交叉层积材在高层木结构建筑中的应用探析

杜晓英 董春雷 郑志锋 黄元波

(云南省生物质高效利用工程实验室，西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224)

交叉层积材 (CLT) 是一种性能优越的木质复合产品，是现代木结构建筑领域的重要材料之一。CLT是由实木锯材或结构用木质复合材平行胶合构成的实心木质复合材料，相邻的板层严格按照木材纹理相互垂直方向排列，以交叉层叠的方式胶合在一起，通常具有对称性。CLT板交错叠合的技术，加上其特殊的结构形式，减小了木材各向异性对于结构受力性能的影响，使板材的整体性能大幅度提高，并且可以有效减小材料缺陷对板材性能的影响。目前，CLT主要应用在木结构建筑的墙体、楼板、梁柱结构，也应用于桥梁和栈道的面板；与混凝土等其他传统材料综合应用时，能够建造更高楼层的木结构建筑。因此，近年来CLT的需求量逐渐增大，产业稳步增长。截至2015年底，CLT的产量约80万m3。鉴于CLT优良的应用前景，有必要对其在木结构高层建筑中的应用优势进行分析，以期为我国木建筑的建设与发展提供参考[1-2]。

1 CLT性能

CLT由于其通用性、延伸性能以及其机械连接或胶合连接的性能，使CLT产品的尺寸能够达到18 m × 3 m，厚度可以达到500 mm，几乎可以加工成任何想要的建筑形状。目前，CLT产品的发展主要是受技术和生产设施的限制，木材原料本身的缺陷 (如木节)、CLT板材在加工过程中的误差都对整体力学性能有很大的影响，CLT产品潜在的机械性能尚未完全开发，这在很大程度上限制了实际工程案例的标准和规模。CLT产品可以在工厂进行预制，根据不同建筑项目设计的要求，预加工成为预留较大尺寸门窗洞口规格的楼面板和墙面板。这些构件在预制加工完成后直接打包运送至项目现场进行快速安装，从而明显缩短了建筑的安装周期。CLT建筑体系在成本、设计、施工、环保等方面都具有明显的竞争优势，同时具有不同木结构建筑类型的绝大多数优点。CLT建筑体系作为木结构建筑范畴的重要一部分，可适用于高层住宅以及公共建筑中。

1.1 抗震性能

建筑结构自身的质量、建筑结构的柔韧度、建筑结构自身的强度和震动频率等因素都能够直接影响建筑结构的抗震性能。木结构建筑由于其结构自重轻，可以把地震产生的能量快速进行转换。在地震发生时，木结构材料由于本身所含的木纤维在地震中会发生形变或者排列方式的改变从而吸收地震能量，使木结构建筑物本身吸收的能量较小，因此木结构相比其他建筑材料来说，具有更好的抗震性能。

2007年日本进行了一项7层CLT建筑的地震抗震实验，承受了7.2级地震，显示出良好的抗震性能[3-4]。2009年，国外又进行了一次大规模的7层木结构建筑振动台实验[5]，实验模型使用CLT板为主体结构，板与板的连接使用钉连接，此次试验模型所受震动强度相当于里氏7.5级地震强度，实验时震动持续了约40 s。测试结果表明，在地震后建筑物的顶部最大位移只有287 mm (X) 和175 mm (Y)，最大位移率2.4% (X) 和1.6% (Y)，震动测试对建筑物的破坏影响非常微小，可见中等高度的木结构建筑物对强烈的地震有较高的耐受力[5]。

意大利威尼斯建筑大学针对大面积墙体通过调整连接件的数量和改变紧固件的位置、是否开门窗洞口等条件，分别进行了墙体的循环荷载对比实验，结果发现：CLT体系的墙板结构表现出堪比刚体的整形性能，在强烈的震动作用下仍然能够保持完整性，结构的主要破坏区域集中在墙体与基础连接处[6-7]。墙体中连接件和墙体紧固装置使得墙体表现出强大的整体韧性和延展性，能够在吸收地震中大量能量的同时，较好地保持墙体与基础 (或楼板) 的整体性。温哥华相关研究机构的准静态测试研究也显示出，CLT墙板是一种有效的抗侧力体系，通过足够强度的螺钉与钢支架连接，CLT墙体可以有足够的抗震性能来连接墙壁到下面的地板面层。众多研究实验表明，提高CLT建筑抗震性能的关键在于提升结构体系中所用连接件的性能。连接件与紧固件的位置、数量等配置方式因素，对墙体的抗震性能起决定性作用[8]。

1.2 耐火性能

传统的观念认为，木材属于易燃材料，在火灾中木建筑结构件容易失去承载力，导致木结构建筑被大面积烧毁。事实上木材虽是可燃材料，但木材燃烧过程中可形成的炭化层，能够充当起绝缘体的角色，有效地阻止木材进一步燃烧，从而提高材料的耐火极限。奥地利格拉兹科技大学木材材料燃烧实验室对CLT板材在通过防火处理后的耐火性能进行了研究[9]，分析结果显示碳化层、燃烧速率、燃烧区域和板的结构形式对CLT板材的耐火性能都能够产生一定的影响。在相同的条件下，普通木结构的耐火阻燃值是钢结构的1.3倍，是水泥结构的1.7倍[10]。CLT结构是重型木结构类型，其遇到火灾时的抵抗力比普通木结构建筑更强，并且炭化扩展深度 (即单位时间内木材颜色变黑程度)更低，仅达到0.4～0.8 mm/min[11]。

与传统的轻型木结构建筑相比，CLT建筑体系的构件截面尺寸较大，燃烧过程中材料表面炭化所形成的绝热保护层有效地提高了CLT板在火灾中的承载能力，降低了火势通过空气间隙传播的风险[12]。此外，通过对总厚度为85 mm的5层CLT板材 (单元厚度17 mm) 和3层CLT板材 (单元厚度28 mm) 试件进行耐火极限和炭化深度实验的对比研究发现，单元层板较薄的CLT板材，其表层结构的炭化层在燃烧过程中更容易脱落，因此无法对内部结构形成有效的保护[13]。即对于总厚度一定的CLT板材，加大层板单元的厚度可以提高板材的耐火极限。

1.3 隔声性能

隔声性能对于木结构建筑来说一直是一个难题。加拿大森林产品创新工业研究院 (FP) 进行的隔音课题研究发现，在建筑物中适当的设计和安装改良建筑构件，可以使其达到或超过国际标准的隔音水平，为未来的居住者提供满意的条件。

对于墙和门之间的空气噪音，国际建筑规范IBC要求建筑物达到最低的声音传播等级 (STC) 和撞击隔音等级 (IIC) 或现场测量值[14]。研究表明，通过选用石膏板、矿物棉类的合成材料以及空气层和其他材料进设计，CLT符合或者优于所需要满足的STC和IIC条件等级。

1.4 隔热性能

木材是一种多孔性的生物质材料，与生俱来具有抗热性能。加拿大森林产品创新工业研究院 (FP) 的研究结果表示，CLT面板能抵抗大约1.25每英尺R的热阻抗性[13]，而美国社会对制热、制冷、空调发动机的报道提出混凝土只能提供0.52每英尺R的热阻。由此可见，一个密闭的CLT系统可以轻易地提供较高等级的热阻，以此来增强CLT建筑的隔热性能。

2 CLT应用于高层木结构建筑的优势

CLT结构体系是以CLT楼板、墙板、屋面板为主要的承重构件，加上混凝土基础，以螺丝钉、钢制承载板和角铁连接作为主要的节点构造连接形成的一种装配式的木结构体系。

CLT结构体系应用于木结构高层建筑的设计理念，可以称之为是木材-混凝土高层建筑的结构设计理念[15-16]，即使用建筑材料混合的结构体系，其中大多数的承重结构元素是由CLT构成，再加入钢拉杆的集成概念。这些集成的钢筋，可以避免使用大量的紧固件，否则会提高建筑物的负荷。特别是对于在强风或地震多发区域的建筑物，CLT结构体系的优势更加明显。

2.1 使用寿命较长

在解决建筑高度限制的基础上，CLT结构各项性能的增强有效延长了建筑的使用寿命。对于建筑物构件位置的恰当分布，是CLT建筑寿命长短的决定因素。建筑设计中必须考虑地区的气候以确保在CLT中含水率的变化，因为含水率的增加会促进真菌的滋生而造成木材的衰败与腐烂。

CLT结构体系的许多设计元素能够帮助延长这些建筑的使用寿命。加拿大森林产品创新工业研究院 (FP) 研究出了4D的CLT设计：偏差设计、排水设计、干燥设计、持久设计[14]。另外，可以通过使用防腐剂处理过的木材或者自然耐久性好的木材来降低风险。隔热性能的加入能够长远地减小热量的获得以及损失。通过在建筑外表面安装隔热材料，热阻性能最有可能随着不断地覆盖中心位置得到提升。这些科学的改进设计，给建筑正常使用年限期间的安全提供了有力保证。

2.2 安装高效

CLT能够为特定的应用而预制，主要包含预切开口的门、窗户、楼梯、服务渠道和管道，并直接从制造商运送到工地，整个过程快速高效，这可以加快施工进度。由于每块板是专为特定的最终用途而制造，通常有着特定的建造施工和交付方法，所以CLT的运用解决了对于现场存储容量有限的问题。与传统的混凝土材料相比，CLT的重复性高，材料较轻。由于建筑材料重量的减轻，在建筑施工阶段也带来了相当大的优势，CLT建筑体系的整个实施过程大大节省了塔式起重机的成本。考虑到材料运输时间、起重机所耗用的时间与构造楼层板所用的时间这几项因素，CLT结构体系在实际施工中较传统施工节省时间可达到三分之一，实现了建筑总工期的明显减少。

2.3 节能环保性能优异

CLT结构建筑多数由木材制成，与传统建筑材料相比，在板材制备过程和施工阶段需要更少的能源[17]。赵勇[18]利用DEST建筑能耗模拟软件对木结构住宅在其使用周期内的损耗进行了研究，结果发现在一年内，木结构建筑的采暖和空调耗电量比钢筋混凝土结构建筑要节约21.5%[19]。此外，木材是唯一能够消除和平衡CO2的建筑材料，每立方米木材平均能够储存和吸收0.8～0.9 t CO2。使用木材代替混凝土，节省了混凝土会释放的额外1.1 t的CO2。这样一来，总共避免了约2 t的CO2排放。由J W G. van de Kuilen提出的的木材-混凝土摩天大楼研究设计中，建造一栋43层142米高的住宅，建筑平面尺寸35 m × 25 m，由混凝土构建承重框架，每平方米公寓用到大约0.75 m3CLT构件，整栋建筑中共用到约26 300 m3木材，避免了约50 000 t的CO2排放量，这相当于一年内3.3万辆汽车的排放量。由此可见，CLT结构体系的应用符合低碳环保的发展趋势。

3 CLT构件的连接方式

由于生产和运输的局限性，CLT构件的尺寸会受到限制，面板连接细节必须易于装配，并且方便快速制造。面板与面板的连接有利于通过壁或底板的装配，使其通过平面的力量转移。当面板与面板的连接用于墙体装配，连接必须抵抗平面内剪切和设计平面弯曲；当连接用于地板组件作为隔板，连接必须能够传递平面隔板的力量，并保持横隔板整体的完整性，抗侧力体系。

3.1 内齿连接方式

单或双木条由木材、单板层积材 (LVL)、薄CLT或胶合板可形成这种关系 (图1)。木条和双板边之间的连接可以使用自攻螺钉、木螺钉或钉，其优点是提供了双剪切连接。然而，在实施中需要更准确的分析，在现场施工中也需要一些特殊的配件。另一方面，该结构也可以抵抗正常的或者过度的平面荷载。结构胶可以应用于不同的零件中，除了用于机械紧固件，可以提供更多必要的刚性连接。

图1内齿连接方式
Fig.1 Internal gear connection

3.2 单面连接方式

这种连接方式面板边缘的轮廓采用带有花键的木材或LVL、PSL、积成材 (图2)，传统的紧固件，如钉，木螺钉和拉力螺钉可用于连接现场。由于单一的剪切连接，这种连接通常比内齿连接要薄弱，结构胶也可用于此类型的连接细节。

图2单面连接方式
Fig.2 One-sided connection

3.3 双面连接方式

该连接方式类似于单面连接方式，是用来增加连接强度和刚度 (图3)。由于使用了两套螺钉，所以提高了剪切平面的抗负载，实现增强材料性能的目的。但这种连接方式需要更多的机械加工和安装时间，这是由于把附加的两个样条从两侧的面板插入紧固件，需要固定紧固件的时间就增加了1倍。根据Augustin的研究，如果使用SCL作为样条，然后联合面板，可以用来抵抗矩行与平面加载，结构的强度和刚度便有显著提高。

图3双面连接方式
Fig.3 Two-sided connection

3.4 单阶搭接方式

这种连接的特点在于铣削半搭接接头，通常用于板与板在墙壁和地板的组件连接 (图4)。在连接面板的边缘运用长自攻螺钉。这种连接可以进行抵抗正常和横向载荷，但欠缺抗弯性能。虽然这是一种非常简单的连接细节，便于CLT系统的快速组装，但是在切口区域应力分布容易形成危险界面。这会在一些情况下造成地板元素发生不均匀的负载。

图4单阶连接方式
Fig.4 Single-order connection

3.5 套筒连接方式

这种连接系统是在奥地利由G. Traetta研究的一种创新型系统 (图5)。这个系统采用了异形钢管与孔。面板元素到达现场与胶合或拧杆驱动的平面上的两个面板连接，并与孔加工的板在一定的位置沿边缘的金属管放置。在这些位置上沿着面板元件插入管接头，在现场中使用金属螺母对整个系统进行紧固。奥地利的建筑研究中心对这个创新系统的能力进行了评估，表示在实际中如果使用这个连接系统通常不需要分析沿板边缘的力，因为它在工作中主要是依靠螺纹或粘在杆的拉拔阻力。

图5套筒连接方式
Fig.5 Sleeve connection

4 结 语

与传统材料相比，CLT在高层木结构建筑中的应用更具有应用优势，但由于CLT设计和计算研究仍有所欠缺，目前采用CLT结构体系只能建筑十层左右的高度。在今后对CLT的研究应着重于其结构的力学设计方面，解决CLT结构应用在高层建筑中的承载力问题，提高木结构高层建筑的整体受力性能。相信随着CLT研究的不断发展和完善，增强其相对其他建筑材料的竞争力，绿色环保的CLT中高层建筑会得到广泛应用。

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