CLT在工程中的應用（一）—生態示范民居度假屋

彭思，黃素涌，王建和，曹龍，張龍

（1.西南林業大學材料科學與工程學院 云南 昆明 650224）（2.寧波中加低碳新技術研究院有限公司 浙江 寧波 315000）

0 引言

建筑業消耗了大量的混凝土、鋼材和石材，是世界上最大的固體廢物產生源之一。據相關研究，建筑業在全球年度溫室氣體排放量中占比高達30%，減少建筑行業的碳足跡在減緩氣候變化方面有著至關重要的作用。

木材，曾經是世界上最古老的建筑材料，也是唯一的天然的和可再生、可持續利用的建筑材料。從古至今，人們都在不斷發掘木材在建筑結構上的應用。如今更是通過木材加工技術的創新，利用工程技術將實木材料轉化為更加復雜穩定的現代工程木材料。這種目前被業內稱為重型木結構（mass timber）的建造方式正在動搖曾經牢牢扎根建筑行業的混凝土和鋼材。木材不再被限制在建造低層建筑當中，我們現在可以利用先進的結構設計和材料大大加快木建筑的施工加工效率，同時讓木建筑造的更高。

正交膠合木（Cross Laminated Timber，CLT）是一種發源于歐洲并在近十年來廣受推崇并逐漸受到世界其他地區關注的新型工程木材料。因其可以匹敵混凝土材料的強度，漂亮自然的外觀，多功能性，易裝配性和可持續性而脫穎而出。CLT規格材和膠合木產品已被廣泛用于各類大型建筑項目，從體育館到橋梁，到住宅。由于其自然的外觀和結構強度，它成為建造高層、大樓的理想材料。CLT可以在工廠內被方便地進行CNC數控加工，根據BIM設計提前進行鉆孔和金屬連接件的安裝。現場的施工就如搭樂高積木般，可以做到90%以上的裝配率。而且CLT因為屬于重型工程木材料，在消防規范允許的層高下可以把木材暴露在外，這又大大減少了室內裝修的工序。CLT項目工地現場一般幾乎沒有建筑垃圾。雖然CLT材料的生產成本仍然很高，但如果考慮到更短的施工時間和更好的質量以及環保等因素，其仍然是替代混凝土鋼材的絕佳選擇。

1 正交膠合木應用研究現狀

正交膠合木（CLT）是一種由3層或多層木質鋸材通過橫縱交錯組坯膠合制成的新型工程木質材料[1]。CLT具有強重比大、尺寸穩定性優異、防火隔音性能好、環境友好等特性，使用其進行木質結構建造時，具有建筑結構設計簡單、安裝施工方便、耐候性能好等優點，相較于其他現代木竹工程材料、鋼筋混凝土材料等具有明顯優勢，在歐美等地區已將其應用在裝配式木結構建筑和高層木結構建筑當中[2]。

CLT及其重型木結構建筑體系與傳統鋼筋混凝土、磚混結構和輕型木框架結構建筑體系相比，具有以下明顯優勢[3-5]：

（1）尺寸穩定性優異。CLT板材用于預制化和裝配式建筑物時，有其自身無可比擬的優勢。由于CLT在制造過程中采用了橫縱交錯的正交膠合模式，使其一定程度上避免了木材本身的各向異性，尺寸穩定性優異，非常適用于幅面和跨度較大的墻面和樓板。CLT用于裝配式建筑時，CLT奇數面的規格材排布方向一般與受力方向一致，如CLT墻板應平行于前面方向，這時由于CLT相對較高的剛度和雙向強度，使其性能達到甚至超過相同厚度的鋼筋混凝土墻面；

（2） 承載性能強。由于CLT在制造過程中選用經過分等的、含水率均一的木質鋸材，在一定程度上保證了CLT板材的設計強度能夠達到建筑要求。同時，橫縱交錯的正交膠合模式使其在各個方向上均有較好的承載性能，能夠較好地發揮木材本身強重比高的特點；

（3） 防火性能好。木材在受熱燃燒時會在其表面形成2~5 mm厚的炭化層，由于木材自身的微觀結構以及炭化層的存在，燃燒的熱量不能快速地向木材內部傳遞，使炭化層的木材能夠一定程度上阻隔在火焰之外。CLT具有和木材相似的燃燒性能，國外相關研究機構對CLT箱式房屋進行全屋燃燒試樣表明，CLT板材的耐火極限達1 h以上，同時其在燃燒過程中仍保持了一定的結構強度，有助于房屋內的人員撤離；

（4） 保溫隔音性能好。木材具有良好的人體健康屬性，其保溫隔音性能良好。日本有關專家進行了長期木材人居環境學的研究表明，木質房屋內溫度將長期保持在18~25℃，濕度將長期保持在55%左右，且具有較好的隔音性能，長期居住有利于人體健康。CLT由木質鋸材組成，繼承了木材優良的保溫隔音性能，其建筑的總體保溫節能綜合指標較鋼筋混凝土建筑高，同比減少16%~17%的能源消耗和26%~31%的溫室氣體排放；

（5） 固碳環保屬性。近日，由中國建筑科學研究院牽頭，聯合相關企業，完成了《木結構建筑全壽命期碳排放計算研究報告》，對木質建筑的碳排放和碳足跡進行了一系列的調研、分析、論證工作。全壽命期碳排放計算是指對建筑物從建筑材料取材、運輸到建筑物建設，以及建筑物建成后的運行、維護，直至建筑物壽命終止后的拆除，這一整個過程中各個環節的碳排放情況計算。通過對國內7個相關項目的綜合分析，木結構建筑在建材生產階段的碳排放降低48.9%~94.7%，建筑物的全壽命期減排幅度高達8.6%~13.7%。木結構建筑在運行能效上較鋼材和混凝土等傳統建材優勢明顯，這在全球氣候變化的大背景下具有重要的現實意義，能夠有力推動木建筑相關產業的發展；

（6）快速建造拆除。與傳統的鋼筋混凝土建筑相比，CLT木結構建筑可以進行模塊化生產、裝配式建造。CLT可以在工廠中預制生產成各種墻板、樓板、梁、柱等結構單元，再在建筑現場進行組裝和建造。因此其施工快、工時短、用工少，同時建筑過程噪音低、建筑垃圾少，拆除后可以再次重裝或重新利用；

（7） 建筑類型廣泛。生產CLT的單元木質鋸材一般為10~50mm厚，60~240mm寬；CLT層數為3層及以上，長度上還能夠通過指接等方式進行接長，因此理論上可以制造不受尺寸限制的CLT建材。CLT可用于低、中層甚至高層（20層以上）的民用住宅和非民用建筑，可完全代替傳統鋼筋混凝土和磚混結構，也可部分代替，與鋼筋混凝土等混合使用；

2 CLT生態民居建筑實例

2.1 項目概況

項目為國內首個兩層高的CLT度假屋，采用葡萄牙制造的隔熱軟木板（Insulated Cork Board，ICB）作為外墻和屋頂覆層以及室內地板基材，極大地提升了CLT建筑物綠色環保的生態特性。ICB的集成不僅使這座CLT建筑更加耐用，外觀舒適，節能環保。

該兩層全生態CLT度假屋的占地面積66.4m2，居住面積為72m2，主體結構由35個CLT預制板組成，總用材量為25 m3。

項目由江蘇某建筑工程有限公司承建，4名工人共用時2天，于2017年10月20日完成了初次搭建；于2018年12月又進行了拆建遷移，僅用時3天便完成遷移工作。實踐證明，裝配式CLT建筑易拆易建，材料環保且可完全回用，很適合在中國旅游地產，城鎮化建設和農房工業化等領域進行示范和推廣。度假屋總體建筑效果和實物如圖1所示。

圖1 總體建筑效果圖

2.2 建筑構造

建筑主體結構所使用的正交膠合木（CLT），是一種風靡全球的綠色低碳預制型建材，可實現裝配式建造和取代鋼筋水泥預制板；外墻裝飾所使用的軟木板（ICB），是一種100%純天然和可持續的生物質材料，可提升建筑物的環保品質和使用性能；室內裝飾選用無醛實木地板和正交膠合木，營造了一個更為舒適安全的居住環境。實際建造過程如圖2所示。

圖2 實際建造過程

（1） 結構框架：建筑物的墻板，樓板和屋面板為CLT預制板，并與意大利Rothoblass Inc.提供的角撐架和自攻螺釘連接；建筑物的高度為5.095m。CLT面板由中國寧波中加低碳技術研究院制造。

（2）地板：采用寧波中加低碳技術研究院制造的綠慧牌無甲醛工程木地板。底層使用20mm厚的ICB，以實現良好的減震和防潮性能。

（3） 屋頂：采用預制的CLT面板，覆蓋有防水瀝青卷和40 mm厚的ICB，帶有傾斜的屋頂，可輕松排水，頂板有一個500 mm的懸垂保護窗戶。

（4）內部隔板：第一層沒有隔板，但是在右側安裝了CLT梯子。二樓專為休息區和臥室而設計。建筑物的內部覆蓋有綠慧牌無甲醛工程木地板，用于墻壁裝飾。

（5） 外墻：它采用ICB作為外墻板，貼在覆蓋有呼吸紙的CLT墻上。

（6）門窗：采用鋁合金門窗。前，左和右標高的窗口大小為800 mm×2100 mm；后標高的窗口大小為1000 mm×1200 mm；屋頂的窗戶尺寸為960 mm×1340mm；前門的尺寸為2390 mm×2200mm。整座建筑具有良好的通風和采光效果，實際室內裝飾效果如圖3所示。

圖3 度假屋室內裝飾效果

3 結語

目前，發展綠色節能建筑已成為世界主流，CLT結構建筑優良的固碳特性十分符合可持續發展的需要。CLT重型木結構建筑系統具有可持續發展、低碳環保、節省能源、施工迅速、低污染、低噪音等巨大優勢，現已成為歐、美、日及澳洲等多個國家競爭發展的建筑工法。著名建筑師、普利茲克獎得主王澍在接受采訪時，曾擔憂中國未來50年將會面臨特別嚴重的建筑垃圾問題。而CLT結構建筑的推動及發展很大程度上實現了工程建設全過程低碳環保、節能減排的目標。加之，ICB作為外墻隔熱、節能、裝飾材料，在建筑使用壽命終結后仍可被ICB生產公司100%回收重復利用，進一步推動了建筑廢棄物的高效處理與再利用，助力中國綠色建筑發展。