現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

柳 菁，張家亮，郭 軍，李玉順

（寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315211）

中國位于世界竹子分布的中心，竹類植物資源極其豐富，無論是竹子的面積、種類、蓄積量或者是采伐量均居世界產(chǎn)竹國之首［1］。全世界約有100屬1 000多種竹子，而我國就有37屬約500種，竹林面積500萬hm2，約占世界竹林面積的1/4［2］。

竹子的生長速度很快，一般3～5 a年就可成材利用，屬于短周期的可再生資源，具有極大的開發(fā)價值。竹材的力學(xué)性能優(yōu)良，其抗拉強度約為木材的2倍，抗壓強度約為木材的1.5倍［3－4］。然而，長期以來竹材多以原竹形式或經(jīng)過簡單加工后用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、建筑業(yè)、編制生活用具和農(nóng)具，技術(shù)含量低，附加值不高。因此，將竹材進行二次開發(fā)，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，不僅能夠拓寬竹材的應(yīng)用范圍，促進竹材工業(yè)的科技創(chuàng)新，而且有利于保護生態(tài)環(huán)境，促進人與自然和諧發(fā)展［5］。

竹材與水泥、鋼材、粘土磚等傳統(tǒng)建筑材料相比較，它在生長過程中可改善自然環(huán)境。竹材是生物有機體，是碳的儲藏庫，據(jù)資料統(tǒng)計，每公頃毛竹林年吸收CO2約47 t，而且CO2能固定存儲于砍伐后的竹材。竹材加工的能耗低，又因其有機高分子聚合體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)使其具有天然良好的隔熱性能，與此同時竹材廢棄后還可以自然降解。因此竹結(jié)構(gòu)建筑從材料的制造、使用、廢棄直到再生利用的整個生命周期中具備與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)共存性。合理地發(fā)展竹結(jié)構(gòu)建筑有利于生態(tài)平衡和環(huán)境保護，具有重大而深遠的意義。

1 竹材的構(gòu)造及力學(xué)性能特性

1.1 竹材的構(gòu)造

竹材是指竹子砍伐后除去枝條的主干，又稱竹稈，由竹節(jié)和節(jié)間兩部分構(gòu)成，其形狀為圓柱形，內(nèi)部中空。

節(jié)間竹稈圓筒外殼稱為竹壁，竹壁由竹青、竹壁中部 （亦稱為竹肉）和竹黃組成。竹青是竹壁的外側(cè)部分，結(jié)構(gòu)緊密，質(zhì)地堅硬，其最外層常附有一層蠟質(zhì)，表面光滑而呈綠色。竹黃位于竹壁的內(nèi)側(cè)，結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)地脆弱，一般呈黃色。竹肉位于竹青和竹黃之間，由維管束和基本組織構(gòu)成。竹肉占竹壁厚度的絕大部分，是生產(chǎn)竹材改性產(chǎn)品可供利用的最好和最多的部分。

竹節(jié)由稈環(huán)，萚環(huán)和節(jié)隔組成，加強竹稈直立以及水分、養(yǎng)分的橫向輸導(dǎo)。竹節(jié)的竹壁厚度大于其相鄰節(jié)間竹壁厚度。由于竹節(jié)、節(jié)隔的存在以及竹節(jié)附近竹壁厚度的變化，使得竹材在物理力學(xué)性能方面的變異性、非勻質(zhì)性均大于木材。竹節(jié)的存在能提高竹稈的抗壓強度，竹節(jié)處順紋抗壓強度比節(jié)間處提高8%，而竹節(jié)處橫紋抗壓強度比節(jié)間高45%;而竹節(jié)的存在卻會降低竹稈的抗拉強度，另外，竹節(jié)還能使竹稈的順紋抗剪強度有所提高。

1.2 竹材的力學(xué)性質(zhì)

竹材的力學(xué)性質(zhì)是指竹材抵抗外力作用的性能，包括抗拉強度、抗壓強度、靜曲強度、抗剪、抗沖擊性能以及彈性模量。竹材的力學(xué)性質(zhì)與其含水率、竹稈部位、竹種等密切相關(guān)，所以在研究竹材時應(yīng)充分考慮這些因素。

表1為常見種類竹材和木材的主要力學(xué)性能指標(biāo)［6］。由表中數(shù)據(jù)可知，竹材的抗拉強度明顯優(yōu)于木材，約為2倍;抗壓強度約比木材高出20%。竹材密度只有鋼材的1/6～1/8，而竹材的順紋抗拉強度可達到常用鋼材的1/2左右，因此竹材的比強度甚至高于鋼材。

表1 竹材與木材強度比較Tab.1 The strength comparison of bamboo and wood MPa

2 原竹建筑

2.1 傳統(tǒng)原竹建筑

用原竹建造房屋在我國已有兩千多年的歷史。原竹是一種形態(tài)樸實、自然典雅、價格低廉的生態(tài)材料，能夠體現(xiàn)建筑師崇尚自然的設(shè)計理念［7－8］。由于竹材的順紋抗壓力和抗拉力很高，可以直接使用單根竹子制作各式桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，單層亭臺樓閣中的梁柱等受力桿件。

傳統(tǒng)的原竹建筑大多架設(shè)簡單、造型單一、設(shè)施簡陋、成本低廉，是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)節(jié)約成本的選擇，難有建筑的美觀效果，多見于我國云南、四川、福建等地少數(shù)民族居住區(qū)。圖1為云南西雙版納地區(qū)較典型的傣家竹樓。傣家竹樓的造型屬干欄式建筑，其房頂呈“人”字型，竹樓的所有梁、柱、墻及附件均為竹子制成。傣家竹樓一般為上下兩層的高腳樓房，高腳是為了防止地面潮氣的侵入，底層架空可供飼養(yǎng)牲畜和堆放雜物。上層為人們居住的地方，一般分為堂屋和臥室兩部分，堂屋設(shè)火塘，是燒茶做飯和家人團聚的地方，臥室位于堂屋內(nèi)側(cè)，用竹圍子或木板間隔而得。

圖1 傣家竹樓Fig.1 Bamboo house of the Dai nationality

圖2為云南佤族竹樓，住房構(gòu)造和形狀與傣家竹樓相似，建筑材料均為竹子和草，據(jù)說最結(jié)實的佤族竹樓，住上3～5年就須翻修或重建。

2.2 現(xiàn)代原竹建筑

隨著竹子間連接技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合建筑師豐富的想象力，造型別致、風(fēng)格獨特的現(xiàn)代原竹建筑應(yīng)運而生。

哥倫比亞著名建筑師Simon Velez常年致力于竹建筑的研究。2000年德國漢諾威世博會上，Simon設(shè)計出巨型竹篷［9］（如圖3所示），其屋頂直徑36.6 m，懸挑9.1 m，是目前世界大跨度竹結(jié)構(gòu)的典型代表。

圖3 Simon Velez設(shè)計的漢諾威世博會巨型竹篷Fig.3 The giant bamboo canopy designed by Simon Velez

2010年上海世博會上的印度館 （如圖4所示）是現(xiàn)代原竹建筑領(lǐng)域的巨大突破。印度館中央穹頂半徑有36 m，高18 m，骨架全部用盤口粗的竹子累加編制而成，被稱為世界最大跨度的竹制穹頂結(jié)構(gòu)建筑。這座巨型穹頂沒有一根梁、一根柱，共用了500多根竹子，最長的有20 m，竹材用量達到40 t。該館的建造未使用任何能源，實現(xiàn)了完全零排放，被稱為上海世博會最綠色的展館。

圖4 上海世博會印度館的竹制穹頂Fig.4 Bamboo dome of India pavilion at the Expo

“德中同行之家”展館 （如圖5所示）是2010年上海世博會上原竹建筑的又一力作［10－11］。該展館建筑面積330 m2，是一座覆膜全竹結(jié)構(gòu)環(huán)保建筑。展館主要支撐結(jié)構(gòu)為24組向上張開的4根竹竿組成的倒金字塔形構(gòu)架，展館使用的竹材是產(chǎn)于中國南部的巨龍竹，長8 m，竹齡大于4 a，平均直徑20 cm，所有竹材在建造之前均經(jīng)過特殊防火處理并通過了相應(yīng)防火測試。竹桿支撐體系在建筑屋面層通過鋼節(jié)點相互連接固定，通過鋼片或鋼管并采用活動螺栓固定，保證了展館的可移動性。該結(jié)構(gòu)體系體現(xiàn)了靈活建造的方式，構(gòu)件的替換變得簡單，所有材料具備了循環(huán)和再生利用的可能性。

圖5 上海世博會德中同行之家外觀和連接節(jié)點Fig.5 German-Chinese House at the Expo and its connections

3 改性竹建筑

天然的竹子是小直徑的空心圓柱體，其剛度、強度分布不均勻，從形狀到性能均不能滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的建造要求，很多工程無法直接利用原竹作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對原竹進行一系列的物理化學(xué)處理和機械切削，即對竹材進行改性處理，生產(chǎn)出截面規(guī)整、性能穩(wěn)定的板材和型材，才能適應(yīng)現(xiàn)代建筑形式的多樣性和復(fù)雜性。改性竹材在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用推廣方面我國學(xué)者已做出了很多有意義的嘗試。

3.1 校舍建筑

2004年，國際竹藤組織和中國林科院木材工業(yè)研究所的技術(shù)支持下，在云南屏邊建造了全竹結(jié)構(gòu)小學(xué)校舍建筑［12］（如圖6所示）。校舍屋架采用竹層積材制作，屋頂和墻體則為竹膠合板制成。制作屋架時，根據(jù)設(shè)計要求，將竹層積材加工成不同尺寸和形狀的梁部件，然后用螺栓、夾板、釘子等金屬連接件連接和組裝而成。這是首次將竹集成材和竹膠合板作為結(jié)構(gòu)材用于建筑，為改性竹材在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用邁出了可喜一步。

圖6 云南省屏邊小學(xué)全竹結(jié)構(gòu)校舍Fig.6 Bamboo school building in Yunnan province

3.2 抗震安居房建筑

“5.12”汶川地震后，南京林業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震安居房 （如圖7所示）。該安居房采用梁、柱+擱柵、墻骨柱結(jié)構(gòu)受力體系?；A(chǔ)采用混凝土淺基礎(chǔ)。樓面、屋面均采用竹簾膠合板為結(jié)構(gòu)層，竹簾膠合板支承于竹層積材次梁格柵上，通過釘子連接。墻體根據(jù)保溫、隔熱要求采用雙層竹簾膠合板墻板。該安居房的構(gòu)件規(guī)格統(tǒng)一，節(jié)點構(gòu)造簡單，施工快捷，可實現(xiàn)快速的裝配化施工，適合于災(zāi)后重建工作［13］。

圖7 竹結(jié)構(gòu)抗震安居房Fig.7 Bamboo anti-seismic house for low-income urban residents

3.3 竹結(jié)構(gòu)別墅

湖南大學(xué)基于多年來在改性竹材領(lǐng)域積累的豐富研究成果，率先建造了現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房（如圖8所示）。該建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件雖為竹材，但其外形與普通鋼混別墅并無區(qū)別。該結(jié)構(gòu)中，竹材并未暴露在外面，從而可延長房屋的使用壽命。墻體中填充了巖棉等保溫材料，提高了房屋的保溫隔熱性能［14］。2009年，國際竹藤組織和湖南大學(xué)聯(lián)合實施了北京紫竹院公園環(huán)保節(jié)能型竹建筑示范項目 （如圖9所示），也是全竹結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代別墅建筑。

圖8 湖南大學(xué)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房Fig.8 Modern bamboo villa in Hunan University

圖9 北京紫竹院公園環(huán)保節(jié)能型現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅示范房Fig.9 Modern bamboo villa in Beijing Zizhuyuan Park

4 復(fù)合式竹建筑

為了更好地發(fā)揮竹材優(yōu)良的力學(xué)性能，提高竹材高強度的利用效率，寧波大學(xué)科研人員開發(fā)出將竹材與冷彎薄壁型鋼進行復(fù)合而得的鋼－竹組合構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)體系，并進行了相關(guān)研究［15］。鋼－竹組合構(gòu)件由竹材人造板與冷彎薄壁型鋼間通過膠粘劑或膠粘劑+金屬連接件復(fù)合而成，構(gòu)件間通過可靠的連接構(gòu)成復(fù)合式現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑體系。鋼材與竹材的組合使兩者在受力過程中共同工作，大大提高材料的使用效率，同時這種組合方式能夠方便地獲得空心形、箱形、工字形等有利于充分發(fā)揮材料高強度的組合型截面、克服薄壁型鋼的過早屈曲，可達到竹材與鋼材優(yōu)勢互補的效果。

4.1 鋼－竹組合構(gòu)件

（1）鋼－竹組合樓板。兩張竹膠板之間平放壓型鋼板，竹板與鋼板間用膠粘劑粘結(jié)或膠粘劑粘結(jié)的基礎(chǔ)上打螺釘加強組合樓板的整體性［16］。為了以較低截面用鋼率達到更好的力學(xué)性能，同時也嘗試了另一種組合方式，即兩張竹膠板之間按一定間距立放冷彎薄壁型鋼，型鋼與竹板界面通過膠粘劑粘結(jié)，或膠粘劑+螺釘連接，型鋼兩側(cè)粘貼竹板條以提高薄壁型鋼的側(cè)向穩(wěn)定性［17］（如圖10所示）。研究表明，這兩種形式的組合樓板均具有很高的承載力和較高的剛度，可以滿足作為建筑樓板的使用要求。

圖10 鋼－竹組合樓板Fig.10 Bamboo-steel composite slab

（2）鋼－竹組合墻體。兩張竹膠板間夾著壓型鋼板，竹板與鋼板界面用膠粘劑粘結(jié) （如圖11所示）［18］，構(gòu)成壓型鋼板－竹膠板組合墻體;也可以在兩張竹膠板間立放薄壁C型鋼，型鋼與竹板界面同樣通過膠粘劑或膠粘劑+螺釘連接，型鋼兩側(cè)粘貼竹板條加強其側(cè)向穩(wěn)定性［19］。

（3）鋼－竹組合梁。以兩根冷彎薄壁C型鋼為骨架，將其背靠背放置，其間粘貼竹板，組合件上下表面各膠粘一塊竹板，構(gòu)成工字形截面的鋼－竹組合梁［20］（如圖12所示）。

圖11 鋼－竹組合墻體試件Fig.11 Bamboo-steel composite wall

圖12 鋼－竹組合梁Fig.12 Bamboo-steel composite beam

（4）鋼－竹組合柱。以矩形冷彎薄壁型鋼為骨架，在其周邊粘貼竹材人造板復(fù)合而成 （如圖13所示）。薄壁型鋼的壁厚可薄至1～2mm，與輕鋼結(jié)相比，鋼材用量大為降低，由于竹板的約束薄壁型鋼的抗屈曲性能得到保證。

圖13 鋼－竹組合柱Fig.13 Bamboo-steel composite column

4.2 鋼－竹組合結(jié)構(gòu)體系

鋼－竹組合構(gòu)件間通過適當(dāng)?shù)倪B接方式構(gòu)成以下兩種復(fù)合式竹建筑。

（1）墻體承重的箱式結(jié)構(gòu)體系。由鋼－竹組合樓板和組合墻體裝配成空間箱形結(jié)構(gòu)。墻體與樓板通過可靠的連接構(gòu)成空間受力性能良好的結(jié)構(gòu)體系，其中墻體既是很重要的受力部位，在其芯部填充保溫材料后又成為節(jié)能性能優(yōu)良的圍護構(gòu)件。該結(jié)構(gòu)體系適用于單層和矮層建筑，作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的組合墻、組合板等均可統(tǒng)一在工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝，施工方便快捷。

（2）梁柱式框架結(jié)構(gòu)體系。鋼－竹組合梁和組合柱通過剛性連接構(gòu)成框架承重結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成類似于一般框架結(jié)構(gòu)體系的鋼－竹組合梁柱式結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系中，組合柱承受全部的豎向荷載及水平荷載，荷載依次從組合樓板傳至組合梁，再由組合梁傳到柱，最后由柱將荷載傳到基礎(chǔ)。該結(jié)構(gòu)體系中墻體只是起圍護及分隔房間作用，統(tǒng)一采用鋼－竹組合墻體，此時墻體的截面厚度和型鋼壁厚可適當(dāng)減小，墻體及樓板的空腔中仍然可以填充各種保溫隔熱材料。這種結(jié)構(gòu)體系建筑平面布置靈活，可以取得較大的使用空間，具有良好的延性。

4 結(jié)束語

隨著全球能源危機的加劇和環(huán)境問題的日益突出，“綠色建筑”是必然的選擇，合理有效地開發(fā)新型材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，在一定范圍內(nèi)取代鋼和混凝土作為主要建筑材料和結(jié)構(gòu)形式使用，將是21世紀(jì)土木工程領(lǐng)域改革與發(fā)展的方向。作為最古老的建筑材料之一，竹材來源廣泛、價格低廉、加工容易，是一種集力學(xué)和美學(xué)等多方面優(yōu)勢為一體的環(huán)境友好型工程材料。開展全方位的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑研究工作，并加以推廣有助于建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展，具有重要的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

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