欧美CLT建筑案例介绍:“微笑”景观木结构项目

摘要：正交胶合木（Cross-Laminated Lumber，CLT）作为一种新兴的木基工程材料目前已广泛应用于各类民用和非民用建筑中。“微笑（The Smile）”项目创新性地使用阔叶材北美鹅掌楸作为基材加工制造CLT板材，并将其应用于一个特殊的结构中。此项目的成功充分说明了CLT板材优越的结构性能，验证了阔叶材用于CLT加工制造的可行性。本文从外观设计、结构设计、材料选用和施工等方面对“微笑”项目进行了介绍和讨论，以期为我国阔叶材CLT的发展和应用提供一定的参考依据。

关键词：景观木结构;正交胶合木;阔叶材;工程应用

1. 前言

正交胶合木（Cross Laminated Lumber，CLT）是由至少三层实木锯材或木基复合材料正交胶合制成的一种新型木质工程材料。上世纪90年代，奥地利与德国率先提出了CLT的概念并开始了对CLT的研究和推广工作[1]。相比于其他现代工程木制品和混凝土、钢材等传统建筑材料，CLT具有强重比高、结构简单、尺寸稳定性好、环境特性好及安装施工方便快捷等优势[2]。基于此，CLT在欧美已广泛应用于各类民用和非民用建筑中。现阶段欧洲与北美的生产厂家在加工CLT产品时，普遍采用云杉、花旗松及欧洲赤松等针叶材树种作为原材料。目前，绝大多数阔叶材CLT的加工制造仍停留在实验室阶段，用于实验研究。因此，阔叶材CLT在工程中的应用案例少之又少。在现行欧洲CLT标准中，对可用于CLT加工制造的树种有详细介绍。其中，除杨木外，其他树种均为针叶材树种[3]。但是，现行北美CLT标准规定，除针叶材树种外，所有密度达到0.35 g/cm3且力学等级达到要求的阔叶材均可用于CLT的加工制造[4]。

北美鹅掌楸（Liriodendron tulipifera），又称美国黄杨木，广泛生长于美国南部与东南部地区，是美国主要经济阔叶材树种之一。据美国森林资源数据分析（FIA）显示，北美鹅掌楸立木蓄积量约占美国阔叶材总量的7.7%，年砍伐量约为1 280万m3，年生长量超过3 200万m3[5]。北美鹅掌楸纹理相比于水曲柳和橡木颜色较浅，心边材差异显著，边材呈乳白色，心材颜色呈浅黄色或棕黄色。北美鹅掌楸是散孔阔叶材，木纹通直，结构均匀，密度适中，抗弯性能与针叶材相近。其干缩率较高，但容易干燥且干燥后尺寸稳定性好。目前，北美鹅掌楸已广泛应用于家具制造、室内装饰和木质复合材料的加工[6]。另外，北美鹅掌楸也是我国从美国进口的主要阔叶材树种之一。

“微笑（The Smile）”是美国阔叶木出口委员会（AHEC）在2016年9月的伦敦设计节（London Design Festival）上建造的景观木结构展示项目。此项目由加拿大Alison Brooks建筑设计事务所主任Alison Brooks 女士进行整体设计，并由英国Arup建筑公司负责施工建造。本項目首次尝试采用北美鹅掌楸CLT作为建筑材料，建造了世界上第一个阔叶材CLT示范建筑，为以后阔叶材应用于CLT建筑提供了依据。本文对此项目的设计理念、材料应用和施工方法和难度等方面进行了介绍和讨论，以期为我国阔叶材CLT的发展和应用提供一定的参考依据。

2. 设计理念

设计者在设计“微笑”项目时，其初衷是设计一个连接桥梁、跳水台或其他娱乐设施入口的封闭通道，此通道具有弯曲且出入口不等高等特点。项目的设计理念来源于整体呈弧形的矩形截面空心梁结构，从正面看去像一个笑脸的形状。因此设计者将本项目命名为“微笑（The Smile）”，其外部效果图如图1所示;其内部结构为弧形的矩形截面管状通道，如图2所示。

如图3所示，其整体结构由一段半径为50 m的圆弧构成，两端悬空构成了两个悬臂梁空心梁结构。结构的整体高度为3.4 m，宽度为4.3 m，长度为34 m[7]。整个结构在圆弧的中间位置进行了固定并与建筑的地基相连，弯曲的悬臂结构向两端延伸，末端悬浮在空中。整个结构的入口位于结构中心位置，出口位于悬臂的两端。为保证项目结构的整体性，充分体现北美鹅掌楸CLT的结构性能，设计师决定根据结构形状，利用3块长度为14 m左右的CLT整板拼接安装结构两侧墙体。

值得注意的是，在本项目的设计中，设计者创新性的在两侧外墙上加入了若干直径在12到20 cm的椭圆形孔洞[8]。这些孔洞除起装饰、透光和通风换气作用外，还便于工程人员通过其尺寸变化测量其在使用过程中的应力变化。这些孔洞分布在整个结构中应力较小的位置。根据Arup公司结构设计的结果，这样的设计会在孔洞附近形成应力集中区域，有利于整体结构的应力分散，进而减少材料的使用量，降低项目建造成本。另外，由于此结构独特的外形设计，两端悬浮在空中。因此，整个结构像梁一样处在弯曲固定载荷的作用下，结构的中心位置为应力最大点，这也增加了其结构设计和施工的难度。

3. 建筑材料

本项目创新性的利用阔叶材北美鹅掌楸CLT作为建筑材料。北美鹅掌楸树体通直，易于干燥，无节区域大，节子较少，易于加工。因此，北美鹅掌楸易被加工成各种厚度规格的木材，增加了其作为CLT、胶合木等工程木制品基材的灵活性和可用性。另外，北美鹅掌楸强重比较高，其物理力学性能与针叶材相近，其12%含水率条件下的物理力学性能如表1 所示。为进一步说明“微笑”项目利用北美鹅掌楸加工制造CLT的合理性，本文在表1中引入了北美最常用的针叶材黑云杉（Picea mariana）的相关物理力学性能与北美鹅掌楸进行对比[6]。由表1可以看出，北美鹅掌楸平均密度与黑云杉相近，其弹性模量、静曲强度及顺纹剪切强度等力学性能指标略低于黑云杉，但差异均在10%以内。值得注意的是，北美鹅掌楸生材到绝干材干缩率大于黑云杉，但北美鹅掌楸易于干燥且干燥后尺寸稳定性好。因此，其干缩率对CLT结构的性能影响较小。由此可以得出，北美鹅掌楸可以用于CLT的加工制造（见表1）。

本项目主体结构所用的CLT板材由德国ZÜBLIN Timber 公司生产提供。CLT板材为7层结构，每层单元厚度为14.3 mm。CLT面板以15×89 mm尺寸规格的北美鹅掌楸指接材为单元基材，以结构用聚氨酯（Polyurethane）为胶黏剂，用真空压机在800 kg/m2的压力下加工而成。CLT成板的尺寸规格为14 m×4. 4 m×100 mm[9]。据Arup公司统计，包括加工损耗在内，本项目所使用的木材总量为85.8 m3，其中项目结构木材净使用量为68.8 m3，其CLT使用总量及分布情况如图4所示[10] 。

4. 项目施工

本项目在施工建造时，采用的是模块化工厂预制，现场组装的方式进行的。所有CLT板材根据结构设计方案，利用计算机辅助数控加工系统（CNC）在工厂加工成相应的模块单元，然后运至施工现场进行组装。这种施工方式也充分体现了CLT建筑施工简单、施工现场粉尘及噪声污染小等优点。

在本项目的施工中，CLT板之间采用长度为300 mm到400 mm的自攻螺钉作为连接件。依据结构设计人员计算，运用此规格自攻螺钉作为连接件可以使整体的结构强度增加20%到30%[10]。结构主体与中心位置的地基利用螺栓进行连接。为保证结构整体的美观性和连贯性，本项目采用木质地基，且地基的大部分埋于地下。但是，考虑到整体结构的特殊性，施工人员在木质地基壳体内放置了钢材以增加地基的自重，进而提高整体结构的稳定性，防止结构发生侧翻或因一端过载发生摆动。另外，由于整个结构为薄壁矩形箱体结构，在受到风载等侧向载荷时，整体结构易发生剪切变形，造成结构损坏。因此在施工时，工作人员在墙体与屋顶的连接处加入了刚性金属连接件，以增加结构抵抗侧向载荷的能力，防止箱体结构变形，如图5所示[8]。

5. 讨论

“微笑”项目利用厚度仅为100 mm 的CLT板材建造了这栋大跨度悬臂箱体结构，充分体现了CLT板材卓越的结构性能。同时，其独特的外形设计和结构设计也充分体现了CLT在工程应用方面的巨大潜力。在外观设计上，“微笑”项目的整体外形极具欣赏性，就如它的名字一样，像一张笑脸，给人以谦逊、舒适的感覺。其内部的灯光会通过侧面墙体的椭圆形孔洞中透出，使“微笑”在夜间看起来像一个温暖、柔和的“灯笼”。另外，这个项目在进行结构设计时兼顾考虑了其特殊的外形和受力情况。基于此，本项目在CLT板材单元、连接件和地基等方面都进行了改进或创新，为CLT结构的设计提供了一定的参考依据。在此项目中，设计者还创新性的利用阔叶材CLT作为结构模块单元，并通过其特殊的结构和受力状态验证了阔叶材CLT作为建筑材料的可行性，为今后阔叶材CLT的发展和应用提供了工程依据。由此看来，“微笑”无论是外形设计、结构设计还是材料应用，都可作为CLT应用的一个成功范例。