現(xiàn)代裝配式竹結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀*

梁嘉惠 鐘 暢 方 海 張 立

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510090）

隨著現(xiàn)代化和城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，現(xiàn)代建筑行業(yè)得到了高速發(fā)展，但是粗放型的建筑發(fā)展方式帶來了大量的能源消耗和碳排放問題[1]。在各類建筑材料的全生命周期碳排放總量排行中，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量最高，混凝土結(jié)構(gòu)次之，木結(jié)構(gòu)最少。但由于木材在建筑廢棄及回收階段可替作燃料，可能出現(xiàn)負(fù)碳排放的情況[2]，同時由于國內(nèi)的林木管理不善，過度砍伐造成木材短缺，在20 世紀(jì)70 年代末，政府對木材的應(yīng)用制定了嚴(yán)格的限制措施，這些因素一定程度上制約了我國木結(jié)構(gòu)的推廣和發(fā)展[2]。而我國竹材資源的種類和儲蓄量極其豐富，有竹子39屬500 余種，面積分布達(dá)673 萬hm2[3-4]，且竹子的生長周期短，再生性強(qiáng)、產(chǎn)量高，其抗拉強(qiáng)度是木材的2倍，在單位重量下甚至比鋼材更優(yōu)；抗壓強(qiáng)度比木材高約20%，可與磚頭和水泥媲美[5]。因此竹材是極佳的木材替代品，具有可持續(xù)的發(fā)展價值。

原竹有很多優(yōu)良的特性，在東南亞、南美洲等熱帶地區(qū)，大徑原竹作為易得、廉價且具有抗震性的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于建造竹吊樓、竹橋梁和竹亭等，這些竹建筑空間既通風(fēng)隔熱，又成本低廉，技術(shù)要求低，十分適合當(dāng)?shù)貧夂蚝徒ㄔ鞐l件。但是原竹結(jié)構(gòu)建筑也具有一定的局限性，如原竹材料腔徑小、壁薄中空、尖削度大、各向異性明顯、易劈裂破壞等，具有不穩(wěn)定的原態(tài)特性；原竹建筑使用體驗(yàn)不佳，保溫隔熱性能差；建造傳統(tǒng)原竹結(jié)構(gòu)建筑，其技術(shù)含量低，裝配程度低，對施工工人的技術(shù)依賴度高；建造現(xiàn)代原竹結(jié)構(gòu)建筑，其五金節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，成本高等，以上問題使得原竹結(jié)構(gòu)無論在材料還是工藝技術(shù)方面都難以滿足現(xiàn)代工業(yè)建筑高效可復(fù)制的特點(diǎn)[6]。

1 現(xiàn)代竹材技術(shù)研究進(jìn)展

20 世紀(jì)70 年代后期，為克服原竹直接利用存在的缺陷，通過將原竹切削—除內(nèi)節(jié)—干燥—施膠—組坯—冷壓或熱壓—鋸邊等基本工藝，研制了系列竹質(zhì)人造板產(chǎn)品。竹材工業(yè)化利用發(fā)展至今，已歷經(jīng)五代技術(shù)[7]，如表1 所示。

表1 現(xiàn)代竹材工業(yè)化利用技術(shù)的研究進(jìn)展Tab.1 Research status of modern bamboo industrialization technologies

（續(xù)表1）

一系列竹質(zhì)人造板產(chǎn)品的研發(fā)大大拓寬了竹材的應(yīng)用范圍，其主要應(yīng)用于集裝箱底板、車廂底板、混凝土模板、家具、包裝和裝飾工程等領(lǐng)域。從第一代仿效木材工業(yè)的純竹質(zhì)壓制加工技術(shù)，到第二代竹材木材優(yōu)勢互補(bǔ)的復(fù)合技術(shù)，第三代發(fā)揮板材截面正應(yīng)力分布的低成本高效復(fù)合技術(shù)，再到第四代竹束疏解技術(shù)，第五代深入竹材細(xì)胞水平發(fā)掘高效精制技術(shù)，每一代技術(shù)從宏觀到微觀逐步通過發(fā)掘竹材本身的結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而拓寬竹材作為建材的功能性應(yīng)用。

2 竹木結(jié)構(gòu)建筑體系概述

與木結(jié)構(gòu)相比，國內(nèi)竹結(jié)構(gòu)的發(fā)展起步較晚，從20世紀(jì)50 年代起才斷斷續(xù)續(xù)開展現(xiàn)代化探索，現(xiàn)已建成的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)，多參考現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和建造方式[6]，常用木結(jié)構(gòu)住宅體系有梁柱式木結(jié)構(gòu)和輕型木結(jié)構(gòu)兩種。

2.1 梁柱式木結(jié)構(gòu)

梁柱式木結(jié)構(gòu)又稱框架結(jié)構(gòu)或柱式結(jié)構(gòu)，是以跨度大的梁和間距較大的柱為主要受力體系，即屋面和樓面的荷載通過梁傳遞到柱上，再通過柱傳遞到地面基礎(chǔ)上。相同的結(jié)構(gòu)體系，按照所用材料的不同可分為以方木或原木為承重構(gòu)件的普通木結(jié)構(gòu)和以膠合木為承重構(gòu)件的膠合木結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的抬梁式、穿斗式、井干式梁柱木結(jié)構(gòu)均屬于普通木結(jié)構(gòu)。由于梁柱式木結(jié)構(gòu)的隔墻不承受主要的力荷載，因此空間布置有較大的自由度和靈活性。

2.2 輕型木結(jié)構(gòu)

輕型木結(jié)構(gòu)是由截面較小的規(guī)格材構(gòu)件（2英寸×4英寸的木方）組成，因此又稱“2×4”結(jié)構(gòu)，其受力體系由主結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)骨架和次結(jié)構(gòu)構(gòu)件墻面板、樓面板和屋面板共同承受并傳遞荷載。按構(gòu)造方式的不同，分為連續(xù)式框架結(jié)構(gòu)和平臺式框架結(jié)構(gòu)。前者在19世紀(jì)中期到20世紀(jì)中期的北美較為普及，其外墻結(jié)構(gòu)骨架柱和部分內(nèi)墻骨架柱是從地基穿透中間層直接延伸至屋頂，因此墻板不可預(yù)制施工。而后者從20世紀(jì)40年代至今一直是北美木住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，是以柱構(gòu)件不大于610 mm的中心距均勻密布構(gòu)成，所有墻骨柱層間獨(dú)立，即當(dāng)裝配好一層的主結(jié)構(gòu)后，再以第一層的樓板為操作平臺搭建第二層，因此這種構(gòu)造方式經(jīng)濟(jì)、施工方便，且施工周期較短。

3 現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)建筑研究

從20 世紀(jì)50 年代開始，對國內(nèi)竹結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化探索多參考現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和建造方式展開[6]。

3.1 竹結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

國內(nèi)以張齊生、肖巖、郝琳等為代表的學(xué)者及建筑師團(tuán)隊(duì)，借鑒歐美木材建造體系，開展了一系列竹結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用實(shí)踐。2009 年由張齊生院士和呂志濤院士研發(fā)建造的“抗震竹樓”安居示范房，采用竹簾膠合板為外墻墻板，中間添加保溫層的方式，以達(dá)到優(yōu)良的熱工性能[13]。肖巖及其團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)外開展大量以自主研發(fā)的竹膠合板（Glubam）為主要材料的建造實(shí)踐，以竹膠合板 (2 440 mm×1 220 mm) 為面板，采用竹方材作為單元骨架，在內(nèi)外面板之間填充保溫與隔聲材料，從而形成墻體和屋面的板材單元[6]。郝琳在云南世博生態(tài)城竹結(jié)構(gòu)住宅中，按照輕型木結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)形式，用規(guī)格板材組成墻體框架，并在空腔內(nèi)填充保溫與隔聲層，發(fā)展成竹集成材2×4 工法 (2 英寸 ×4 英寸，5 cm×10 cm)[14]。

3.2 工程竹材研發(fā)與應(yīng)用

肖巖團(tuán)隊(duì)(湖南大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué))與竹木企業(yè)合作研制并生產(chǎn)工程結(jié)構(gòu)用竹席膠合板（Glubam）。肖巖等研究表明，Glubam的不同纖維組態(tài)對板材的面外、平面、層間剪切強(qiáng)度有較大影響[15]。李玉順等提出在兩張竹簾膠合板之間膠合一張鋼板，研發(fā)了系列鋼-竹組合構(gòu)件，包括壓型（波紋型）鋼-竹樓板、墻體，冷彎薄壁型鋼-竹樓板、墻體、梁、柱等，形成鋼-竹組合框架結(jié)構(gòu)體系[16]。肖巖團(tuán)隊(duì)以Glubam為基材，建造了（2006 年）全球首座竹結(jié)構(gòu)人行天橋、（2007年）車行道路橋、（2008 年）四川抗震竹結(jié)構(gòu)房屋工程和（2009 年）北京紫竹園竹結(jié)構(gòu)建筑等。

3.3 竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用研究

單波等研制了一種現(xiàn)代單層竹結(jié)構(gòu)房屋的剪力墻[17-18]，后又制備了一種三層膠合錯位疊合成型的Glubam長梁，并應(yīng)用于一座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行天橋中[19]。陳國等研究得出，小跨度竹結(jié)構(gòu)帶腹桿桁架的承載力、剛度和變形能力均大于無腹桿桁架。謝橋軍提出一種比傳統(tǒng)桁架承載力更優(yōu)的大跨度（20 m）平面鋼-竹張弦結(jié)構(gòu)屋架[20]。賀智偉則進(jìn)一步針對鋼-竹屋架的上下弦水平夾角關(guān)系及其與彎距比、繞度比的關(guān)系，剖析9 種竹木屋架桿接方式的面內(nèi)剛度影響因素，并針對不同跨度空間提出屋架選型的建議[21]。彭琦針對桁架中齒板主軸方向與Glubam構(gòu)件主纖維方向在不同夾角工況下，通過拉伸試驗(yàn)研究構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系與齒板節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，提出相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正和齒板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值公式[22]。南京林業(yè)大學(xué)黃東升提出用Q235 鋼消能節(jié)點(diǎn)與規(guī)格梁柱構(gòu)件連接的裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，其中柱套-連梁鋼板-U型卡構(gòu)成的鋼板節(jié)點(diǎn)通過彈塑性變形有效消耗地震能，避免木構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。但該研究僅針對單一節(jié)點(diǎn)消能的性能表現(xiàn)，并未進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件間的力學(xué)關(guān)系，以及消能節(jié)點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能[23]。

3.4 連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)用研究

肖巖等發(fā)現(xiàn)螺旋釘比直釘更能提高耐側(cè)壓組合抗剪墻的抗剪切能力[24]。馮立等研究發(fā)現(xiàn)：1）在往復(fù)加載時，節(jié)點(diǎn)螺栓受力不均，也可參與節(jié)點(diǎn)的抗震耗能；2）在單調(diào)加載時，中部螺栓基本不承受荷載；3）往復(fù)加載試驗(yàn)的承載力比單調(diào)試驗(yàn)的承載力低，因?yàn)镚lubam的竹纖維在壓潰后為非彈性性質(zhì)，因此每次往復(fù)都會產(chǎn)生剛度退化[25]。

3.5 竹結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

肖巖等提出了一種以Glubam為基材的單層輕型裝配式竹結(jié)構(gòu)房屋，即墻體單元-連接柱-連系梁組成的房屋框架，并對其抗側(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。陳國等詳述了雙層現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)中竹骨墻、樓蓋體系和屋蓋體系的受力傳遞關(guān)系，也研究了地震作用和抗側(cè)力作用下各構(gòu)件、連接件的性能變化和整體傳力關(guān)系[26-28]；吳越等研發(fā)了一套模塊化裝配式桁架體系，針對壓力弦（上弦）的屈曲、連接結(jié)構(gòu)的脆性破壞和拉伸弦（下弦）的韌性破壞進(jìn)行足尺模型破壞性測試，以驗(yàn)證Glubam-鋼桁架體系在實(shí)際應(yīng)用中的受力情況[29]。Quarantaa等首次用環(huán)境仿真模擬對竹結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行受力跟蹤測試[30]。佘永立用整體傾斜試驗(yàn)驗(yàn)證竹結(jié)構(gòu)房屋的整體性[17]。魏洋等結(jié)合傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)形式提出“梁-柱結(jié)合擱柵-墻骨柱”的多約束、多傳力路徑的結(jié)構(gòu)受力體系。主要建造流程為澆筑混凝土基礎(chǔ)-拼裝和錨固框架梁柱-架設(shè)次梁-鋪設(shè)一層樓板-裝設(shè)二層主體結(jié)構(gòu)-完成竹結(jié)構(gòu)主體-鋪設(shè)屋面和外墻-安裝室內(nèi)墻體、樓梯、欄桿等部件。該建造流程裝配程度較低，尚未發(fā)揮現(xiàn)代裝配快速高效的特點(diǎn)[13]。浙江某竹基復(fù)合材料科技有限公司用竹材為基材，經(jīng)破篾分絲帚化后，通過膠合接長形成竹篾帶或竹束纖維卷，再在纏繞張力和環(huán)、縱向纏繞組合參數(shù)控制下，通過纏繞工藝，連續(xù)均勻地纏繞到芯模上，經(jīng)外加熱固化后脫模，再加外防護(hù)層，由內(nèi)到外分別形成內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外防護(hù)層的強(qiáng)承載力的空腔空間，基于此竹纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂增強(qiáng)復(fù)合工藝，研制了竹纏繞軌道車廂、竹纏繞廁所等產(chǎn)品，并投入生產(chǎn)[12]。

4 結(jié)語

當(dāng)前，土木工程學(xué)和材料工程學(xué)對現(xiàn)代裝配式竹結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用，較多地關(guān)注現(xiàn)代工程竹材在建造過程和結(jié)構(gòu)體系中的性能表現(xiàn)，并基于檢測結(jié)果，促進(jìn)改良工程竹材和結(jié)構(gòu)體系，最終應(yīng)用于新建竹結(jié)構(gòu)中。在可持續(xù)發(fā)展理念成為社會發(fā)展趨勢的今天，現(xiàn)代裝配式竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)重視可持續(xù)設(shè)計(jì)思維對整體項(xiàng)目的影響。可持續(xù)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代裝配式竹結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)-實(shí)施-回饋全流程的效應(yīng)，不僅僅是新型工程材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的研發(fā)應(yīng)用，或者是一個功能性單體建筑的搭建，它更需要從一個整體系統(tǒng)，在場地特性和建筑特性的設(shè)計(jì)中，尋找建筑、人、自然環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)和文化間的平衡。