竹結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用前景分析

周軍文, 高　逸

(常州工學(xué)院土木與建筑學(xué)院， 江蘇常州 213002)

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竹結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用前景分析

周軍文, 高逸

(常州工學(xué)院土木與建筑學(xué)院， 江蘇常州 213002)

竹材是一種有機(jī)建筑材料，具有良好的生態(tài)性能，且原材料供應(yīng)充足，用其建造的房屋具有許多優(yōu)勢。原竹由于種類繁多，分布較廣，其力學(xué)性能界定較難，而且原竹本身具有的薄壁中空結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不便于大規(guī)模工程應(yīng)用。以原竹為原料加工而成的的重組竹結(jié)構(gòu)材，克服了原竹結(jié)構(gòu)本身的不利因素，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和施工便利性，其生產(chǎn)技術(shù)成熟，典型工程具有較好示范效果，因此，竹材在房屋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

竹結(jié)構(gòu)建筑；重組竹；建筑材料；力學(xué)特性

竹子是一種自然生長的天然植物，具有成長周期短，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕、彈性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的速生和可再生的資源。在常規(guī)建材中，竹材性能和其他材料相比毫不遜色，其單位面積的抗拉和抗壓強(qiáng)度只遜于鋼鐵，而在綠色指標(biāo)上均優(yōu)于其他材料[1]。

直接用竹材建造房屋的歷史十分悠久，幾千年前，我國就用原竹來建造房屋。由于竹材是一種易于取材，價(jià)格便宜的材料，在我國的南方、東南亞以及拉丁美洲的一些國家，使用原竹建造房屋非常普遍，其中以我國云南地區(qū)的傣族竹樓最為典型，經(jīng)過多年的傳承和發(fā)展，其施工工藝已趨于成熟。在國外，一些低收入者用原竹建造簡易住宅，其主體采用原竹，屋面為普通的波形瓦，用輕質(zhì)復(fù)合墻板做維護(hù)結(jié)構(gòu)，其建造成本很低，如圖1所示[2]。

圖1　簡易竹結(jié)構(gòu)住宅

此外，一些現(xiàn)代公用建筑和公共設(shè)施也使用原竹來建造，如廣州南昆山十字度假酒店的竹橋(圖2)[3]， 2000年德國漢諾威博覽會的雙層竹亭(圖3)[4]，以及2010年上海世博會的“德中同行之家”的二層全竹結(jié)構(gòu)的環(huán)保建筑。這些竹結(jié)構(gòu)建筑既滿足建筑的功能要求，又有較好的使用效果。2005年11月國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)改委等部門《關(guān)于加快推進(jìn)木材節(jié)約和代用工作的意見》中指出“以竹代木”是我國木材資源緊缺條件下的發(fā)展方向，因此，加快竹材在建筑中的應(yīng)用研究具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。

圖2　廣州南昆山十字度假酒店的竹橋

圖3　德國漢諾威博覽會的雙層竹亭

1　竹結(jié)構(gòu)的生態(tài)優(yōu)勢

1.1竹材資源的可持續(xù)性

我國是一個森林面積相對較少，木材資源也相對較少的國家，但是我國的竹材資源卻十分豐富，是世界上為數(shù)不多盛產(chǎn)竹子的國家之一，竹林在我國被稱為“第二森林”，竹林的面積約為360×104ha，差不多占世界竹林面積的25 %。竹林年產(chǎn)量達(dá)800×104t以上，幾乎占世界竹產(chǎn)量的一半。竹子具有生長周期短，成材快的特點(diǎn)，一旦竹林培育成功，通過合理的管理，就可以源源不斷地提供竹材，是可再生的資源，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生態(tài)和社會的可持續(xù)發(fā)展[5]。

1.2竹結(jié)構(gòu)的環(huán)境友好性

竹子是一種天然的自然生長植物，除了陽光和水分外，不需要其他的任何能量，還能吸收空氣中大量的二氧化碳有害氣體，并且釋放出大量氧氣，文獻(xiàn)[6]研究表明，每1 t竹子在生長過程中，釋放出1.07 t氧氣，吸收1.47 t二氧化碳，而且對于水泥、鋼材這些礦物質(zhì)建材，每t成品相反需要排除大量的二氧化碳等有害氣體，還消耗掉大量不可再生的礦物資源，因此，竹材對環(huán)境的影響很小。

毛竹的固碳能力比一般的森林還要強(qiáng)。1 ha毛竹的年固碳量為5.09 t，是杉木的1.46倍。經(jīng)集約化經(jīng)營，毛竹林年固碳能力提高1.56倍。通過集約化經(jīng)營的毛竹林，1 ha毛竹林年固碳能力可達(dá)12.75 t，相當(dāng)于吸收二氧化碳46.75 t，相當(dāng)于17個人一年的二氧化碳排放量[7]。

竹材是有機(jī)生物體，內(nèi)部存在許多細(xì)小的空腔，空腔使得竹材的熱傳導(dǎo)速度慢，因此竹材的熱傳遞系數(shù)很小，其導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.3 W/m·k左右，具有良好的保溫隔熱性能。若要達(dá)到同樣的保溫效果，竹材所需要的厚度是混凝土的1/15，是鋼材的1/400。竹質(zhì)材料對溫度有一種雙向的調(diào)節(jié)作用，取到“冬暖夏涼”的保溫效果。此外，竹結(jié)構(gòu)建筑的年平均濕度變化保持60 %～80 %之間，這與最佳居住環(huán)境濕度60 %左右的指標(biāo)最為接近[6]，因此采用竹材作為建筑材料，既符合國家建設(shè)生態(tài)節(jié)能住宅的產(chǎn)業(yè)政策，又順應(yīng)了健康住宅的歷史趨勢。

2　竹結(jié)構(gòu)建筑面臨的問題

2.1材料力學(xué)性能的界定

全世界的木本竹類植物約有60余屬，1 200余種，我國則有40余屬，400多種[5]。因?yàn)椴煌闹褡?，其截面的纖維束大小和分布是不一樣的，纖維束的質(zhì)地也是不盡相同的，因此每種竹子的受力性能也是有一定的差別。而且竹子的竹齡也會影響到竹子纖維束的力學(xué)性能，不同種類，不同竹齡的原竹，其力學(xué)性能是有差異的。因此，在竹材使用之前，界定不同原竹的力學(xué)特性是必須完成的工作。盡管竹材在房屋建筑中應(yīng)用的歷史較早，但主要用在邊遠(yuǎn)山區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，這些房屋幾乎沒有經(jīng)過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于少數(shù)竹結(jié)構(gòu)公共建筑和設(shè)施，一般通過試驗(yàn)研究來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，其時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

2.2竹構(gòu)件本身的力學(xué)性能

由于原竹是圓形的中空薄壁結(jié)構(gòu)，徑向和環(huán)向的受力性能相差較大，其徑向的抗壓、抗拉承載力很大，而環(huán)向的拉壓承載力很小。盡管單根竹桿能夠承擔(dān)一定的荷載,但畢竟單根原材的直徑有限，總的承載力較小，限制了其在房屋結(jié)構(gòu)中大規(guī)模的應(yīng)用。

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，近幾十年出現(xiàn)一種新型的結(jié)構(gòu)材，即重組竹[8]。它以竹材為原始材料，經(jīng)過開片、粗加工、熏蒸、碳化、干燥、精加工和膠合等一系列加工工藝后重組成的結(jié)構(gòu)材。

改性后的重組竹結(jié)構(gòu)材，有方材和板材兩種主要形式，更多的以板材的形式出現(xiàn)。由于出現(xiàn)的時(shí)間較晚，目前主要用在地板、家具等方面，應(yīng)用到房屋結(jié)構(gòu)上不多，其特性的研究主要集中在生產(chǎn)工藝、構(gòu)件承載力方面以及材料的本構(gòu)關(guān)系研究，目前的少量研究表明，其受拉的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似線性關(guān)系，且其受拉和受壓的強(qiáng)度也相差較大[9]，因此，在對重組竹構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，如何確定其屈服荷載，如何推導(dǎo)其強(qiáng)度計(jì)算公式，還有很多的問題需要解決。

2.3竹結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)點(diǎn)計(jì)算

原竹的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也是一個關(guān)鍵問題，原竹上不宜開孔，以免應(yīng)力集中造成結(jié)構(gòu)過早破壞。盡管已設(shè)計(jì)了一些原竹節(jié)點(diǎn)的連接方式[2]，但其力學(xué)性能和承載能力還有待進(jìn)一步研究。

對于重組后的重組竹結(jié)構(gòu)材，由于可以是方材，截面尺寸較大，便于加工，對結(jié)構(gòu)受力有利，其梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式也可以多種形式。常見的有我國古代的榫卯節(jié)點(diǎn)連接方式；后來通過不斷的改進(jìn)，提出了鋼柱套加U型鋼板托的連接方式[10]；黃東升則在考慮柱子的連接和節(jié)點(diǎn)的耗能因素的基礎(chǔ)上，提出了鋼柱套L型梁翼緣加U型箍的連接方式[11-12]。在國外則更多的采用梁、柱內(nèi)填鋼板螺栓連接方式[13]，也有學(xué)者提出了梁、柱植筋螺栓連接方式[14]。 這些節(jié)點(diǎn)都在一些實(shí)際工程中得到應(yīng)用，取得較好的效果，但是目前國內(nèi)對于這些節(jié)點(diǎn)的理論分析和試驗(yàn)研究甚少，其節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性還知之較少，特別是對節(jié)點(diǎn)承載力至關(guān)重要的M-Φ曲線，以及對節(jié)點(diǎn)耗能有重要影響的節(jié)點(diǎn)等效阻尼比、滯回性能等，都需要做深入的研究，因此對于這些節(jié)點(diǎn)在工程中的推廣應(yīng)用還有許多的工作要做。

3　竹材在房屋建筑中的應(yīng)用前景

由于原竹的特殊結(jié)構(gòu)形式，其承受荷載的能力較小，而且連接構(gòu)造也比較困難，不利于施工。而重組竹因其特殊的制作工藝以及原料本身的特性，其力學(xué)特性明顯優(yōu)于原木和工程木材。密度在1.1 g/cm3左右的重組竹板材，其平均靜曲強(qiáng)度可達(dá)到120 MPa，彈性模量達(dá)到1.6X104MPa，大大超過其他木材人造板和普通人造板[15]。對以四川慈竹為原料制作的重組竹材進(jìn)行研究表明，其順紋抗拉強(qiáng)度達(dá)到248.18 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度達(dá)到129.17 MPa，材料的穩(wěn)定性較好[1]。研究表明，重組竹的硬度、強(qiáng)度、耐水性、防蛀性和耐久性都優(yōu)于天然木材，并且已經(jīng)在我國的浙江、江蘇、福建、江西和湖北等地方廣泛生產(chǎn)[16]。有關(guān)重組竹結(jié)構(gòu)材力學(xué)特性的試驗(yàn)研究已在湖南大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)以及中國林業(yè)科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)展開。為了充分展示新型竹結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)和優(yōu)異性能，2009年在湖南大學(xué)完工一棟建筑面積為250 m2,占地面積120 m2的竹結(jié)構(gòu)別墅(圖4)，2010年在北京紫竹院公園建成了第2棟竹結(jié)構(gòu)示范房并被用作竹產(chǎn)品展示和茶室(圖5)[17]。黃東升在四川省青川縣震害重建中，使用重組竹建造了一棟二層民宅(圖6)[18]。這些竹結(jié)構(gòu)建筑都取得了較好的示范效果。

圖4　湖南大學(xué)竹結(jié)構(gòu)別墅

圖5　北京紫竹院別墅

圖6　青川竹結(jié)構(gòu)民宅

4　結(jié)束語

竹材是一種天然的有機(jī)生物材料，其生長周期短，分布范圍廣，材料供應(yīng)充足，由于其特殊的組織結(jié)構(gòu)，具有較好的保溫隔熱效果。竹子是很好的生態(tài)材料，而且其強(qiáng)度很高，因此是優(yōu)良、環(huán)保的建筑材料。盡管由于天然原竹本身的結(jié)構(gòu)特性，不利于大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，但是以原竹為原料開發(fā)出來的重組竹結(jié)構(gòu)材，具有很好的力學(xué)性能。在節(jié)能環(huán)保的生態(tài)建筑已成為一種趨勢的背景下，以重組竹替代日益缺乏的木材來建造的生態(tài)建筑，將成為竹材未來應(yīng)用的新方向，然而，作為一種新型的建筑材料，重組竹還沒有形成一套完整的規(guī)范體系，對于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還需要進(jìn)行深入的研究。

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建設(shè)部科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2014-K2-014)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：13KJD560001)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201511055026Y)

周軍文(1974～)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代竹、木結(jié)構(gòu)。

TU366.1

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[定稿日期]2016-03-10