圓竹建筑建造技術改良與推廣應用

黃宏亮 王 琴 周昌平，2 蔡 衛(wèi) 朱玉蘭 王燕飛 張宏亮，2*

(1 安吉縣竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心 浙江安吉 313300； 2 國家竹產(chǎn)業(yè)研究院 浙江安吉 313300；3 安吉竹境竹業(yè)科技有限公司 浙江安吉 313300)

目前， 我國實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略， 大規(guī)模的美麗鄉(xiāng)村建設促使人們挖掘鄉(xiāng)村傳統(tǒng)建筑文化， 日益重視綠色環(huán)保、 可持續(xù)利用的綠色建材。 竹子是一種速生、 低碳、 可降解材料， 同時兼具生態(tài)、經(jīng)濟、 文化價值， 因此竹材作為建筑材料日益受到人們的重視， 竹建筑的建造技術亦不斷創(chuàng)新[3]。浙江安吉是全球的著名竹鄉(xiāng)， 也是“兩山” 理念誕生地、 美麗鄉(xiāng)村發(fā)源地、 綠色發(fā)展先行地。 安吉縣政府在“千萬工程” 實施、 “中國美麗鄉(xiāng)村”建設、 “中國美麗縣域” 打造過程中特別強調(diào)本土文化的傳承， 竹子作為長期與安吉人民相生相伴的鄉(xiāng)土建材， 在鄉(xiāng)村建設中得到了廣泛應用。浙江安吉竹境竹業(yè)科技有限公司(以下簡稱“竹境” )， 在圓竹建筑的傳承和發(fā)展中做了大量的探索: 通過科技賦能， 大幅提升圓竹防腐、 防霉、防蟲性能， 滿足了市場對原竹使用年限的要求；通過設計賦能， 創(chuàng)造出符合現(xiàn)代審美風格的圓竹建筑， 大幅提升了圓竹建筑的附加值； 通過自主研發(fā)， 解決了圓竹建筑支撐、 連接、 功能拓展等方面落后或缺失的情況， 極大提高了原竹建筑的牢固度； 通過策劃和執(zhí)行全國性大型竹文化、 竹建筑活動， 大幅提升了圓竹建筑的知名度和美譽度， 使圓竹建筑得到了蓬勃發(fā)展， 成為竹產(chǎn)業(yè)的重要行業(yè)之一。 本文分析了傳統(tǒng)圓竹建筑存在的問題， 介紹了“竹境” 在圓竹建筑建造工藝改良方面研發(fā)的技術和應用案例， 提出了圓竹建筑未來的發(fā)展趨勢， 以期為竹建筑的推廣應用提供借鑒。

1 傳統(tǒng)圓竹建筑存在的問題

1.1 竹材作為建材具有局限性

1) 竹材易腐爛、 易蟲蛀、 易霉變。 原竹含有較多的營養(yǎng)物質， 其中主要營養(yǎng)成分含量為: 蛋白質1.5% ～6.0%、 可溶性糖類2.0%、 淀粉2.2%～5.2%、 脂肪和蠟質2.2%～3.6%。 在適宜的溫度和濕度條件下保存和使用， 竹材極易產(chǎn)生腐爛、 蟲蛀、 霉變， 導致使用壽命較短。

2) 竹材壁薄中空、 具有尖削度。 與木材相比， 竹材徑級較小， 有的竹種僅為1～2 cm， 用途最廣的毛竹其胸徑也多為7 ～12 cm。 竹材壁薄中空， 由根部至梢部逐漸變小， 呈一定的尖削度，毛竹基部的壁厚最大可達15 mm 左右， 而梢部壁厚卻僅有2～3 mm。

3) 竹材結構不均勻。 竹材在橫斷面方向上從外到內(nèi)分為竹青、 竹肉和竹黃。 竹青組織致密、 質地堅硬、 表面光滑、 外表常被有一層蠟質， 對水和膠粘劑潤濕性差； 竹黃組織疏松、質地脆弱、 橫向強度低； 竹肉位于竹青和竹黃之間， 其結構與性能也介于竹青和竹簧之間，是竹材加工利用的主要部分。 由于竹青、 竹簧、竹肉三者之間結構上的差別， 使得它們在物理、力學性能及膠合性能上存在明顯差異； 同時不同部位營養(yǎng)物質含量也不同， 竹黃部分高于竹青和竹肉， 造成原竹的防護處理難度遠高于木材和經(jīng)分割后的竹材。

1.2 缺乏具有現(xiàn)代審美特色的設計和創(chuàng)新

圓竹結構建筑歷史悠久， 在距今約7 000 年的河姆渡遺址中就發(fā)現(xiàn)有利用圓竹和其他天然材料修建房屋的遺跡。 但自20 世紀80 年代起， 由于中國經(jīng)濟快速發(fā)展， 人們開始崇尚現(xiàn)代建筑材料(磚、 混凝土和鋼材等) 和西方建筑形式， 使得中國圓竹建筑的研究和發(fā)展在很長時間內(nèi)停滯不前， 很少有建筑設計師團隊關注圓竹建筑。 竹材屬于木材分類中的一個分支， 長期以來傳統(tǒng)竹工匠模仿木結構建筑形式建設竹結構的亭、 榭、廊、 閣、 軒、 樓、 臺等， 沒有發(fā)揮竹子具有抗拉、抗壓、 抗彎強度好的物理特性和形態(tài)優(yōu)美的自然環(huán)保屬性等優(yōu)點開展創(chuàng)新設計， 拘泥于傳統(tǒng)木結構建筑形式， 未進行設計創(chuàng)新是導致圓竹建筑缺乏現(xiàn)代審美和個性表達的重要因素。 進入21 世紀后， 隨著可持續(xù)發(fā)展理念的普及以及對中國傳統(tǒng)文化的發(fā)掘和重視， 圓竹建筑重新回到國人視野[4-6]。

1.3 建造技術落后， 結構欠牢固

圓竹是圓柱形中空體結構， 無法使用在木材上行之有效且牢固的榫卯結構進行支撐和連接，傳統(tǒng)圓竹建筑支撐采取直接落地方式， 竹子容易霉變、 腐爛， 而且不美觀； 傳統(tǒng)圓竹的連接方式主要為麻繩捆扎， 處理粗糙且不牢固， 缺乏現(xiàn)代、先進的連接件， 易引發(fā)竹子開裂、 發(fā)霉、 變形等一系列的問題。

1.4 專業(yè)人才缺乏

圓竹建筑為工匠作品， 目前竹工匠平均年齡超過50 歲， 后繼乏人； 同時， 竹建筑設計和工藝深化的人才稀缺。

從傳統(tǒng)的備自投工作方式可以看出，當#1主變或#3主變失電備自投成功動作后#2主變所帶負荷為正常運行時的2倍，主變過載會引起變壓器過熱短路，嚴重時會導致變壓器爆炸[3]。因此，我們在原有的備自投中增加負荷均分功能，該功能只針對邊變壓器即#1主變或#3主變失電的情況，改變原有的備自投動作過程，主要有兩種工作方式：

2 圓竹建筑建造技術改良

2.1 圓竹材料采運、 處理與存儲

選用6 年生毛竹作為圓竹材料， 并于白露到次年立春期間采伐， 民間俗稱冬竹。 采伐后運至初加工廠進行處理， 以解決原竹霉變、 腐爛、 蟲蛀等問題。 采運途中做好防護措施， 使竹材表面不受損傷。

原竹防腐、 防霉處理工藝包括如下步驟[7]:1) 將新鮮的原竹干燥至含水率為12%～15%； 2)將干燥后的原竹放入真空度在0.08 MPa 以上的壓力罐內(nèi)， 處理35～50 min； 3) 向真空壓力罐內(nèi)加入原竹專用防護劑； 4) 關閉真空泵， 開啟壓力泵， 使壓力達到1.2 ～1.8 MPa， 保持壓力處理50～70 min； 5) 解除壓力， 排出防護劑。

上述工藝針對原竹特性， 利用干燥、 真空、加壓等工藝流程， 有效將原竹專用防護劑從營養(yǎng)物質含量最高且密度較低的竹黃部位滲透進原竹，實現(xiàn)防護劑飽和注入效果， 并能在原竹內(nèi)長時間停留， 不易流失， 從而起到長效防護效果， 大幅提升了圓竹的使用壽命: 半戶外使用年限達20年， 戶內(nèi)使用年限可達30 年。 處理好的竹材通過油漆和塑封的方式可以長期存儲。

2.2 改良圓竹支撐、 連接、 功能拓展等技術

“竹境” 公司通過自主研發(fā)， 在圓竹支撐、連接、 功能拓展等方面累計獲得授權發(fā)明專利1項、 授權實用新型專利13 項。

在圓竹支撐連接方面， 創(chuàng)新研發(fā)了一種原竹支撐底座(圖1)[8]， 該支撐底座包括下固定部、與下固定部配合連接的連接部和連接部上方的原竹安裝部3 個部分， 下固定部預埋于地下或者與固定在地面上的鋼板等其他物體連接， 連接部與原竹安裝部連為一體， 與下固定部之間的連接可拆卸， 原竹安裝部插入原竹的中空部， 對原竹進行固定。 該底座可對原竹與地面之間進行固定，不僅解決了原竹和地面直接固定不牢固的問題，而且可以防止原竹底部與地面之間接觸， 從而延長原竹的使用壽命； 同時配合緊固件的應用， 還能有效防止原竹開裂導致固定不穩(wěn)的問題。

在竹建筑和裝飾中， 原竹的安裝工藝通常多采用直接用螺絲或螺栓將原竹和結構件進行連接，這樣往往造成螺絲或螺栓外露， 影響美觀， 而且當原竹縱向開裂時會發(fā)生脫落， 容易造成安全事故。 為解決這一問題， 研發(fā)了原竹緊固結構(圖2)[9]， 該結構包括形成緊固圈的主體部， 緊固圈具有一緊固開口， 緊固開口的前端設置有與主體部連接的鎖緊部， 鎖緊部形成原竹通過的通道，鎖緊部的兩側設置有將原竹固定于結構件上的固定部。 原竹緊固結構設計簡單， 使用方便， 在原竹使用場所可對原竹與結構件之間進行穩(wěn)定牢固的固定。

圖2 原竹緊固結構Fig.2 Bamboo fastening structure

為拓寬竹材利用范圍、 推動竹建筑的發(fā)展， 研發(fā)了原竹裝飾結構[10]。 該結構包括裝飾外墻(圖3) 和裝飾吊頂， 其中裝飾外墻包括龍骨和墻面，墻面包括若干根原竹， 龍骨通過連接件固定在主梁上， 龍骨包括上龍骨和下龍骨， 原竹通過緊固件固定在龍骨上。 原竹裝飾結構安裝簡單， 相比其他裝飾墻面， 更加環(huán)保， 材料和加工成本更低， 通過簡單牢固的方式來固定和鎖緊原竹， 穩(wěn)定性好。

圖3 原竹裝飾墻Fig.3 Bamboo decorative wall

3 圓竹建筑的示范推廣

通過舉辦高峰論壇、 設計建造大賽、 花園建造節(jié)、 竹建構分享會等形式推廣示范圓竹建筑的應用， 同時通過為設計師提供工藝深化和打樣服務等舉措， 用設計為圓竹建筑賦能， 打造符合現(xiàn)代審美風格的圓竹建筑。

3.1 綠色發(fā)展高峰論壇

浙江安吉分別于2017、 2018、 2019 年舉辦了3屆國際“竹產(chǎn)業(yè)·竹建筑·竹文化” 綠色發(fā)展高峰論壇， 邀請相關領域的專家、 學者、 設計師及企業(yè)家等匯聚一起探討竹材在建筑、 裝飾領域的多元應用， 推動竹建筑成為竹產(chǎn)業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)之一。

3.2 全國高校竹設計建造大賽

浙江安吉分別于2017 年、 2019 年和2023年舉辦了3 屆全國高校竹設計建造大賽， 大賽與安吉竹鄉(xiāng)文化旅游和鄉(xiāng)村振興項目結合， 邀請全國知名高校為當?shù)卦O計和建造一批竹建筑、竹景觀作品， 這些作品符合當?shù)氐囊?guī)劃要求，是長久性、 功能性、 在地性的竹建筑 (圖4)。通過舉辦竹建筑設計大賽， 為安吉設計和建造了26 個竹建筑作品， 展示了圓竹在建筑中的應用， 并形成安吉縣最具特色的“竹建筑探尋之旅” 旅游線路。

圖4 全國高校竹設計建造大賽部分作品Fig.4 Some works of national university bamboo design and construction competition

3.3 北林國際花園建造節(jié)

北林國際花園建造節(jié)以圓竹和花材作為核心材料， 旨在通過材料建構和藝術表達相互交疊運用的建造體驗， 激發(fā)園林學子的創(chuàng)作熱情， 提高動手能力， 弘揚工匠精神， 為風景園林行業(yè)培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才， 也為圓竹的推廣應用提供新思路。2018—2023 年連續(xù)舉辦了6 屆， 設計和建造了120 余個花園建造作品， 推動了圓竹在園林領域的應用(圖5)

圖5 北林國際花園建造節(jié)中的部分圓竹作品Fig.5 Some works of round bamboo architecture in BFU International Garden-making Festival

3.4 “竹建構的無限創(chuàng)造” 分享會

在中國建筑設計院校較為集中的城市， 與當?shù)馗咝Ｂ?lián)合開展“竹建構的無限創(chuàng)造” 分享會，邀請設計大師分享最新的圓竹建筑實踐案例。“竹境” 公司分別主辦了南京(東南大學)、 上海(同濟大學)、 廣州(華南理工大學)、 杭州(浙江大學)、 深圳(深圳大學) 等地方的分享會，在當?shù)亟ㄖO計界普及竹建筑， 極大地推動了竹建筑的應用。

3.5 竹工匠培訓班

通過舉辦竹工匠培訓班， 工廠計件制和項目承包制， 為竹工匠購買社保、 工商保險、 按月發(fā)放薪資等舉措， 培養(yǎng)竹工匠隊伍； 通過邀請高校教師到安吉實地培訓和實踐， 與高校聯(lián)合建立“竹建筑研學基地” 和自主培養(yǎng)等舉措， 建設設計師梯隊。

4 “竹境” 圓竹建筑設計與施工案例

4.1 旅游景區(qū)觀光車停靠站

作品《曳留》 (圖6)。 靈感源于桃葉， 以曲線為主， 屋頂呈桃葉形態(tài)， 兩側立柱則為桃葉莖脈。 顧名思義“留步” 亦是“留客”， 希望游玩安吉桃花源景區(qū)后不舍離去， 流連忘返。

圖6 圓竹建筑設計作品《曳留》Fig.6 The architectural design work of round bamboo:Stay a While

作品《歸且》 (圖7)。 靈感源于中式合院， 顧名思義“歸家” “且慢且行”， 進入安吉桃花源景區(qū)時希望帶給人們一種親近感、 歸屬感。

圖7 圓竹建筑設計作品《歸且》Fig.7 The architectural design work of round bamboo:Return to Peace

作品《支停》 (圖8)。 靈感源于桃枝， 以直線為主， 立柱——桃枝形態(tài)， 屋頂——展翅的鳥兒， 顧名思義“休憩片刻”， 進入了桃花源景區(qū)，若累了可以休憩片刻。

圖8 圓竹建筑設計作品《支?！稦ig.8 The architectural design work of round bamboo: Short Stop

4.2 安吉竹產(chǎn)業(yè)共富展示廳

展示廳設計方案以“竹” 為主要元素， 分為主體部分與門頭部分(圖9)。 主體部分采用原竹立柱加混凝土基柱， 門頭部分則是純竹結構， 采用竹框構架加修飾原竹。 不論是外部結構還是內(nèi)部結構， 都采取曲直結合來展現(xiàn)當?shù)刂竦捻g性與剛性， 象征著堅韌不拔和剛正不阿的高尚人格。屋頂造型設計靈感來源于當?shù)鼐d延起伏的山脈，獨具錯落感、 層次感， 同時也隱喻著“兩山” 美以及生態(tài)美。 在整體建筑中空間變化讓人游， 暖黃色調(diào)(原竹與燈光相映襯) 使人暖， 特殊結構供人賞， 由此達到一種可讓人慢下腳步、 體驗美麗鄉(xiāng)村文化的目的。

圖9 安吉竹產(chǎn)業(yè)共富展示廳Fig.9 Anji bamboo industry Co-prosperity exhibition hall

4.3 國家竹產(chǎn)業(yè)研究院門頭

該設計旨在創(chuàng)建一個以古建筑斗拱元素為靈感的竹結構大門， 注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結合， 以創(chuàng)造出一個獨特而引人注目的入口(圖10)。 其主要特點是使用竹材作為結構材料， 以實現(xiàn)可持續(xù)性和環(huán)保性。 以簡約和純粹的形體為基礎， 以展現(xiàn)竹材料本身的線條和美感。

圖10 國家竹產(chǎn)業(yè)研究院竹結構大門Fig.10 Bamboo structure gate of National Bamboo Industry Research Institute

5 圓竹建筑發(fā)展趨勢與建議

5.1 裝配式圓竹建筑

裝配式圓竹建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉移到工廠進行， 在工廠加工制作好建筑用組件(建筑主體框架由圓竹預制組件組成， 每個組件均由不同長度的竹子組裝， 后經(jīng)捆綁等方式， 制作成不同造型) 和構件， 運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場， 通過可靠的連接方式在現(xiàn)場組裝后經(jīng)吊裝完成。 裝配式建筑具有減少能耗和污染，質量穩(wěn)定、 精度高， 提高現(xiàn)場施工效率、 材料使用效率、 降低人工成本等優(yōu)勢。

5.2 建筑構件標準化

圓竹與各使用場景連接、 安裝時使用的連接件在工廠做成標準竹構件， 拆裝較為方便， 構件可使節(jié)點連接更加牢固， 部分構件可循環(huán)使用，從而減少浪費， 滿足低碳環(huán)保要求。

5.3 吊頂、 墻面裝飾等裝配系統(tǒng)開發(fā)

竹子是一種十分特殊的植物， 竹子的節(jié)間處由堅韌的纖維束和中空的空腔交織而成。 如何在不破壞圓竹自身結構和形狀的前提下將其使用在建筑裝飾領域是一大難點。 研發(fā)圓竹吊頂、 墻面裝飾等裝配系統(tǒng)將可以很好地解這一問題。