交叉层积材(Cross-laminated timber,简称CLT)是20世纪90年代初在欧洲开发出来的一种建造技术,从那时起它便开始成为一种得到广泛使用的新型建筑材料。在欧洲,CLT能够与钢材、砖块以及混凝土等材料在特定的细分市场进行抗衡与竞争,例如在多户住宅建筑中的应用。
美国 CLT 性能评价标准 ANSI/APA PRG 320-2012 是这样定义CLT的:预先将由至少三层平切木材或结构复合木材(SCL)组成的实木工程板进行堆叠,并用结构胶固定成一块牢固的矩形木板,该种木板可用于住宅和非住宅楼宇的屋顶、地板和墙体。
CLT面板采用预制加工手段。预制板材由起重设备以及小型的施工队被运送到施工现场以投入使用。
墙体和地板系统采用金属接头进行连接。额外的隔热层可以被应用在CLT墙体和天花板系统中,表层也可以露出来以利用木材的美学以及温暖等优势。作为一种建筑系统的交叉层积材的吸引力从某些程度上也源自于它的建造过程能够显著节省劳动力,并且对周边环境所造成的干扰也被降到最低。此外,CLT广受关注的另外一个因素是其在高层建筑领域的潜在用途。
全球生产情况
自从90年代初被引入市场以来,CLT的产量快速增长。2014年,CLT在全球范围的年产量超过60万立方米,这个数据到2016年为止有望超过100万立方米,原因是芬兰、拉脱维亚、日本和美国等国的业务量直线上升。在未来10年内,预计CLT产量可能会达到300万立方米,并且大部分的增长有望来自西欧以外的国家和地区。
目前,CLT的生产主要集中在中欧地区,尤其是讲德语的国家,截止2015年,这些国家的全球生产容量约接近80%(奥地利60%,德国17%以及瑞士3%)。
在某些方面,CLT的性能优于混凝土或钢。作为一种建筑系统,CLT能够在不使用中间支架的情况下实现大跨度。一块七层且总厚度为9英寸的CLT板材可实现的跨度大约为25英尺。
就CLT的结构性能而言,CTL板材相比其他类型的木质复合板材来说,可以被用作为承重板和剪力墙。同时, CLT在耐火性能方面也具备优势,这是因为大截面的木结构构件具有可预见的燃烧性能。此外,与木结构体系不同,CLT构件提供的隐蔽空间有限,从而降低了火灾蔓延风险。
CLT的抗震性能一直成为许多研究的主题。在一项实验中,一幢七层式的建筑样品需要承受强烈的地震运动,相当于里氏7.2级的规模。 CLT表现出优良的抗震性能,其最大的层间位移为1.5英寸,而横向变形小于12英寸。与此同时,与 钢材、砖、玻璃、塑料或混凝土等材料相比,CLT也彰显出更好的环境绩效。
CLT的环保属性主要来源于木材的基本特征,因为许多生命周期评估项目都证实木材具有优异的环保性能。为了实现森林可持续管理目标,使用木材代替钢材、混凝土或塑料能够帮助降低碳排放。
根据美国林务局在2011年发布的一项研究结果显示,与混凝土或钢材等其它材料相比,木材展现出卓越的环保性能,即使来自于病树的木材。大量的独立性研究对采用CLT以及混凝土建造的多层建筑进行了对比。
这些研究一致得出的结论是:CLT建筑的隐含能耗低于混凝土建筑,并且与混凝土和钢材相比,CLT建筑在抑制臭氧层耗竭、全球变暖以及富营养化等方面也展现出更优越的性能。此外,木材还拥有额外的优势:充当碳汇的角色。最后,加拿大开展的测试项目显示,CLT释放出来的挥发性有机物以及甲醛排放量都要低于既定标准。
欧洲的研究中心
CLT的现代化发展是基于90年代初,由瑞士政府发起的由产业部门和学术界共同贡献的努力成果,这个倡议旨在为锯木副产品开发新的市场。随后,CLT这一材料便得到了业界广泛的关注。2012年,据悉欧洲地区开展的CLT研究项目超过100个,而欧洲机构也开展了大量相关的研究活动。
另外,2014年于加拿大魁北克举行的“木材工程和林产品世界大会”针对CLT的研究组织举办了8场专题会议以及超过56场报告。如今,由于CLT在全世界得到了大量的应用,针对其用途以及技术进展等领域的研究也在全球范围开展得如火如荼。
鉴于木制品在欧洲建筑行业的应用潜力巨大,特别设计了一个基于网络的目标调查项目,以此收集来自欧洲CLT领域 的专家意见。迪尔曼(Dillman)的定制设计方法被用于设计和实施这项调查项目。
如今,网络调查正变得越来越常见,并且被视为一种用于高效采集信息的经济型手段。用心设计的网络调查能够产生足以比拟传统邮政调查手段的回复率和回复质量。本次调查选用的抽样方法是一种非概率性策略,即研究人员不确定所有潜在的受访者的选择是否都呈现出相同的变化模式。
样本构架
就本次调查而言,兴趣人群由欧洲木材工程专家以及聚焦木建筑结构领域的民间工程师和研究人员组成。调查采用的是非概率抽样策略。因此,调查结果和结论仅适用于该样本。列表上的许多专家是欧洲科技合作计划(COST)的成员。COST是欧洲国家第一个在科学技术领域合作的计划,它为后来欧共体框架计划的实施提供了经验和借鉴,这个合作计划由基础研究、预竞争研究以及公益研究组成,其目标是通过加强欧洲各国的合作与接触,确保欧洲在科学技术领域保持领先地位。
具体来说,选择的专家属于以下的“欧洲科技合作计划”组别:框架计划FP1402,这是一个木材结构设计的网络,目的是将研究结果与设计师、行业和监管机构的需求衔接起来,以及FP1101框架计划,该行动方案旨在评估、加强和监控木结构。
涵盖在通讯组列表中的专家包括就职于研究和教育机构、木建筑公司、制造企业、国家资助的实验室、木材工程咨询公司、民营企业、行业协会、设计和工程公司工作以及建筑软件公司的专家人士。最终的通讯组列表中包含了93组名字及地址。
反馈情况
在大多数受访者中,以“研究人员”为职业的占数最大(68.6%),其次为“工程师”(51%)和“教育工作者”(49%)。许多受访者表示其从事的职业不止一个,最常见的组合是工程师和研究人员(37.3%)以及教育工作者和研究人员(31.4 %)。最后,12位受访者(23.5%)表示他们的身份同时是工程师、研究人员和教育工作者。
就受访者所在的地理分布而言,他们没有在集中在某个特定区域,而是被广泛分布在25个欧洲国家。然而,大多数的受访者来自西班牙(19.6%)、瑞典(9.8%)和意大利(7.8%)。
认知水平
包括房屋业主、承包商、施工经理、工程师以及建筑师等在内的受访者被询问了他们对于交叉层积材(CLT)的认知水平以及看法。
根据参与者表示,施工经理、承建商以及业主对于CLT的认识水平较低。事实上,在从事这几类工种的专业人士中,91.5%,95.9%和98%的受访者将认知率标注为“低”或“非常低”。这些结果非常令人惊讶,因为CLT在欧洲已经被使用了20多年,并且许多行业杂志和新闻也对该产品进行了广泛地报道。
然而,工程师和建筑师对CLT的认知水平较高,32%和28%的受访者将此类专业人士的认识水平标注为“高”或“非常高”。
受访者被要求列出一系列在欧洲地区使用CLT所存在的潜在障碍。他们认为欧洲地区采用CLT面临的障碍是“与建筑规范的相容性”,有51%的受访者认为这是一个“大障碍”,其次是“技术信息的可获得性”,“对木材或CLT产生的误解”以及“成本问题”(分别占据38.8%,32.7%和29.2%的比例)。“市场供应状况”以及“生产CLT所需的木材用量”被认为是潜在的障碍因素。最后, 60.9%的受访者表示作为一种建筑材料的CLT的性能并不是一个障碍因素。
这些调研结果可以与最近在美国针对建筑师开展的一项全国性调查项目进行了对比。美国建筑师在某些观点上与欧洲工程师达到一致:即认为建筑规范的相容性是一个较大的障碍(在美国开展的研究项目中,近90%的受访者将建筑规范的相容性视为大障碍或潜在障碍因素)。
针对成本以及技术信息的可得性等因素所产生的结果是相似的。然而,就CLT的可获得性而言 ,认知存在差异,美国94%的建筑师以及欧洲67%的工程师认为CLT的可获得性是一个较大或潜在的障碍因素。美国地区对CLT的可得性产生的更明显的关注度并不奇怪,因为CLT在美国的确不容易获得。
此外,受访者被要求列出一系列并未出现在其它类别中的障碍因素。其中有七位参与者提出了建议,包括:担忧CLT会出现一系列木材原料的瑕疵和缺陷(火灾损失,腐烂,虫害),热性能,设计CLT建筑物所缺少的经验,高成本(住宅楼),防火性能(针对高层建筑),连结点的计算,公众意识的缺乏。所有提及的这些障碍因素均被认为是大障碍。
研究需求
问卷调查中的第四个问题问及了与CLT相关的研究需求。参与者获得了一张列有六项研究主题的清单,并且被要求根据重要性原则对这些研究主题进行排序。
为了便于解释,答案被分为三个类别:排名第一和第二的被归为“高优先级”类别,第三名和第四名被归为“中优先级”类别,而位列第五名和第六名的答案则被归为“低优先级”类别。
超过90%的受访者表示,“CLT的结构性能和连接工艺”是最重要的研究领域。在所有受访者中,分别有76.5%、64.7%和45.1%的人将“防潮性能”,“市场/消费者研究”和“声学性能”列为中等或较高的研究重点。有趣的是,96.1%的受访者将 “环保性能”列为“中等”到“低”的研究重点。
这一点是始料未及的,因为CLT在环保领域的特性被反复提及,而这一点也被视为其最大的卖点之一。由此可以推测,对于欧洲人来说,木材建筑物所突显的环保优势在过去20年甚至更长的时间内一直得到了大力推广,因此受访者并不认为在这一领域有必要再花费更多的努力举措。
另一个出人意料的结果是,结构性能被认定为是研究需求最高的课题,尽管这个课题并认为是限制CLT广泛得到采用最不重要的障碍因素。造成这种矛盾的一个潜在解释是基于大多数的受访者的研究背景是结构工程领域。
CLT是一种创新的木制建筑产品,与传统的建筑材料相比,它展现出显著的经济和环保优势。CLT建筑能够有效储存大量的碳,并且与混凝土建筑或钢材建筑相比,它所释放的碳量也更低。此外,CLT的预制特性确保了高效和有效的建造并且对周边环境产生的干扰因素也被降到最低。研究表明,从结构上看,CLT能够匹敌甚至赶超更多的传统建筑材料。
CLT所具备的这些优势也推动了其产量的持续增长,主要是在中欧地区。尽管CLT产量和施工量仍然高度集中在这一地区,但CLT在世界其它地区,如澳大利亚,新西兰,日本和北美等也引发了越来越浓厚的关注度和兴趣。因此,CLT在结构设计、性能和试验等领域的研究活动也迅速增长。
在这项研究中,欧洲木材工程以及土木工程和研究领域的专家们表达了他们的观点 (一)CLT在欧洲建筑界的认识水平;(二)他们认为CLT最迫在眉睫的研究领域;(三)CLT在欧洲使用所面临的障碍因素。
总的来说,主要的研究结果概况如下:
•受访者认为CLT在欧洲建筑行业所获得的认知水平较低,尤其是在工程师和建筑师中。然而,房屋业主、承建商和施工经理对于CLT在欧洲建筑行业所形成的意识水平更低。
•据受访者表示,采用CLT的主要障碍是建筑规范的相容性(其中51%的人认为这是一个较大的障碍),技术信息的供给(38.8%),公众对木材形成的误解(32.7%)以及成本(29.2%)。此外,58.3%和45.8%分别将CLT的获得性以及建造所需的木材用量视作为潜在的障碍因素。最后,60.9%的工程师没有将CLT作为建筑材料所展现的性能视为障碍因素。
•根据参与本研调活动的受访者表示,最为重要的研究领域是CLT的结构性能和连接工艺(90.2%的人将其列为 “高优先级”),随后是防潮性能(37.3%)和市场研究(27.5%)。对于欧洲的木材工程师而言, CLT的热性能(11.8%)和环保性能(2%)似乎并没有成为一个高优先级的研究需求。