正交胶合木在日本建筑中的应用

坂田弘安 山崎義弘

1 CLT的定义

CLT是Cross-Laminated Timber的简称，在日语中被叫做直交集成板，是1990年代欧洲开发的一种相对较新的木制材料。将从圆木上刨切下来的薄板（通常厚度为30mm）横向排开，每层木板纤维方向相互垂直地累叠并粘合。由于日本国内木材产量丰富，CLT作为一种能有效使用木材的建筑材料，受到大家关注。

木材在顺纹方向上（即木材生长的方向）有着与普通混凝土相匹敌的抗压强度，但横纹方向的强度相对较弱（约为顺纹方向的1/10），且横纹方向应对割裂破坏的强度非常弱。而CLT材料的优势在于，能够在一定程度上克服木材的这种弱点，且能够制作更大的板材。与一般木材相比，CLT材料使用的木材并没有更加坚固，其密度约为0.4～0.5g/cm3，在建筑材料中算是比较轻的。

单块CLT板的最大尺寸由制造机器决定，根据工厂的不同有所不同，日本能够生产的最大尺寸为3m˜ 12m（图1）。板材的厚度从三层板90mm到九层板270mm不等。日本在2014年施行《直交集成板的日本农林规格》（Japanese Agricultural Standards规格，简称JAS）；在2016年制定了构造计算基准等标准。在这之后，使用CLT材料的建筑物急速增加，预计在2022年底能达到1 000座左右[1]。

日本在建立CLT技术基准的过程中，一个巨大的课题是针对地震的安全性验证，即抗震设计方法的确立。从2011 2015年，为了制定新的法律日本进行了各种构造实验。例如，2014年制作了五层实验体（图2），利用防灾科学技术研究所的实体尺寸三维震动破坏实验设施（E-Defense）进行实验，证实在与1995年兵库县南部地震（JMA神户）相同的破坏力下，使用CLT板材的建筑物不会倒塌。从2016年开始，使用“CLT板材工法”的建筑物只要根据建筑基准法的相关规定进行构造计算，就可以免除个别申请程序，直接获得建设批准。

1 日本国内可制造的最大尺寸的CLT

2 2014 年进行的五层CLT 板材施工方法建筑物的振动台实验

3 CLT 板材工法的架构形式

4 局部使用CLT 板材的结构案例

2 CLT在建筑中的使用

“CLT板材工法”是指用CLT板材构成墙体和楼板的建筑。虽然也有只用一块CLT板材构成墙体的情况，但通常做法是将多块板连接起来形成一整个面（图3）。另外，也有在以其他工法为主的木造建筑中局部使用CLT的情况（图4a,4b）。

利用“CLT板材工法”的建筑物，在日本最高可以建造5层。超过5层的建筑物一般使用钢结构或者钢筋混凝土结构的混合结构，或者在钢筋混凝土结构中将墙体或楼板部分的材料换成CLT的部分利用（图4c,4d）。与钢材和混凝土相比，木材具有“重量轻、强度高”的特性。在建造中不全部使用CLT，而是将部分材料合理替换成CLT，可以减轻建筑的重量，减轻地震水平荷载。然而，由于CLT是由纤维方向相互垂直的薄板叠加制作的材料，作为墙体使用时并不适合负担太大的垂直荷载。因此对于高层建筑来说，需要使用钢柱作为受压构件，以确保地震时的安全（图4d）。

另外，根据日本法律，建筑物顶部的4层需要满足"1h防火"，这一规定虽然不算严苛，而从建筑物底部算起的第五层以上 "2h防火"的规定则对防火性能有更高的要求，因此，木材通常都要用石膏板等不燃材料覆盖。在这种情况下，即使木材自重较轻，但由于石膏板的增加，建筑的重量也会增加，并且将木材暴露出来也变得困难。因此最好是如图4c中所示，仅在建筑上部使用木结构。

3 CLT板材构造的建筑物

CLT板材之间是用相对标准化的金属构件进行连接的，也有不同厂家各自开发的构件。建造过程通常是先在地基上建一层的墙板，随后在其上铺设二层的地板，接下来再进行二楼的施工，不断重复这个过程逐层建造。2016年，在建筑研究所的场地上建造了一座实验建筑，测定其居住环境性能和耐久性能等。2020年建成的两层高的办公建筑，大约278m3的CLT作为墙体、楼板、屋顶和梁被使用，其中V形CLT梁的跨度为9m（图5,6）。2022年建成的休息亭，则是把CLT制作成单元模块后，在现场直接装配的例子（图7−9）。

4 CLT板材工法的力学性能

CLT板材之间的连接方法主要有三种：外盖钢板螺钉连接（图10）、内嵌钢板销钉连接（图11）、张拉螺栓连接（图12）。

（1）外盖钢板螺钉连接：使用的部件是在一般市场流通的标准构件。螺钉可以在施工现场用电动工具打入，无需预先钻孔。但由于每个螺钉的强度约为3kN，需要在主要受力点打入非常多的螺钉。同时为了保证建筑气密性，需要按钢板的厚度给CLT开槽。

（2）内嵌钢板销钉连接：需要在工厂生产时对CLT进行开孔和挖槽等多项加工。在内嵌钢板开孔时，如果孔洞尺寸过小就很难打入销钉，反之如果孔洞太大在施力初期会出现滑移导致刚度降低，因此需要在可操作性和结构性能间取得平衡。此连接方法可以实现强度较高的节点。

（3）张拉螺栓连接：需要对CLT进行开孔，但施工相对简单。只要把CLT表面的方洞堵住，就可以藏住金属构件，把CLT作为面材使用。

5 CLT 实验建筑

6 CLT 实验建筑

7 铭建工业休憩所CLT 单元吊装

8 建成后的铭建工业休憩所

9 建成后的铭建工业休憩所

10 外盖钢板螺钉连接

11 内嵌钢板销钉连接

12 张拉螺栓连接

这些节点的刚度、强度等力学性能，有一部分可以参考普通木材和集成材以往的设计准则来进行计算，但由于CLT是通过将薄板纤维方向相互垂直叠合制作而成的，也有一些现有的设计公式并不能适用于CLT。此外，在中高层建筑中使用CLT材料时，一般规格的金属构件强度可能不够。因此有必要开发新的连接方法，并通过实验逐一评估其性能。

CLT墙板基部的配件安装需要在墙板两端设置抗拉构件，以防止墙板在受到地震和风的水平荷载时旋转，并避免墙板被掀起。除此以外，还需要设置抗剪托架来防止横向滑动。由于每个配件都需要使用预埋螺栓，目前与普通木构建筑相比CLT建筑需要使用更多预埋螺栓，因此在连接方法的合理化方面还需要进一步研究。

在CLT实验建筑（两层，总建筑面积166m2）中，8天即完成了安装，连接方法主要采用外盖钢板螺钉连接。大约使用了18 000个螺钉和200个预埋螺栓（约是相同规模的木结构建筑使用数量的两到三倍）。

5 关于CLT的普及

近年来，人们对地球环境问题的关注度逐渐提高，并试图通过积极使用木材，为减少大气中的二氧化碳做出贡献。在以往钢结构及钢筋混凝土结构的建筑物中，以CLT为首的各类木质材料将会得到更多的利用。在研究CLT的应用时，不仅要考虑抗震设计，防火、保温以及声环境等都需要加以考虑，CLT建筑应用的相关研究和开发正在各个领域积极进行中。

图片来源

1−4,10−12 由日本CLT 协会绘制

5,6 (株)Nakasa & Partners 提供

7 Meiken Lamwood Corp.提供

8,9 Suehiro Photo Studio · 野上仙一郎拍摄