胶合木结构的发展、应用及展望

陆伟东;杨会峰;刘伟庆;岳孔;程小武

【摘 要】回顾了木结构发展的历史,阐述了当今社会所面临的巨大环保压力及时绿色建筑、绿色施工技术的迫切需求.木材是一种可再生资源,而胶合木结构由于具有绿色高性能特点而得到广泛应用.胶合木结构的应用领域涵盖大型公共建筑及桥梁领域,其不仅在发达国家是一种常见的结构形式,近年来在中国也相继出现了一些大型工程实例;同时,国内的设计和加工水平也在快速提高.最后,指出了胶合木结构在中国广阔的应用前景.%The development history and the background of timber structures of China were reviewed. The enormous pressure from

environmental protection was also described. The necessity for the use of green building and green construction technology was stated. It was noted that wood was a kind of renewable resource, and glued laminated timber(glulam) structures had gained an extensive use for its green property and high performance. The application fields of glulam structures had covered the large-span public buildings and bridges. It was familiar to the developed countries and appeared some large scale glulam structures in China in recent years. Furthermore, the design and the fabrication level were rapidly improved. Finally, it was pointed out that glulam structures had a good prospects in China.

【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2011(033)005 【总页数】6页(P105-110)

【关键词】胶合木;绿色建筑;结构

【作 者】陆伟东;杨会峰;刘伟庆;岳孔;程小武

【作者单位】南京工业大学土木工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学土木工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学土木工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学土木工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学土木工程学院,江苏,南京,210009 【正文语种】中 文 【中图分类】TU366

木结构历史悠久，是人类最早采用的建筑结构形式之一。早在3 000年前，在中国、埃及和希腊3个文明古国就已出现木结构框架体系，随后很长一段时间内，木结构以其优良的结构性能与美学价值等特点得到了广泛应用[1]。

到了近代，随着科技的发展，钢材与混凝土逐渐取代木材成为主要的建筑材料，然而以钢结构与混凝土结构为主导的建筑业向来是耗能与污染大户。据统计，2010年我国生产粗钢达到6.27亿t，粗钢产量占全球44.3%，超过了排在我国之后的20个国家的粗钢产量之和，钢铁工业能耗占全国能耗的13%;2010年我国水泥产量18.8亿t，约占全世界水泥总量的60%，水泥工业年消耗标煤约1亿多t，年排放CO2约8.5亿t。传统结构材料的生产带来了严重的环境污染、能源和资源的匮乏，制约了我国国民经济的可持续发展。因此，开发新型节能、生态环保、高性能、低成本的新型建筑材料势在必行。

木材是一种可再生、可多次循环利用的天然资源，同时木结构具有绿色、节能、环保等特点，可为人类提供理想的生活、工作和居住建筑环境;同时，现代科技尤其是木材深加工技术的发展为我国木结构及其建筑文化的复苏提供了强大动力。对我

国而言，木结构的回归无疑将刺激人工林产业与木材加工企业向深层次发展，进而带动林业、化工、机械加工、木材加工以及建筑设计、施工、销售及维护等相关行业的健康可持续发展[2]。

现代木材深加工技术已成功应用于木材加工业，这为我国木结构的发展提供了良好机遇[3-5]。

典型的、应用普遍的深加工木材是层板胶合木(Glulam)，它是由20～50 mm厚的木板经干燥、顺纹胶合而成，中间过程包括表面处理、端部拼接等生产工艺，其加工工艺如图1所示[6]。

1)原材料可再生，绿色环保。木材的生长过程则是消耗CO2产生O2的过程，木材加工所消耗的能量远低于其他建筑材料，木材还可重复利用，其废弃也对环境无害，适量合理采伐可使树木及森林的生长形成良性循环。2)优良的物理力学性能。胶合木不仅保留了实木锯材理想的天然特性，而且还具有材质均匀、强度设计值高、成品规格灵活、耐久阻燃等特点，大大拓宽了其应用领域。3)工业化程度高、施工方便。构件大多在工厂制作，现场安装，更加符合绿色施工要求。4)设计及功能的多样性。胶合木技术提高了木材的利用率，成品规格尺寸及形状灵活，能够直接加工成曲线、异型构件，可满足多种需要。5)良好的耐腐蚀性能。木材本身也具有良好的耐化学腐蚀性能，经过特殊防腐处理的木材，能够暴露于室外数十年甚至上百年，完全满足现代工程的耐久性需要。6)良好的抗火性能。胶合木耐火的机制就是靠木材在燃烧时表面产生碳化层来延阻木材燃烧的速度。大截面木构件遇火时，其强度保持时间比金属要长。

据美国工程木材协会介绍，早在1900年，瑞士和德国就发布了胶合木的第一批专利。

1906年，德国的一项专利标志着胶合木建筑的真正开端;美国最早在1934年就修建了一座胶合木建筑——位于威斯康星州麦迪逊市的USDA林产品实验室，至今

仍在使用。

从20世纪50年代至今，欧、美、日等发达国家和地区对工程木进行了大量研究，形成了较成熟的技术体系，并且将其广泛应用于大型商业和工业建筑以及学校、体育场馆、别墅、会所及桥梁等领域。

我国曾在20世纪五六十年代引进胶合木结构技术，但由于后来使用木材和木结构建筑，在国内并未发展起来。近5年来，随着我国经济实力的增长、人民生活水平的提高以及对绿色建筑和绿色施工技术需求的增加，我国在胶合木这种重型木结构建筑及其相关技术的研究及应用方面呈现出了加速发展趋势。

胶合木由于同时具有设计和加工灵活性、工厂预制和现场安装的便捷性，其结构和构件形式也灵活多样，主要的结构形式[7]见表1。

在北欧、北美、日本、澳大利亚、新西兰等发达国家和地区胶合木结构的应用相当普遍，主要集中于大型公共建筑，如体育馆、游泳馆、商业建筑、教堂、学校及展览馆等。 2.1.1 体育馆

木结构用于大型体育馆具有很多优势，如节能环保、音响效果优良及防火安全性高等特点，同时其外观优美、给人以自由开放、亲切舒适的感觉。由于其节能效果好、结构及构件质量轻、施工方便且周期短，所以整个结构的造价会较低，从而降低了建造成本。

1981年，在美国华盛顿州阿纳海姆市建成了一座大型多用途体育馆——塔科马体育馆(图2)，馆内可举办足球、网球和篮球等不同规模的赛事，其主体结构为胶合木穹顶结构，它由许多三角形单元木架构组成。穹顶直径162 m，穹顶距地面45.7 m，屋顶共有414个高度为762 mm的弧形胶合木梁，大厅面积13 900 m2，最多可容纳26 000名观众，号称世界上最大的木结构穹顶。该设计方案由于在外观、环保、性能等方面具有领先优势而被采纳。在经济方面，其造价小于充

气屋顶结构、混凝土结构方案，木结构、充气穹顶结构和混凝土穹顶结构的造价分别为3.02、3.55和4.38亿美元。

著名的日本长野奥林匹克纪念竞技场(图3)，是专门为1998年第18届冬季奥运会建造的体育场馆，因其建筑外观新颖奇特、剖面呈M形，而被称为M之波。M之波具有强烈的开放与自由感，这主要归功于它的悬挂式钢木混合屋顶;其屋顶跨度80 m，最高处为43.3 m，木材所具有的良好的塑性性能及其轻质高强的特点使其结构抗震、抗风能力优异。

除上述大型体育馆之外，胶合木结构还经常用于篮球馆、羽毛球馆、网球馆及健身中心等中小型体育设施中。 2.1.2 游泳馆

由于游泳馆中水汽蒸发严重，而游泳池中的消毒成分蒸发后会严重腐蚀建筑结构中的金属材料。胶合木本身具备较强的耐化学腐蚀问题，因此在游泳馆及化工车间等领域也有大量应用。此外，采用胶合木等工程木材作为游泳馆屋面，还给人一种自然、放松的体验。

美国俄勒冈州波特兰市的哥伦比亚公园游泳馆(图4)，直径40 m，其屋顶即为大型胶合木屋顶。由于处于高湿度环境，对梁、板等主要构件进行了加压防腐处理以提高长期性能。 2.1.3 教堂

胶合木结构广泛应用于西方教堂建筑中(图5)，其外观庄严并且古朴典雅，给人一种美和静的享受。 2.1.4 桥梁

胶合木桥梁具有性能好、外观优美、极具生态环保特性、安装方便、维修费用低等优点，在国外也得到了较多应用。其不仅应用于人行桥、景观桥(图6)，还被用于大型公路桥，美国就有7%左右的公路桥是木桥。图7是挪威首都奥斯陆以北400

km的海德马克县境内的泰恩河桥，此桥共三跨，总长125 m，最长跨度达70 m，其设计卡车荷载高达60 t，是世界上设计为车辆荷载满载运行的、跨度最长的木桥。桥宽10 m，其中车道7 m，人行道3 m。桥梁每跨由2排桁架拱组成，拱顶距桥墩支承处17.3 m。该桥除了采用预应力层积木面板以外，其他所有构件均为胶合木构件。

我国在20世纪五六十年代，曾经引进建造了一批胶合木结构，主要用于工业建筑和体育馆等。

近几年来，胶合木结构在我国的发展呈现出迅速增长的势头，这与我国的节能减排及绿色建筑技术的导向是分不开的，也是我国建筑结构发展到一定程度的必然结果。这些工程中，有一些是由国外公司设计或制造的，如云南玉龙雪山收费站，成都欢乐谷入口，上海法华学问寺，国家游泳队游泳训练馆，上海佘山高尔夫球场胶合木人行桥，上海世博会瑞典馆、温哥华馆及挪威馆等;也有越来越多的胶合木工程是完全由国内自己完成的。下面仅介绍部分国内设计制造的典型工程实例。 2.2.1 杭州香积寺胶合木结构

杭州香积寺地处杭州拱墅区，地处运河边，总建筑面积15 000 m2，其中木结构部分建筑面积约6 000 m2，主要的胶合木结构单体建筑为大雄宝殿(图8)、藏经楼和观音殿等;胶合木构件截面尺寸最大达500 mm。方案由上海交通大学建筑设计研究院设计，赫英木结构制造(天津)有限公司制造，整个设计采用了古今结合的思想，利用现代胶合木结构技术重现我国古建筑木结构及其文化。这对我国建筑文化的传承起到了示范作用。 2.2.2 苏州胥江大跨木桁架拱桥

该项目位于苏州市吴中区胥口镇，由中铁大桥勘测设计院有限公司、南京工业大学和苏州香山工坊营造工程有限公司设计、制造和施工，目前施工图设计已完成并通过论证。

该桥位于苏州胥江运河，河岸宽度约60 m，通航净宽为45 m，净高5 m，50年一遇最高通航水位为2.7 m，常水位为1.32 m。胥江大跨木桁架拱桥全长约100 m，主拱跨度75.7 m，桥宽6 m，桥轴线与航迹线夹角约为23°。桥梁采用胶合木结构桁架拱形式(图9)，造型简洁优美，与整个主题广场景观完美融合。下拱截面最大达到340 mm×1 200 mm，拼接主拱的单根曲线构件长度达21 m。结构分析计算表明，桥梁下拱在满跨荷载作用下的轴向压力最大为2 295.2 kN，在半跨荷载作用下的最大弯矩为310.5 kN·m，结构在正常使用极限状态下的最大位移达到69.63 mm;桥梁前两阶振型自振频率分别为3.116和4.992 Hz，均满足规范要求。

2.2.3 南京紫东国际创意产业园区绿幕大门项目

该项目方案设计由英国维度景观设计事务所完成，结构分析、深化设计及构件加工由南京工业大学完成。结构上部设有绿化种植池，与周围自然景观完美融合。主体结构平面为两榀圆弧线梁柱框架体系，结构梁柱采用胶合木，柱高度9.26 m，单跨梁长13.855 m，总弧长70 m;中空胶合木柱截面为900 mm×900 mm。 胶合木结构在欧美已有100多年历史，由于其能够做到小材大用、劣材优用，适于绿色建筑及绿色施工技术，符合可持续发展战略，已在世界各地得到广泛应用。 目前，国内部门、科研院所、建筑行业人员以及普通民众对木结构的关注度越来越高，国内也陆续出现一些胶合木加工企业、设计单位和研发队伍，与国外的技术交流水平不断加深。胶合木结构的发展需要做好如下工作：

1)国外优质速生树种已成为结构材的主要来源，其遗传育种技术也已发展到了第五代，我国迫切需要培育出更多材质优、生长快、抗病虫的速生树种，满足胶合木结构用材的需要;

2)与家具、地板等产品不同，工程结构乃百年大计，在木结构构件的加工质量要求中，急需提升机械加工水准，开发适用于木结构的胶黏剂产品，完善对结构材加工

工艺的标准化、规范化工作;

3)中国在历史上是木结构的王国，但目前在原材料、木材加工、木结构设计及工程应用等方面均远远落后于发达国家，我国的现代木结构的基础研究亟待加强，在新型及大跨木结构体系、抗震和防火性能、耐久性(防腐、阻燃、防潮、防蠕变)、增强技术、连接技术、加工制造工艺等方面急需研究，并建立相关标准体系;

4)胶合木结构的研究需要跨学科、跨部门的合作，示范工程的建设会起到引领作用，只有在木材、木材加工机械、胶黏剂和设计规范等方面均实现国产化，才能促进胶合木结构在我国真正大规模应用。

相信随着国内生产、设计及研发水平的提高、规范的完善、节能减排的逐步实施，胶合木在中国的应用也将有极为广阔的前景。

【相关文献】

[1] 《木结构设计手册》编辑委员会.木结构设计手册[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2005. [2] 杨会峰.速生树种复合木梁的受弯性能研究[D].南京：南京工业大学，2007. [3] 樊承谋.木结构在我国建筑中应用的前景[J].木材工业，2003，17(3)：4-6.

[4] 樊承谋，陈松来.木结构科技的新发展[J].哈尔滨工业大学学报，2004，36(6)：812-814. [5] 刘伟庆，杨会峰.工程木梁的受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2008，29(1)：90-95. [6] Svenskt Limträ.Tillverkning[EB/OL].[2011-05-20].http：∥www.svensktlimtra.se/page.asp?id=15＆pid=6.

[7] Thelandersson S，Larsen H J.Timber Engineering[M].New York：Wiley，2003.