原態(tài)重組竹材在園林建筑中的應(yīng)用探究

閆 薇，史田田，于蘭芳，曹春紅，張 彬，周建波，傅萬四*

(1.衡水職業(yè)技術(shù)學院 生物工程系，河北 衡水 053000； 2.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091； 3.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

木材資源日益緊張，竹材是木材的優(yōu)異替代材料。實現(xiàn)碳達峰碳中和是當前經(jīng)濟社會廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革，竹材屬于天然的儲碳材料，竹材及其主要制品只要處于使用狀態(tài)就會作為碳儲存庫而一直存在[1]?，F(xiàn)代園林的發(fā)展在社會經(jīng)濟建設(shè)中處于蓬勃發(fā)展時期，我國城市園林綠地不僅數(shù)量迅猛增長，質(zhì)量也在快速提升，更注重人居環(huán)境的改善，人與自然的和諧共生。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)等常見建筑類型相比，竹材在園林建筑中的應(yīng)用具有節(jié)能減排、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢。

創(chuàng)建園林城市和森林城市的活動備受關(guān)注，人們在園林、公園的設(shè)計和建造過程中也越來越重視竹材的應(yīng)用，這是人們追求自然美與生活美的具體反映。建筑、地形、水體、植物是構(gòu)成園林的四要素，園林建筑是園林環(huán)境中重要的組成部分，具有使用功能和觀賞價值雙重屬性。

竹材是園林建筑常用材料，但目前創(chuàng)新應(yīng)用不夠，筆者在綜合分析竹材在園林建筑中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合原態(tài)重組竹材這一新型材料，探討研究其在園林建筑中的應(yīng)用，以期為竹材在園林建筑中的設(shè)計創(chuàng)意和造型表現(xiàn)提供參考。

1 竹材在園林建筑應(yīng)用的現(xiàn)狀

園林建筑是以優(yōu)質(zhì)的外部環(huán)境為依托，具有一定的使用功能，又能與環(huán)境和諧共融、供觀賞游覽使用的各類建筑物和構(gòu)筑物的總稱，包含建筑和小品。園林建筑不僅僅需要滿足一般建筑的使用功能，還要具有非常強的美學價值。

竹材不僅僅是設(shè)計材料，更是一種文化的痕跡。自古以來，人們用竹材或者木材建造房屋等是一種選擇，這種自然天成的材料更受到人們的歡迎。在我國戰(zhàn)國時期的《考工記》中最早提到了材質(zhì)美，“天有時，地有氣，材有美，工有巧，合此四者，然后可以為良”，認為“材有美”是藝術(shù)作品成功的關(guān)鍵之一，優(yōu)秀的設(shè)計離不開適當?shù)倪x材與合理的工藝[2]。

越來越多的人們向往回歸自然、綠色生態(tài)的生活方式。竹材是人們生活不可或缺的重要部分，越來越多的竹材身影出現(xiàn)在人們的生活環(huán)境和景觀建筑中，例如休憩乘涼用的竹亭、組織交通的竹橋、日常用的竹凳、行走時的竹廊、居住的竹屋等[3]。竹材在園林建筑的發(fā)展前景非常廣闊，園林中的許多大型建筑、景觀小品等都采用竹材，然而受竹材產(chǎn)品類型和加工工藝的影響，目前在園林建筑當中應(yīng)用的主要是竹集成材，部分采用竹層積材，極大地限制了竹材在園林建筑當中的應(yīng)用。而原竹在建筑中的應(yīng)用主要是通過鋼構(gòu)件連接、節(jié)點部位填充連接、穿斗式連接、槽齒連接、銷連接、綁扎結(jié)合等節(jié)點連接方式實現(xiàn)的[4]，在園林建筑設(shè)計的造型和創(chuàng)新上尚未推陳出新。因此創(chuàng)新型的竹材產(chǎn)品將有助于打破竹材在園林建筑中的應(yīng)用瓶頸，為園林建筑設(shè)計和材料應(yīng)用實現(xiàn)新的突破。

2 原態(tài)重組竹材的理念及產(chǎn)品

原竹具有強度大、質(zhì)量輕的特點，中空、具有竹節(jié)，如圖1所示，竹壁徑向維管束分布從竹青到竹黃排列由密集到稀疏，這體現(xiàn)了竹材天然的密度梯度[5]。竹材具有良好的力學特性，建筑師稱之為“植物鋼筋”，在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用已有上千年的歷史。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，原竹的生物學結(jié)構(gòu)和特性受到越來越多科研人員的關(guān)注，竹材的原態(tài)重組技術(shù)作為新時代科學與技術(shù)的產(chǎn)物應(yīng)運而生，并體現(xiàn)了較廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 竹材原態(tài)特征(a)和竹壁徑向的維管束分布(b)[6]Fig.1 Features of bamboo in original status(a); Vascular bundles distribution on bamboo culm wall in radial direction(b)

2006年，傅萬四研究員在國際上首次提出“竹材弧形原態(tài)重組”[6]，次年，提出“竹材原態(tài)重組(Bamboo Recombining in Original Status, BROS)”這一創(chuàng)新理念[7-8]。2006年以來，以傅萬四研究員為課題組長的團隊對竹材弧形重組材料制造技術(shù)及相關(guān)設(shè)備進行了系統(tǒng)性研究，并開展了工業(yè)生產(chǎn)，主要包括國家林業(yè)局北京林業(yè)機械研究所、東北林業(yè)大學、中國林科院木工所、湖南省林科院等科研單位及高校。竹材原態(tài)重組技術(shù)保留了竹子原有的組織結(jié)構(gòu)，使竹子空腔、竹隔等獨特的結(jié)構(gòu)得以充分利用，從而可以實現(xiàn)竹竿抗彎、抗壓和抗剪能力強等力學性能優(yōu)點較大限度地保留，充分體現(xiàn)了竹材的原生態(tài)優(yōu)勢，屬于首創(chuàng)技術(shù)[9-13]。竹材原態(tài)重組技術(shù)的誕生以及該材料的加工利用提高了竹材的利用率，實現(xiàn)了竹材的更高效利用，是更好實現(xiàn)“以竹代木，以竹勝木”的新途徑。

原態(tài)重組竹材具有質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，不僅拓展了竹材的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了竹材的利用率，其膠黏劑用量遠少于傳統(tǒng)重組竹，還大大提高了竹材的經(jīng)濟附加值[14]。以竹材弧形原態(tài)重組板材為例，生產(chǎn)1 m3的成品板材約需要70根竹材，現(xiàn)已進行了中試生產(chǎn)，產(chǎn)品售價按4 500元·m-3計算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益。此外，原態(tài)重組竹材成套設(shè)備可實現(xiàn)銷售收入2 000～8 000萬元，推動了竹材加工機械行業(yè)的發(fā)展。

經(jīng)歷了十幾年的研究與開發(fā)，原態(tài)重組竹材呈現(xiàn)出豐富的產(chǎn)品，圖2所示為弧形重組竹材(a)、仿生重組竹材(又稱多方重組竹材)(b)、梯形重組竹材(c)[14-17]。

圖2 豐富多樣的原態(tài)重組竹材[6-7]Fig.2 Varied products of Bamboo Recombining in Original Status (BROS)

原態(tài)重組竹材前期需要進行防腐處理就可應(yīng)用于戶外建筑及景觀小品。防腐處理可提高竹材的天然耐久性，對提升竹材戶外應(yīng)用價值具有重要意義，竹材原態(tài)重組材料可采取多種方法進行防腐處理[18]。本著對自然的尊重和環(huán)境的保護，更加生態(tài)環(huán)保的防腐劑正在走進竹材防腐的一線。原態(tài)重組竹材的防腐處理優(yōu)選對環(huán)境友好的技術(shù)方法，如可采用環(huán)保型的防腐劑、乙?；凹{米材料處理技術(shù)等，提高竹材的耐腐性，提升經(jīng)濟價值。竹材的防腐處理會對其力學性能產(chǎn)生一定影響，例如防腐處理對竹材的抗拉強度影響表現(xiàn)為：碳化竹材抗拉強度最優(yōu)，未碳化竹材次之，最差為加壓浸注方法處理的竹片[19]。

著名建筑師密斯的經(jīng)典言論指出，所有的材料，不論是人工的還是自然的，都有其自身的性格。我們在選用這些材料之前，必須知道其性格[20]。竹材原態(tài)重組材料既保留了竹子的原態(tài)組織結(jié)構(gòu)，又使得竹子的文化內(nèi)涵得以展現(xiàn)，滿足現(xiàn)代人們對安寧、賦有生命力的心理需求。竹集成材和原竹的可塑性對建筑構(gòu)造樣式具有較大影響，相比之下，原態(tài)重組竹材在可塑性方面具有絕對優(yōu)勢，可以滿足竹建筑造型藝術(shù)的發(fā)展需要。竹材原態(tài)重組的應(yīng)用詮釋了人與自然的完美融合、可促進園林建筑的可持續(xù)發(fā)展，是自然美與技術(shù)美的有機結(jié)合。同時，竹材具有調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度的作用，可以和園林植物一起“呼吸”，通過溫度和濕度的相互影響實現(xiàn)園林建筑與園林植物的互動聯(lián)通，形成園林獨特的有機生態(tài)系統(tǒng)。原態(tài)重組竹材在園林中的應(yīng)用可以產(chǎn)生獨特審美價值的構(gòu)造方式，創(chuàng)造出更多藝術(shù)表現(xiàn)形式的園林建筑。

3 原態(tài)重組竹材在園林建筑中的應(yīng)用

3.1 園林建筑小品裝飾材料

竹材材質(zhì)肌理賦有細膩的觸感，其天然斑駁的色彩，呈現(xiàn)出深淺不一的效果，可讓游人感受到其視覺、觸覺的碰撞，稍作休息便可嗅到竹子的韻味，仿佛置身于竹林之中，享受著安靜、自由的氣息[21]。將我國優(yōu)秀燦爛的傳統(tǒng)文化與原態(tài)重組竹材相結(jié)合，通過現(xiàn)代的設(shè)計手法融合具有時代信息的裝飾元素，可創(chuàng)造出獨特意境的園林空間。竹材原態(tài)重組材料具有優(yōu)異的環(huán)境學特性，加之其原態(tài)特性，是很好的裝飾材料。竹材原態(tài)重組材料在園林建筑小品的運用包括地面鋪設(shè)材料、墻面鋪裝材料、結(jié)構(gòu)裝飾材料、裝飾陳設(shè)材料等[22]。

園路、廣場、棧道等交通系統(tǒng)具有組織引導游覽路線的作用，是園林建筑中非常重要的組成部分。其中，鋪地的設(shè)計非常重要，包括鋪地的材料、質(zhì)感、色彩、花紋等。竹材經(jīng)過防腐處理可以成為一種很好的鋪地材料，在現(xiàn)代園林中被作為高檔用材廣泛使用，也常用于水邊作木棧道。

竹材的構(gòu)造決定了竹材具有優(yōu)異的視覺特性，例如可測量表征的竹材顏色、光澤度、紋理等給人們帶來舒適的視覺感受[23]。竹材弧形重組材料進行拼接之后還可以出現(xiàn)不同的肌理，可以組成特殊的圖案(圖3)[24]，可作為園路、廣場、平臺等鋪地材料，提升觀賞價值，別具一格，如圖4所示。竹材表面呈現(xiàn)出特殊的紋理和質(zhì)感，原態(tài)重組竹材肌理紋樣備受游客及消費者喜愛。

圖3 弧形重組竹材的拼接肌理[25]Fig.3 Splicing texture of arc recombining bamboo

圖4 弧形重組竹材鋪地效果圖Fig.4 Visual presentation of arc recombining bamboo in paving

不僅如此，因弧形竹片的原態(tài)特點，弧形重組竹材表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能[14]，可滿足木棧道、橋面等材料的使用。竹制梁橋和拱橋等可以聯(lián)系園林中的水陸交通、組織游覽路線、變換觀賞視線，還可以與水面倒影相映成趣自成一景，兼有交通和觀賞的雙重價值，然而園橋的觀賞價值往往超過其交通功能。相比木材和重組竹等傳統(tǒng)材料，原態(tài)重組竹材更好地保留了竹材原有的組織結(jié)構(gòu)和高硬度[25]，耐磨性能好，經(jīng)過防腐、表面涂飾處理可以具有較高的耐久性，更適合于作為鋪地材料。采用仿生重組竹材與傳統(tǒng)磚石墻體相結(jié)合設(shè)計虛實結(jié)合的景墻、漏窗以及建筑小品等，可以營造獨特的景觀效果。以空透形態(tài)為主的景墻，可以與仿生重組竹材相結(jié)合，如圖5所示，通過竹腔形成的天然孔洞看到對面景色，空間隔而不斷，實現(xiàn)人與景色的隔空對話，而竹材橫斷面維管束密集到稀疏的環(huán)狀排列也是一種天然的觀賞景點，從而達到自然裝飾、美化環(huán)境、點綴風景的目的。

圖5 仿生重組竹材在景墻的應(yīng)用效果圖Fig.5 Visual presentation of bionic recombining bamboo in landscape wall

3.2 休憩設(shè)施材料

作為城市景觀的重要節(jié)點元素，休憩設(shè)施小品是環(huán)境的點睛之筆，其視覺形象應(yīng)當與所處周圍環(huán)境相契合、相呼應(yīng)，符合特定區(qū)域環(huán)境的文化特色[26]。創(chuàng)建園林城市的過程中，無論是建設(shè)口袋公園還是大型的文化園林，園桌、園凳、園椅等都是必不可少的休憩設(shè)施。

竹材原態(tài)重組更多地保留了大自然賦予的竹材獨特的結(jié)構(gòu)，而且膠黏劑用量比竹集成材更少[14]，因此更適合用來作為休憩設(shè)施用材，安全性能更高，自然程度更大，更貼近人們對健康生活的追求。有研究表明，采用竹質(zhì)材料可以很好地滿足幼兒對于設(shè)施安全性能的需求，原態(tài)重組竹材的色彩飽和度較低，具有舒緩情緒的作用，可以安撫并降低陌生環(huán)境給幼兒帶來的不安情緒[27]。由此可見，竹材深受人們喜愛不僅僅是人們的回歸自然之舉更是人們內(nèi)心的精神需求。

弧形竹片膠合而成的弧形重組竹材巧妙地契合了樹木的年輪紋理，既保留了竹子的質(zhì)感，又體現(xiàn)了木材的美感。竹材肌理是自然界獻給人類的美麗圖案，維管束在端面的分布呈現(xiàn)點的疏密、大小變化；在徑切面上，致密通直紋理是一種天然的線形表面裝飾，表現(xiàn)出竹絲筆直的紋理效果；而在橫切面上，是曲線美的弧形紋理的完美體現(xiàn)，與木材的肌理形態(tài)相似?；⌒沃亟M竹材的利用，無論是加工成為薄竹進行表面裝飾還是直接加工成工藝品都是極具特殊表現(xiàn)力的新型材料。例如，可通過調(diào)整切削角度等加工方法獲得諸如年輪、山形紋路等特殊圖案的薄竹，裝飾效果非同一般。

園桌、園凳等是園林中必不可少的設(shè)施，是為游人提供就坐休息的主要場所，優(yōu)美的桌凳造型、獨特的選材會給園林景觀增添不少風采。傳統(tǒng)竹椅以圓竹為主，現(xiàn)代竹椅多采用竹集成材，以竹集成材為主的現(xiàn)代休憩設(shè)施所體現(xiàn)的竹材肌理十分單一，基本是直線肌理的表現(xiàn)，有失活潑。以弧形重組竹材為主設(shè)計的茶藝園桌，最大程度地詮釋了弧形竹材的形態(tài)、色彩表現(xiàn)力和獨特肌理[24]，如圖6所示，更增添了幾分活潑、自然與禪意。

圖6 弧形重組竹材制備的園桌[24]Fig.6 Garden table made of arc recombining bamboo

在園林建筑小品當中，我們可以采用弧形重組竹材設(shè)計制作具有特殊肌理和構(gòu)造的園椅、園桌、園凳等，如圖7所示，弧形曲線柔和優(yōu)雅，拉近了人與自然的距離，更是園林小品中別具風格的景點。

圖7 弧形重組竹材應(yīng)用于園桌、園凳效果圖Fig.7 Visual presentation of arc recombining bamboo in garden table and stool

圖8為弧形重組竹材加工制作的竹椅，從不同的角度可以看到不同的肌理，筆直的線形給人剛毅的印象，彎曲的弧線給人柔美的感覺，豐富了竹制座椅的外形表現(xiàn)。竹材原態(tài)重組可同時滿足竹制休憩設(shè)施在結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計材料創(chuàng)新方面的需要。

圖8 弧形重組竹材制作的竹椅Fig.8 Chair made of arc recombining bamboo

仿生重組竹材制備的竹凳別具風格，巧妙利用了竹材的空腔結(jié)構(gòu)，虛實結(jié)合，同時降低了竹凳的重量，充分體現(xiàn)了竹材的自然之美，見圖9(a)。該竹凳與獲得德國紅點獎的“竹細胞”坐凳作品[28](見圖9(b))具有異曲同工之妙。相信仿生重組竹材在不久的將來還會給設(shè)計師們帶來更具靈感和創(chuàng)意的設(shè)計作品。

圖9 竹材仿生重組竹凳效果圖(a)和德國紅點獎獲獎作品“竹細胞”(b)Fig.9 Visual presentation of bionic recombining bamboo in garden stool (a); Bamboo cell (b)

原態(tài)重組竹材可謂結(jié)合了原竹和竹集成材兩者的優(yōu)點，既有大自然賦予的竹材獨特的結(jié)構(gòu)肌理又可以大規(guī)模生產(chǎn)加工，較原竹結(jié)構(gòu)具有更好的結(jié)構(gòu)強度、制作工藝、較高的機械化生產(chǎn)程度，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)承重材料

以竹質(zhì)型材為建筑材料的當代竹建筑傾向于發(fā)展裝配式竹建筑、輕型竹結(jié)構(gòu)以及大空間的框架結(jié)構(gòu)建筑[29]。大型竹建筑在結(jié)構(gòu)材料方面多集中使用重組竹，然而重組竹密度大、自重大，單位質(zhì)量力學性能不高，原竹所具有的獨特的組織結(jié)構(gòu)和物理特性在傳統(tǒng)的竹材重組技術(shù)中并沒有很好地體現(xiàn)出來，傳統(tǒng)的重組竹不能滿足長范圍、大跨度重組的要求，因此不能用作對力學強度要求高、長度和跨度較大的建筑結(jié)構(gòu)材料[30]。

竹材原態(tài)重組材料實現(xiàn)了指接接長來降低尖削度，通過重組實現(xiàn)了強度的增加，前期預(yù)處理可實現(xiàn)竹材的防腐防蛀，相比原竹更適合作為建筑構(gòu)件使用。竹材原態(tài)重組材料集合了原竹和重組竹材兩者的優(yōu)點，彌補了缺點，不僅更多地保留了竹材的原態(tài)特性，具有優(yōu)異的力學性能，還符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要可以大規(guī)模機械加工生產(chǎn)，竹材原態(tài)重組材料是竹材用于建筑結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的高效利用方式，對提升竹材的利用價值具有重要意義。

弧形重組竹材充分發(fā)揮了原態(tài)竹片拱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點[14]，具有優(yōu)異的力學性能，完全可以替代傳統(tǒng)重組竹在園林竹建筑結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，例如承受建筑主要荷載的梁柱系統(tǒng)等。亦可以參考相關(guān)的設(shè)計規(guī)范進行竹質(zhì)人行橋的構(gòu)件設(shè)計[31]，竹橋具有自然、古樸、典雅的特點，通常是點綴水景的優(yōu)選設(shè)計，營造小橋流水的意境。

仿生重組竹材在結(jié)構(gòu)方面受啟發(fā)于蜂巢結(jié)構(gòu)，利用仿生學原理，將正六邊形化的單根竹材有機結(jié)合成為一個整體，不僅使竹材的不均勻性得到降低，提升了原竹的承受軸向荷載的能力，還充分發(fā)揮了仿生重組竹材的中空構(gòu)造優(yōu)勢，使其強重比優(yōu)于同體積其它建筑材料[17,32]。仿生重組竹材主要作為軸向承重結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用，可用于園林當中亭子、廊、花架等園林建筑、小品，既具有文化氣息又親近自然、別致新穎。此外，原態(tài)重組竹材還具有較強的抗震性，即使發(fā)生強烈地震，其主體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生劇烈形變，仍能完整無損，非常適宜園林等公共場所的建筑設(shè)計使用。

現(xiàn)代竹建筑所表現(xiàn)出來的形式和空間是建筑本質(zhì)的回歸，在推進生態(tài)文明建設(shè)和彰顯文化內(nèi)涵的今天，竹材憑借獨特的力學、美學、文化以及生態(tài)價值在現(xiàn)代園林建筑中依然備受青睞。相信在不久的將來，竹材原態(tài)重組材料在建筑結(jié)構(gòu)和承重方面的應(yīng)用會帶給我們更多與眾不同的建筑表現(xiàn)。

4 結(jié)語及展望

竹材原態(tài)重組技術(shù)的誕生給竹材的應(yīng)用打開了新天地，為竹制產(chǎn)品注入了新鮮血液。材料作為園林建筑的本質(zhì)語言，在極大程度上擔任了地域、文化屬性的載體，竹材是深受人們喜愛的天然材料，原態(tài)重組竹材承載著更多的自然屬性、文化意義和新時代科學技術(shù)，不僅具有優(yōu)異的力學性能，更是高環(huán)保、低成本的綠色低碳材料，具有獨特的肌理和表現(xiàn)力。原態(tài)重組竹材不會限于園林建筑中裝飾、休憩設(shè)施、結(jié)構(gòu)承重等方面的應(yīng)用，還可進一步推廣應(yīng)用在休閑旅游度假區(qū)以及養(yǎng)老院、幼托、學校等公共建筑。未來原態(tài)重組竹材將在連續(xù)化、多功能化和智能化方面進一步發(fā)展，融入更多科技元素，原態(tài)重組竹材在園林建筑當中的應(yīng)用將為園林的發(fā)展帶來新機遇。