30-150平方CLT建筑产品库建筑设计文献综述

 2022-07-25 01:07

中高层木结构用正交胶合木(CLT)建筑发展

摘要:针对目前正交胶合木(CLT)的相关研究工作较少,基础理论与实验数据匮乏,产品规范与检测标准不完善的现状,介绍CLT发展沿革与研究现状,从CLT生产与材料研究,基础理论模型,结构节点设计与加固试验,工程案例分析等方面进行综述和分析评价,梳理CLT建筑与产品相关研究成果及发展热点,指出CLT研究中亟待解决的问题与尚未涉及的方面,为CLT产品设计研发与进一步试验研究提供借鉴和参考。

关键词:正交胶合木;发展现状;研究进展;木结构建筑

Review of research and development status of cross-laminated timber used by medium high-rise structure

Abstract: There are few researches focusing on cross-laminated timber(CLT) and basic theory and test data are insufficient ,and there is faultiness about product code and detecting standard. The research progress and development status of CLT were introduced. Analysis and evaluation were carried out on production and materials research on CLT ,basic theories model ,connection joint design and structural reinforcement tests ,and project cases study as well. Research results and development hot spots on the CLT architecture related products were studied. The existing problems in domestic research were pointed out as well as the research field that had not been yet covered. It can provide a reference for the native research on CLT products and structures.

Keywords: cross-laminated timber ( CLT) ; development status; research progress; timber structure building

  1. 研究意义

正交胶合木( cross-laminated timber,CLT)是20世纪90年代开始在欧洲研发的一种新型工程木产品,可用于建筑的墙体、楼面板与屋面板结构。CLT产品一般选用强度相对较低的速生木材(欧洲主要使用云杉)为原料,由至少3层实木锯材或结构复合板材纵横交错组坯,采用结构胶粘剂压制成矩形、直线、平面板材形式,并在工厂预制完成[1]。与其他传统建筑体系相比,CLT建筑不仅在建造过程中有效降低了碳排放以减轻环境负荷,且可以将大气中的CO2直接储存在建筑构件中[2]。据统计,2009年伦敦完工的9层CLT建筑(Stadthaus)仅墙体就储存了310t的CO2,另一栋2011年完工的公寓建筑(Bridport House)相比于钢筋混凝土建筑共减少CO2排放2113t,工期则减少了6周。又基于其易于建造、预制程度高等优点,CLT建筑相较混凝土与石质建筑等都更具竞争力,近年来生产量也大幅提升[3-5]。特别是在受地震影响较小的欧洲,CLT建筑不断向高层化发展,10层左右中等规模的建筑也在近几年频频建成[6-7]。由于我国现代木结构建筑研究起步较晚,相关建筑设计、产品及试验规范尚不完备,目前针对CLT结构性能的研究及产品应用仍处在探索阶段。部分学者结合国外经验就CLT墙体承载与连接性能进行准静态单调和循环荷载试验和软件模拟对比[8-9],但CLT相关基础理论研究及数据积累目前仍未见报道。南京林业大学木结构建筑系团队率先以CLT材料性能与截面设计、节点连接承载、墙体滚动剪切承载与抗弯等结构性能的加强为切入点系统地展开基础试验与计算模拟研究[10-11]。作为CLT产品的发源地,欧洲在CLT产品生产、标准制定等方面均处于世界领先水平,且以大量试验数据与工程案例积累作为基础,CLT研究体系相较世界其他地区也更为成熟。2013年5月在奥地利格拉茨科技大学(简称TU Graz)举办欧洲CLT会议(COST Action FP1004 European Conference of CrossLaminated Timber),邀请了来自奥地利、德国、英国、法国、意大利、捷克、希腊等国的相关企业与研究机构,以及北美FPInnovations机构等近200位与会者,就CLT生产与测试、设计与施工、节点设计与抗震、建筑物理与工程实例四个主题对欧洲CLT相关的最新课题与设计案例进行讨论与交流。本文借鉴这次会议的主题思路,依次从CLT生产与材料研究、结构节点设计与加固试验、工程案例分析等方面对CLT建筑与产品的研究成果与未来发展热点及研究方向作简要梳理,为国内CLT产品与结构的研究提供参考。

CLT的概念由E.Cziesielski在1974年首次提出[12],在欧洲最早以德国和奥地利为中心进行了CLT的研究开发。1993年首座单层CLT建筑在瑞士建成,2年后一栋多层CLT建筑在德国建成。但在这一阶段建造过程使用的CLT材料属于试验性质,并非量产。1998年由现在的CLT龙头企业KLH公司在奥地利施第里尔(Styria)建造了第一座CLT多层住宅建筑。同年,德国的国家技术认证机构(NationalTechnicalApproval)对德国的Merk公司、奥地利与德国的KLH公司给予了认证,这也是世界上首次由政府机关对CLT企业实行的认证[13]。

2013年欧洲CLT的产量已达55万m3,并以每年15%~20%的涨幅快速增长(图1)。其中约95%的CLT生产集中在中欧地区(奥地利占63%,德国占26%,瑞士占6%),预计在2016年将超过100万m3[14]。事实上CLT的发展在欧洲各国间也存在较大差距,以英国为例,自2001年正式引入CLT后,至2011年其年增长量达50%。虽在伦敦落成的9层CLT建筑(MurrayGroveBuilding)具有划时代意义,但在CLT的研究方面也仍不成熟。目前英国大量使用的CLT产自中欧地区,高昂的运输成本限制了CLT建筑的推广与技术自主研发,同时也不符合低碳建筑的理念。因此有研究者[15]开展了使用占英国本土软木资源50%以上的西加云杉(SiktaSpruce)作为CLT生产原材料的可能性,并依据BSEN408-2010标准对试件的强度与刚度进行测试。结果表明,采用西加云杉制作的CLT,其强度与刚度均可满足上述标准及CUAP(CommonUnderstandingAssessmentProcedure)[16]等文件的要求,为本地资源的充分利用和提升CLT的市场竞争力提供基础;此外Crawford[15]也提出CLT组坯时应对不同强度等级的材料进行预筛选和组合优化,如使用外层等级较高、内层等级较低的材料进行组坯。虽然CLT的研究在欧洲各国之间仍存在差距,但在涉及理论与材料相关的数据基础上已有相当的积累量,目前比较盛行的是针对已建成的CLT建筑的加固技术与相关评估方面的课题研究。

从欧盟的发展联合来看,由欧洲共同体(EuropeanCommunities)发展而建立欧盟,欧共体的全体会员国在1993年签订了《欧洲联盟条约》(TreatyofMaastricht),1997年增修后欧盟15个成员国达成《阿姆斯特丹条约》(AmsterdamTreaty)。在欧盟市场联合趋势的不断推动下,关于统一产品安全规格的《关于技术调和与标准的探讨》被理事会决议采纳,建设材料在1991年导入CE(ConformityEuropean)认证标识。CLT正是在这些标准规范的统一中诞生的产品,可以说标准规范的整顿推动了CLT在欧洲各地快速的普及和发展。此外,以被动式建筑为代表的节能建筑及相关技术,很多也是在以《京都议定书》为开端的CO2减排的世界趋势中诞生的。欧盟于2002年通过的建筑能效指令(EPBD),将减碳作为施政重点,要求所有欧盟成员国加强建筑规范和引进能耗认证。按照2010年EPBD的审查结果,要求到2020年,欧盟所有公共部门新建筑和翻新建筑达到接近零能耗建筑。其中性能优异的木质建筑被列入推荐选择,这也在一定程度上促进了CLT建筑的推广与普及。2012年5月我国科技部印发《“十二五”绿色建筑科技发展专项规划》,将绿色建筑共性关键技术研究、绿色建筑产业推进技术研究与示范、绿色建筑技术标准规范和综合评价服务体系建设作为重点,也正是与这样的世界潮流相互呼应。

图1 欧洲 CLT 的生产发展情况

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