賀勤 龔蒙

摘要：近幾十年來重型木基工程結構材在北美和歐洲備受青睞，逐步被應用于中高層木結構建筑的設計和建造中。本文主要介紹層板釘合木和層板銷合木這兩類重型無膠木基工程結構材的結構和性能特點，分析了其優(yōu)缺點，并列舉了相關應用實例。

關鍵詞：重型木基工程結構材;層板釘合木;層板銷合木

前言

在鋼材和混凝土尚未被使用前，木材一直是北美及世界上其他森林資源充足地區(qū)最主要的建筑材料。然而，自上個世紀以來，原材料資源結構發(fā)生了質的變化，逐漸以速生材和小徑積材為主。為了適應這種原材料的變化和市場對木材的需求，各種工程結構材（Engineered Wood Product，EWP）被相繼開發(fā)并投入生產(chǎn)，逐漸成為實木的替補材料。EWP包括膠合木（Glue Laminated Timber，GLT或Glulam）、單板層積材（Laminated Veneer Lumber，LVL）和定向刨花板（Oriented Strand Board，OSB）等。因為實木和木基工程結構材是一種“綠色”材料，它迎合可持續(xù)發(fā)展的趨勢，有利于減緩氣候變化，從而得到了世界各國政府的支持和鼓勵。

相比實木產(chǎn)品，現(xiàn)代EWP通常具有更好的物理力學性能且可設計，其結構均一、尺寸穩(wěn)定性好、強度和剛度大。利用EWP建造民用建筑、非民用建筑、橋梁和工業(yè)建筑更為經(jīng)濟。EWP最初是為替代輕型木結構建筑上部結構的小尺寸鋸材和板材從而發(fā)展起來的，近幾十年人們關注更多的是EWP中的一類結構材—重型結構材（Mass Timber Product，MTP）的開發(fā)。MTP是一類可替代結構鋼材和混凝土的重型工程結構材，包括厚型板材產(chǎn)品，如正交膠合木（Cross Laminated Timber，CLT）、結構復合木材（Structural Composite Lumber，SCL）、膠合木（GLT）、層板釘合木（Nail Laminated Timber，NLT）和層板銷合木（Dowel Laminated Timber，DLT）等。其中SCL又包括單板層積材（LVL）、層疊木片膠合材（Laminated Strand Lumber，LSL）和定向木片膠合材（Oriented Strand Lumber，OSL）。另外平行木片膠合材（Parallel Strand Lumber，PSL）也被認為是一種SCL，通常用于連接柱子與其他MTP。有時，木材-混凝土復合結構材（Timber Concrete Composite，TCC）和其它復合材料也被歸為MTP?？傊?，MTP能滿足設計者和建造者的創(chuàng)作理念和不同建筑形式的技術要求。

MTP被廣泛用于大型木結構的建造，它有別于傳統(tǒng)輕型木結構和梁柱木結構的建造方式，其建筑物上部結構或其他結構可使用單一或多種材料。因不一定需要梁柱，故出現(xiàn)了柱-板結構及其建造技術。目前，對建筑中使用什么類型的MTP及建造標準并沒有明確規(guī)定，但有些國家已有或正在制定相關規(guī)范和標準，逐漸從定性指標向性能指標轉變，最主要是修改了建筑物的防火性能指標。通過研究者和建造企業(yè)的大量實驗和實踐證明，MTP具有價格競爭優(yōu)勢強、碳匯性能好、可持續(xù)、耐候、隔音好和抗震性好等特點。可以說EWP和MTP材料的技術發(fā)展水平與其它主要的建筑材料相當。本文將主要介紹層板釘合木（NLT）和層板銷合木（DLT）這兩種類型的MTP。因為這兩種材料在其制造過程中，基本不用任何膠粘劑，所以更加環(huán)保，從而受到了廣泛關注，并逐漸應用在大型木結構建筑中。

層板釘合木

層板釘合木（NLT）是將規(guī)格材側面拼接，并用釘子或螺釘緊固，制成的尺寸較大的平板結構材（圖1）。早在19世紀初，美國東南部的棉花加工廠和鋸材廠就利用NLT制造木地板，被稱為“工廠結構材”。從此，NLT在工業(yè)建筑中流行起來。在1916年美國木材制造商協(xié)會出版了《重型木材工廠木結構》。一個多世紀以來，NLT一直用于橋梁鋪面板、隔板和建筑物的建造。與膠合木（GLT）相同，NLT也是單方向拼接。在北美NLT和其他層合板類似，每層的厚度為38 mm以上、寬度為64 mm以上。NLT制造時的含水率通常為12%～16%，選用目測或機械分等（如應力分等MSR）的軟木規(guī)格材，如2級規(guī)格材或1 650 f-1.5 E級MSR材。如果預制板材的長度在6 m以內，只需用拼板即可;如果超過6 m，就需要用膠接或指接木材。所以，在制造NLT時，不用或極少量使用膠粘劑。根據(jù)加拿大O86標準“木材的工程設計”，在拼接NLT時，要求釘子的長度要穿過兩層拼板，并且要超過第三塊的一半（圖2）。例如102 mm長的釘子用于緊固38 mm厚的拼板，152 mm長的釘子用于64 mm的拼板。這種拼接釘材的要求源于實際生產(chǎn)，它能保證NLT始終完整。釘子也可錯位排列，如圖2所示，但每行的間隔應大于450 mm。NLT板材的尺寸只受到運輸?shù)南拗?，一般預組裝的NLT長度為3～8 m。NLT的優(yōu)點在于適合現(xiàn)場組裝;在運輸或持續(xù)的動態(tài)力作用下（例如車輪載荷和往復運動的工業(yè)設備），釘子能夠吸收能量阻尼振動;此外，NLT還具有很好的防火性能。NLT的缺點是，當施加較高的剛性載荷或作為彎曲構件時，機械制造效率會變差;另外拼板間釘子彎曲以及連接容易產(chǎn)生縫隙（各層間的水分轉移導致的裂縫）;組裝速度慢;另外，因金屬釘子的存在，NLT組裝后難以切割。

作為一種重型木基結構材，近年來NLT的使用率有所提高。在一些復雜的木結構建筑的設計和建造中，可以選用NLT。圖3所示的是一家位于中國青島的旅游接待中心，其屋頂是以NLT為主體，結合規(guī)格材、膠合板和OSB等覆面板來加固完成整體結構。覆面板用釘子緊固于NLT上，這種隔板結構可以抵抗側向力，同時使整個系統(tǒng)處于干燥狀態(tài)。圖4所示的是美國明尼阿波利斯T3木結構大樓，高七層，其中樓板使用了NLT，梁合柱選用了GLT。

層板銷合木

層板銷合木（DLT）是MTP中的另一類板材。DLT和NLT的拼板相同，但連接的方式不同。DLT用木銷緊固，如圖5所示。DLT也是單方向拼接?，F(xiàn)代DLT是20世紀90年代由瑞典人首先發(fā)明的。DLT使用厚38 mm，深度為89 mm、140 mm或者184 mm的軟木規(guī)格材，通過側面拼接，面與面間用木銷連接。與NLT不同的是，拼接DLT主要用指接材，其拼接時的含水率在19%以下。如使用SPF規(guī)格材，目測等級為2級及以上，MSR的等級為2 100 f-1.8 E。木銷通常為高密度的闊葉材（例如櫟木），直徑一般為19 mm，含水率約為6%～8%。將木銷插入拼板之前，要做出直徑相同的預留孔。木銷可以線性排列或交位排列，如圖6所示。銷間間隔為300 mm，錯位排列的DLT剛度更高。通常木銷穿透7～10拼板，所以，DLT比NLT的加工效率更高。組裝后的DLT的含水率需要平衡，木銷濕漲而板材干縮，這樣兩者結合的更加緊密，不需要再用膠粘劑或釘子進行增強。由于DLT除了指接材時使用少量膠黏劑，幾乎為純實木，所以它受到歐洲和北美地區(qū)的廣泛青睞，被認為是真正意義上的100%木基產(chǎn)品。DLT可用CNC加工，如車削、刨削和磨削。預組裝的DLT的長度達18 m以上，寬度從4.3 m開始遞增，厚度76～349 mm;和NLT一樣，其尺寸主要受到運輸?shù)南拗啤?/p>

DLT板材上可加工線管和其它孔，實現(xiàn)個性設計，如圖6所示。設計者通過加工切口和凹槽來提高聲學性能和美化外觀。例如吸聲條可以安裝到DLT板材的內部，這樣可以降低噪音同時又不影響外部紋理形態(tài)，同時還可以進行其它外部裝飾。

DLT很適合用于地板、樓板和屋頂板建造，如圖7所示，同時也可以用于墻體。如果在DLT的上部增加多層膠合板，就可以獲得雙層結構。另外，DLT可以用于承重構件和剪切墻，電梯和樓梯踏板的構建。DLT的設計要求可以參照NLT，目前尚無可參考的產(chǎn)品規(guī)范，只有少數(shù)公司的DLT產(chǎn)品提供自己產(chǎn)品的設計參數(shù)。因此，在使用DLT前，需征求建筑設計者的意見。

討論：現(xiàn)代工程結構材基本上起源于北美和歐洲，在把英文名稱翻譯成中文時，出現(xiàn)了許多不同的中文名稱，容易讓讀者造成困惑。如何較為確切地把英文翻譯成中文，是一個值得推敲的問題。筆者認為，英文名稱以timber結尾的，翻譯成“木”為好，因為這類工程結構材基本上是用鋸材（lumber）制成的，厚度相對較大，大于38 mm。如大家熟悉的glue laminated timber，翻譯成膠合木或層板膠合木;cross laminated timber，翻譯成正交膠合木;還有本文介紹的nail laminated timber和dowel laminated timber，翻譯成層板釘合木和層板銷合木。英文名稱以lumber結尾的，翻譯成“材”為妥，因為這類工程結構材基本上是用單板（veneer）和木片（strand）制成的，厚度和鋸材差不多，大概為38 mm。如structural composite lumber，翻譯成結構復合材;veneer laminated lumber，翻譯成單板層積材，或旋切單板層積材;laminated strand lumber，翻譯成層疊木片膠合材;oriented strand lumber，翻譯成定向木片膠合材。

附注

本文主要參考文獻是“Timber Buildings and Sustainability”中的第二章“Lumber-based mass timber products in construction”，由本文的第二作者撰寫，英國倫敦的IntechOpen出版社出版。