干欄民居新型原竹承重樓板技術(shù)研究與實(shí)踐

柏文峰 王修通 袁 媛

(1昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 昆明 650051；2湘潭市建筑設(shè)計(jì)院長(zhǎng)沙分院 長(zhǎng)沙 410000)

干欄民居新型原竹承重樓板技術(shù)研究與實(shí)踐

柏文峰1王修通2袁 媛1

(1昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 昆明 650051；2湘潭市建筑設(shè)計(jì)院長(zhǎng)沙分院 長(zhǎng)沙 410000)

篾笆樓面板是傳統(tǒng)干欄民居廣泛采用的樓面技術(shù)，存在剛度低、不防火、隔音差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響干欄民居的安全性和舒適性。為克服篾笆樓面板的缺陷，提出了一種新型原竹承重樓板技術(shù)，利用原竹天然具有的優(yōu)良物理力學(xué)特性，密排鋪設(shè)在樓面格柵上，具有很好的承載能力，在原竹表面鋪設(shè)防潮層，用纖維增強(qiáng)黏土做找平層，方便多種現(xiàn)代樓面裝飾做法。該技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用于示范項(xiàng)目建設(shè)，該技術(shù)的推廣應(yīng)用，不但可以顯著提高干欄民居的安全和舒適水平，還有助于減少木材、水泥、鋼材等建筑材料的消耗，有良好的社會(huì)、環(huán)境和生態(tài)效益。

干欄民居；原竹承重；樓板構(gòu)造

云南南部屬熱帶季風(fēng)氣候，盛產(chǎn)竹材。當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族因地制宜，就地取材創(chuàng)造出適應(yīng)氣候特點(diǎn)且極具地域特色的干欄式竹樓民居。傳統(tǒng)干欄竹樓民居采用竹條鋪設(shè)樓面，其構(gòu)造特點(diǎn)是竹條鋪設(shè)在密排的木格柵上 (圖1和圖2)。竹條樓面盡管工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但卻存在明顯缺陷。一是樓面剛度和承載力不足。干欄式竹樓民居樓面格柵間距約0.4 m，竹條厚度一般不超過0.01 m。如果把竹條視為支承在木擱柵上的連續(xù)梁，那么梁高與梁跨之比為1/40，無(wú)法滿足樓板正常使用的剛度要求，人走在樓面上有明顯的樓面上下顫動(dòng)的感覺。二是樓面密封性差，蚊蟲灰塵可以通過竹條之間的縫隙進(jìn)入室內(nèi)，而且樓板基本沒有隔聲能力，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量低。三是防火能力與耐久性嚴(yán)重不足，不符合防災(zāi)減災(zāi)的要求。

由于傳統(tǒng)竹條樓板存在上述局限性，當(dāng)?shù)厝罕婇_始采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，如此雖然有效克服了竹條樓板在安全、使用和耐久性等方面的不足，但鋼筋混凝土樓板造價(jià)高，自重大，在鄉(xiāng)村條件下的施工質(zhì)量差，而且鋼筋水泥都是高能耗、高污染的建筑材料，不宜在干欄民居中大量推廣使用[1]。因此，充分利用原竹自身天然的外觀力學(xué)特性，開發(fā)新型原竹樓板技術(shù)尤為必要。

圖1 竹條樓面

圖2 竹條樓面下的木擱柵

1 新型原竹樓板構(gòu)造設(shè)計(jì)思路

新型原竹樓板由原竹承重層、防潮層、找平層、裝飾面層、防火板等多個(gè)構(gòu)造層次組合而成 (圖3)。

1.1 原竹承重層

新型原竹樓板技術(shù)采用原竹取代竹條直接密排鋪設(shè)樓面。盡管竹條本身具有良好的韌性和強(qiáng)度，但是對(duì)梁這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，用直徑0.15 m的原竹取代同一根原竹展開成厚度為0.01 m竹條，梁截面高度增加15倍，相對(duì)中性軸的截面慣性矩提高約292倍，能有效克服竹條樓板樓面剛度和承載力不足的缺點(diǎn)。

1.2 防潮層與找平層

圖3 原竹承重樓板構(gòu)造分層示意

原竹是天然材料，粗細(xì)不同，也存在尖削度的變化，密排原竹樓面相鄰原竹之間存在大量狹長(zhǎng)空隙，這樣的樓面是無(wú)法使用的 (圖4)，需要對(duì)樓面進(jìn)行找平。在密排原竹的表面，鋪設(shè)防水卷材，一方面可避免找平材料從原竹之間的狹長(zhǎng)縫隙滲漏，另一方面也為原竹自身提供防潮層，避免原竹受潮腐爛。找平材料采用竹纖維增強(qiáng)粘土材料[2]，具有輕質(zhì)保溫隔聲的特點(diǎn)。

圖4 裸露的密排原竹梁

1.3 裝飾面層

樓板裝飾面層對(duì)提高室內(nèi)美觀和舒適性具有重要作用，可以有2種典型做法:一種是采用鋪裝地板，包括各類竹木地板和地磚；另一類是剛性樓面面層，常用的是造價(jià)較低的水泥樓面。

1.4 新型原竹樓板總厚度控制

原竹直徑顯著大于竹條厚度，當(dāng)采用原竹直接擱置在樓面擱柵上的做法時(shí)，有2個(gè)缺點(diǎn):一是會(huì)增加原竹樓板總的構(gòu)造厚度，此時(shí)為滿足室內(nèi)凈高要求，需要加大層高，增加造價(jià)；二是原竹為圓形截面，當(dāng)其直接擱置在樓面擱柵上時(shí)，定位與限位較為困難，地面震動(dòng)時(shí)原竹易發(fā)生滾動(dòng)而破壞結(jié)構(gòu)的整體性。因此采用吊掛式金屬構(gòu)件 (圖5)，將樓面格柵頂面降低，在穿枋梁側(cè)面設(shè)置支托，使得原竹頂面標(biāo)高與穿枋梁頂面基本持平，在穿枋和密排原竹表面，鋪設(shè)防水卷材，再鋪竹纖維增強(qiáng)輕質(zhì)粘土找平層。

圖5 吊掛式金屬構(gòu)件

2 新型原竹樓板原竹截面選擇

原竹截面選擇取決于2個(gè)指標(biāo)的控制:一是極限承載力，以原竹因劈裂或彎折而喪失承載力為特征；二是正常使用極限狀態(tài)，以原竹在給定使用條件下，跨中撓度不大于梁凈跨的1/250為特征。原竹具有韌性良好但是變性較大的特性，所以原竹截面選擇的實(shí)際控制因素是跨中撓度。

設(shè)原竹外徑為D，內(nèi)徑為d，簡(jiǎn)支竹梁凈跨為l0，樓面活荷載取2.0 kN/m2。竹 (木)地板樓面恒載取1.40 kN/m2，地磚樓面恒載取1.50 kN/m2，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅對(duì)地磚樓面原竹截面選擇進(jìn)行計(jì)算。就正常使用極限狀態(tài)而言，不同直徑每根原竹承受的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算見表1中的q值。圓形空心截面簡(jiǎn)支梁的跨中撓度的計(jì)算公式為:

其中，環(huán)形筒I＝π (D4－d4)/64，原竹順紋抗彎彈性模量E取12.3×103Mpa[3]，原竹壁厚近似取0.01 m，原竹梁允許撓度為l0/250，據(jù)此，推算出滿足撓度控制要求的原竹截面與凈跨對(duì)應(yīng)值 (表1)。

表1 不同凈跨、不同直徑原竹梁撓度計(jì)算值

需要指出的是，原竹梁撓度計(jì)算采用的是凈跨，考慮到原竹梁兩端還有支座長(zhǎng)度，所以表1中相關(guān)數(shù)據(jù)可供開間尺寸小于5.0 m的原竹樓面梁參考使用，這個(gè)開間尺寸范圍可以滿足絕大多數(shù)干欄民居的要求。

3 實(shí)施案例——西雙版納南糯山竹建筑

3.1 項(xiàng)目背景

西雙版納民居建設(shè)量逐年增多，對(duì)木材、鋼筋、水泥等的需求不斷增加，既破壞森林資源，又加劇二氧化碳排放，必須開展以竹代木、以竹代鋼筋水泥的研究示范，在改善居民居住條件的前提下，保護(hù)森林，減少二氧化碳排放。在聯(lián)合國(guó)全球環(huán)境基金 (GEF)的資助下，新型原竹樓板技術(shù)在西雙版納南糯山新型竹建筑示范樓中得到應(yīng)用。

3.2 原竹承重樓 (屋)面技術(shù)實(shí)施

示范項(xiàng)目建設(shè)方為西雙版納旅游探險(xiǎn)協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)擬在南糯山建設(shè)一個(gè)探險(xiǎn)旅游接待基地，包括一個(gè)小客棧 (圖6)和一個(gè)小茶室 (圖7)。

圖6 小客棧效果圖

小茶室采用了木框架承重原竹樓面做法，找平層為竹纖維增強(qiáng)輕質(zhì)粘土，樓面構(gòu)造呈部分裸露供技術(shù)觀摩 (圖8)，面層分別采用面磚和竹地板2種做法(圖9)，起到原竹樓板技術(shù)展示和示范的作用。

圖7 小茶室

圖8 樓面構(gòu)造層次

圖9 竹地板鋪設(shè)示意

小客棧采用了原竹承重平屋面做法，找平層和面層為細(xì)石混凝土。原竹采用混合支座，跨中為現(xiàn)澆鋼筋混凝土支座，邊支座為角鋼支座 (圖10)。由于竹稈為空心，竹節(jié)把空腔分隔為若干封閉的氣室，限制空氣流動(dòng)傳熱，原竹因而具有良好的隔熱性能。原竹承重平屋面做法既取代了現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板以降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，又顯著提高了屋面隔熱能力 (圖11)，對(duì)村鎮(zhèn)住宅節(jié)能具有重要意義。

圖10 原竹承重混凝土平屋面仰視圖

4 小結(jié)

新型原竹承重樓面技術(shù)在繼承傳統(tǒng)干欄建筑就地取材優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服了干欄建筑傳統(tǒng)竹條樓面技術(shù)的種種不足，提高了干欄民居適應(yīng)現(xiàn)代生活改善的需要。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了干欄民居建設(shè)以竹代木、以竹代鋼的目的，對(duì)傳統(tǒng)竹樓文化傳承、保護(hù)森林資源和生態(tài)環(huán)境有積極的作用。通過示范項(xiàng)目建設(shè)，當(dāng)?shù)厝罕娬J(rèn)可了營(yíng)造新型竹樓民居的必要性、可行性，消除了對(duì)竹建筑的偏見，為干欄式竹樓民居的可持續(xù)營(yíng)造提供了有利條件。

[1]柏文峰.云南民居結(jié)構(gòu)更新與天然建材可持續(xù)利用[D].北京:清華大學(xué)，2009.

[2]柏文峰.一種用植物纖維和水泥增強(qiáng)的輕質(zhì)保溫隔熱生土材料:中國(guó)， ZL 2008 1 023 3547.0[P].2011－09－14[2017－05－30].

[3]Janssen J J A.Designing and building with Bamboo:Technical Report No.20[R].Beijing:INBAR，2000.

Research and Practices on New Technology of Bamboo Bearing Slab

Bai Wenfeng1Wang Xiutong2Yuan Yuan1
(1 School of Architecture and Urban Planning， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650051， China；2 Changsha Building Branch， Xiangtan Architecture Design Institute， Changsha 410000， China)

Slabs with bamboo strips are widely used in traditional Ganlan folk houses.Their shortness such as insufficient stiffness，fire prone and poor sound insulation lead to the insufficiency in safety and comfort of the houses.A new technology of bamboo bearing slab was put forward to overcome these shortness.The technology makes full use of the natural and excellent physical property of bamboo by putting it on the grids of floor，which gives the slab a better load bearing.Moisture barriers are covered on the surface of bamboo and plant fiber reinforced light weight clay is used for ground leveling course，which makes it easier to have various types of floor.This technology has been successfully applied in demo Ganlan folk house project.The technology promotion and application would greatly improve the safety and comfort of the houses and also reduce the consumption of high energy embodied building material such as cement， steel， etc.， with good social， environment and ecological benefits.

Ganlan folk house， load－bearing bamboo， structure of slab

10.13640/j.cnki.wbr.2017.05.008

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題 (編號(hào):2014BAL06B04)；聯(lián)合國(guó)全球環(huán)境基金 (GEF)項(xiàng)目 “西雙版納新型竹樓民居研究與示范”(編號(hào):CPR/SGP/OP4/Y3/RAF/2010/12)。

柏文峰，博士，教授，研究方向?yàn)榫G色鄉(xiāng)土建筑技術(shù)。E－mail:1142149697＠qq.com。