装配式CLT建筑从模型到建造
1 研究现状
1.1 CLT结构材
正交胶合木 (Cross-laminated timber, 简称CLT) 是以厚度为15~45mm的板材相互叠层正交组坯后胶合而成的木制产品, 通常为单数层, 包括强轴方向的顺纹受力层以及横纹受力正交层 (图1) 。正交胶合木是新型工程木材料, 在欧美等地区已开始将其应用在装配式木结构和高层木结构的建造中。
CLT在工厂预制, 可直接由计算机控制进行自动化开槽、切口, 并可与墙面材料和防火材料等在工厂组装, 形成组合预制墙体或楼板, 极大地提高了建造速度[1,2]。CLT层间正交双向胶合的特点, 有效弥补了木材顺纹和横纹受力性能差异大的缺陷, 形成良好的平面内抗压和抗剪强度[3]。
CLT木材通过独特的工艺生产出大尺寸、双向力学性能优良的实心板材, 工艺成熟, 工业化程度高[3]。CLT板材在平面内纵横两个方向均具有优良的力学性能, 同时具有相同的干缩湿胀性能, 整体的线干缩湿胀系数仅为0.02%, 其尺寸稳定性是实木和胶合木横纹方向的12倍[4]。
图1 CLT板横截面
欧洲与北美地区在CLT产品生产、标准制定等方面均处于领先水平。CLT于20世纪90年代开始在德国研发。欧洲规范Design of timber structures (BS EN 1995-1-1∶2004) 提供了CLT结构设计的基本构造法及标准规定等。美国及加拿大两国的双边CLT标准Standard for performance-rated cross laminated timer (ANSI/APA PRG320-2012) 提供了CLT生产、性能测试和设计体系等方面的标准[5]。
2005~2007年, 由意大利林木研究院 (CNR-IVALSA) 牵头的SOFIE项目完成了CLT剪力墙结构若干抗震性能试验研究。于2006年对一个3层的CLT结构进行了足尺振动台试验[6], 于2007年完成了一个7层足尺CLT结构的振动台试验[7]。
自2004年起, 关于CLT的研究成果纷纷涌现在两年一度的世界木结构工程大会 (World Conference of Timber Engineering, 简称WCTE) 上。CLT的抗弯性能[8]、横纹抗压性能[9]、滚动剪切性能 (rolling shear property) [10]等受到重点关注。
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, 目前我国CLT技术的运用处于研究和示范阶段。
2016年6月, 宁波中加低碳新技术研究院生产了世界上首批用加拿大铁杉 (Western Hemlock) 锯材制作的CLT板[11]。目前最新修订的《多高层木结构建筑技术标准》 (GB/T 51226—2017) 介绍了CLT材料及相关设计要求, 而针对CLT建筑和产品的专项规范也已获批, 正在修订中。
1.2 CLT模块化构件
1.2.1 CLT剪力墙
在众多木结构高层的工程实例中, CLT剪力墙结构最为广泛。CLT板材作为墙板和楼板, 承受竖向荷载、水平风荷载及地震作用。
2009年, 第一幢公认的高层纯木结构建筑Murray Grove (又称Stadthaus) 在伦敦落成, 是装配式建筑的实际工程案例。这栋9层的住宅楼 (图2) 上部结构墙体、核心筒、楼板等均采用CLT板, 提供结构的竖向承载力和抗侧承载力, 是典型平台式施工的CLT剪力墙结构[12]。
2010年, 伦敦又建成了另一栋高层木结构建筑Birdport Housing[13], 同样采用CLT剪力墙结构体系。CLT良好的力学性能与建造优势为高层木结构工程提供了材料保证。瑞士、英国等国正在研发设计30层及以上的CLT高层建筑。
1.2.2 CLT预制房间单元
挪威的14层Treet公寓[14] (图3) 于2015年10月完工, 主体结构采用胶合木梁柱支撑结构, 设置两层结构加强层, 增加了环带桁架与混凝土楼板, 普通楼层采用CLT整体预制式房间单元, 其竖向和水平荷载通过加强层传递到主体结构。
图2 高层纯木结构Murray Grove
图3 Treet大厦 (挪威卑尔根)
1.2.3 CLT楼板
加拿大英属哥伦比亚大学建造的18层木结构公寓Brock Commons (图4) 于2016年8月竣工, 高53m。Brock Commons的结构体系为混凝土与木混合结构, 地基和底层以及核心筒为现场现浇混凝土结构, 3~18层的结构由GLT, PSL木柱和CLT木楼板组成[15]。
1.3 CLT连接形式
CLT板材组成的建筑单元主要依赖节点抵抗水平荷载、控制结构变形。三种常用的CLT板材连接方式[16]有:1) 抗拉锚固件 (Hold-down) , 用于CLT板与墙板或楼板之间竖向连接, 并且主要承受拉伸荷载, 以防止板材从地基或地板上抬起;2) 角支架 (Angle bracket) , 放置在面板的中间, 主要承受剪切荷载, 防止CLT板之间滑动;3) 槽口或自攻螺钉 (Screwed or nailed panel-panel joints) , 用于CLT板材之间对接, 防止墙壁面板之间的相对运动, 如图5所示。
图4 Brock Commons公寓 (加拿大温哥华)
图5 三种常用的CLT板材连接方式
CLT在高层建筑中可灵活地应用于剪力墙、预制房间单元、楼板等装配式构件。以木结构为代表的绿色建筑成为国外建筑发展的潮流[17]。
2 OTTO.Café装配式实践
2016年高校木结构设计邀请赛题目为设计一座位于上海公园内的木结构咖啡厅, 第一名获奖作品为CLT板式建筑OTTO.Café (图6) 。本文以该参赛项目从模型到落地的实例来阐述CLT装配式木结构全过程设计。
图6 OTTO.Café建筑效果图
2.1 建筑设计理念
高校木结构设计邀请赛的主题是上海市公园里的木结构咖啡馆, 设计的理念是前沿、生态、环保与人文。因此提出了OTTO.Café的核心关键词:永续咖啡馆。永续体现在两个方面, 一个是功能上的永续, 能够适应消费者不断变化的需求与偶然事件的发生;另一个是建造上的永续, 在预制装配化的基础上, 充分发挥木结构模数化、部品化的特点, 实现建造可持续、构件可回收的目标。建筑设计理念如图7所示。
图7 建筑设计理念
2.2 单元优化组合
为了实现CLT板材作为主要承重结构, 且满足建筑空间要求, 利用结构互承概念, 通过基本单元相互组合找到16种组合形式。
建筑师与结构师在方案构思期间共同合作, 可以快捷且有效地确定建筑方案, 结构分析与优化流程见图8。
图8 OTTO.Café结构设计流程
通过有限元分析进行结构受力和变形分析、节点设计等流程优化后, 得到6种组合方案 (图9) , 其中模型1~4高度为3.6m, 模型5, 6高度为7.2m。
2.3 OTTO.Café模型
根据上述设计理念和优化流程得到最终的结构体系, OTTO.Café作品在比赛中展示的结构模型如图10所示。
图9 6种优化组合形式
图1 0 OTTO.Café结构模型
OTTO.Café为板式木结构建筑, 层高分为3.6m和7.2m, 建筑物总长度为32.1m, 总宽度为17.3m, 总建筑面积为300m2。共有6个相对独立的结构模块, 由6种模型按照建筑使用要求组成。主要承重构件墙体、屋面板及楼面板采用CLT板材, 所有承重木构件的基本模块统一为1.2m×3.6m的CLT板材。围护结构采用透光玻璃, 竖向荷载由屋面传至墙体, 再传至基础;水平向荷载由墙体传至基础。
3 结构设计
3.1 基本假定和模型建立
利用SAP2000软件建立6种空间结构模型, 采取壳单元模拟, 墙板与基础间采用固接假定, 墙板与楼板 (屋面板及楼面板) 之间为传递弯矩连接假定。
CLT的力学特性参考美国规范[18]。采用E1强度等级CLT板材, 主方向弹性模量E0为11 700MPa, 次方向弹性模量E90为9 000MPa, 单层CLT板材截面高度为35mm。
设计材料可考虑5层和3层CLT板材, 因此需要将单层CLT板的弹性模量参数转化为5层或3层正交截面的弹性模量E5或E3。按照抗弯强度等效的方法取得正交截面弹性模量。5层CLT截面弹性模量计算简图如图11所示 (取1m宽度计算) 。
按照截面抗弯强度等效的原则计算5层截面整体的有效弹性模量, 即主方向放置的板材抗弯刚度和次方向放置的板材抗弯刚度之和等于全截面有效抗弯刚度。
图1 1 5层CLT截面计算简图
式中:E5, 0为5层CLT截面主方向弹性模量;E0为单层CLT主方向弹性模量;E90为单层CLT次方向弹性模量;b为板材宽度, 取1m;h为复合截面总厚度;h1为单层CLT厚度;d1为单层截面中性轴到整体截面中性轴的距离。
计算得到E5, 0=11 138MPa, 故保守取主方向E5, 0=11 000MPa, 其余两个次方向均为横纹方向, 取次方向E5, 90=9 000MPa。
3层CLT截面弹性模量计算方法与上述方法相似, 计算得到主方向E3, 0=11 600MPa, 保守取E3, 0=11 000MPa, 其余两个次方向均为横纹方向, 取次方向E3, 90=9 000MPa。
根据剪切类比法得到CLT剪切模量, 剪切类比法假定如下:材料顺纹剪切模量是顺纹弹性模量的1/16;材料横纹剪切模量 (滚动剪切模量) 是顺纹剪切模量的1/10[19]。G0=E0/16≈680MPa, G90=G0/10≈68MPa。
设计时主要考虑恒荷载、活荷载、风荷载和地震作用, 考虑X, Y向风荷载Wx, Wy。按照承载能力极限状态和正常使用极限状态共定义32种荷载组合, 并以构件应力比、位移、层间位移角作为主要评价指标, 评价结构合理性。
3.2 结构分析及优化
3.2.1 设计依据
结构验算基于我国现行的《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) [20]、《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) 、《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2006) 。
结构设计使用年限为50年, 场地地面粗糙度类别为C类, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.9s, 丙类建筑。通过手算对其进行结构验算与截面优化。
3.2.2 方案优化
方案一中所有模型的全部截面都选取3层CLT截面进行分析和验算, 验算结果显示模型3, 5, 6中的Z向位移超限, 方案一模型最不利位移如表1所示。
观察方案一中最不利位移出现在模型3, 5, 6屋面板跨中的受弯部位。为了消除方案一结构的超限位移, 截面优化后提出方案二, 方案二中模型3, 5, 6的楼面板采用5层CLT截面, 其余截面选用3层CLT板。方案二模型最不利位移见表2。
表1 方案一模型最不利位移/mm
注:粗体表示位移超限。
表2 方案二模型最不利位移/mm
图1 2 方案二模型6最不利内力图
3.3 方案二模型分析验算
对按方案二优化后的结构进行分析和验算。板件主要为规格材E1级别CLT, 露天环境强度折减10%。对所有模型进行最不利荷载效应组合验算, 均满足板件强度和稳定验算, 大部分板件强度应力比在0.2~0.6之间, 板件强度富裕较大。图12为方案二中内力相对较大的模型6的内力图, 图13为方案二各模型最不利位移云图。
因挠度限值为计算跨度的1/250, 结构主要由弯曲变形控制, 故由图13可知方案二各模型位移均满足规范要求。
3.4 装配式设计与施工模拟
项目实际建造之前, 需进行施工过程的装配式设计, 首先要准确统计所需构件数量, 采用构件运输、现场组装的方案。现场装配式过程分四步:第一步, 预埋基础, 采用工厂预制条形基础;第二步, 架空地板, 布置设备管线;第三步, 拼装建造主体结构。在工厂预制的CLT墙板、地板与楼板已经做好了保温及防水处理, 现场完成主体结构的建造;第四步, 安装钢框及玻璃幕墙。
图1 3 方案二最不利位移云图/mm
OTTO.Café构件可以将零件拆分后运输, 建筑面积300m2的OTTO.Café的所有构件只需要7个卡车 (以东风系列2.5t级货车为例) 车次就能够全部运输。
3.5 项目落地
OTTO.Café作为获奖作品受到各方高度关注, 其部分模块在宁海建造落地。由于项目选址从上海公园变成位于宁海的宁波中加低碳生态园区, 建筑功能也由纯粹的咖啡馆变成兼具备餐、展示和商务等功能的综合建筑。OTTO.Café经过功能调整、讨论和重新设计, 选取其中3个模块实际建造。设计团队深入现场, 根据厂家生产的CLT产品特点进行施工图设计以及装配式施工流程设计。
项目于2017年9月28日正式动工。由于材料统一, 尺寸标准, 连接简单, 主体结构施工仅花费3d时间, 10月1日主体结构施工完成, 10月8日装修工程完工。建造期间当地遭受了台风及暴雨天气, 对结构施工及工期毫无影响, 施工建造过程见图14。
实际建造的OTTO.Café主体建筑面积133m2, 户外平台面积173m2。共使用62.5m3CLT板材, 其中主体结构CLT用量26.2m3, 户外平台CLT用量36.3m3。木结构连接构件有自攻螺钉、角支架和短钉。
图1 4 OTTO.Café施工建造过程
从咖啡馆到展示馆, 从上海公园到宁海的宁波中加低碳生态园区, OTTO.Café从模型到建成的过程体现了CLT板式建筑的灵活性和可适应性。
4 结语
本文介绍和分析了CLT的研究与应用现状, 包括其材料性能、连接方式、体系和工程实例。阐述了CLT建筑与装配式建筑发展结合的技术优势:满足建筑安全可靠性的同时, 降低能耗, 推进可持续化发展。
重点介绍了木结构装配式建筑———OTTO.Café从模型到建造的全过程。OTTO.Café的建筑设计理念为永续咖啡馆, 体现在功能和建筑上的永续。由建筑师和结构师共同完成方案比选和优化。根据弯曲强度等效原则确定材性参数, 建立有限元模型分析验算, 得到最优方案。
OTTO.Café的部分模块在浙江宁海建造落地, 主体建造时间仅3d。通过装配式建造的方式, 可以快速建造和拆卸再利用。实现空间可变与工业化生产, 以满足客户多样需求, 减小对环境的影响。
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