竹資源高效利用新途徑
——竹基三角形結(jié)構(gòu)件

李 軒

(湖南省植物園 長沙 410116)

竹子生長快、 用途廣、 資源豐富且再生性強，竹子在生長過程中能大量固碳， 改善自然環(huán)境。與當(dāng)前廣泛使用的傳統(tǒng)建筑材料(如磚、 混凝土等) 相比， 竹材不僅生長周期短、 加工過程中能耗低、 廢棄后可自然降解， 屬于生態(tài)友好型資源，而且竹材具有強度大、 強重比高、 塑性好、 變形能力強等優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能， 被結(jié)構(gòu)工程師們譽為“植物鋼筋”。 雖然鋼材的抗拉強度為竹材的2.5 ～3.0 倍， 但鋼材的比重較大， 若按單位質(zhì)量計算，竹材的抗拉強度約為鋼材的3 ～4 倍。 因此利用竹材作為建筑結(jié)構(gòu)承重材料具有很大潛力， 是建筑行業(yè)理想的天然綠色建材[1]。

然而， 傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)在防火、 防蟲、 保溫、 隔聲、 防腐等方面存在一定缺陷， 而且在自然狀態(tài)下容易開裂、 老化， 因此竹材在建筑工程中常作為簡易、 臨時性建筑結(jié)構(gòu)使用。 隨著低碳、綠色發(fā)展理念的普及， 迫切需要探尋竹材綠色利用新途徑。 本研究通過多年探索， 成功開發(fā)了竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)的新方法。 該方法改變了當(dāng)前竹結(jié)構(gòu)構(gòu)建及以桿件經(jīng)節(jié)點連接構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)技術(shù)與施工方法，大幅度拓展了空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建的可用材料類型和應(yīng)用領(lǐng)域。 同時， 為解決竹材的防蟲、 防腐、防水防潮及阻燃加固處理問題， 開發(fā)了布纖維基混凝土復(fù)合利用新技術(shù)， 使竹結(jié)構(gòu)產(chǎn)品能夠用于潮濕多水的環(huán)境。

1 竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建

由于竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其所構(gòu)建的空間結(jié)構(gòu)主要發(fā)揮承載作用， 因此必須具備特定的承載能力。 同時， 空間結(jié)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)件之間的受力必須通過相應(yīng)的連接與緊固件傳遞， 因此在生產(chǎn)中，應(yīng)對組成空間結(jié)構(gòu)的竹基三角形結(jié)構(gòu)件、 連接與緊固件的力學(xué)與經(jīng)濟性能， 進行系統(tǒng)設(shè)計與性能評估。

1.1 構(gòu)建工藝流程

圖1 展示了竹基三角形結(jié)構(gòu)件及空間結(jié)構(gòu)的制作工藝流程。 選擇以一次性竹筷為構(gòu)建竹材(圖1 A)， 經(jīng)透明膠帶連接與固定， 形成竹基正三角形結(jié)構(gòu)件(圖1B)； 再通過透明膠帶連接并固定12 個竹基正三角形結(jié)構(gòu)件， 組合成三角臺體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單體(圖1C、 D)， 在結(jié)構(gòu)單體外粘膠塑料膜， 構(gòu)建形成三角臺體膜結(jié)構(gòu)(圖1F)，該膜結(jié)構(gòu)的承載能力可達自身質(zhì)量的30 倍； 由5個三角臺體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單體(圖1 中C、 C1、 C2、C3、 C4)， 可組合形成五角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(圖1E)。同樣， 由竹基正三角形結(jié)構(gòu)件B， 可連接形成20面體(圖1G)， 或者組合成更大的空間結(jié)構(gòu)類型(圖1H)。

圖1 竹基三角形結(jié)構(gòu)件制作及其空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建流程示意圖Fig.1 Process flow diagram for the production of bamboo-based triangular structural parts and their spatial structure combination

1.2 結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法

根據(jù)應(yīng)用目的和邊界約束條件， 設(shè)計一種由三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)類型， 如三向網(wǎng)架[2]。 確定組成該空間結(jié)構(gòu)的各網(wǎng)格單元上的三角形結(jié)構(gòu)件的外邊長長度、 夾角大小和力學(xué)性能等結(jié)構(gòu)參數(shù)； 或直接設(shè)計一種三角形結(jié)構(gòu)件， 使其具有特定的結(jié)構(gòu)特征(如圖1B 為竹基正三角形結(jié)構(gòu)件) 和力學(xué)性能。 根據(jù)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)， 選擇竹材生產(chǎn)竹基三角形結(jié)構(gòu)件。

根據(jù)空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度， 計算由竹基三角形結(jié)構(gòu)件經(jīng)連接件、 緊固件連接與固定， 形成空間結(jié)構(gòu)的桿件與節(jié)點所需要達到的結(jié)構(gòu)強度， 設(shè)計連接與固定方式和連接件、 緊固件類型。 在整體結(jié)構(gòu)分析中， 應(yīng)以節(jié)點的彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系為計算依據(jù)， 彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)由試驗或經(jīng)試驗驗證的數(shù)值模擬確定。

1.3 空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建

通過連接件、 緊固件連接與固定竹基三角形結(jié)構(gòu)件邊與頂角， 確定空間結(jié)構(gòu)的桿件與節(jié)點，便可簡單、 方便、 快捷地構(gòu)建形成各種空間結(jié)構(gòu)類型。 選擇以自攻螺釘、 鐵絲作為連接與緊固件，連接與固定竹基正三角形結(jié)構(gòu)件， 可構(gòu)建形成不同類型的空間結(jié)構(gòu)， 如圖2 為五角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方式。 竹基三角形空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是材料選擇方便， 安裝簡單快捷， 但缺點是竹材結(jié)構(gòu)容易被破壞， 影響結(jié)構(gòu)件及所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。 選擇鐵絲作為連接與橫向加固材料， 可以增加竹材的抗破損能力。

圖2 竹基三角形結(jié)構(gòu)件構(gòu)建的五角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.2 Pentagonal pyramid grid structure constructed from bamboo-based triangular structural parts

2 竹基三角形結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)

竹基三角形結(jié)構(gòu)件根據(jù)構(gòu)件連接方式、 材料作用與應(yīng)用目的的不同可分為3 種類型: 節(jié)點連接型、 桿件連接型和綜合連接型。 其中， 節(jié)點連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件是指由3 根桿件經(jīng)3 個節(jié)點分別連接與固定而形成； 桿件連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件是指由單根竹材在節(jié)點位置， 經(jīng)彎曲成型形成相鄰的桿件， 竹材兩端經(jīng)連接與固定而形成； 綜合連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件， 是指由抗拉性能更強的結(jié)構(gòu)材料與竹材經(jīng)桿件或節(jié)點連接與固定而形成的， 由多種材料和連接方式綜合連接與固定形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的竹基三角形結(jié)構(gòu)件。 3 種結(jié)構(gòu)件類型的生產(chǎn)技術(shù)如下。

2.1 節(jié)點連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件

選擇結(jié)構(gòu)完整、 小頭直徑為2 ～6 cm 的竹材作為原材料； 選擇膠帶、 長螺紋絲桿(長度通常在1.2 m 以上， 根據(jù)節(jié)點固定的長度要求截取)、自攻螺絲釘作為竹基三角形結(jié)構(gòu)件中的連接件與緊固件。 通過下料、 切角、 沖孔(圖3a)、 桿件固定(圖3b) 等工序， 生產(chǎn)不同力學(xué)與經(jīng)濟性能的三角形結(jié)構(gòu)件(圖3c)。

圖3 節(jié)點連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件的制作Fig.3 Production of node connected bamboo-based triangular structural parts

2.2 桿件連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件

有研究發(fā)現(xiàn)[3]， 竹材熱塑性隨溫度升高而增強， 竹青的熱軟化溫度為208.3 ～211.3 ℃。 我們在實踐中發(fā)現(xiàn)用大功率電熱吹風(fēng)機能快速加熱，在溫度為220 ℃左右時竹青軟化， 使竹片(竿)易于彎曲成型(圖4a)。 選擇直徑為1～3 cm 的小徑竹竿或竹片， 利用熱塑成型技術(shù)， 在節(jié)點位置扭彎， 使兩相鄰桿件依據(jù)設(shè)計的內(nèi)角大小成型，再選擇膠帶或自攻螺絲連接或緊固竹片(竿) 兩端(圖4b)， 即形成桿件連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件(圖4c)。 利用熱塑成型技術(shù)宜設(shè)計結(jié)構(gòu)件邊長在2 m 以內(nèi)的小型竹基三角形結(jié)構(gòu)件。

圖4 桿件連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件的制作Fig.4 Production of rod connected bamboo-based triangular structural parts

2.3 綜合連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件

上述2 種竹基三角形結(jié)構(gòu)件在節(jié)點加工或桿件連接時會影響竹材的結(jié)構(gòu)性能。 為增強結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度， 通常選擇抗拉性能更強或綜合性能更好的材料在節(jié)點或桿件位置整體多重連接與固定竹材， 形成綜合連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件(圖5)。

圖5 綜合連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件Fig.5 Comprehensive connected bamboo-based triangular structural parts

3 竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其空間結(jié)構(gòu)的防護與固定

為提高竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其構(gòu)建的空間結(jié)構(gòu)的防蟲、 防腐、 防水防潮及阻燃能力， 開發(fā)了布纖維基混凝土防護與固定技術(shù)。

3.1 布纖維基混凝土制作方法

選擇200 g/m2的無紡布作為基材， 稱取水泥(標號42.5) (與無紡布質(zhì)量比不小于5 ∶1)。 將水泥與水按質(zhì)量比1 ∶1 混合， 充分攪拌成水泥漿。 將無紡布浸入水泥漿中， 或用水泥漿澆注無紡布， 使無紡布充分吸附水泥漿， 形成布纖維基混凝土。 用布纖維基混凝土纏繞、 包裹或粘貼到竹基三角形結(jié)構(gòu)件(圖6) 或在空間結(jié)構(gòu)上對其進行防護和固定。

圖6 布纖維基混凝土防護與固定竹基三角形結(jié)構(gòu)件Fig.6 Fiber reinforced concrete protection and fixation of bamboo-based triangular structural parts

3.2 防護與固定技術(shù)的工藝流程

以竹基三角形結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的四角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支架(圖7a) 為例， 說明利用布纖維基混凝土進行防護與固定的工藝流程。 先用布纖維基混凝土對支架的各節(jié)點與桿件進行防護與固定， 再在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支架的外側(cè)貼壓布纖維基混凝土膜(圖7b)， 將幾個覆膜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支架組合固定， 可形成投影面積更大的結(jié)構(gòu)頂棚(圖7c)； 還可在這種結(jié)構(gòu)頂棚上反復(fù)貼加布纖維基混凝土膜， 以形成不同厚度與強度的竹結(jié)構(gòu)。

圖7 竹基三角形結(jié)構(gòu)件的防護與固定Fig.7 Protection and fixation of bamboo-based triangular structural parts

3.3 防護與固定效果評價

隨機選取同批生產(chǎn)的竹基三角形結(jié)構(gòu)件， 構(gòu)建相似或相同的空間結(jié)構(gòu)， 在相同的環(huán)境條件下，測試了采用和未用布纖維基混凝土進行防護與固定處理的結(jié)構(gòu)的使用效果。 試驗發(fā)現(xiàn)， 采用布纖維基混凝土進行防護與固定的結(jié)構(gòu)使用4 年后，結(jié)構(gòu)仍完整且功能正常， 而未經(jīng)布纖維基混凝土防護與固定的結(jié)構(gòu)， 正常使用年限僅為1 年。 試驗還發(fā)現(xiàn)， 布纖維基混凝土在對結(jié)構(gòu)進行有效地防護的同時， 提高了結(jié)構(gòu)的強度， 大大拓展了竹材與空間竹結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和途徑。

4 竹基三角形結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用

4.1 森林康養(yǎng)及園林景觀設(shè)施營建

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)， 是現(xiàn)代建筑與人類文明的標志， 通常以其跨度大、 結(jié)構(gòu)強度高、 自身質(zhì)量輕的特性而作為現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)營建的主體類型[2，4-5]。 但由于構(gòu)建施工復(fù)雜， 空間定位要求嚴格， 并受竹木自身特性的限制， 很難營建較大跨度的建筑空間。 應(yīng)用竹基三角形結(jié)構(gòu)件技術(shù)， 采用小徑竹即可營建較大跨度的空間結(jié)構(gòu)。

圖8 為應(yīng)用竹基三角形結(jié)構(gòu)件建造的森林康養(yǎng)設(shè)施。 選用竹齡4 年以上、 小頭直徑4 ～6 cm、竹壁厚度3 mm 以上的圓竹， 批量生產(chǎn)不同邊長的節(jié)點連接型竹基正三角形結(jié)構(gòu)件。 由15 個邊長為4 m 的結(jié)構(gòu)件組成15 面體網(wǎng)殼， 在網(wǎng)殼中間以邊長為1.9 m 的結(jié)構(gòu)件填充； 考慮到頂面結(jié)構(gòu)的承載能力， 在邊長為1.9 m 的三角形結(jié)構(gòu)件中再用邊長0.85 m 的結(jié)構(gòu)件填充加固； 用布纖維基混凝土對結(jié)構(gòu)進行防護和加固處理， 形成如圖8a 的正15 面體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。 經(jīng)實測， 整體結(jié)構(gòu)的荷載大于30.17 kN。 用雙層邊長為4.3 m 的布纖維基混凝土黏合到除門窗以外的各立面上， 形成結(jié)構(gòu)房屋(圖8b)， 其最大跨度達6.48 m， 有效面積達27.52 m2， 裝修裝飾后可作為森林康養(yǎng)地的設(shè)施(圖8c)。

圖9 為應(yīng)用竹基三角形結(jié)構(gòu)件建造的園林景觀亭。 用小頭直徑1 ～3 cm、 長度為4 m 的小徑竹， 批量生產(chǎn)桿件連接型竹基等腰直角三角形結(jié)構(gòu)件。 由三角形結(jié)構(gòu)件經(jīng)布纖維基混凝土進行防護加固處理后構(gòu)建成四角錐網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(圖9a)，可營建如圖9b 所示的景觀亭。

圖9 竹基三角形結(jié)構(gòu)件在園林景觀設(shè)施中的應(yīng)用Fig.9 Application of bamboo-based triangular structure parts in garden landscape facilities

4.2 生態(tài)浮島等水體凈化設(shè)施

圖10 為應(yīng)用竹基三角形結(jié)構(gòu)件建造的生態(tài)浮島， 該浮島于2022 年7 月20 日建成。 由節(jié)點連接型竹基三角形結(jié)構(gòu)件形成支架(圖10a)， 經(jīng)布纖維基混凝土防護， 底部加入泡沫塑料作為上浮材料。 該結(jié)構(gòu)可利用浮島不同空間位置的出水高差， 設(shè)計陸生、 水生等多種生態(tài)類型植物， 提高水處理效率與觀賞性(圖10b)。 同時可用來解決部分觀賞性強的水生植物不適宜于深水環(huán)境生長的技術(shù)難題。 類似結(jié)構(gòu)還可設(shè)計成大型水面花壇，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強， 可視性好。

圖10 竹基三角形結(jié)構(gòu)件在水體凈化設(shè)施中的應(yīng)用Fig.10 Application of bamboo-based triangular structure parts in water purification facilities

4.3 在生態(tài)擋土墻等園林環(huán)保工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

竹基三角形結(jié)構(gòu)件經(jīng)布纖維基混凝土防護與固定形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、 桁架結(jié)構(gòu)， 可與地下根系發(fā)達的地被竹等竹類植物結(jié)合用于坡面防護與綠化(圖11)。 與常見的石質(zhì)、 混凝土及各種砌體等硬防護擋土墻相比， 可大幅降低建造成本， 大量減少土體外運， 同時還可減少硬防護工程的石漠化效應(yīng)， 生態(tài)綠化效果顯著。

圖11 竹基三角形結(jié)構(gòu)件在生態(tài)工程設(shè)施中的應(yīng)用Fig.11 Application of bamboo-based triangular structure parts in ecological engineering facilities

5 結(jié)束語

竹基三角形結(jié)構(gòu)件能廣泛利用我國豐富的竹資源， 就地取材， 方便快捷地構(gòu)建各種類型的空間結(jié)構(gòu)， 由于空間結(jié)構(gòu)設(shè)計合理， 使其擁有較大的承載能力和結(jié)構(gòu)跨度， 而無須使用高強度的結(jié)構(gòu)材料[6]。 研究開發(fā)的布纖維基混凝土技術(shù)， 為竹木結(jié)構(gòu)防護、 結(jié)構(gòu)固定和性能改善提供了新思路。

竹基三角形結(jié)構(gòu)件及其相關(guān)技術(shù)能整合多種結(jié)構(gòu)材料的性能優(yōu)勢， 產(chǎn)品性價比高， 結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量輕， 其結(jié)構(gòu)自重和生產(chǎn)成本通常不到同類產(chǎn)品的1/10， 市場競爭優(yōu)勢突出， 可適應(yīng)于多水潮濕環(huán)境， 能廣泛應(yīng)用于園林環(huán)保、 森林康養(yǎng)和建筑工程等多個領(lǐng)域， 市場容量大。