layer CLT structure

工程木制品主要适用于各种建筑工程，因而产品的质量稳定、安全与否特别重要。美国建筑中所使用的木制品在美国国际建筑规范IBC做了明确的质量要求，同时标准中也明确要求需要由有资质的第三方机构对工厂生产的产品进行产品质量方面的检测、检验及认证。同时，获得认证的产品也可以获得保险公司的承保。也正是因为这样，解决了木制品最关键的产品质量保证问题，可以大规模在美国推广使用。

APA实验室对同一个工厂生产的胶合木，进行了连续4年的质量跟踪测试。胶合木强度特征值为35 MPa，而产品强度特征值为34.7 MPa（见图2）。测试结果表明，通过认证的胶合木其强度稳定、结果精确。

图2 胶合木强度特征值Fig.2 Strength characteristic value of glulam

《林产工业》杂志：近年来，国家针对木结构出台了多项政策法规，您对中国的木结构发展又抱有怎样的态度呢？

陈小峰：针对中国的现代木结构的发展前景，我想说，他山之石可以攻玉。

其实木结构建筑在中国历史悠久，传统木结构技术的精湛和高超曾远远领先于其他文明，木结构建筑在中国传统文化中占据着举足轻重的地位。只是，在中国城市发展的现代化进程中，钢混结构建筑鳞次栉比，城市在钢筋混凝土的包裹之下缺失的文化魅力的副作用日益明显。然而目前的政策还是比较乐观的，2015年工信部和住建部联合推出的《促进绿色建材生产和应用行动方案》，2016年发改委和住建部《关于印发城市适应气候变化行动方案的通知》，以及2016年国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中都明确提出发展木结构建筑，促进木结构在城镇化建设、政府投资的学校、幼托、敬老院、园林景观等低层公共建筑的应用。目前，中国的木结构设计规范、多高层木结构建筑技术规范及装配式木结构技术规范等一系列标准规范的发布，为木结构的发展清扫了技术障碍。但是，受限于市场规模，产品质量，对传统的防火、腐蚀问题的担忧，导致木结构单价相比其他结构高，应用量比较少。目前，更多的木结构在中国被修建于旅游度假区、会所、景观建筑中。借鉴美国的木结构建筑及使用的工程木制品发展历程和技术，将会或多或少地对木结构建筑在中国的建设和发展起到积极的推动作用。