現(xiàn)代竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

潘 毅，李家佳，李玲嬌，秦 楠，唐麗娜

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都610031；2.東南大學(xué) 城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室，江蘇南京210096；3.南京市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210000）

目前，中國住房建設(shè)中普遍使用粘土、水泥和鋼材等作為建筑材料。這不僅消耗了大量的不可再生資源，而且產(chǎn)生了工業(yè)“三廢”，嚴重影響了生態(tài)環(huán)境。為此，選擇環(huán)境友好的建筑材料是當(dāng)代土木工程亟待解決的問題。竹、木材料即是滿足這一需求的較好選擇。在歐美、日本等發(fā)達國家，天然木材是主要的建筑材料之一[1]。然而，中國的木材資源相對匱乏，大量使用木材作為建筑材料目前尚難實現(xiàn)；相反，竹資源卻相當(dāng)豐富。中國的竹林種植面積居世界首位，約占世界總量的30%，尤其是西南地區(qū)的竹材資源十分豐富。作為含有木質(zhì)纖維素的草莖植物，竹子3～4年即可成材，屬于短周期的可再生資源，具有極高的利用價值。自古以來，竹材就廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和房屋橋梁的建設(shè)中。然而，由于種種原因，竹材在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用研究還停留在初級階段。有鑒于此，文章將結(jié)合現(xiàn)代竹材的基本性能，介紹其在建筑工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，為進一步的研究提供參考。

1 主要的力學(xué)性能及特點

現(xiàn)代竹材是以天然竹子為原材料，利用先進的復(fù)合、重組技術(shù)，將竹材加工成具有各種不同尺寸規(guī)格的建筑用材，以滿足現(xiàn)代住宅對材料的要求?，F(xiàn)代竹材的產(chǎn)品主要有竹材膠合板、竹材層積材、竹材重組材等。

作為綠色材料，現(xiàn)代竹材纖細致密，具有良好的物理力學(xué)性能和加工性能，可視為鋼材和混凝土材料的有益補充[2]，其主要力學(xué)性能見表1。由表1可知，竹材的力學(xué)性能稍遜于鋼鐵，而優(yōu)于其他傳統(tǒng)建筑材料。此外，竹材的密度較低，約為7.5kN／m3，是混凝土的1／4，磚墻砌體的1／3。在綠色指標上，竹材吸收CO2量是普通樹木的4倍，具有自凈作用，對環(huán)境影響小。在具有導(dǎo)熱系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性佳、韌性較好和保溫隔熱等諸多特點的同時，竹材也存在耐候性較低、抗彎矩能力稍弱、結(jié)構(gòu)整體剛性較差和易脆性破壞等缺點[3－7]。這些不足在實際使用中應(yīng)當(dāng)充分考慮。

表1 竹子的主要力學(xué)性能

另外，近些年來還出現(xiàn)了以竹材和其他材料為主要原料的竹材復(fù)合結(jié)構(gòu)，如：竹－玻璃鋼復(fù)合材料、竹－木復(fù)合材料和竹筋混凝土等。這類新型結(jié)構(gòu)兼具兩種材料的特點，力學(xué)性能優(yōu)越，能更好的滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的性能要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

早在上世紀40年代，國外就開始研制竹膠合板，相繼建成了竹纖維板和單板生產(chǎn)線。近10年來，中國竹業(yè)生產(chǎn)也取得了較快發(fā)展。目前，竹材不僅常被應(yīng)用于建筑施工中的模板、腳手架和室內(nèi)裝修等方面，還出現(xiàn)在現(xiàn)代輕型住宅、大型高層建筑和橋梁的建設(shè)中。按照竹材在建筑結(jié)構(gòu)上的不同用途，文中將其分為基樁、框架、墻體和樓板、屋面和屋架，以及住宅等5類。

2.1 基樁

竹材抗壓強度大，可作土建基礎(chǔ)用樁。這些基樁一般用于臨時平房或兩層樓房。同時，基樁不宜過長，以免在地下水的滲透下腐蝕發(fā)霉?；鶚兜闹褡右诉x擇直徑大、竹肉厚和竹節(jié)節(jié)距短的，以獲得較大的抗壓強度。對于小直徑竹材可按需要將多根捆扎為一根，以替代大直徑竹材。未經(jīng)防腐處理的竹柱使用年限較短，出于經(jīng)濟考慮，應(yīng)對其進行防腐處理或埋入混凝土中，以延長使用壽命[8]。由于在通風(fēng)不良的濕熱條件及地下水的作用下，竹樁極易發(fā)生腐爛和霉變，因此，防潮措施顯得尤為重要。例如，西雙版納的傣家竹樓采用干欄式的結(jié)構(gòu)形式來滿足下部結(jié)構(gòu)通風(fēng)、防潮的要求。該竹樓的基礎(chǔ)便采用了施工簡易的竹樁。

然而，目前這種竹材基礎(chǔ)較少采用，主要原因在于埋入地面以下的竹樁很難避免濕熱的反復(fù)作用，其防腐、防潮處理較為困難；而且，竹材還存在老化等問題，隨著老化現(xiàn)象的持續(xù)，各項力學(xué)性能指標都會發(fā)生少量削減。因此，如何較好的處理防腐、防潮和老化現(xiàn)象是竹材基礎(chǔ)研究中首要解決的問題。

2.2 框架

用作框架結(jié)構(gòu)的竹材主要由圓竹組成。為了增強剛性，也可采用竹木混用。竹材的尺寸和間距因結(jié)構(gòu)性質(zhì)和要求的不同而不同。選用的竹材其直徑應(yīng)盡量適中，竹壁亦宜厚些。目前可作為框架結(jié)構(gòu)的人工合成竹材有以下幾種。

1）竹材層積材，即竹材層壓板。它的加工工藝簡單，材料來源廣，竹材利用率高，易于工業(yè)化生產(chǎn)。其縱向強度和剛度很高，適用于承重墻體、單向板、梁等房屋構(gòu)件。對于大跨度的梁構(gòu)件，竹材層積材理論上可做成工字形、箱形等截面，不僅節(jié)省材料，而且提高跨越能力。

2）竹材重組材。這種材料充分利用了竹材的固有特性，具有力學(xué)性能穩(wěn)定、強度高、規(guī)格大、保持天然竹材紋理結(jié)構(gòu)的特點，可用作梁、柱等主要承重構(gòu)件[3]?？紤]到豎向構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要性，抗震安居房常選用竹材重組材作柱。

用竹材作為建筑框架，梁、柱節(jié)點的連接尤為重要。圓竹交聯(lián)的傳統(tǒng)方法多為用竹蔑、麻繩或鐵絲捆扎和搭接的方式。隨著現(xiàn)代竹連接技術(shù)的發(fā)展，連接方式也發(fā)生了變化，主要有粘接、鑲嵌和金屬緊固件等幾種連接方式。其中以金屬緊固件較為常見，金屬緊固件連接主要有螺栓連接（圖1）、套筒連接（圖2）、槽口連接（圖3）三種。運用這些連接方式和竹結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻系統(tǒng)，可以減輕建筑物的自重，從而減少由建筑物自重所引起的地震作用，不易造成人員傷亡，特別適用于高烈度地區(qū)。1998年，在哥斯達黎加的7.6級地震中，位于震中的30余座竹房屋保存完好，而周邊許多混凝土結(jié)構(gòu)的房屋卻幾乎全部倒塌。2008年6月，在四川省廣元市投入使用的竹結(jié)構(gòu)活動板房，歷經(jīng)了多次強烈余震的考驗，仍然完好無損。

圖1 角鋼螺栓連接[9]

圖2 套筒連接

圖3 槽口連接[10]

2.3 墻體和樓板

與常用墻體材料相比，竹墻體的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于常用墻體的導(dǎo)熱系數(shù)。其導(dǎo)熱系數(shù)約為普通混凝土的8%，鋼筋混凝土的11%，約為加氣混凝土的74%，空心磚砌體的24%。因此，竹墻體具有良好的保溫隔熱性能，是較理想的墻體材料[11]。其常見的形式有以下幾種。

1）竹板墻

將圓竹劈成長條的竹板，縱向釘于橫豎組成的竹桿框架上，板外抹以泥漿，漿外涂抹石灰或水泥砂漿，為使砂漿附著牢固，可在竹板面上加釘鐵絲鋼。

2）籬笆墻

竹籬笆技術(shù)最主要的優(yōu)點是成本低廉并且建筑質(zhì)量較好，經(jīng)久耐用，占用空間少。竹籬笆的設(shè)計和建造更具靈活性、技術(shù)要求不高。

3）竹席墻

常見的做法是將編織的竹席釘于木架或竹架的一側(cè)或兩側(cè)，再用灰泥涂抹，為了減輕墻重，也有不在表面涂抹泥的，用做室內(nèi)隔墻[8]。

現(xiàn)代竹骨架墻體即屬于竹板墻類型（如圖4、圖5所示）。竹骨架墻體設(shè)置龍骨以實現(xiàn)多傳力路徑的受力體系及保證墻體足夠的剛度。由于竹材加工技術(shù)的進步，近年來還出現(xiàn)了竹編膠合板、竹席膠合板和竹材膠合板等產(chǎn)品，使得竹墻體質(zhì)量有了顯著提高。

圖4 輕型框架墻體

圖5 裝配式墻體

目前，樓板材料主要采用竹簾膠合板和竹材碎料板等。主要原因是它們具有力學(xué)性能好，易于工業(yè)化生產(chǎn)，保溫隔熱效果好以及節(jié)能等特點。竹簾膠合板具有生產(chǎn)成本低、強度高、剛性好、幅面大等特點，可作為建筑模板材料、樓板、墻體及隔斷材料。2009年東南大學(xué)和南京林業(yè)大學(xué)設(shè)計的竹結(jié)構(gòu)抗震安居房，其樓面板便采用16mm厚竹簾膠合板作為結(jié)構(gòu)層。同時，竹材碎料板對原料形狀要求較低，具有較高的強度和較低的吸濕膨脹性，是房屋墻體、隔斷和樓板的較好材料。2009年建成的北京紫竹院的樓板便采用了竹材碎料板。另外，現(xiàn)代竹樓板常采用現(xiàn)場裝配的方式，由眾多的板塊單元[12－13]組裝而成。模塊化的設(shè)計使板材加工簡單，便于批量化生產(chǎn)和縮短工期，進一步推動了竹材市場的發(fā)展。

2.4 屋面和屋架

竹材輕質(zhì)高強，可作為屋面材料。其主要形式有以下幾種。

1）竹瓦屋面

主要包括半圓竹瓦屋面和片狀竹瓦屋面兩種類型。半圓竹瓦屋面的施工工藝簡單，其屋面坡度通常不宜小于30°。如能將竹材進行防水、防腐處理，并在釘眼上墊以油氈墊圈，可以做到完全防漏。片狀竹瓦屋面宜采用直徑大且新鮮的圓竹。施工前竹瓦應(yīng)進行防水、防腐處理。屋面最小坡度也不應(yīng)小于30°。2010年同濟大學(xué)設(shè)計的太陽能竹屋，其屋面便采用了特殊處理的片狀竹瓦屋面（如圖6所示）。

2）竹席波形瓦屋面

竹席波形瓦是四川省林科所近年來開發(fā)的一種竹制建筑材料。該瓦是用竹編后的黃蔑編織成席，經(jīng)涂膠，在模具上熱壓而成，其規(guī)格尺寸見表2。它具有幅面大，施工省等特點，現(xiàn)用于活動房屋、車站月臺和涼棚等[8]。

表2 竹席波形瓦尺寸表

由于強重比較大，竹材也可用于建造屋架。竹屋架是主要的受力構(gòu)件，它的承載能力關(guān)系著整個結(jié)構(gòu)的安全性能。竹屋架具有較大的強度儲備，是一種經(jīng)濟、可靠、環(huán)保的結(jié)構(gòu)體系。國內(nèi)外對此進行了較深入的研究。例如，湖南大學(xué)2009年設(shè)計建造的輕型竹結(jié)構(gòu)房屋便采用了裝配式竹屋架（如圖7所示）。

2.5 竹結(jié)構(gòu)住宅

如前所述，由于竹材具有優(yōu)良的性能，不僅適合于現(xiàn)代建筑各個部件的使用，而且適合于整棟建筑的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)相繼出現(xiàn)了一些全竹結(jié)構(gòu)建筑。由于竹結(jié)構(gòu)具有與木結(jié)構(gòu)相似的性質(zhì)，所以竹結(jié)構(gòu)建筑的總體設(shè)計可以借鑒木結(jié)構(gòu)的設(shè)計體系來完成。采用梁柱結(jié)構(gòu)體系，利用金屬節(jié)點形式，同時使用竹集成材的加工方法來進一步提高模塊化設(shè)計，加快施工進度。

如果對竹材進行防腐處理、添加輔助材料以及及時更換老化部分，竹建筑的使用壽命就能達30年以上。值得注意的是，竹材在彎曲強度方面的不足在一定程度上也是一種優(yōu)點。它使竹材在第一次開裂時并不會像木材那樣徹底折斷。這種特性為維修和及時更換損壞部分提供了可能。竹結(jié)構(gòu)建筑不但能體現(xiàn)竹子本身的優(yōu)勢，可以方便快捷地搭建、修復(fù)、拆分和運輸，而且拆除之后也不會產(chǎn)生很多建筑垃圾，對環(huán)境的污染很小。此外，竹結(jié)構(gòu)房屋還具有抗震性能好、施工速度快、保溫隔熱效果好、原料來源廣泛、造價低廉等優(yōu)點[14]，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

早在1999年，Integer China研究團隊與云南世博興云房地產(chǎn)有限公司，在昆明世博園的竹園內(nèi)就建成了生態(tài)城中的第一棟多層竹屋。引起了當(dāng)時公眾的熱議。經(jīng)過10多年的發(fā)展，現(xiàn)在已相繼出現(xiàn)了以梁柱結(jié)構(gòu)體系為主的竹結(jié)構(gòu)抗震安居房，屬于框架結(jié)構(gòu)的裝配式輕型膠竹住宅以及現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅等。其中，以湖南大學(xué)設(shè)計建造的國際首座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房（圖8）和Marcelo Velligas在哥倫比亞設(shè)計的低收入者住宅（圖9）為代表。

圖6 片狀竹瓦屋面

圖7 裝配式屋架

圖8 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅[9]

圖9 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)住宅[10]

3 結(jié) 論

文章概括了現(xiàn)代竹材的各項力學(xué)性能，重點介紹了竹材在建筑基樁、框架、墻體和樓板、屋面和屋架，以及在住宅中的綜合應(yīng)用，可得出以下結(jié)論。

1）作為建筑基礎(chǔ)時，宜采用較高強度的竹材，并做好防潮處理；作為框架、樓板、墻體、屋面及屋架時，宜采用人工合成竹板材，同時，注意節(jié)點的連接和防水處理。

2）現(xiàn)代竹材具有靈活性強，抗震性能好，施工速度快，保溫隔熱效果好，原料來源廣泛，造價低廉，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點能夠滿足現(xiàn)代綠色住宅的要求。

3）竹子的耐候性較弱，彈性模量低，力學(xué)性能較離散。此外，竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法尚不清楚。有關(guān)標準與規(guī)范尚未出臺，這些正是我們以后需要解決的問題。

雖然目前竹材的研究還有許多困難，但是竹材應(yīng)用廣泛、潛力巨大，值得深入研究。特別是在當(dāng)前 “可持續(xù)發(fā)展建筑”的政策導(dǎo)向下，竹結(jié)構(gòu)建筑將是未來新型建筑的發(fā)展方向之一。

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