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      木材也可以搭成“高樓大廈”!交叉層積材CLT你了解嗎?

      導讀:
      從早前的原木結構到節能實用的輕型木結構再到更加現代的膠合木結構,都充分體現著木結構時代的進步與科技的發展。CLT就是這一時期木結構建筑的新型產物。

      在如今,這個由鋼筋混泥土,

      鑄就的城市森林里,提到木屋,

      你會想起什么呢?

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      也許很多人和小編一樣,腦子里首先浮現的是如上圖一般的場景:低矮的木色房屋掩映在一片綠色之中,浪漫而溫馨自然。

      但是,接下來要給大家看的木屋,卻可以高層疊起,可以建造的充滿現代氣息。

      比如下圖案例來就是自加拿大的木材設計創新中心大樓和臺灣的森科總部大樓,它們都是采用的全木結構。

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      這就奇怪了,使用木質材料搭建木屋我們可以想象,完全采用木結構來建造現代化高樓,真的可行嗎?

      可行!高層木結構房屋的秘密就在于今天我們要重點討論的新型工程木材料CLT (Cross Laminated Timber),也叫做交叉層積材。

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      交叉層積材的由來和發展

      CLT這種新型的工程木制品最早誕生于20世紀90年代,由奧地利和德國建造了全球第一棟使用CLT預制構件建造的新一代重型木結構建筑。

      由于在歐洲,CLT的設計、生產、市場營銷和經銷穩步發展,使得到2010年,CLT木材產品已成為建筑上具有可行性選擇的建筑材料。

      2017年完成的位于加拿大哥倫比亞大學的18層學生公寓項目,建筑高度為53米,可容納404名學生,是現階段世界上最高的CLT裝配式木結構建筑。

      目前在加拿大不列顛哥倫比亞省建筑條例里現在已納了新的條款,即CLT木材可作為“備選建筑材料解決方案”,該村料的使用得到法規層面的認可。

      從早前的原木結構到節能實用的輕型木結構再到更加現代的膠合木結構,都充分體現著木結構時代的進步與科技的發展。CLT就是這一時期木結構建筑的新型產物。

      到底啥是CLT交叉層積木

      CLT交叉層積材是一種創新性的新型木質工程材料,由至少3層板材組成,每層結構由實木鋸材或結構用木質復合材平行膠合構成,且相鄰層按木材紋理相互垂直排列膠合。

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      ▲CLT面板配置方式

      CLT產品常見寬度為0.6,1.2,2.4,3m,長度可達18m,厚度可達508mm。

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      ▲CLT板件配置橫截面示例

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      ▲CLT配板中橫剖和縱剖視圖分析

      因為CLT相鄰層的正交結構,使其在材料主次方向均具有相同的干縮濕脹性能,整體的線干縮濕脹系數僅0.02%,其尺 寸穩定性是實木和膠合木橫紋的12倍。

      交叉層積材的性能如何

      既然可以用交叉層積材來建造高層建筑,那么它的諸多性能又如何呢?現在的鋼筋水泥結構,無論是耐火性、抗震性還是牢固持久性,都達到了很高標準,這些基本且關鍵的建筑屬性,CLT可以到滿足嗎?

      耐火性能

      木材雖然是可燃材料,但木材燃燒時形成的炭化層能夠充當絕緣體,有效阻止進一步燃燒,大大提高木材的耐火極限。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,是水泥結構的1.7倍。

      與傳統的輕型框架構件相比,CLT建筑構件的截面尺寸較大,燃燒時表面炭化形成絕熱保護層,有效提高了其在火災中的承載力,且層板之間幾乎沒有空隙,火勢通過空氣間隙傳播的風險性顯著降低。

      此外,相關研究表明,即總厚度一定的CLT,其層板單元厚度越大,耐火極限越高。提高CLT層板單元厚度、增加層板數量,以及設置表層覆面(如石膏板),均可提高CLT結構的耐火性。

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      抗震性能

      CLT結構應用于多層木結構建筑時,墻體側向承載力的高低,直接影響整棟建筑的抗震能。

      CLT建筑中構件與構件之 間的連接主要通過框架連接件配合緊固件來實現。除CLT層板本身剛度較高外,構件間的螺釘、鉸鏈等連接件與緊固件系統,使整體結構獲得良好的延性和耗能特性。

      意大利與日本學者合作,對3層和7層實體CLT 建筑進行了震動試驗。3層CLT 建筑經歷了15次地震模擬,仍然沒有出現嚴重的損害。7層CLT建筑在14次地震模擬后,亦保持足夠的結構強度和穩定性,X軸方向偏移僅1.3%,Y 軸方向偏移1.0%。

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      ▲7層實體CLT 建筑的震動試驗

      CLT 建筑的抗震性能主要取決于連接件的性能。應用于低層建筑,CLT 是重型結構材料,剛度高且不會發生斷裂現象;應用于高層建筑,框架連接件的使用,可增強結構的中高層韌性和延展性,使得建筑在承受地震荷載時能吸收大量能量,從而提高建筑的抗震性能。

      隔聲、保溫性能

      建筑的隔聲和保溫性能越來越受到人們的重視。由于木材的低熱傳導性和CLT的連續大幅面特征,可保證建筑良好的氣密性和隔音保溫隔熱效果。

      CLT建筑具有很高的保溫節能綜合效應,比用鋼材和水泥分別降低至少17%和16%的能源消耗及減少26%和31%的溫室氣體效應。

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      其它性能

      建造快和噪音低:

      與傳統鋼筋混凝土結構相比,由于CLT可在工廠實現模塊化生產,預制成各類墻板、樓板及屋頂板。在現場進行組裝與建造,用以取代現澆鋼筋水泥制品和水泥預制板。因此其組裝快,工期短,同時建筑現場噪音低,無污染,無建筑垃圾產生,拆卸后可重新回用。

      應用范圍廣:

      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應用。

      低碳、固碳、環保:

      計算結果表明,生產1立方米CLT材料只排放110kg的CO2,而原材料本身存儲825kg的CO2,因此凈儲715kg凈減少三個立方米的CO2的排放。生產制造過程中,CLT的溫室氣體排放僅為鋼材的1/20。

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      交叉層積材的生產與制造

      交叉層積材到底如何來生產呢?不同廠家的生產方式存在差異,這主要取決于木材種類、等級,層板大小、層數、組胚方式、膠黏劑的使用等等。但總的來說,CLT的生產制造包含如下步驟:

      基材選擇

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      木材分組

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      木材刨平

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      木材截長

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      木材施膠

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      木材放置

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      組胚施壓

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      CLT線上切割

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      產品包裝

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      交叉層積材在國內的發展現狀

      從最初的引進到消化吸收和創新,歐美木結構建造技術對我國現代木結構技術發展有很大促進作用。

      特別是在過去的十年里,以北美輕型木結構為代表的現代木結構在我國已經取得一定的發展,但是市場份額還遠遠落后于其他體系建筑,建造技術與標準亦不夠完善,再加上政策方面的一些限制,木結構建筑在我國還有很長的一段路要走。

      目前,針對CLT建筑的規范已經立項正在修訂中,《木結構設計規范》(GB50005)的最新修訂版也擬將補充CLT結構的相關內容。

      2014年3月,我國首棟雙層 CLT輕型木結構混合展示建筑在河北省遷安市落成,同年8月;我國首條CLT重型木結構生產線在遷安投產;

      2017年,中國第一棟CLT公共建筑OTTO Cafe(永續咖啡館)在寧波中加低碳院區內落成。它是2016年中加高校木結構設計邀請賽第一名的作品。

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      ▲OTTO Cafe洛成

      交叉層積材建筑案例展示

      文章的最后,羅列些國際上CLT建筑案例,感受下這種新型工程材料的無限可能性。

      ▼華盛頓州加里克住宅

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      ▼奧地利朱登寶多戶建筑

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      ▼加拿大魁北克省多戶建筑

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      ▼德國柏林的多戶住宅

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      ▼挪威的Viken Skog

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      ▼德國沃斯塔特一處辦公樓

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      本文參考:

      Erol Karacabeyli,Brad Douglas,USA,《Cross-Laminated Timber Handbook》

      闕澤利,李哲瑞,《交叉層積材(CLT)的開發應用及發展前景》;

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