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木材也可以搭成“高楼大厦”!交叉层积材CLT你了解吗?

导读:
从早前的原木结构到节能实用的轻型木结构再到更加现代的胶合木结构,都充分体现着木结构时代的进步与科技的发展。CLT就是这一时期木结构建筑的新型产物。

在如今,这个由钢筋混泥土,

铸就的城市森林里,提到木屋,

你会想起什么呢?

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也许很多人和小编一样,脑子里首先浮现的是如上图一般的场景:低矮的木色房屋掩映在一片绿色之中,浪漫而温馨自然。

但是,接下来要给大家看的木屋,却可以高层叠起,可以建造的充满现代气息。

比如下图案例来就是自加拿大的木材设计创新中心大楼和台湾的森科总部大楼,它们都是采用的全木结构。

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这就奇怪了,使用木质材料搭建木屋大家可以想象,完全采用木结构来建造现代化高楼,真的可行吗?

可行!高层木结构房屋的秘密就在于今天大家要重点讨论的新型工程木材料CLT (Cross Laminated Timber),也叫做交叉层积材

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交叉层积材的由来和发展

CLT这种新型的工程木制品最早诞生于20世纪90年代,由奥地利和德国建造了全球第一栋使用CLT预制构件建造的新一代重型木结构建筑。

由于在欧洲,CLT的设计、生产、市场营销和经销稳步发展,使得到2010年,CLT木材产品已成为建筑上具有可行性选择的建筑材料。

2017年完成的位于加拿大哥伦比亚大学的18层学生公寓项目,建筑高度为53米,可容纳404名学生,是现阶段世界上最高的CLT装配式木结构建筑。

目前在加拿大不列颠哥伦比亚省建筑条例里现在已纳了新的条款,即CLT木材可作为“备选建筑材料解决方案”,该村料的使用得到法规层面的认可。

从早前的原木结构到节能实用的轻型木结构再到更加现代的胶合木结构,都充分体现着木结构时代的进步与科技的发展。CLT就是这一时期木结构建筑的新型产物。

到底啥是CLT交叉层积木

CLT交叉层积材是一种创新性的新型木质工程材料,由至少3层板材组成,每层结构由实木锯材或结构用木质复合材平行胶合构成,且相邻层按木材纹理相互垂直排列胶合。

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▲CLT面板配置方式

CLT产品常见宽度为0.6,1.2,2.4,3m,长度可达18m,厚度可达508mm。

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▲CLT板件配置横截面示例

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▲CLT配板中横剖和纵剖视图分析

因为CLT相邻层的正交结构,使其在材料主次方向均具有相同的干缩湿胀性能,整体的线干缩湿胀系数仅0.02%,其尺 寸稳定性是实木和胶合木横纹的12倍。

交叉层积材的性能如何

既然可以用交叉层积材来建造高层建筑,那么它的诸多性能又如何呢?现在的钢筋水泥结构,无论是耐火性、抗震性还是牢固持久性,都达到了很高标准,这些基本且关键的建筑属性,CLT可以到满足吗?

耐火性能

木材虽然是可燃材料,但木材燃烧时形成的炭化层能够充当绝缘体,有效阻止进一步燃烧,大大提高木材的耐火极限。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,是水泥结构的1.7倍。

与传统的轻型框架构件相比,CLT建筑构件的截面尺寸较大,燃烧时表面炭化形成绝热保护层,有效提高了其在火灾中的承载力,且层板之间几乎没有空隙,火势通过空气间隙传播的风险性显著降低。

此外,相关研究表明,即总厚度一定的CLT,其层板单元厚度越大,耐火极限越高。提高CLT层板单元厚度、增加层板数量,以及设置表层覆面(如石膏板),均可提高CLT结构的耐火性。

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抗震性能

CLT结构应用于多层木结构建筑时,墙体侧向承载力的高低,直接影响整栋建筑的抗震能。

CLT建筑中构件与构件之 间的连接主要通过框架连接件配合紧固件来实现。除CLT层板本身刚度较高外,构件间的螺钉、铰链等连接件与紧固件系统,使整体结构获得良好的延性和耗能特性。

意大利与日本学者合作,对3层和7层实体CLT 建筑进行了震动试验。3层CLT 建筑经历了15次地震模拟,仍然没有出现严重的损害。7层CLT建筑在14次地震模拟后,亦保持足够的结构强度和稳定性,X轴方向偏移仅1.3%,Y 轴方向偏移1.0%。

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▲7层实体CLT 建筑的震动试验

CLT 建筑的抗震性能主要取决于连接件的性能。应用于低层建筑,CLT 是重型结构材料,刚度高且不会发生断裂现象;应用于高层建筑,框架连接件的使用,可增强结构的中高层韧性和延展性,使得建筑在承受地震荷载时能吸取大量能量,从而提高建筑的抗震性能。

隔声、保温性能

建筑的隔声和保温性能越来越受到人们的重视。由于木材的低热传导性和CLT的连续大幅面特征,可保证建筑良好的气密性和隔音保温隔热效果。

CLT建筑具有很高的保温节能综合效应,比用钢材和水泥分别降低至少17%和16%的能源消耗及减少26%和31%的温室气体效应。

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其它性能

建造快和噪音低:

与传统钢筋混凝土结构相比,由于CLT可在工厂实现模块化生产,预制成各类墙板、楼板及屋顶板。在现场进行组装与建造,用以取代现浇钢筋水泥制品和水泥预制板。因此其组装快,工期短,同时建筑现场噪音低,无污染,无建筑垃圾产生,拆卸后可重新回用。

应用范围广:

可用于低、中层甚至高层(20层以上)的民用住宅和非民用建筑,可完全代替传统钢筋混凝土和砖混结构,也可部分代替,与钢筋混凝土等混合使用应用。

低碳、固碳、环保:

计算结果表明,生产1立方米CLT材料只排放110kg的CO2,而原材料本身存储825kg的CO2,因此净储715kg净减少三个立方米的CO2的排放。生产制造过程中,CLT的温室气体排放仅为钢材的1/20。

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交叉层积材的生产与制造

交叉层积材到底如何来生产呢?不同厂家的生产方式存在差异,这主要取决于木材种类、等级,层板大小、层数、组胚方式、胶黏剂的使用等等。但总的来说,CLT的生产制造包含如下步骤:

基材选择

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木材分组

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木材刨平

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木材截长

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木材施胶

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木材放置

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组胚施压

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CLT线上切割

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产品包装

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交叉层积材在国内的发展现状

从最初的引进到消化吸取和创新,欧美木结构建造技术对我国现代木结构技术发展有很大促进作用。

特别是在过去的十年里,以北美轻型木结构为代表的现代木结构在我国已经取得一定的发展,但是市场份额还远远落后于其他体系建筑,建造技术与标准亦不够完善,再加上政策方面的一些限制,木结构建筑在我国还有很长的一段路要走。

目前,针对CLT建筑的规范已经立项正在修订中,《木结构设计规范》(GB50005)的最新修订版也拟将补充CLT结构的相关内容。

2014年3月,我国首栋双层 CLT轻型木结构混合展示建筑在河北省迁安市落成,同年8月;我国首条CLT重型木结构生产线在迁安投产;

2017年,中国第一栋CLT公共建筑OTTO Cafe(永续咖啡馆)在宁波中加低碳院区内落成。它是2016年中加高校木结构设计邀请赛第一名的作品。

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▲OTTO Cafe洛成

交叉层积材建筑案例展示

文章的最后,罗列些国际上CLT建筑案例,感受下这种新型工程材料的无限可能性。

▼华盛顿州加里克住宅

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▼奥地利朱登宝多户建筑

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▼加拿大魁北克省多户建筑

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▼德国柏林的多户住宅

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▼挪威的Viken Skog

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▼德国沃斯塔特一处办公楼

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本文参考:

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

阙泽利,李哲瑞,《交叉层积材(CLT)的开发应用及发展前景》;

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