两种建筑用重型无胶木基工程结构材介绍

贺勤 龚蒙

摘要：近几十年来重型木基工程结构材在北美和欧洲备受青睐，逐步被应用于中高层木结构建筑的设计和建造中。本文主要介绍层板钉合木和層板销合木这两类重型无胶木基工程结构材的结构和性能特点，分析了其优缺点，并列举了相关应用实例。

关键词：重型木基工程结构材;层板钉合木;层板销合木

前言

在钢材和混凝土尚未被使用前，木材一直是北美及世界上其他森林资源充足地区最主要的建筑材料。然而，自上个世纪以来，原材料资源结构发生了质的变化，逐渐以速生材和小径积材为主。为了适应这种原材料的变化和市场对木材的需求，各种工程结构材（Engineered Wood Product，EWP）被相继开发并投入生产，逐渐成为实木的替补材料。EWP包括胶合木（Glue Laminated Timber，GLT或Glulam）、单板层积材（Laminated Veneer Lumber，LVL）和定向刨花板（Oriented Strand Board，OSB）等。因为实木和木基工程结构材是一种“绿色”材料，它迎合可持续发展的趋势，有利于减缓气候变化，从而得到了世界各国政府的支持和鼓励。

相比实木产品，现代EWP通常具有更好的物理力学性能且可设计，其结构均一、尺寸稳定性好、强度和刚度大。利用EWP建造民用建筑、非民用建筑、桥梁和工业建筑更为经济。EWP最初是为替代轻型木结构建筑上部结构的小尺寸锯材和板材从而发展起来的，近几十年人们关注更多的是EWP中的一类结构材—重型结构材（Mass Timber Product，MTP）的开发。MTP是一类可替代结构钢材和混凝土的重型工程结构材，包括厚型板材产品，如正交胶合木（Cross Laminated Timber，CLT）、结构复合木材（Structural Composite Lumber，SCL）、胶合木（GLT）、层板钉合木（Nail Laminated Timber，NLT）和层板销合木（Dowel Laminated Timber，DLT）等。其中SCL又包括单板层积材（LVL）、层叠木片胶合材（Laminated Strand Lumber，LSL）和定向木片胶合材（Oriented Strand Lumber，OSL）。另外平行木片胶合材（Parallel Strand Lumber，PSL）也被认为是一种SCL，通常用于连接柱子与其他MTP。有时，木材-混凝土复合结构材（Timber Concrete Composite，TCC）和其它复合材料也被归为MTP。总之，MTP能满足设计者和建造者的创作理念和不同建筑形式的技术要求。

MTP被广泛用于大型木结构的建造，它有别于传统轻型木结构和梁柱木结构的建造方式，其建筑物上部结构或其他结构可使用单一或多种材料。因不一定需要梁柱，故出现了柱-板结构及其建造技术。目前，对建筑中使用什么类型的MTP及建造标准并没有明确规定，但有些国家已有或正在制定相关规范和标准，逐渐从定性指标向性能指标转变，最主要是修改了建筑物的防火性能指标。通过研究者和建造企业的大量实验和实践证明，MTP具有价格竞争优势强、碳汇性能好、可持续、耐候、隔音好和抗震性好等特点。可以说EWP和MTP材料的技术发展水平与其它主要的建筑材料相当。本文将主要介绍层板钉合木（NLT）和层板销合木（DLT）这两种类型的MTP。因为这两种材料在其制造过程中，基本不用任何胶粘剂，所以更加环保，从而受到了广泛关注，并逐渐应用在大型木结构建筑中。

层板钉合木

层板钉合木（NLT）是将规格材侧面拼接，并用钉子或螺钉紧固，制成的尺寸较大的平板结构材（图1）。早在19世纪初，美国东南部的棉花加工厂和锯材厂就利用NLT制造木地板，被称为“工厂结构材”。从此，NLT在工业建筑中流行起来。在1916年美国木材制造商协会出版了《重型木材工厂木结构》。一个多世纪以来，NLT一直用于桥梁铺面板、隔板和建筑物的建造。与胶合木（GLT）相同，NLT也是单方向拼接。在北美NLT和其他层合板类似，每层的厚度为38 mm以上、宽度为64 mm以上。NLT制造时的含水率通常为12%～16%，选用目测或机械分等（如应力分等MSR）的软木规格材，如2级规格材或1 650 f-1.5 E级MSR材。如果预制板材的长度在6 m以内，只需用拼板即可;如果超过6 m，就需要用胶接或指接木材。所以，在制造NLT时，不用或极少量使用胶粘剂。根据加拿大O86标准“木材的工程设计”，在拼接NLT时，要求钉子的长度要穿过两层拼板，并且要超过第三块的一半（图2）。例如102 mm长的钉子用于紧固38 mm厚的拼板，152 mm长的钉子用于64 mm的拼板。这种拼接钉材的要求源于实际生产，它能保证NLT始终完整。钉子也可错位排列，如图2所示，但每行的间隔应大于450 mm。NLT板材的尺寸只受到运输的限制，一般预组装的NLT长度为3～8 m。NLT的优点在于适合现场组装;在运输或持续的动态力作用下（例如车轮载荷和往复运动的工业设备），钉子能够吸收能量阻尼振动;此外，NLT还具有很好的防火性能。NLT的缺点是，当施加较高的刚性载荷或作为弯曲构件时，机械制造效率会变差;另外拼板间钉子弯曲以及连接容易产生缝隙（各层间的水分转移导致的裂缝）;组装速度慢;另外，因金属钉子的存在，NLT组装后难以切割。

作为一种重型木基结构材，近年来NLT的使用率有所提高。在一些复杂的木结构建筑的设计和建造中，可以选用NLT。图3所示的是一家位于中国青岛的旅游接待中心，其屋顶是以NLT为主体，结合规格材、胶合板和OSB等覆面板来加固完成整体结构。覆面板用钉子紧固于NLT上，这种隔板结构可以抵抗侧向力，同时使整个系统处于干燥状态。图4所示的是美国明尼阿波利斯T3木结构大楼，高七层，其中楼板使用了NLT，梁合柱选用了GLT。

层板销合木

层板销合木（DLT）是MTP中的另一类板材。DLT和NLT的拼板相同，但连接的方式不同。DLT用木销紧固，如图5所示。DLT也是单方向拼接。现代DLT是20世纪90年代由瑞典人首先发明的。DLT使用厚38 mm，深度为89 mm、140 mm或者184 mm的软木规格材，通过侧面拼接，面与面间用木销连接。与NLT不同的是，拼接DLT主要用指接材，其拼接时的含水率在19%以下。如使用SPF规格材，目测等级为2级及以上，MSR的等级为2 100 f-1.8 E。木销通常为高密度的阔叶材（例如栎木），直径一般为19 mm，含水率约为6%～8%。将木销插入拼板之前，要做出直径相同的预留孔。木销可以线性排列或交位排列，如图6所示。销间间隔为300 mm，错位排列的DLT刚度更高。通常木销穿透7～10拼板，所以，DLT比NLT的加工效率更高。组装后的DLT的含水率需要平衡，木销湿涨而板材干缩，这样两者结合的更加紧密，不需要再用胶粘剂或钉子进行增强。由于DLT除了指接材时使用少量胶黏剂，几乎为纯实木，所以它受到欧洲和北美地区的广泛青睐，被认为是真正意义上的100%木基产品。DLT可用CNC加工，如车削、刨削和磨削。预组装的DLT的长度达18 m以上，宽度从4.3 m开始递增，厚度76～349 mm;和NLT一样，其尺寸主要受到运输的限制。

DLT板材上可加工线管和其它孔，实现个性设计，如图6所示。设计者通过加工切口和凹槽来提高声学性能和美化外观。例如吸声条可以安装到DLT板材的内部，这样可以降低噪音同时又不影响外部纹理形态，同时还可以进行其它外部装饰。

DLT很适合用于地板、楼板和屋顶板建造，如图7所示，同时也可以用于墙体。如果在DLT的上部增加多层胶合板，就可以获得双层结构。另外，DLT可以用于承重构件和剪切墙，电梯和楼梯踏板的构建。DLT的设计要求可以参照NLT，目前尚无可参考的产品规范，只有少数公司的DLT产品提供自己产品的设计参数。因此，在使用DLT前，需征求建筑设计者的意见。

讨论：现代工程结构材基本上起源于北美和欧洲，在把英文名称翻译成中文时，出现了许多不同的中文名称，容易让读者造成困惑。如何较为确切地把英文翻译成中文，是一个值得推敲的问题。笔者认为，英文名称以timber结尾的，翻译成“木”为好，因为这类工程结构材基本上是用锯材（lumber）制成的，厚度相对较大，大于38 mm。如大家熟悉的glue laminated timber，翻译成胶合木或层板胶合木;cross laminated timber，翻译成正交胶合木;还有本文介绍的nail laminated timber和dowel laminated timber，翻译成层板钉合木和层板销合木。英文名称以lumber结尾的，翻译成“材”为妥，因为这类工程结构材基本上是用单板（veneer）和木片（strand）制成的，厚度和锯材差不多，大概为38 mm。如structural composite lumber，翻译成结构复合材;veneer laminated lumber，翻译成单板层积材，或旋切单板层积材;laminated strand lumber，翻譯成层叠木片胶合材;oriented strand lumber，翻译成定向木片胶合材。

附注

本文主要参考文献是“Timber Buildings and Sustainability”中的第二章“Lumber-based mass timber products in construction”，由本文的第二作者撰写，英国伦敦的IntechOpen出版社出版。