综述：竹木正交胶合板：系统性文献综述

本综述系统梳理了竹木正交胶合板（CLBT）这一新兴绿色建材的研究现状。文章指出CLBT在抗压强度（compressive strength）和剪切性能（shear performance）上普遍优于正交胶合木（CLT），特别是在外层使用工程竹材（engineered bamboo）时；其制造工艺、分析模型（如Wu–Wei模型）和数值模拟（如Abaqus, ANSYS）已取得显著进展，但标准化仍是推动其大规模应用于梁、柱、楼板、墙体和屋顶结构的关键挑战。

　　

Abstract

建筑行业对可持续高性能材料的需求推动了竹木正交胶合板（Cross-laminated bamboo and timber, CLBT）等混合系统的发展。这篇系统性文献综述整合并分析了CLBT研究的现状，重点关注结构性能、制造工艺以及分析、数值和实验方法。通过文献计量和内容分析，确定了主题趋势、力学性能和应用领域。研究发现，CLBT在抗压强度和剪切性能上通常优于正交胶合木（CLT），尤其是在外层使用工程竹产品时，但其抗弯性能相当或略逊。实验程序大多基于改编的CLT标准，并越来越多地使用竹子专用的国际标准。分析模型（如Wu–Wei和Richard–Abbott模型）以及在Abaqus和ANSYS中实现的数值模型，在预测弯曲行为和热传导率方面表现出良好的准确性。制造实践在材料、粘合剂和层状排列方面差异很大，凸显了标准化的必要性。在结构上，CLBT已被提议用于梁、柱、楼板、墙体和屋顶，其双向强度、刚度和热性能得到了实验和计算数据的支持。本综述确定了性能基准、建模实践和方法学差距，为CLBT在可持续建筑系统中的未来标准化和更广泛应用提供支持。

Introduction

人为温室气体（GHG）排放导致的气候变化加剧是全球最紧迫的挑战之一。在此背景下，建筑行业（包括建筑过程和材料制造）是环境退化的主要贡献者，约占全球二氧化碳（CO₂）排放量的37%。因此，采用可再生和低碳建筑材料已成为促进可持续发展和减缓全球变暖及环境退化影响的战略要务。

在这一追求中，正交胶合木（CLT）已成为可持续建筑中广泛采用的结构解决方案。CLT板由正交排列的木材层通过面胶合主要粘合而成，可选择使用钉子、螺钉或木销作为紧固件。CLT具有双向机械强度、尺寸稳定性、易于组装、隔热和令人满意的防火性能等优点。然而，其生产依赖于高质量锯材，而过度开采和气候变化的影响日益限制了其可用性，可能限制该材料未来的可扩展性。

考虑到这些限制，竹子因其快速生长、高可再生性以及结构和非结构应用潜力而成为一种有前景的替代资源。使用竹子于现代工程学的轨迹标志着为当今混合系统奠定基础的重要技术里程碑。工业化的发展导致了工程竹产品的开发，包括层压竹材（LBL）、胶合竹材（Glubam）和高密度竹篾层积材（BS），也称为平行竹束材（PBSL）。这些创新至关重要，因为它们证明了原竹可以被加工成标准化、可靠的结构部件。通过将竹子确立为一种可行的工程材料，其力学性能通常超过木材，这些早期发展为CLBT等更复杂复合材料的构想铺平了道路。从环境角度来看，竹子因其快速再生能力和高碳封存潜力而对可持续性有显著贡献。开发竹木混合材料减少了对木材资源的需求，并拓宽了竹子的利用，从而增强了可持续性。

在环境方面，大型木结构建筑的平均隐含能量比钢筋混凝土高约23%，而后者的隐含温室气体排放量比大型木结构高约43%。在多层建筑中使用CLT代替传统材料（钢/混凝土）可将碳足迹降低约40%。此外，基于工程竹的建筑，单层排放约为80 CO₂Eq/m²，多层约为39 CO₂Eq/m²，而砖混建筑约为225 CO₂Eq/m²。最近，竹木在混合材料中的整合导致了诸如竹木正交胶合板（CLBT）面板等创新解决方案的发展。这种受CLT概念启发的预制实心复合板已在建筑领域引起关注。通过用工程竹组件（如竹篾层积材、层压竹材或压制垫板）替代特定木材层，CLBT构件可以实现令人满意的力学性能和高度的定制化。此外，CLT可以使用与CLT相似的工艺制造，无需额外的昂贵步骤，因此代表了一种技术可行且具有环境战略意义的替代方案。其主要目标是通过促进可再生材料的使用和加强建筑行业的可持续性来减少对高质量锯材的依赖。因此，整合竹木以生产可持续、经济和高性能的结构复合材料代表了一种有前景的方法。

尽管其组成材料已有大量文献，但关于混合系统本身仍存在关键空白。关于CLT的全面系统性综述已经完善，技术手册和国家指南巩固了众多主题的知识，包括结构设计、连接系统、防火性能、振动性能、隔音和环境性能。然而，CLBT系统尚无此类整合。同样，一些最近的综述涉及更广泛的工程竹产品领域，通常从材料科学或建筑系统的角度，但未特别关注CLBT作为混合结构系统。此外，最近的研究以及关于工程竹结构的基础参考著作包括了在更广泛的工程竹结构性能和应用综述中对CLBT的叙述性讨论。然而，这两项研究都未对专门关注CLBT系统的文献进行系统性或深入分析。重要的技术问题——如竹木基材之间的粘合剂相容性、压制参数的差异以及混合层压构型的优化——在之前的综述中仍未得到充分探索。因此，为弥补这一空白，本文提供了第一个专门针对CLBT的系统性综述，整合了关于其结构性能、制造过程和方法学途径的最新进展。

因此，尽管有潜力，CLBT的技术和科学发展仍处于早期阶段。与拥有完善规范、技术和商业基础的CLT不同，CLBT仍然缺乏系统性的调查来整合关于其制造过程、表征方法和结构应用的知识。缺乏技术指南和标准化对其工业规模采用和在现实建筑项目中的广泛应用构成了重大障碍。

在此背景下，本系统性文献综述（SLR）旨在整合和批判性分析CLBT研究的现状。其主要目标是通过确定最新技术水平和目前阻碍其作为建筑结构元件大规模应用的关键空白（特别是与CLT相比），建立对CLBT系统科学和技术基础的全面理解。目标是收集全面的科学和技术知识体系，以支持将CLBT确立为一种可行且可持续的结构解决方案。为此，本综述调查了：（i）通过文献计量和内容分析的科学文献整体概况；（ii）CLBT的结构性能评估方法；（iii）适用于其制造和表征的技术标准；（iv）制造过程及相关参数，如竹种、产品类型、粘合剂和几何形状；（v）力学性能和采用的本构模型；以及（vi）CLBT在建筑系统中的主要结构应用。因此，本研究提供了第一个专门针对CLBT的系统性文献综述，旨在绘制当前技术水平图，识别技术和科学空白，并支持这种新兴材料在可持续结构工程背景下的进步和标准化。

Materials and methods

本研究采用了系统性文献综述（SLR）方法，旨在识别和分析与CLBT相关的科学出版物。图表展示了综述的整体结构示意图，突出了所解决的主要研究问题和核心分析轴。该图旨在提供研究分析范围的全面概述，便于更清晰地理解所采用的方法学框架。

图中所示的六个分析轴中的每一个——即文献计量分析、结构性能、制造过程、表征方法、数值和解析模型以及结构应用——都通过系统检索和筛选相关科学文献来解决。检索策略旨在全面覆盖CLBT主题，使用与竹木杂交复合材料、结构性能和可持续建筑相关的特定关键词组合。筛选过程包括根据预定的纳入和排除标准对标题、摘要和全文进行评估，以确保所选研究的相关性和质量。从符合条件的研究中提取数据，并按照每个分析轴进行组织，以便进行系统的比较和综合。这种方法学框架确保了综述的严谨性和可重复性，同时允许对CLBT研究的不同方面进行深入分析。

Results and discussions

本节呈现了系统性文献综述的结果和讨论，按八个主题轴组织。为了提供清晰、面向应用的概述，首先呈现了关于CLBT制造、性能和结构应用的发现。随后讨论了用于表征CLBT性能的实验、分析和数值方法学。结果表明，CLBT的结构性能在很大程度上取决于其层压构型，特别是层数和材料排列。在抗弯性能方面，五层板（B3WB）表现优于CLT，弹性模量（modulus of elasticity）和最大弯曲应力（maximum bending stress）分别增加高达59%和53%。然而，三层CLBT板的性能与CLT相当或略差。抗压强度（compressive strength）结果显示，与CLT相比，CLBT的强度提高了11%至64%，具体取决于层压构型和测试方向（平行或垂直于层压面）。剪切性能（shear performance）评估表明，CLBT的剪切强度和刚度均优于CLT，竹篾层积材（bamboo scrimber）基CLBT表现出最高的性能。层间剪切强度（Rolling shear strength）也显示出类似的趋势，CLBT的值高于CLT。热性能（thermal performance）分析表明，CLBT的热阻（thermal resistance）和热传导率（thermal transmittance）与CLT相当，数值模型能够准确预测其热行为。

在制造过程方面，综述强调了材料、粘合剂和层状排列的广泛多样性。使用的工程竹产品包括竹篾层积材（BS）、层压竹材（LBL）和胶合竹材（Glubam），而木材种类包括云杉、松木等。粘合剂类型如间苯二酚-酚醛-甲醛（RPF）、单组分聚氨酯（PUR）和环氧树脂被使用。压制参数（如压力、温度和时间）根据具体材料组合而调整。这种多样性凸显了制定CLBT制造标准化指南的迫切需要。

关于表征方法，实验程序主要基于改编的CLT标准（如EN 16351、ANSI/APA PRG 320），但越来越多地采用竹子特定的国际标准（如ISO 22156、ISO 22157）。分析模型，如Wu–Wei模型和Richard–Abbott模型，被用于预测弯曲行为，显示出良好的准确性。数值模拟，主要在Abaqus和ANSYS软件中实现，成功地捕捉了CLBT在弯曲、剪切和热载荷下的结构响应，尽管在层间剪切和复杂边界条件建模方面仍需改进。

CLBT的结构应用涵盖梁、柱、楼板、墙体和屋顶。实验和计算数据支持其在这些应用中的双向强度、刚度和热性能。然而，关于连接细节、长期性能和防火性能的研究仍然有限，需要进一步调查以支持实际应用。

Conclusions

本研究整合了CLBT研究的现状，系统化了在结构性能、制造、性能表征、数值和解析方法以及结构应用方面的进展。

定量分析表明，CLBT的结构性能取决于其层压构型。关于抗弯性能，五层板（B3WB）优于CLT，弹性模量和最大弯曲应力分别增加高达59%和53%。然而，三层CLBT板的性能与CLT相当或略差。抗压强度结果显示，与CLT相比，CLBT的强度提高了11%至64%。剪切性能评估表明，CLBT的剪切强度和刚度均优于CLT，竹篾层积材基CLBT表现出最高的性能。

制造实践在材料、粘合剂和层状排列方面差异很大，强调了标准化的必要性。实验程序主要基于改编的CLT标准，但越来越多地使用竹子特定的国际标准。分析模型（如Wu–Wei和Richard–Abbott）和数值模型（在Abaqus和ANSYS中实现）在预测弯曲行为和热传导率方面表现出良好的准确性。

CLBT已被提议用于梁、柱、楼板、墙体和屋顶等结构应用，其双向强度、刚度和热性能得到了实验和计算数据的支持。然而，关于连接细节、长期性能和防火性能的研究仍然有限。

本综述确定了性能基准、建模实践和方法学差距，为CLBT在可持续建筑系统中的未来标准化和更广泛应用提供支持。需要进一步研究以解决已识别的空白，特别是连接设计、耐久性和全尺度结构测试，以促进CLBT在建筑行业的广泛采用。

CRediT authorship contribution statement

Larissa Fé Alves: 写作 – 审阅和编辑, 写作 – 初稿, 可视化, 方法学, 调查, 形式分析, 数据管理, 概念化。 Victor De Araujo: 写作 – 审阅和编辑, 可视化, 监督, 概念化。 André Luis Christoforo: 写作 – 审阅和编辑, 可视化, 监督, 概念化。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本报告的工作。

Acknowledgment

我们感谢巴西高等教育人才改进协调机构（CAPES）的支持。