正交胶合木（CLT）在我国的应用前景

张本刚，蹇玉兰，徐高翔，吴志刚，雷 洪

（1.西南林业大学，云南省木材胶粘剂及胶合制品重点实验室，云南 昆明 650224；2.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025）

正交胶合木（简称CLT）是当今国内外流行的一种木结构建筑用材，其原料为锯材或复合结构板材，通过胶粘剂在垂直方向上正交组坯后压制而成（图1），主要用于木结构建筑的墙板、楼板和屋板[1，2]。CLT的生产工艺与胶合板类似，都遵循3大原则，即奇数层原则、对称原则和层间纹理垂直正交原则[3]。CLT的宽度一般为0.6 m、1.2 m、2.4 m和3.0 m，长度最大可达18 m，厚度可达508 mm。其中，长度方向根据需求者的不同要求还可以通过机械连接和胶连接等方式进行延伸。

图1 正交胶合木组坯工艺Fig.1 Assemblying process of cross-laminated timber

正交胶合木的理念最早出现于欧洲，那里有很多类似的新型材料产品被广泛用于房屋建筑。CLT板比较适合高层建筑，具有较好的承载能力及平面内外刚度，因此，在某些层面上，CLT能够替代传统的钢筋混凝土结构，成为一种新型可用于建高层的木结构建筑材料。文献报道，CLT板建成的木结构建筑最高可达15 m以上[4，5]。正交胶合木板在木结构建筑中一般用作楼板或者墙体，这些结构具有较大的极限承载力及平面内刚度，从而起到抵抗地震的作用[6]。CLT板正交叠合的构造方式既提高了产品的承载能力，又减少了木材含水率变化所引起的收缩与膨胀。正交胶合木板的叠合层数主要为奇数层，这种叠合方式在构造上比偶数层更加匀称，力学性能也较为稳定。奇数层的正交胶合木板之间存在一个规律：同样材料制作的CLT，层数越多，木材原本的各向异性越容易被弱化，双向力学性能越好[7]。

1 CLT板的特点

1.1 抗震、密封性能好

在日本、美国等地震频发地区，住宅多采用木结构形式。CLT建造的木结构房屋具有良好的抗震性，干缩湿胀系数仅为0.02%，横纹方向上尺寸稳定性非常高，是约为胶合木和实木的12倍[8]。相关研究表明，多层CLT建筑在遇到地震时，X轴和Y轴方向上的偏移率仅为1.0%和1.3%，表明该类型建筑具有高结构强度和抗震性能方面的优势，也说明CLT适合应用于中高层建筑[9]。此外，正交胶合木的建筑构件具有良好的密闭性，因其较低的水蒸气扩散和热传导能力，使CLT板具有良好的防火性能和隔音性能。CLT用作建筑地板和内墙时，其阻燃效果明显满足建筑标准规范中对材料阻燃率的要求[10，11]。

1.2 滚动剪切性能低

滚动剪切性能是指木材在径切面上由于受到剪切应力而产生的变形。由于正交胶合木的结构采用正交组坯，因此其产生的剪切变形也相对较小，滚动剪切性能低于其他材料。关于CLT滚动剪切性能的研究有很多，跨高比、不同测试方法、不同生产工艺、不同CLT尺寸及侧面胶合情况等都能对CLT板的滚动剪切性能产生影响[12～15]。

1.3 绿色环保

正交胶合木与钢筋类材料相比质量较轻，但其强度很高。在能耗方面，采用CLT建造的房屋比混凝土结构建造的房屋能降低45.2%，比钢结构建造的房屋能节省27.7%的资源。CLT房屋的使用寿命也比钢筋混凝土房屋长，大约有一百多年，当其使用寿命结束时，CLT构件还可以回收利用。因此，CLT是一种新型的可循环再生材料。张志伟等[16]采用生命周期评价方法对CLT与钢筋混凝土材料进行了对比评估，研究结果表明CLT材料与钢筋混凝土材料相比，具有较少的温室效应气体排放和较低的资源消耗。因此，可以选用CLT板制作的产品来代替中高层的建筑中的钢筋混凝土结构。

1.4 经济效益

在欧洲及北美地区，CLT主要应用于民用住宅、桥梁和其他非住宅建筑，并且每年都在增长[17]。CLT的原料可以是小径级材和低等级材，它经过不同方式重组成力学性能优异的板材，从而大幅提高了木材的经济效益和原料利用率。国外的CLT产品已经实现了大批量生产，木结构的房屋构件也可以在工厂进行预制，施工非常方便，同时节约了建造的时间和成本。CLT作为优良的建材，用途具有灵活性，可用于低层、中层甚至高层的民用或非民用建筑，它一方面可与钢筋混凝土等混合使用，另一方面也可部分代替或完全代替传统的钢筋混凝土结构和砖混结构[18]。

2 正交胶合木的国内外研究现状

1993年，Schuler等[19]首次将实木板材用于木结构房屋的主要承重构件，也开展了有关CLT的研究，发表一些关于CLT刚性和弯曲性的学术论文。1995年，Moser建造了第一栋CLT住宅，这代表了当时CLT建筑的最高标准[20]。美国、加拿大、日本等国在发现CLT产品的优势之后也开展了相关的研究工作，继而出现了许多研究成果，这些成果极大地推动了CLT的发展。从2005年起，加拿大自然资源部与加拿大FPInnovations研究院联合发起了一个关于木材CLT的研究项目，诸多研究成果开始涌现。

2009年，英国著名的建筑工程师Andrew Waugh利用CLT板建造了一座9层木结构建筑，其采用CLT板首先在工厂预制好，然后运输到施工现场进行组装，该建筑从开始到竣工仅耗时2个多月。由此可见，CLT建筑的施工周期非常短，同时也节约了人力、物力和财力[21]。此外，CLT板与钢筋混凝土等混合使用，可以建造出尺寸稳定性更好、层数更高的建筑[22]，瑞士和加拿大等国家已经开始研发30层以上的高层CLT混合建筑。

CLT板的研究多集中在欧洲和北美地区，加拿大的UBC大学也对CLT板展开了相应的研究，并总结了CLT在欧洲等地的发展[23]。该所大学在研究期间对不同层数的胶合板和钉合板进行了有限元数值模拟分析和力学性能测试，研究结果表明，CLT板具有良好的力学性能[24]。对于使用钉连接的CLT板，测试时还需要考虑连接件的屈服荷载、嵌入强度及接缝的 承 载 能 力[25]。 Yawalata等[26]也 探 究 了CLT板的蠕变性能和动力学特性；Park等[27]研究了CLT板与传统平行层压板的静力弯曲性能，该研究表明，CLT板的强度及弹性模量等参数要高于普通的胶合板。日本学者也曾在试验室振动台上研究了8层CLT木建筑的抗震性能。此外，CLT用作抗剪板和承载板时，应该采用可靠性准则，这样才能得到准确的弹性特性[28]。

4年前，挪威的相关学者利用CLT对BG14大楼进行了重大改建，实现了该建筑在整个生命周期内零碳排放的目标。随后，台湾建成了亚洲第一栋CLT建筑——森壳总部大楼，该建筑的占地面积高达600 m2。高强度木质工程材料的研发极大地推动了木结构产品在建筑领域的应用，同时也推动了当前世界上高层木结构建筑的蓬勃发展。

目前，CLT的研究主要集中在一些发达国家，我国对CLT的研究还处于起步阶段，仅有南京林业大学和北京科技大学等与木结构方向有关的科研院校对CLT板的应用进行了初步的实验型探索[29～33]。但CLT的发展前景十分广阔，发展速度也会很快，我国也将在《木结构设计规范》（GB 50005）的最新修订版中补充CLT结构的相关内容。

3 结论

虽然钢筋混凝土在现代建筑材料中占主导地位，但是木材作为一种传统的绿色建材，它正以各种新颖的方式跻身于建筑界的潮流中，较为突出的就是正交胶合木的发展。目前，CLT技术的运用尚处于推广阶段，在欧美发达国家发展迅速，但CLT才刚刚进入我国，国内有关CLT的研究较少，产品认知度不高。我国的基本国情是人多地少，这也导致了木结构在我国发展缓慢。而CLT采用正交组坯的方式，有效地提高了木结构建筑的结构稳定性和力学性能，使其能用于构造中高层建筑，因此也有利于解决我国土地资源紧张的问题。

针对CLT用树脂胶粘剂需要常温快速固化，其所用原料广泛易得且符合国家的绿色生态方针，加之国内研究相关方面的学者较少，因此研发和推广木结构用CLT材料具有广阔的前景。我国虽然在天然木材资源方面非常短缺，但人工林却极其丰富。此外，我国还具有非常丰富的竹材资源，如果能将这2种丰富的资源用来生产CLT，我国的CLT产品在性能和价格上将比国外CLT产品更具有竞争力。