重組竹作為新型建筑材料的優(yōu)勢與不足

束必清， 肖忠平， 姚 振， 吳鐘瑞， 張?zhí)K俊

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇揚州 225127)

重組竹作為新型建筑材料的優(yōu)勢與不足

束必清， 肖忠平， 姚 振， 吳鐘瑞， 張?zhí)K俊

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇揚州 225127)

發(fā)展重組竹與國家的產(chǎn)業(yè)政策、國內(nèi)外發(fā)展趨勢相吻合，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。重組竹具有很多優(yōu)勢，但目前也存在一些不足。通過分析提出重組竹的強重比為2.74～2.94，略高于普通鋼材，比木材和混凝土大；對當(dāng)前重組竹作為新型建筑材料進行發(fā)展所具有的優(yōu)勢和不足作了較為全面的闡述，旨在為重組竹的發(fā)展研究提供一個方向，從而在以后的研究中保持其優(yōu)勢、改進其不足，真正達到“以竹代木”的目標。

重組竹； 新型建筑材料； 抗震性能； 結(jié)構(gòu)用膠； 木螺栓

重組竹是將竹材小徑級材、枝丫材等低質(zhì)材，經(jīng)輾搓設(shè)備加工為橫向不斷裂、縱向松散而交錯相連的竹束，然后干燥、施膠、組坯、熱壓而成的一種強度高、規(guī)格大、具有天然竹材紋理結(jié)構(gòu)的新型人造竹材板。它突破了傳統(tǒng)的切削加工方式，為竹材的綜合利用開辟了一條新的利用途徑[1]。

隨著國內(nèi)外各方面環(huán)境的變化，將重組竹作為新型建筑材料的研究逐漸增多。重組竹作為新型建筑材料具有比較多的優(yōu)勢，但要完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料——木材，真正達到“以竹代木”，重組竹亦存在一些不足，需要加以改進。

下面就結(jié)合筆者近幾年從事重組竹材料檢測、房屋設(shè)計的實踐經(jīng)驗，對當(dāng)前重組竹作為新型建筑材料進行發(fā)展所具有的優(yōu)勢和不足作了較為全面的闡述，旨在為重組竹作為新型建筑材料的研究提供一個方向，從而在以后的研究中保持其優(yōu)勢，對其不足加以改進，真正達到“以竹代木”的目標。

1 重組竹作為新型建筑材料的優(yōu)勢

1.1 輕質(zhì)高強，力學(xué)性能優(yōu)良

根據(jù)呂清芳等人對重組竹基本構(gòu)件的力學(xué)性能進行研究，其保證率大于等于95 %的重組竹柱極限抗壓強度和彈性極限抗壓強度分別達到53.0MPa、34.3MPa；保證率大于等于95 %的重組竹梁的彎曲抗拉強度達到36.8MPa[2]。根據(jù)魏洋等人的研究，竹材本身的抗拉強度可達150MPa，彈性模量達10GPa[3]。而重組竹根據(jù)工藝不同，密度略有差別，一般在8～10kN/m3之間。

重組竹材料分項系數(shù)考慮介于鋼材與混凝土之間，取1.25，則重組竹抗壓強度為27.4MPa，抗彎強度為29.4MPa；按照彈性模量10GPa相同，選取性能較佳的TC17木材東北落葉松，則抗彎強度設(shè)計值17MPa，順紋抗壓強度設(shè)計值15MPa[4]，密度6～7kN/m3[5]；鋼材選用厚度不大于16mm的Q235鋼，混凝土選用C25，具體強度參數(shù)分別按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]取值，密度按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]取值。將重組竹與東北落葉松、Q235鋼材及C25混凝土進行分析比較，具體見表1所示。

表1 各材料強重比對照

由表1可知，重組竹的強重比略高于普通鋼材，且比木材和混凝土大。

在建造同樣一棟多層建筑，使用荷載相同的情況下，若采用重組竹作為結(jié)構(gòu)材，其重量最輕；由于其重量最輕，故在地震作用下，吸收的地震力也最小，截面尺寸在不考慮構(gòu)造要求的情況下亦可更小，從而建筑的總體重量更小。說明采用重組竹作為結(jié)構(gòu)材建造房屋，其結(jié)構(gòu)比較合理，更加節(jié)省資源。

1.2 彈塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)異

由GB50005-2003(2005年版)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表4.2.7可知，樓板梁和格柵的撓度限值為1/250；重組竹作為受彎構(gòu)件在破壞前彈性變形較大，接近破壞時有較小的塑性區(qū)，破壞時撓度達到l/36以上，說明重組竹受彎構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)主要由剛度控制，與鋼材類似[2]。將重組竹用作3 000 mm跨樓板梁或格柵時，則其破壞之前有80 mm左右變形，比較明顯，屬于塑性破壞，危害較小。

重組竹作為受壓構(gòu)件，同樣破壞之前存在較大彈性變形，接近破壞時有較小的塑性區(qū)。另外，若在重組竹柱破壞后對其進行卸荷，80 %以上的變形能夠得到恢復(fù)，材料的延性、耗能能力較好，震后殘余變形較小[2]。作為多次超靜定結(jié)構(gòu)的房屋，在地震作用下，若局部一些構(gòu)件因破壞而退出工作，在較大變形下與整體建筑脫離，則整個房屋不會形成連續(xù)破壞，反而由于局部構(gòu)件的脫離，其余構(gòu)件的安全系數(shù)反而有所提高。這些均說明了重組竹具有優(yōu)異的抗震性能。

重組竹作為有機竹材的加工產(chǎn)物，具有大量的纖維，在沖擊荷載作用下不易發(fā)生脆性斷裂，韌性較好。

1.3 資源豐富，伐后可再生，廢棄后可降解

竹子是我國的第二森林資源，竹材產(chǎn)量約占木材l/10，約占世界竹產(chǎn)量的l/3。其生長周期短，4 a以上毛竹或3 a生叢生竹即可滿足使用要求。同時竹材具有較強的伐后再生能力，只要管理科學(xué)合理，一次造林可多次采伐，取之不盡、用之不竭[8]。竹材資源豐富且集中，易于收集與貯運，具有投資少、上馬快、產(chǎn)量質(zhì)量絕不遜色于木材的特點。重組竹作為竹材的加工產(chǎn)物，具有90 %以上的高利用率[8]。

我國為森林資源較為貧乏的國家，特別是國家實施了天然林保護工程后，長江、黃河上中游禁止和限制砍伐木材，每年木材供需缺口達6 000×104m3。竹結(jié)構(gòu)房屋的產(chǎn)量僅占木結(jié)構(gòu)房屋的2 %，具有較大的開發(fā)空間。若房屋廢棄后，重組竹材料可以自然降解，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何負面影響[9]。

1.4 固碳能力強，能耗低[9]

竹材在生長過程中能吸收二氧化碳，放出氧氣，改善人們生活的自然環(huán)境。就減排而言，竹林比其他樹種的森林可吸收更多的二氧化碳，具有超強的固碳能力。在加工過程中竹材能耗低，建造同樣面積的建筑，竹材的能耗是木材的1/3、鋼筋混凝土的1/8、鋼材的1/50。

1.5 構(gòu)件工廠預(yù)制，工業(yè)化程度高，易于更換

目前重組竹建筑一般是在工廠將竹材制成各種重組竹構(gòu)件，在工廠進行預(yù)拼裝，滿足要求后，通過運輸設(shè)備將各種重組竹構(gòu)件運輸至現(xiàn)場；在施工現(xiàn)場按照施工組織設(shè)計的要求利用起重設(shè)備進行起吊并臨時固定，用各種儀器進行檢測矯正，最后作最終固定。這種類型建筑的安裝周期短，所需人員少，與我國老年化的社會結(jié)構(gòu)相吻合，滿足工業(yè)化生產(chǎn)、工業(yè)化施工的需要，適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢。

由于重組竹在工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，構(gòu)件間的連接大多采用榫接和螺栓連接，所以重組竹構(gòu)件在后期使用過程中易于更換。

1.6 可利用不同材料形成組合構(gòu)件，滿足不同的功能需求

重組竹本身為小徑竹材、枝丫材經(jīng)一定的工藝壓制而成，故在壓制之前，可以在小徑竹材、枝丫材之間摻入一定量的外加劑，如碳纖維、鋼絲、鋼渣等，從而改善重組竹的性能。

在竹板之間設(shè)置鋼板，利用高強結(jié)構(gòu)膠進行熱壓或冷壓使其全界面粘合，形成基本鋼竹組合板，再將多個鋼竹組合板進行定位，施膠熱壓或冷壓全界面粘合成各種膠結(jié)組合型材[8]，如H形截面、箱形截面等。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特點，采用不同的截面形式，使建筑更加安全可靠，材料的使用更加合理。

在墻體的墻骨柱或樓面的格柵之間，可以根據(jù)需要填充各種保溫隔熱、隔聲和防潮防水材料，或布設(shè)各種管線，從而提高墻體和樓面的使用性和適用性，使建筑更加耐久、美觀。

1.7 與國家的產(chǎn)業(yè)政策、國內(nèi)外發(fā)展趨勢相吻合

隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護意識逐步加強，竹子的培育與加工已引起政府和相關(guān)部門的高度重視。在此基礎(chǔ)上，國家林業(yè)局組織編制了《2003年～2010年全國竹林基地建設(shè)規(guī)劃》[10]，明確了用15 a的時間改造和新建竹林基地120×104ha，使集約經(jīng)營竹料面積不斷增加，單位面積竹林產(chǎn)量不斷提高，竹材的利用領(lǐng)域拓寬，竹材的加工利用向工業(yè)化利用，精深加工，全竹利用和高附加值方向發(fā)展。

重組竹由于具有以上多個優(yōu)點，特別是具有90 %以上的高利用率，這正好符合了國家的發(fā)展方向，與鋼筋混凝土建筑等所形成的建筑垃圾形成鮮明對比，為重組竹作為新型建筑材料在中國的發(fā)展提供了一個大環(huán)境和平臺。

2 重組竹作為新型建筑材料的不足

重組竹作為新型建筑材料具有以上多個優(yōu)點，但要完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料——木材，真正達到“以竹代木”，重組竹亦存在一些不足，需要加以改進或優(yōu)化。

2.1 加工壓制設(shè)備較難滿足現(xiàn)行大截面結(jié)構(gòu)材的要求，材料耐久性還有待進一步改進

重組竹的壓制成型工藝分為普通熱壓、高頻熱壓和冷壓3種成型工藝[11]。普通熱壓工藝壓制的構(gòu)件一般厚度不超過50 mm，高頻熱壓目前還屬于初試階段。重組竹作為結(jié)構(gòu)材，其截面要滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的多方面要求，截面一般較大，目前普通熱壓、高頻熱壓較難滿足大截面的要求，使用較多的是冷壓工藝。

冷壓與熱壓、碳化后熱壓相比，冷壓的尺寸穩(wěn)定性，但使用時的抗彎彈性模量和抗壓模量最差[12]，耐久性最為不好。重組竹作為結(jié)構(gòu)材，在使用時需要特別注意對其外露構(gòu)件的處理，防止長期積水等現(xiàn)象產(chǎn)生。

另外，對重組竹耐久性的研究目前還處于起步階段，作為設(shè)計使用年限25 a、50 a及以上的建筑，重組竹能否保持其在這么長的時間內(nèi)性能不變或變化較小還有待進一步研究。目前各方面的研究還未能將重組竹的耐久性與建筑的設(shè)計使用年限進行一一對應(yīng)。

2.2 結(jié)構(gòu)用膠的合理選擇

目前，重組竹材料的加工工藝一般為竹材→截斷→開片軟化→去青→分片拉絲疏解→高溫干燥(碳化)→常溫定性→施膠→預(yù)干→選絲組坯→冷壓或熱壓成型→固化→脫膜。其中膠的使用非常重要，它不僅影響到竹材之間的整體性，而且對于重組竹的后期使用亦有很大影響，膠的耐久性、高溫穩(wěn)定性和對人體健康的危害不容忽視。

目前國內(nèi)使用比較普遍的膠有酚醛膠、三聚氰胺樹脂膠和脲醛樹脂膠等。因酚醛膠耐久性好，故使用較多。但它們都含有一定量的甲醛和苯。我國規(guī)定達到E1級環(huán)保標準的材料方可用于室內(nèi)，而E1級環(huán)保標準僅要求0.5 mg/L<甲醛含量≤1.5 mg/L，對苯的提及較少。國外一些膠的性能較好，但是價格較高。如何合理選擇膠的種類進行施膠，還需要進一步研究。

2.3 木螺栓在重組竹中的握釘力及重組竹耐火性還有待進一步研究

目前，我國對木螺絲在木材中的握釘力研究較多，但是重組竹與木材的結(jié)構(gòu)不同，相關(guān)數(shù)據(jù)并不能通過，對木螺絲在重組竹中的握釘力研究還較少。

重組竹作為竹材和各種膠的組合物，木材、膠合板防火劑對其是否適用、高壓浸漬對重組竹的性能又有何影響、防火處理后能否達到建筑耐火等級對其的要求等目前還沒有相關(guān)研究。

2.4 國內(nèi)的理論研究才剛剛起步，工程實例亦較少

《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]規(guī)定輕型木結(jié)構(gòu)體系最大可適用于三層民用建筑；《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[13]規(guī)定木柱木屋架和穿斗木構(gòu)架房屋，6～8度時不宜超過2層，總高度不宜超過6 m；9度時宜建單層，高度不應(yīng)超過3.3 m；木柱木梁房屋宜建單層，高度不宜超過3 m。

目前，重組竹結(jié)構(gòu)還處于研究階段，國內(nèi)的一些理論研究還比較少，對重組竹進行材料檢測、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工需要花費相當(dāng)大的精力，因此工程實例更加稀少。目前僅湖南[9]、南京[1]、浙江安吉、浙江桐廬、上海、湖北等地已經(jīng)建造了一些重組竹結(jié)構(gòu)建筑，其中湖北重組竹結(jié)構(gòu)建筑為縱橫向跨度9 m、建筑面積1361.52 m2、兩層框架結(jié)構(gòu)公共建筑、底層層高7 m、二層層高6 m為當(dāng)中較大者。就層數(shù)而言，可以滿足“以竹代木”的要求；但工程實例太少，要想進行大面積推廣，必然還須有一定比例的工程實例對相關(guān)理論研究結(jié)果做切實有效的檢驗。

2.5 無相關(guān)的規(guī)范標準和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件

健全的規(guī)范標準是保證建筑質(zhì)量的必備條件。目前國內(nèi)的一些重組竹結(jié)構(gòu)房屋在進行設(shè)計時，絕大多數(shù)是參照國內(nèi)的設(shè)計規(guī)范標準，如《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]等；對重組竹結(jié)構(gòu)房屋進行施工則大多數(shù)參照《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[14]和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量及驗收規(guī)范》[15]，但相關(guān)設(shè)計施工規(guī)范標準是否完全適用于重組竹結(jié)構(gòu)還有待進一步研究。同樣一棟建筑，參照多個不同規(guī)范標準的不確定條文進行設(shè)計施工，也會給重組竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工帶來一定困難，使重組竹的大力推廣產(chǎn)生一定的阻礙。

目前，國內(nèi)無通過論證的對于重組竹乃至木結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)建模、設(shè)計分析的軟件，也給重組竹的大力推廣帶來了一定的阻礙。重組竹要想大力推廣，重組竹建造的房屋就必然需要合法，擁有國家規(guī)定的產(chǎn)權(quán)，避免小產(chǎn)權(quán)現(xiàn)象；而想要擁有產(chǎn)權(quán)，在設(shè)計的時候就須滿足國家現(xiàn)行規(guī)范標準要求，要能夠通過國家規(guī)定的審圖部門的圖紙審查。因無通過論證的對于重組竹乃至木結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)建模、設(shè)計分析的軟件，故想要通過圖紙審查，有很多工作量需要人工手算，這在計算機普及、生活節(jié)奏較高的今天，對于普通的工程技術(shù)人員有一定的難度。而對于圖紙審查人員來說，因國家無相關(guān)規(guī)范標準可尋，更加無法進行圖紙審查。

3 結(jié)束語

重組竹的強重比為2.74～2.94之間，略高于普通鋼材，比木材和混凝土大。

重組竹具有輕質(zhì)高強，力學(xué)性能優(yōu)良；彈塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)異；資源豐富，伐后可再生，廢棄后可降解；固碳能力強，能耗低；構(gòu)件工廠預(yù)制，工業(yè)化程度高，易于更換；可利用不同材料形成組合構(gòu)件，滿足不同的功能需求等優(yōu)勢，并且發(fā)展重組竹作為新型建筑材料與國家的產(chǎn)業(yè)政策、國內(nèi)外發(fā)展趨勢相吻合，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，只要克服重組竹目前存在的一些不足，重組竹作為新型建筑材料必然有其廣闊的前景，真正全面的“以竹代木”也必然可以實現(xiàn)。

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[13] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

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江蘇省2016年省級建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化示范基地項目；揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目。

束必清(1980～)，男 ，碩士 ，講師，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，國家二級注冊建筑師，從事建筑結(jié)構(gòu)和環(huán)境巖土工程方向研究。

張?zhí)K俊(1962～)，研究員級高級工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測鑒定及鋼木結(jié)構(gòu)方向研究。

TU531.3

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[定稿日期]2016-08-25