CLT在工程中的应用（一）—生态示范民居度假屋

彭思，黄素涌，王建和，曹龙，张龙

（1.西南林业大学材料科学与工程学院 云南 昆明 650224）（2.宁波中加低碳新技术研究院有限公司 浙江 宁波 315000）

0 引言

建筑业消耗了大量的混凝土、钢材和石材，是世界上最大的固体废物产生源之一。据相关研究，建筑业在全球年度温室气体排放量中占比高达30%，减少建筑行业的碳足迹在减缓气候变化方面有着至关重要的作用。

木材，曾经是世界上最古老的建筑材料，也是唯一的天然的和可再生、可持续利用的建筑材料。从古至今，人们都在不断发掘木材在建筑结构上的应用。如今更是通过木材加工技术的创新，利用工程技术将实木材料转化为更加复杂稳定的现代工程木材料。这种目前被业内称为重型木结构（mass timber）的建造方式正在动摇曾经牢牢扎根建筑行业的混凝土和钢材。木材不再被限制在建造低层建筑当中，我们现在可以利用先进的结构设计和材料大大加快木建筑的施工加工效率，同时让木建筑造的更高。

正交胶合木（Cross Laminated Timber，CLT）是一种发源于欧洲并在近十年来广受推崇并逐渐受到世界其他地区关注的新型工程木材料。因其可以匹敌混凝土材料的强度，漂亮自然的外观，多功能性，易装配性和可持续性而脱颖而出。CLT规格材和胶合木产品已被广泛用于各类大型建筑项目，从体育馆到桥梁，到住宅。由于其自然的外观和结构强度，它成为建造高层、大楼的理想材料。CLT可以在工厂内被方便地进行CNC数控加工，根据BIM设计提前进行钻孔和金属连接件的安装。现场的施工就如搭乐高积木般，可以做到90%以上的装配率。而且CLT因为属于重型工程木材料，在消防规范允许的层高下可以把木材暴露在外，这又大大减少了室内装修的工序。CLT项目工地现场一般几乎没有建筑垃圾。虽然CLT材料的生产成本仍然很高，但如果考虑到更短的施工时间和更好的质量以及环保等因素，其仍然是替代混凝土钢材的绝佳选择。

1 正交胶合木应用研究现状

正交胶合木（CLT）是一种由3层或多层木质锯材通过横纵交错组坯胶合制成的新型工程木质材料[1]。CLT具有强重比大、尺寸稳定性优异、防火隔音性能好、环境友好等特性，使用其进行木质结构建造时，具有建筑结构设计简单、安装施工方便、耐候性能好等优点，相较于其他现代木竹工程材料、钢筋混凝土材料等具有明显优势，在欧美等地区已将其应用在装配式木结构建筑和高层木结构建筑当中[2]。

CLT及其重型木结构建筑体系与传统钢筋混凝土、砖混结构和轻型木框架结构建筑体系相比，具有以下明显优势[3-5]：

（1）尺寸稳定性优异。CLT板材用于预制化和装配式建筑物时，有其自身无可比拟的优势。由于CLT在制造过程中采用了横纵交错的正交胶合模式，使其一定程度上避免了木材本身的各向异性，尺寸稳定性优异，非常适用于幅面和跨度较大的墙面和楼板。CLT用于装配式建筑时，CLT奇数面的规格材排布方向一般与受力方向一致，如CLT墙板应平行于前面方向，这时由于CLT相对较高的刚度和双向强度，使其性能达到甚至超过相同厚度的钢筋混凝土墙面；

（2） 承载性能强。由于CLT在制造过程中选用经过分等的、含水率均一的木质锯材，在一定程度上保证了CLT板材的设计强度能够达到建筑要求。同时，横纵交错的正交胶合模式使其在各个方向上均有较好的承载性能，能够较好地发挥木材本身强重比高的特点；

（3） 防火性能好。木材在受热燃烧时会在其表面形成2~5 mm厚的炭化层，由于木材自身的微观结构以及炭化层的存在，燃烧的热量不能快速地向木材内部传递，使炭化层的木材能够一定程度上阻隔在火焰之外。CLT具有和木材相似的燃烧性能，国外相关研究机构对CLT箱式房屋进行全屋燃烧试样表明，CLT板材的耐火极限达1 h以上，同时其在燃烧过程中仍保持了一定的结构强度，有助于房屋内的人员撤离；

（4） 保温隔音性能好。木材具有良好的人体健康属性，其保温隔音性能良好。日本有关专家进行了长期木材人居环境学的研究表明，木质房屋内温度将长期保持在18~25℃，湿度将长期保持在55%左右，且具有较好的隔音性能，长期居住有利于人体健康。CLT由木质锯材组成，继承了木材优良的保温隔音性能，其建筑的总体保温节能综合指标较钢筋混凝土建筑高，同比减少16%~17%的能源消耗和26%~31%的温室气体排放；

（5） 固碳环保属性。近日，由中国建筑科学研究院牵头，联合相关企业，完成了《木结构建筑全寿命期碳排放计算研究报告》，对木质建筑的碳排放和碳足迹进行了一系列的调研、分析、论证工作。全寿命期碳排放计算是指对建筑物从建筑材料取材、运输到建筑物建设，以及建筑物建成后的运行、维护，直至建筑物寿命终止后的拆除，这一整个过程中各个环节的碳排放情况计算。通过对国内7个相关项目的综合分析，木结构建筑在建材生产阶段的碳排放降低48.9%~94.7%，建筑物的全寿命期减排幅度高达8.6%~13.7%。木结构建筑在运行能效上较钢材和混凝土等传统建材优势明显，这在全球气候变化的大背景下具有重要的现实意义，能够有力推动木建筑相关产业的发展；

（6）快速建造拆除。与传统的钢筋混凝土建筑相比，CLT木结构建筑可以进行模块化生产、装配式建造。CLT可以在工厂中预制生产成各种墙板、楼板、梁、柱等结构单元，再在建筑现场进行组装和建造。因此其施工快、工时短、用工少，同时建筑过程噪音低、建筑垃圾少，拆除后可以再次重装或重新利用；

（7） 建筑类型广泛。生产CLT的单元木质锯材一般为10~50mm厚，60~240mm宽；CLT层数为3层及以上，长度上还能够通过指接等方式进行接长，因此理论上可以制造不受尺寸限制的CLT建材。CLT可用于低、中层甚至高层（20层以上）的民用住宅和非民用建筑，可完全代替传统钢筋混凝土和砖混结构，也可部分代替，与钢筋混凝土等混合使用；

2 CLT生态民居建筑实例

2.1 项目概况

项目为国内首个两层高的CLT度假屋，采用葡萄牙制造的隔热软木板（Insulated Cork Board，ICB）作为外墙和屋顶覆层以及室内地板基材，极大地提升了CLT建筑物绿色环保的生态特性。ICB的集成不仅使这座CLT建筑更加耐用，外观舒适，节能环保。

该两层全生态CLT度假屋的占地面积66.4m2，居住面积为72m2，主体结构由35个CLT预制板组成，总用材量为25 m3。

项目由江苏某建筑工程有限公司承建，4名工人共用时2天，于2017年10月20日完成了初次搭建；于2018年12月又进行了拆建迁移，仅用时3天便完成迁移工作。实践证明，装配式CLT建筑易拆易建，材料环保且可完全回用，很适合在中国旅游地产，城镇化建设和农房工业化等领域进行示范和推广。度假屋总体建筑效果和实物如图1所示。

图1 总体建筑效果图

2.2 建筑构造

建筑主体结构所使用的正交胶合木（CLT），是一种风靡全球的绿色低碳预制型建材，可实现装配式建造和取代钢筋水泥预制板；外墙装饰所使用的软木板（ICB），是一种100%纯天然和可持续的生物质材料，可提升建筑物的环保品质和使用性能；室内装饰选用无醛实木地板和正交胶合木，营造了一个更为舒适安全的居住环境。实际建造过程如图2所示。

图2 实际建造过程

（1） 结构框架：建筑物的墙板，楼板和屋面板为CLT预制板，并与意大利Rothoblass Inc.提供的角撑架和自攻螺钉连接；建筑物的高度为5.095m。CLT面板由中国宁波中加低碳技术研究院制造。

（2）地板：采用宁波中加低碳技术研究院制造的绿慧牌无甲醛工程木地板。底层使用20mm厚的ICB，以实现良好的减震和防潮性能。

（3） 屋顶：采用预制的CLT面板，覆盖有防水沥青卷和40 mm厚的ICB，带有倾斜的屋顶，可轻松排水，顶板有一个500 mm的悬垂保护窗户。

（4）内部隔板：第一层没有隔板，但是在右侧安装了CLT梯子。二楼专为休息区和卧室而设计。建筑物的内部覆盖有绿慧牌无甲醛工程木地板，用于墙壁装饰。

（5） 外墙：它采用ICB作为外墙板，贴在覆盖有呼吸纸的CLT墙上。

（6）门窗：采用铝合金门窗。前，左和右标高的窗口大小为800 mm×2100 mm；后标高的窗口大小为1000 mm×1200 mm；屋顶的窗户尺寸为960 mm×1340mm；前门的尺寸为2390 mm×2200mm。整座建筑具有良好的通风和采光效果，实际室内装饰效果如图3所示。

图3 度假屋室内装饰效果

3 结语

目前，发展绿色节能建筑已成为世界主流，CLT结构建筑优良的固碳特性十分符合可持续发展的需要。CLT重型木结构建筑系统具有可持续发展、低碳环保、节省能源、施工迅速、低污染、低噪音等巨大优势，现已成为欧、美、日及澳洲等多个国家竞争发展的建筑工法。著名建筑师、普利兹克奖得主王澍在接受采访时，曾担忧中国未来50年将会面临特别严重的建筑垃圾问题。而CLT结构建筑的推动及发展很大程度上实现了工程建设全过程低碳环保、节能减排的目标。加之，ICB作为外墙隔热、节能、装饰材料，在建筑使用寿命终结后仍可被ICB生产公司100%回收重复利用，进一步推动了建筑废弃物的高效处理与再利用，助力中国绿色建筑发展。