正交胶合木结构在建筑行业中的未来发展前景

黄智凝

广州城建开发设计院有限公司 广东 广州 510630

引言

钢筋混凝土是一种应用非常广泛的建筑材料。早在公元前的古罗马时期，人们就利用火山灰作为原料之一制作混凝土。到了19世纪末，一条条的钢筋被引入到混凝土中。从此，钢筋与混凝土便不可分割，它们在建筑界的地位亦难以撼动。在钢筋混凝土被引进我国以前，木、石、砖等是大众首选的建筑材料。在旧时的中国，大至威严宏伟的宫廷别院，小至寻常人家的田间小屋，无处不见木制建筑的身影。可如今，国内再也难以觅得木结构的身影。但随着正交胶合木这种新材料的出现，这个现状很可能会被改变。

1 正交胶合木的定义与发展简述

1.1 正交胶合木的定义

正交层板胶合木（cross-laminated timber），是以层板相互叠层、正交组坯后胶合而成的木制品；也简称为正交胶合木（CLT）。正交胶合木的层板厚度可取15～45mm，但长度和宽度方向并无具体要求，一般会根据具体应用的需要进行裁剪与拼接。

正交胶合木的层数一般为奇数（3～7层），以保证最外层的木纤维方向一致（也即是板的长度方向、主受力方向）。同一层的层板其纤维方向一致；相邻层的层板，其纤维方向则呈90°布置。垂直方向的层板，对受力方向的层板有拉结作用，且能增强其剪切刚度。因此正交胶合木在两个方向均能作用良好。

1.2 正交胶合木的发展与研究历史

正交胶合木起源于20世纪90年代，目前已在欧美多地广泛应用。自从其面世以来，各国陆续颁布了相应的规范和标准，涵盖正交胶合木的结构体系设计、标准化生产流程、力学性能与耐久性的测试与分析、装配式设计，与减震、防火、降噪等的方方面面。2012年1月21日，我国发布了第一本《胶合木结构技术规范（GB/T 50708-2012）》。正交胶合木的产量一直有增无减，预计在2025年可达到300万m³。虽然与其他传统木制品对比而言，其市场占有量依旧较少，但其发展势头已经十分强劲。

2 正交胶合木的优势与价值

正交胶合木的发展得以如此迅猛，全得益于它拥有的不少过人之处。本章节将从其自身优势，与建筑建造等方面，综合介绍正交胶合木这种才发展了短短30多年的新材料，为何能从钢筋混凝土的强力统治中分一杯羹。

2.1 天然绿色材料，低碳节能环保

2009年的哥本哈根联合国气候大会，期望通过减少碳排放等的手段，共同遏制全球变暖的趋势。我国根据本国国情与自身发展情况，在“十二五”与“十三五”的计划中，均提及绿色建筑的重要性。

木材作为天然生物质建筑材料，本身就是可持续发展、可循环利用的绿色固碳材料。每立方米的木材，在其生命周期内平均可储存0.8～0.9t的二氧化碳。采用正交胶合木建造的房屋比采用混凝土建造的可降低约45%的能耗，比采用钢结构的可降低约28%的能耗[1]。

2.2 力学表现良好，抗震性能优越

比起组成它的单元层板，正交胶合木具有更高的刚度，与更强的力学性能。层板中的自然缺陷（如木节、裂缝，与虫蛀等），在交错重叠的组合下被随机分布，使整体均匀性得以提升。

根据过往的正交胶合木振动试验可知，此类结构可具有优越的抗震性能。意大利林木研究院曾对3层与7层高的正交胶合木结构进行了足尺振动台试验[2]。结果显示它承载力强，刚度大，展现了良好的抗剪抗弯性能，各正交胶合木剪力墙与楼板等均无发生明显破坏。

2.3 炭化层隔火，耐火能力优异

火灾似乎是木材的天敌。但实际上，木材也可以具有不差于轻钢结构的优良耐火性能。在相同条件下，普通木结构的耐火阻燃值是钢结构的1.3倍，是混凝土结构的1.7倍[3]。

木材虽具有可燃性，但其在燃烧后（温度达到300°时），会在表面形成一层炭化层。炭化层可以阻止外部火源与内部木结构的继续接触，形成隔离带。根据设计需要的耐火极限与查阅规范可得的炭化速率，即可推导出炭化厚度。因此，在考虑防火设计时，只需扣除炭化部分厚度，结合规范公式，即可确保剩余部分的木结构仍能达到承载力设计值的要求。

2.4 模块化设计与生产，装配式施工与建造

正交胶合木建筑非常适合装配式设计。它不同于混凝土结构，不需要现场搭建木模或铝模，不需要现场浇筑，也不需要花时间对其进行养护、等待其到达一定的强度。

工厂预制的正交胶合木板，不仅可以节省大量的人力与物力；材料抵达现场后，也能被迅速地裁剪与拼接，达到加快建造速度、缩短施工周期，与提高工作效率的效果。此外，正交胶合木在施工过程中，基本不会产生废水、废料等混凝土建筑施工时常见的问题，从而最大限度地降低了建造过程对周围环境的影响。

3 正交胶合木的缺点与发展限制

诚然，正交胶合木拥有很多优点，但距离其达到与混凝土势均力敌的地位，还有很长的一段路要走。在分析完其优点后，还要着重分析正交胶合木的自身缺陷、当前应用现状，与限制其进一步发展的壁垒。

3.1 木材自身缺陷，腐烂与虫害的影响

树木作为天然的生物材料，难免会出现虫害与潮湿腐烂等的现象。而这些因素正影响着正交胶合木等木建筑的推广与应用。

当正交胶合木处于室外露天或者经常潮湿的环境时，它容易发生腐烂现象。常见的腐烂位置包括各构件的相连之处。此外，降雨、降雪等的外部天气因素，与水管老化与破裂等的建筑内部因素，也会造成潮湿环境诱发腐烂现象的发生。此种情况一旦发生，如果没有及时地发现并更换相应部件，可能会导致其承载力下降，甚至造成安全隐患。

3.2 木材内供不足，对外进口依赖大

“十三五”期间，中国林业部门为进一步保护我国珍贵的森林资源，全面禁止天然林的商业性采伐。我国对木材的需求量巨大，当国内供应量减少时，就势必会导致进口量的增加。

我国木材的进口量，从2000年的约28%，到2014年的约51%，再增长至2019年的约59%。在木材的进口组成中，针叶类树种占总进口量的3/4，主要流向了建筑业[4]。由此可见木材用量迅速增长的态势，与建筑行业对进口源的巨大依赖性。

3.3 科研力量不足，规范设计不完善

当前，我国正面临着师资力量不足与人才队伍短缺等的困境。目前开设木结构，特别是正交胶合木相关课程的高校非常少，且一般仅为选修课程，难以深入学习。

科研力量的稀缺，导致当前我国的规范仍有许多需要完善的地方。不完整、不完善的规范体系，使得正交胶合木在建筑行业中的发展困难重重。

3.4 应用宣传不足，设计意识缺失

正交胶合木才刚面世三十余年，与钢材和混凝土相比，尚且缺乏普及性。

设计人员对正交胶合木的认识不足，缺乏设计意识。提起建筑结构，首先想到的建设材料都是钢筋混凝土。很少人会关注木质结构的可能性，更别提正交胶合木了。除了设计端以外，现场的建设端也缺乏有相应施工资质的企业与员工。施工人员大多只和钢筋混凝土打过交道，并不具有木结构建造与安装等的相关知识。至于生产端，也存在着类似的问题。生产厂家数量稀少，缺乏完善的全自动生产线与技术人员等，也限制着正交胶合木的发展。

4 正交胶合木应用的推广办法

前文从正交胶合木的定义与发展研究历史开始，辩证地分析了它的优势与发展限制。接下来，将有针对性地提出让其得到更广泛应用的推广方法。

4.1 注重学校教育，培养专业人才

想要正交胶合木得以良性发展，教育需先行。首先，应鼓励更多高校开设相关的专业，加开与木结构、特别是正交胶合木相关的必修课程。课程设置亦不可流于表面，需要注重理论教育，同时又兼顾实际操作学习。

理论教育可包括木结构与正交胶合木的优缺点与发展现状，现行规范的讲解与探讨，力学性能的测试与分析等等。实际操作部分，则可以包括正交胶合木的课程设计，与实际建筑的参观学习等等。学生可以通过上述的教育手段对正交胶合木有了更全面、更深入的了解，为后续发展打下坚实基础。

4.2 开拓木材来源，开拓本土人工林市场

根据国家发展的战略需要，我国目前停止了天然林的商业砍伐，对进口木材的依赖程度已经超过五成。材料来源受制于人，将不利于木材类相关产业的良性可持续发展。

我国拥有世界上最大的人工林保有面积。人工林生长速度快，地区适应性强；但与天然林木相比，人工林木的力学性能会相对较弱。但对于正交胶合木结构而言，其交叉叠合的结构形式，能使整体性能更优于原材料。因此人工林完全有作为正交胶合木原材料的巨大潜力，以此降低其对国外进口的依赖程度。

4.3 强化宣传与鼓励，提高各方应用意识

我国目前正加大力度研究绿色建筑相关的议题，木材作为天然的绿色材料，理应被大力宣传与鼓励。在2019年伦敦设计节中，一个名为The Smile的两端弯曲悬挑正交胶合木建筑吸引了众人的目光，很多参观者第一次接触到这种材料，起到了很强的宣传作用。只有包括建筑师、设计师、施工人员、投资方，与生产厂家等的普罗大众都对其产生兴趣、愿意进一步去了解和学习时，它才能良性且快速地发展。

4.4 壮大科研团队，带动规范细化落地

在中国知网与万方数据知识服务平台中使用篇名分别搜索“混凝土”与“正交胶合木”，由反馈的结果可知：其文献总数相差巨大，总数之比高达2,700与3,500倍之多。仅2021年度，知网收录的标题含混凝土字样的文章就有1.24万份，而正交胶合木相关的仅有21篇。此外，发表论文的科研机构与文章获得国家基金支持的数量等，也存在巨大的落差。

在此种情况下，就更需要鼓励高校和科研单位对此种材料展开研究，营造浓厚的研究氛围。国家与地方则应当投入更多的科研经费，激发科研工作者与设计生产者们的研究热情。只有充分的科学研究支持，相应的规范才能被更好地修订与完善，惠及后续人员的设计与建造工程。

5 结束语

正交胶合木从面世到如今，才过了短短30余年。它凭借自身绿色低碳的特性、良好的抗震性能与耐火性能，和适用于装配式建造等的核心竞争力，已经展现出了强大的发展潜能。然而在现阶段，正交胶合木仍面临着自身天然缺陷、原材料进口依赖度高、科研力量不足，与设计人员和相关规范缺乏等的问题，制约着它更进一步地被应用于建筑行业中去。

因此，上至高校的教育与科研投入，下至设计、生产，与建造组装的全流程配合，还有正交胶合木原材料的国产化努力，只有各方共同协作发展，才能真正推动正交胶合木在国内的应用得以铺展开来。今日的树苗可以长为参天大树，明日的木材也必定可以建成摩天大楼。