由CLT 想到的

2022-03-02 07:32:54庄晓峻BenjaminZhuang
建筑技艺 2022年12期
关键词:木结构建筑师建筑

庄晓峻 Benjamin Zhuang

1 什么是CLT?

近年来,CLT出现的频率越来越高,特别是在国内外建筑大师的方案中,CLT往往伴随着减少碳排放、碳中和、绿色建筑等概念一起出现。笔者作为一名木结构从业人员,往往要回答来自业主、设计院、总包等单位有关CLT的诸多问题,希望本篇文章能够系统地解释CLT相关概念。

在我国,CLT被翻译成正交胶合木(Cross-Laminated Timber),通常是采用窑干的规格材经分拣和切割,涂刷高强度结构胶黏剂,经正交交错90q叠放后,使用水压或真空压力机竖向胶合成大块的实木板材,特点是横纹和竖纹交错排布。在成品的基础上,可以再用计算机数控机器CNC对成品CLT进一步加工以确定其规格大小,成为二次深化后的建筑构件。在定制的CLT构件运往建筑工地前,可以先在CLT上加工门和窗的开口以及管线系统的槽口,从而大大缩短工地上的施工时间。在现场施工工序、机械和临时措施组织得当的条件下,可以实现真正意义上的100%装配式施工。

1 重型木结构工程木材种类

欧美不同生产商生产的CLT有所差异,主要取决于木材原材料的种类、强度等级和规格、胶水类型和连接工艺等细节。欧洲的CLT大多采用云杉为原材料,但在北美也有用花旗松、南方松和其他相似树种的,总之遵循木材产地的就地取材原则。CLT的强度等级根据弹性模量来区分,通常以原材料规格材的强度等级来挑选,并不是所有木材都可以加工成CLT。北美生产商的尺寸通常可以做到3m宽、19.5m长,而欧洲的规格可以做到3.5m宽、24m长。但长宽规格的大小除了受生产设备的限制之外,最主要是受到交通运输条件的限制,尤其是越洋的标准集装箱尺寸限制。厚度也是关系到CLT结构表现的重要指标,北美的厚度通常可以做到78~314mm(根据英制换算),而欧洲的厚度则为60~400mm。北美CLT的生产符合APA PRG-320认证,而在欧洲则是EAD 130005−00−0304认证。除了这些结构受力的指标外,业主和建筑师对CLT外观标准的考量也是一项主要指标,通常CLT至少有一个面是直接暴露而无需装饰的。因此,CLT外观的节疤大小、纹路方向甚至颜色差别也是需要提前确定的。

CLT技术自20世纪90年代中期问世后,一直备受绿色建筑行业关注。这种源自欧洲的新型工程木产品,不仅绿色环保,且具有较高的结构强度,自身具备防火功能,因而可为木质建筑提供灵活的设计方案、有竞争力的成本和优异的结构强度,大有取代传统混凝土和钢结构之势。在绿色环保方面,木材作为一种负碳的建筑材料,对比钢结构和混凝土结构的优势不言而喻,这也是欧美建筑师对其“趋之若鹜”的主要原因之一。同时由于CLT是具有一定厚度的木材,因此在使用过程中具有天然的隔热和隔声效果,这和传统节点构造做法有很大不同。在结构性能方面,CLT因为具有更高的强度重量比,自重一般比其他类型的建筑材料轻,每立方米云杉CLT重量只有500kg左右,同样体积的钢筋混凝土则重达2 400kg,几乎是混凝土建筑的五分之一。这一天然优势让其在地震中能够达到很好的抗震效果,CLT作为一种建筑材料与其他在建造中使用到的连接件和紧固件一起保证了整体结构具有较强的抗震能力。CLT的厚度也带来了极好的耐火性,这与重型木结构的特性相似。一旦发生火灾,CLT木板材料表层会以一定速率缓慢地炭化,并且内部的核心部分仍保持原有的结构强度。因此,这种炭化效果可以使CLT达到规范要求的耐火时限,保障建筑在火灾时的安全。

但是,CLT的使用也有一定局限性。由于交错互叠的层板构成,其尺寸稳定,有很好的承载力和抗剪强度,可以同时在垂直和水平方向进行拼接,所以通常CLT会被用作建筑的楼地面、屋面和抗剪的剪力墙,等同于我国广泛使用的混凝土楼地面、屋面和剪力墙。但CLT产品构造上的特点使其无法做成弧形的自由体造型,这在一定程度上限制了建筑师的创作。

除了技术上的诸多优势,CLT在欧美的风行也源自于经济上的优势。欧美的低密度建筑市场长期被轻木结构所统治,木结构有着良好的市场认同度。如今材料技术的突破、低碳建筑的需求和规范上的更新,再加上政府和行业协会的支撑,使得CLT慢慢开始占据中高层建筑的市场。CLT的价格对比欧美建材市场的混凝土结构和钢结构有一定优势,同时装配式施工又可以大量节省昂贵的现场人工。同等类别CLT的价格和木材的国际市场价格是有一定关联的,目前欧洲特别是加工产业发达的德国和奥地利的CLT已经占据了北美、大洋洲以及以新加坡为主的亚洲市场。

24 层的HoHo Wien 位于奥地利维也纳,高度84m,建筑面积为25 000m2,一度与挪威Mjøstårne(85m)争世界第一高木结构。这幢高楼使用了777 根大体量的GLT 胶合木柱,同时采用了约1 600m3外观等级的CLT 作为楼地面和墙体。在施工过程中,所有CLT 墙板都在预制厂中安装完门窗和防水层,然后直接运至工地进行安装,大大提高了整体建筑的施工速度。在绿色环保方面,大量使用工程木所储存的二氧化碳也使HoHo Wien 成为绿色低碳建筑的先锋。

2 仅仅只有CLT?

虽然CLT的出现频率很高,但它仅仅是一个材料的名称。在其背后是一个更大的建筑概念——重型木结构(Mass Timber)。如上所述,CLT作为重型木结构的排头兵,正在抢占欧美的中高层建筑市场。在政府和行业协会的支持下,欧美的建筑业从设计、材料和施工技术各方面都在进行技术创新和项目实践。

Mass Timber代表着重型木结构的系统,包含了CLT(正交胶合木)、DLT(木榫集成木)、GLT(层板胶合木)、NLT(钉接集成木)等一系列工程木产品。这些工程木产品使重型木结构,特别是高层的木结构成为可能。GLT通常作为梁柱体系出现,而楼板、墙板和屋面板则是在CLT、DLT或NLT中选择。

2 HoHo Wien

3 HoHo Wien 中CLT 楼地面板和墙板

4 UBC District Energy Center 应用CLT

5 北温哥华市政厅应用LSL

6 Soto Office Building 室内应用DLT

7 Soto Office Building 室内应用DLT

8 Soto Office Building 室内应用DLT

作为历史最悠久的工程木,GLT又称胶合木,在轻型木结构和重型木结构中都有使用,其产品技术成熟,无论国内和国外都有成熟的设计规范。目前国内已有数条GLT生产加工线,主要生产原材料规格材,以进口欧洲的云杉和北美的花旗松为主,不过国内已展开了国产胶合木的产品质量认证体系。欧美的GLT材料除了历史悠久和认证过程完整外,主要的优势在于二次加工的能力,特别是在复杂构件的CNC数码加工上,高端的德国加工机械几乎无所不能。北美则是在材料的研发上更胜一筹,在GLT的基础上,除了和欧洲一样可以生产高技术含量的LVL(单层板胶合木)外,又开发出强度更高的PSL(平行木片胶合木),以及不用传统结构类树种作为原材料的LSL(层叠木片胶合木)。这些产品在结构中起到梁柱作用,为重型木结构的发展打下了良好的基础。

DLT的主要特点是使用坚硬的硬木榫将规格材从侧面层压连接在一起,形成的厚木板适合于单向受力的平板类构件。相比CLT,DLT最为突出的优点是在生产过程中没有复杂的胶合工艺,也没有任何金属连接件,所以是真正意义上的纯木构件。由于没有胶合剂,所以它比CLT的环保性更好,因此尤其受到建筑师的欢迎。生产工艺上,由于受到规格材的高度限制,通常会小于285mm的厚度,但其在一个方向上的承载力特别强,最大的屋面跨度可以达到18m。

Soto Office Building 位于美国德州的圣安东尼奥市,是一幢典型的DLT+GLT的木结构中高层商业办公建筑。6层的建筑中,一层和核心筒为混凝土结构,其余5层为重型木结构。这样的混合结构体系也是目前北美中高层重型木结构建筑的典型结构形式。在6m˜ 9m的GLT柱网体系下,DLT预制板被加工成2.4m宽、18m长,直接吊装至GLT胶合梁上。16 800m2建筑面积的施工时间比同样的混凝土或钢结构施工快很多,同时DLT楼面的隔声和防颤效果都比轻型木结构楼地面系统更佳。此外,木结构和建筑的玻璃幕墙、砖墙外围护系统,在精细的深化设计下也做了很好的结合。

NLT的历史最为悠久,是由螺钉将相邻的规格材从侧面连接起来,同时在NLT的上翼缘再钉上胶合板进一步提高结构的平面刚度。这种刚度很强的楼地面系统在一个世纪前北美的农场仓库里已经使用,其厚度随着规格材的高度变化,从89~285mm不等。同CLT和DLT一样,NLT在北美的规范NBCC和IBC中是被认可的,其中规定NLT屋面的厚度至少是64mm,楼地面的厚度至少是89mm。对比CLT和DLT这两个工业化的产品,NLT还是需要一定人工在现场一根根钉制而成,但这也带来了建筑设计的灵活性。例如,利用相邻板材的位置微调,NLT板就不仅仅是平面了,可以根据建筑师的要求实现带有弧度、高低错落的自由体屋面。

9 Soto Office Building

青岛小珠山游客中心建于2012 年,为实现建筑师概念中云一样的双曲屋顶,项目采用了NLT系统,并充分利用其设计和施工的特点,2 800m2屋顶由近400m3云杉规格材钉制而成,93 根锥形的胶合木柱托起整个屋面。同时,充分发挥木结构强重比性能高的特点,屋面上还有150mm 覆土形成的绿植层,这也是目前国内NLT 应用面积最大的项目。

3 CLT在中国能用吗?

目前为止,我国木结构建筑市场中CLT的应用少之又少,归结原因主要还是在供需两个方面。在市场需求方面,一是业主单位对大型木结构建筑的顾虑,使整个建筑市场中大型木结构项目屈指可数,而中高层木结构建筑则基本没有。业主的顾虑往往集中于防火安全、造价成本和建成后维护成本。近年来国际知名建筑师设计的项目中,有不少运用了重型木结构,但往往由于业主的上述诸多顾虑,最终无果而终。除了技术和造价的考虑,还有就是对国内木结构行业是否能够实现这些技术的担心。的确国内目前木结构标志性项目不多,更没有使用CLT的中高层木建筑案例。而本土的混凝土结构,以及目前主要推行的钢结构装配式建筑,这二者在国内都有广泛的产业基础。虽然在环保上的表现远远不及木结构,但其技术成熟度和经济上的竞争优势足以统治市场。因此太多的木结构方案,最终还是被改为钢结构和混凝土结构加装修。

在市场供给方面,由于木材资源的匮乏,我国尚未形成规模化的木结构材料产业。目前,木结构材料还主要依赖于从国外进口原材料,几家GLT国产胶合木的生产企业都需要从北美和欧洲进口板材。而由于没有市场,生产CLT的企业更是稀有。NLT由于不需要专业的加工机械,需要较大的现场劳动力,比较符合国内的施工特点,同时由于其独特的建筑表现力,因此被很多建筑师使用。

市场和技术一直是整个行业的两大推手,没有庞大的市场和充分的竞争就无法推动技术的更新换代。反观欧美市场,同样的逻辑,最早NLT的出现并没有让其得到普及,是因为使用最广泛、造价更有优势的轻型木结构技术就可以实现建筑师们要求的楼地面和屋面系统。而低密度的木结构建筑(特殊的建筑除外)并未对楼地面的刚度有那么高的要求。当市场还未发展到一定程度,先进的技术自然就沉没于轻木结构体系泛滥的汪洋大海中。到了20世纪末,欧洲掀起了绿色低碳建筑的浪潮,市场推动着天然的绿色低碳木结构产品向多高层建筑发展。基于几十年的GLT工业化生产经验,欧美各大林业产品企业开始争相研发并加工投产CLT。同时,材料的发展很快使各国都修改了木结构规范,越来越多的建筑师开始设计中高层木结构建筑。经过近二十年的发展,市场的充分竞争又对产品提出了更高的要求,于是DLT便应运而生。DLT不需要胶合,使工业化生产的效率大大提高,从而又形成了相对的价格优势。

10 青岛小珠山游客中心双曲NLT 屋面(BCJ)

13 苏州河驿站采用NLT(致正建筑工作室)

14 青苗采用GLT(中国建筑西南设计研究院有限公司)

15 天府农博园主展馆采用GLT(本土设计研究中心)

从某种角度上说,材料的工业化是建筑行业的核心。我国由于木材资源的匮乏,因此建筑类木材的工业化程度与欧美同行差距较大。从古至今,建造都更多注重就地取材。虽然全球化的趋势不可逆转,但如果材料一直依赖进口,并不是长久之计。可喜的是,在中国建筑西南建筑设计院领衔的团队多年努力下,围绕着木结构设计规范(GB 50005),已经建立了一套完整的木结构规范体系,其中包含了针对中高层木结构建筑的技术标准(GBT 51226−2017),就包括了CLT产品。同时,同济大学等国内的高校科研机构对CLT的研究工作也早已展开。

他山之石,可以攻玉。在目前这一阶段,建议业主、设计单位和总包单位不要轻易地否决建筑师的木结构方案,让我国的建筑市场上涌现出一批标志性的重型木结构案例,无论是大跨度还是中高层。目前我国的防火设计规范对重型木结构概念还是持肯定的态度,其中明确地说明木结构的防火性能在各个方面优于钢结构,如果防火设计在一定条件下超出了规范,也可以进行专家论证。木结构造价的优化,并不是单纯降低材料的价格,而是要找到专业的团队做出合理的综合优化方案。关于木结构建筑的日常维护,更是可以在前期设计更好的构造节点,制定好方案,以及确定合理的维护费用,从建筑的全生命周期来考虑维护成本。

当一个个绿色低碳木结构建筑高质量的完成,不仅能够体会建筑师选择木结构来表达理念的奇思妙想,也能对比出木结构建筑与混凝土和钢结构深层次的不同。有了好的示范,才能推动我国重型木结构在设计、材料和施工上的发展。纵观中高层重型木结构在欧美发展的这二十年,也是以示范项目作为领头兵出现的。虽然我国木结构产业条件和技术基础无法与欧美相比,但坚信市场和技术的原则,我们一定可以走出具有中国特色的重型木结构道路,为我国的木结构行业、绿色建筑市场、碳中和的目标做出贡献。

16 太原植物园温室采用GLT(DMAA)

图片来源

1,4−9 StructureCraft 提供

2,3 Hasslacher 提供

10,12−16 上海思卡福提供

11 来源于www.archdaily.cn

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