正交膠合木結構在建筑行業中的未來發展前景

黃智凝

廣州城建開發設計院有限公司 廣東 廣州 510630

引言

鋼筋混凝土是一種應用非常廣泛的建筑材料。早在公元前的古羅馬時期，人們就利用火山灰作為原料之一制作混凝土。到了19世紀末，一條條的鋼筋被引入到混凝土中。從此，鋼筋與混凝土便不可分割，它們在建筑界的地位亦難以撼動。在鋼筋混凝土被引進我國以前，木、石、磚等是大眾首選的建筑材料。在舊時的中國，大至威嚴宏偉的宮廷別院，小至尋常人家的田間小屋，無處不見木制建筑的身影。可如今，國內再也難以覓得木結構的身影。但隨著正交膠合木這種新材料的出現，這個現狀很可能會被改變。

1 正交膠合木的定義與發展簡述

1.1 正交膠合木的定義

正交層板膠合木（cross-laminated timber），是以層板相互疊層、正交組坯后膠合而成的木制品；也簡稱為正交膠合木（CLT）。正交膠合木的層板厚度可取15～45mm，但長度和寬度方向并無具體要求，一般會根據具體應用的需要進行裁剪與拼接。

正交膠合木的層數一般為奇數（3～7層），以保證最外層的木纖維方向一致（也即是板的長度方向、主受力方向）。同一層的層板其纖維方向一致；相鄰層的層板，其纖維方向則呈90°布置。垂直方向的層板，對受力方向的層板有拉結作用，且能增強其剪切剛度。因此正交膠合木在兩個方向均能作用良好。

1.2 正交膠合木的發展與研究歷史

正交膠合木起源于20世紀90年代，目前已在歐美多地廣泛應用。自從其面世以來，各國陸續頒布了相應的規范和標準，涵蓋正交膠合木的結構體系設計、標準化生產流程、力學性能與耐久性的測試與分析、裝配式設計，與減震、防火、降噪等的方方面面。2012年1月21日，我國發布了第一本《膠合木結構技術規范（GB/T 50708-2012）》。正交膠合木的產量一直有增無減，預計在2025年可達到300萬m3。雖然與其他傳統木制品對比而言，其市場占有量依舊較少，但其發展勢頭已經十分強勁。

2 正交膠合木的優勢與價值

正交膠合木的發展得以如此迅猛，全得益于它擁有的不少過人之處。本章節將從其自身優勢，與建筑建造等方面，綜合介紹正交膠合木這種才發展了短短30多年的新材料，為何能從鋼筋混凝土的強力統治中分一杯羹。

2.1 天然綠色材料，低碳節能環保

2009年的哥本哈根聯合國氣候大會，期望通過減少碳排放等的手段，共同遏制全球變暖的趨勢。我國根據本國國情與自身發展情況，在“十二五”與“十三五”的計劃中，均提及綠色建筑的重要性。

木材作為天然生物質建筑材料，本身就是可持續發展、可循環利用的綠色固碳材料。每立方米的木材，在其生命周期內平均可儲存0.8～0.9t的二氧化碳。采用正交膠合木建造的房屋比采用混凝土建造的可降低約45%的能耗，比采用鋼結構的可降低約28%的能耗[1]。

2.2 力學表現良好，抗震性能優越

比起組成它的單元層板，正交膠合木具有更高的剛度，與更強的力學性能。層板中的自然缺陷（如木節、裂縫，與蟲蛀等），在交錯重疊的組合下被隨機分布，使整體均勻性得以提升。

根據過往的正交膠合木振動試驗可知，此類結構可具有優越的抗震性能。意大利林木研究院曾對3層與7層高的正交膠合木結構進行了足尺振動臺試驗[2]。結果顯示它承載力強，剛度大，展現了良好的抗剪抗彎性能，各正交膠合木剪力墻與樓板等均無發生明顯破壞。

2.3 炭化層隔火，耐火能力優異

火災似乎是木材的天敵。但實際上，木材也可以具有不差于輕鋼結構的優良耐火性能。在相同條件下，普通木結構的耐火阻燃值是鋼結構的1.3倍，是混凝土結構的1.7倍[3]。

木材雖具有可燃性，但其在燃燒后（溫度達到300°時），會在表面形成一層炭化層。炭化層可以阻止外部火源與內部木結構的繼續接觸，形成隔離帶。根據設計需要的耐火極限與查閱規范可得的炭化速率，即可推導出炭化厚度。因此，在考慮防火設計時，只需扣除炭化部分厚度，結合規范公式，即可確保剩余部分的木結構仍能達到承載力設計值的要求。

2.4 模塊化設計與生產，裝配式施工與建造

正交膠合木建筑非常適合裝配式設計。它不同于混凝土結構，不需要現場搭建木模或鋁模，不需要現場澆筑，也不需要花時間對其進行養護、等待其到達一定的強度。

工廠預制的正交膠合木板，不僅可以節省大量的人力與物力；材料抵達現場后，也能被迅速地裁剪與拼接，達到加快建造速度、縮短施工周期，與提高工作效率的效果。此外，正交膠合木在施工過程中，基本不會產生廢水、廢料等混凝土建筑施工時常見的問題，從而最大限度地降低了建造過程對周圍環境的影響。

3 正交膠合木的缺點與發展限制

誠然，正交膠合木擁有很多優點，但距離其達到與混凝土勢均力敵的地位，還有很長的一段路要走。在分析完其優點后，還要著重分析正交膠合木的自身缺陷、當前應用現狀，與限制其進一步發展的壁壘。

3.1 木材自身缺陷，腐爛與蟲害的影響

樹木作為天然的生物材料，難免會出現蟲害與潮濕腐爛等的現象。而這些因素正影響著正交膠合木等木建筑的推廣與應用。

當正交膠合木處于室外露天或者經常潮濕的環境時，它容易發生腐爛現象。常見的腐爛位置包括各構件的相連之處。此外，降雨、降雪等的外部天氣因素，與水管老化與破裂等的建筑內部因素，也會造成潮濕環境誘發腐爛現象的發生。此種情況一旦發生，如果沒有及時地發現并更換相應部件，可能會導致其承載力下降，甚至造成安全隱患。

3.2 木材內供不足，對外進口依賴大

“十三五”期間，中國林業部門為進一步保護我國珍貴的森林資源，全面禁止天然林的商業性采伐。我國對木材的需求量巨大，當國內供應量減少時，就勢必會導致進口量的增加。

我國木材的進口量，從2000年的約28%，到2014年的約51%，再增長至2019年的約59%。在木材的進口組成中，針葉類樹種占總進口量的3/4，主要流向了建筑業[4]。由此可見木材用量迅速增長的態勢，與建筑行業對進口源的巨大依賴性。

3.3 科研力量不足，規范設計不完善

當前，我國正面臨著師資力量不足與人才隊伍短缺等的困境。目前開設木結構，特別是正交膠合木相關課程的高校非常少，且一般僅為選修課程，難以深入學習。

科研力量的稀缺，導致當前我國的規范仍有許多需要完善的地方。不完整、不完善的規范體系，使得正交膠合木在建筑行業中的發展困難重重。

3.4 應用宣傳不足，設計意識缺失

正交膠合木才剛面世三十余年，與鋼材和混凝土相比，尚且缺乏普及性。

設計人員對正交膠合木的認識不足，缺乏設計意識。提起建筑結構，首先想到的建設材料都是鋼筋混凝土。很少人會關注木質結構的可能性，更別提正交膠合木了。除了設計端以外，現場的建設端也缺乏有相應施工資質的企業與員工。施工人員大多只和鋼筋混凝土打過交道，并不具有木結構建造與安裝等的相關知識。至于生產端，也存在著類似的問題。生產廠家數量稀少，缺乏完善的全自動生產線與技術人員等，也限制著正交膠合木的發展。

4 正交膠合木應用的推廣辦法

前文從正交膠合木的定義與發展研究歷史開始，辯證地分析了它的優勢與發展限制。接下來，將有針對性地提出讓其得到更廣泛應用的推廣方法。

4.1 注重學校教育，培養專業人才

想要正交膠合木得以良性發展，教育需先行。首先，應鼓勵更多高校開設相關的專業，加開與木結構、特別是正交膠合木相關的必修課程。課程設置亦不可流于表面，需要注重理論教育，同時又兼顧實際操作學習。

理論教育可包括木結構與正交膠合木的優缺點與發展現狀，現行規范的講解與探討，力學性能的測試與分析等等。實際操作部分，則可以包括正交膠合木的課程設計，與實際建筑的參觀學習等等。學生可以通過上述的教育手段對正交膠合木有了更全面、更深入的了解，為后續發展打下堅實基礎。

4.2 開拓木材來源，開拓本土人工林市場

根據國家發展的戰略需要，我國目前停止了天然林的商業砍伐，對進口木材的依賴程度已經超過五成。材料來源受制于人，將不利于木材類相關產業的良性可持續發展。

我國擁有世界上最大的人工林保有面積。人工林生長速度快，地區適應性強；但與天然林木相比，人工林木的力學性能會相對較弱。但對于正交膠合木結構而言，其交叉疊合的結構形式，能使整體性能更優于原材料。因此人工林完全有作為正交膠合木原材料的巨大潛力，以此降低其對國外進口的依賴程度。

4.3 強化宣傳與鼓勵，提高各方應用意識

我國目前正加大力度研究綠色建筑相關的議題，木材作為天然的綠色材料，理應被大力宣傳與鼓勵。在2019年倫敦設計節中，一個名為The Smile的兩端彎曲懸挑正交膠合木建筑吸引了眾人的目光，很多參觀者第一次接觸到這種材料，起到了很強的宣傳作用。只有包括建筑師、設計師、施工人員、投資方，與生產廠家等的普羅大眾都對其產生興趣、愿意進一步去了解和學習時，它才能良性且快速地發展。

4.4 壯大科研團隊，帶動規范細化落地

在中國知網與萬方數據知識服務平臺中使用篇名分別搜索“混凝土”與“正交膠合木”，由反饋的結果可知：其文獻總數相差巨大，總數之比高達2,700與3,500倍之多。僅2021年度，知網收錄的標題含混凝土字樣的文章就有1.24萬份，而正交膠合木相關的僅有21篇。此外，發表論文的科研機構與文章獲得國家基金支持的數量等，也存在巨大的落差。

在此種情況下，就更需要鼓勵高校和科研單位對此種材料展開研究，營造濃厚的研究氛圍。國家與地方則應當投入更多的科研經費，激發科研工作者與設計生產者們的研究熱情。只有充分的科學研究支持，相應的規范才能被更好地修訂與完善，惠及后續人員的設計與建造工程。

5 結束語

正交膠合木從面世到如今，才過了短短30余年。它憑借自身綠色低碳的特性、良好的抗震性能與耐火性能，和適用于裝配式建造等的核心競爭力，已經展現出了強大的發展潛能。然而在現階段，正交膠合木仍面臨著自身天然缺陷、原材料進口依賴度高、科研力量不足，與設計人員和相關規范缺乏等的問題，制約著它更進一步地被應用于建筑行業中去。

因此，上至高校的教育與科研投入，下至設計、生產，與建造組裝的全流程配合，還有正交膠合木原材料的國產化努力，只有各方共同協作發展，才能真正推動正交膠合木在國內的應用得以鋪展開來。今日的樹苗可以長為參天大樹，明日的木材也必定可以建成摩天大樓。