竹質(zhì)材料在綠色建筑中的應(yīng)用

劉竹,楊守祿,*,姬寧,李丹,陳慶,吳義強(qiáng)

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550005；2.貴州新錦竹木制品有限公司，貴州 遵義 563000；3.中南林業(yè)科技大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

綠色建筑是一種在建設(shè)期間不破壞環(huán)境基本生態(tài)平衡條件，在生存期間所消耗的物質(zhì)和能源明顯少于傳統(tǒng)建筑的一種新型建筑，又可稱為可持續(xù)發(fā)展建筑、生態(tài)建筑、回歸大自然建筑、節(jié)能環(huán)保建筑等[1]，其目的是減輕建筑對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，即節(jié)約能源及資源；提供安全、健康、舒適的生活和工作空間；與自然環(huán)境親和，做到人及建筑與環(huán)境的和諧共處、持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)如磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為一種經(jīng)濟(jì)建筑材料，目前非常流行，它廣泛用于世界各地的許多類型建筑，但也存在能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重、環(huán)境負(fù)荷偏大的問(wèn)題[2]。隨著城市化的快速發(fā)展和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，綠色建筑得到了快速發(fā)展。竹子具有速生豐產(chǎn)，短周期可再生特點(diǎn)，同時(shí)具有強(qiáng)度高、剛度大等力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)[3-4]，將其應(yīng)用于建筑業(yè)，有助于推動(dòng)該行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

貴州以竹材為原材料的綠色建筑制造技術(shù)起步相對(duì)較晚，目前正處于技術(shù)推進(jìn)階段，相關(guān)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)鏈不完善，制約了竹材在綠色建筑的推廣與應(yīng)用。貴州地處世界竹類植物分布的中心范圍內(nèi)，是我國(guó)竹類植物的主產(chǎn)省區(qū)之一，竹類種質(zhì)資源較為豐富，全省現(xiàn)已開(kāi)發(fā)利用的主要竹種有毛竹、方竹及慈竹等[5-6]。本文分析了目前竹制材料在綠色建筑中的技術(shù)問(wèn)題，并列舉了竹制材料的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)竹材對(duì)推動(dòng)貴州省綠色建筑發(fā)展的意義及建議。

1 原竹在建筑中的運(yùn)用

1.1 原竹節(jié)點(diǎn)構(gòu)件

原竹材是指直接作為建筑材料的原竹或?qū)⒃窦庸こ芍癫膯卧糜诮ㄖ牧希溆绊懸蛩刂饕獮槭芰Ψ较?、竹?jié)的部位以及含水率等，如原竹的順紋抗壓強(qiáng)度大于弦向橫紋和徑向橫紋抗壓強(qiáng)度，而竹節(jié)對(duì)竹材的抗壓強(qiáng)度有一定的提高作用[7-10]。作為一種力學(xué)性能良好、價(jià)格低廉的生態(tài)材料，其在建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)都優(yōu)于木材，有些特征甚至堪比鋼材，因此用竹做建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件是很合理的選擇。盡管原竹在建筑中的利用具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍然有很多限制原竹使用的缺點(diǎn)，其中主要的問(wèn)題在于原竹構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的連接方式，傳統(tǒng)的原竹節(jié)點(diǎn)構(gòu)造體系包括棕繩捆綁、鐵釘固定或以竹(木)的穿斗形式連接[11-13]，這種連接方式使得原竹更容易產(chǎn)生縱向裂縫?，F(xiàn)代建筑對(duì)原竹的利用有了更高的要求。為了充分發(fā)揮原竹的材料性能，必須采用更合理的結(jié)構(gòu)受力形式和更精確的接縫構(gòu)造形式。與傳統(tǒng)接頭相比，采用金屬接頭作為連接原竹的介質(zhì)，可以有效地解決接頭處構(gòu)件易滑脫、開(kāi)裂、耐久性差等問(wèn)題[14-15]。

此外，通過(guò)在竹節(jié)點(diǎn)位置加入一定配比的水泥砂漿，并用鋼螺栓穿孔加以連接，可以有效地解決懸臂端的受力問(wèn)題[16-17]。這一類型的竹建筑多以桿系結(jié)構(gòu)為主，此類型竹屋通風(fēng)、采光性能良好，充分利用了竹子本身的結(jié)構(gòu)性能，抗震性能尤其突出。經(jīng)過(guò)防腐、防蟲(chóng)處理后的原竹被巧妙地設(shè)計(jì)成各種形式的結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁和屋架；節(jié)點(diǎn)連接大致分為竹-竹/木和竹-混凝土的連接[18]。根據(jù)結(jié)構(gòu)的需求，形式各有不同(圖1)，但大致的處理方式還是通過(guò)灌注水泥砂漿后預(yù)埋鋼構(gòu)件或者插入鋼螺栓進(jìn)行連接。

圖1 不同形式原竹節(jié)點(diǎn)構(gòu)建

1.2 原竹結(jié)構(gòu)建筑

如上所述，由于竹材具有多種優(yōu)良性能，不僅適合于現(xiàn)代建筑各個(gè)部件的使用，還適合于整棟建筑的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一些全竹結(jié)構(gòu)建筑。在竹材資源豐富的東南亞地區(qū)，至今還有大量用竹材搭建的干欄式建筑。在我國(guó)南方的一些地區(qū)也存在著大量的干欄式建筑，例如，在云南的西雙版納，使用原竹材作為主要材料，創(chuàng)造出一種獨(dú)具特色的當(dāng)?shù)亟ㄖ问?竹樓(圖2a)，還可建造竹柱子、竹梁、竹檁等結(jié)構(gòu)，包括一些家具都使用竹材料制作。2010 年上海世博會(huì)，9個(gè)場(chǎng)館融入了竹元素，其中，印度館(圖2b)建造了世界上最大的竹穹頂，直徑達(dá)35 m。穹頂由36 根圓弧狀原竹組成，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，從近地面開(kāi)始每隔一定的距離在環(huán)向設(shè)置了9道竹箍和4道鋼箍。竹節(jié)點(diǎn)連接部分使用了填充水泥砂漿加螺栓固定的方式。2019年世界園藝博覽會(huì)在北京舉行期間，國(guó)際竹藤組織建造了一個(gè)3000 m2的INBAR園(圖2c)，其中主體建筑INBAR館是一個(gè)1000 m2的圓竹結(jié)構(gòu)建筑，采用5000多根毛竹搭建而成，單拱跨度達(dá)32 m，高9 m，展館屋頂由9根圓竹組成(圖2d)[19]。

圖2 原竹結(jié)構(gòu)建筑

由于竹結(jié)構(gòu)具有與木結(jié)構(gòu)相似的性質(zhì)，所以竹結(jié)構(gòu)建筑的總體設(shè)計(jì)可以借鑒木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系來(lái)完成。采用梁柱結(jié)構(gòu)體系，利用金屬節(jié)點(diǎn)形式，同時(shí)使用竹集成材的加工方法來(lái)進(jìn)一步提高模塊化設(shè)計(jì)，加快施工進(jìn)度。如果對(duì)竹材進(jìn)行防腐處理、添加輔助材料以及及時(shí)更換老化部分，竹建筑的使用壽命就能達(dá)30年以上。值得注意的是，竹材在彎曲強(qiáng)度方面的不足在一定程度上也是一種優(yōu)點(diǎn)。它使竹材在第一次開(kāi)裂時(shí)并不會(huì)徹底折斷。這種特性為維修和及時(shí)更換損壞部分提供了可能。竹結(jié)構(gòu)建筑不但能體現(xiàn)竹子本身的優(yōu)勢(shì)，可以方便快捷地搭建、修復(fù)、拆分和運(yùn)輸，而且拆除之后也不會(huì)產(chǎn)生很多建筑垃圾，對(duì)環(huán)境的污染很小。此外，竹結(jié)構(gòu)房屋還具有抗震性能好、施工速度快、保溫隔熱效果好、原料來(lái)源廣泛、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

2 竹質(zhì)工程材料

2.1 竹膠合板

竹材膠合板具有強(qiáng)度高、剛性好的特點(diǎn)，基本工藝是將半圓形竹筒軟化后展成平直狀，刨削加工成一定厚度和寬度的竹片，再經(jīng)干燥定形、施膠、組坯及熱壓膠合成型[20]。竹膠合板主要的產(chǎn)品有竹席膠合板、碎料夾芯竹席膠合板、覆膜竹片膠合板和竹簾膠合板等。在發(fā)展過(guò)程中，竹簾膠合板成為目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣的主流膠合板產(chǎn)品[21]。隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)建筑模板的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的竹膠合模板缺陷也越來(lái)越明顯，通過(guò)制備竹膠合板與鋼結(jié)構(gòu)膠合材料，可獲得用于建筑結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度板材。竹-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種新開(kāi)發(fā)的建筑材料，采用毛竹膠合板作為基礎(chǔ)材料[22]。在竹-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)中，用毛竹制成的竹膠合板與冷彎薄壁型鋼用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這些組合構(gòu)件可以方便地形成箱型、工字型等不同的截面形式。竹膠板與薄壁鋼的復(fù)合，可防止薄壁型鋼過(guò)早屈曲，并充分利用這兩種材料[23]。

2.2 竹集成材

竹集成材是將速生、短周期(通常4～6 a)的竹材通過(guò)定寬定厚工藝制備成竹片(去掉竹青和竹黃)，干燥至8%～12 % 的含水率，再通過(guò)膠黏劑將竹片膠合而成的型材。竹集成材強(qiáng)度高，能滿足多層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)材料物理力學(xué)性能的需求。目前，竹集成材已被廣泛應(yīng)用于車廂底板、地板、家具等產(chǎn)品中[24]，但作為戶外建筑材料的應(yīng)用才剛起步，傳統(tǒng)的竹集成材單元制造無(wú)法滿足大尺寸建筑構(gòu)件的的尺寸要求，并且傳統(tǒng)的竹集成材制造中最常用的延長(zhǎng)方法是根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行后期加工處理[25,26]，這對(duì)竹集成材機(jī)械性能有著顯著的影響。Lin等對(duì)三種不同連接形式的大尺寸竹集成材進(jìn)行了彎曲性能測(cè)試(圖3)，發(fā)現(xiàn)相比于無(wú)接頭的對(duì)照組，三種形式的接頭抗彎強(qiáng)度均減小10%以上，當(dāng)接頭數(shù)量從1增加到3時(shí)，抗彎強(qiáng)度下降了6.82%～31.11%。因此，接頭參數(shù)對(duì)竹集成材的強(qiáng)度有很大的影響，控制接頭的數(shù)量和位置至關(guān)重要[27]。

圖3 三種連接形式竹集成材及力學(xué)性能[27]

2.3 重組竹材

重組竹又稱竹材重組材，是一種將竹材重新組織并加以強(qiáng)化成型的一種竹質(zhì)新材料，也就是將竹材加工成長(zhǎng)條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束，把竹束經(jīng)水溶性酚醛樹(shù)脂(PF)處理后壓縮到所需的比重和厚度制成[28-30]，成型工藝主要包括冷成型、熱固化和熱壓(圖4)。重組竹的密度可提高到1.05～1.25 g/cm3，從而解決了竹材粘結(jié)強(qiáng)度和表面質(zhì)量差的問(wèn)題，因此在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展。為了消除竹青和竹黃對(duì)膠黏劑的影響，以及最大限度地利用竹材，幾乎所有的制造工藝都是將竹子分成兩部分。其中一部分(大約2～5 mm厚，靠近竹材的外層)用于制造竹席和竹簾，另一部分(占竹材重量的80%)靠近竹材內(nèi)層，也叫內(nèi)層竹條，用于制造重組竹[31]。與其他竹質(zhì)材料相比，重組竹原料豐富，可利用小徑級(jí)的原材料，因此具有較高的利用率。

圖4 重組竹制備過(guò)程[29]

3 竹質(zhì)材料在綠色建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 生態(tài)性

在建筑類型和材料方面，Gustavsson等人[32]比較了混凝土和木結(jié)構(gòu)建筑的凈碳排放量，發(fā)現(xiàn)這兩種建筑的生命周期排放量差異在每平方米建筑面積30～130 kg碳之間。Brad Upton等人[33]分析了美國(guó)住宅建筑中使用木材替代替代品對(duì)溫室氣體和能源的影響，與采用替代鋼或混凝土建筑系統(tǒng)的熱可比房屋相比，采用木質(zhì)墻體系統(tǒng)的房屋所需的非加熱/冷卻總能量要少15%～16%，與木質(zhì)房屋相關(guān)的溫室氣體凈排放量比采用鋼或混凝土建筑系統(tǒng)的熱可比房屋低20%～50%。與木材相比，竹材是也是一種綠色生態(tài)建筑材料，其在節(jié)約能源方面具有重要意義。Dongwei Yu等[34]基于材料的能源使用和碳排放在整個(gè)生命周期的竹結(jié)構(gòu)住宅原型(圖5)與創(chuàng)新保溫技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：與典型的磚混結(jié)構(gòu)建筑相比，在滿足建筑材料的支撐和保溫功能的條件下，竹結(jié)構(gòu)建筑消耗更少的能源和更少的二氧化碳排放量。在竹材結(jié)構(gòu)建筑的整個(gè)生命周期中，使用可回收竹建筑材可減少18.5%的碳排放量。

圖5 竹質(zhì)綠色建筑構(gòu)件碳排放量評(píng)估

3.2 可持續(xù)性

近年來(lái)，綠色建筑材料的開(kāi)發(fā)和使用要求促進(jìn)可持續(xù)建筑。竹子被廣泛認(rèn)為是一種典型的綠色材料，正是在這樣的背景下，竹子作為一種綠色建筑材料在國(guó)際上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[35-36]。在全球范圍內(nèi)，竹子在建筑領(lǐng)域的成功應(yīng)用越來(lái)越多。世界各國(guó)政府已經(jīng)出臺(tái)了各種政策措施來(lái)促進(jìn)竹子在建筑材料中的應(yīng)用。在歐洲，已經(jīng)推出了各種推廣竹材料的項(xiàng)目，例如英國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)和意大利等國(guó)的“竹子和產(chǎn)品的可持續(xù)管理和質(zhì)量改進(jìn)”和“用于可持續(xù)建筑構(gòu)件的新型竹工程生物材料”。但是，竹子作為建筑材料在中國(guó)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他國(guó)家，竹子的使用材料大多局限于簡(jiǎn)單的手工制品，如籃子、墊子和窗簾等。專門從事竹建材生產(chǎn)和應(yīng)用的企業(yè)很少。中國(guó)將繼續(xù)其未來(lái)的城市化任務(wù)，每年將建造20億m2的新建筑。考慮到中國(guó)未來(lái)建筑工程的巨大規(guī)模，竹子作為一種綠色建筑材料的有效應(yīng)用將為促進(jìn)可持續(xù)建筑做出重大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

原竹在建筑基礎(chǔ)連接構(gòu)件、原竹節(jié)點(diǎn)構(gòu)件、梁等多方面的應(yīng)用說(shuō)明了原竹作為一種綠色建筑材料具有廣泛的應(yīng)用潛力，但隨著建筑制造業(yè)的工廠化發(fā)展，原竹在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用需要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)。在竹質(zhì)建筑工程材料方面，現(xiàn)有的竹質(zhì)材料如竹集成材，膠合竹及重組竹等都得到了快速的發(fā)展，其生產(chǎn)工藝都已成熟且由于輕質(zhì)高強(qiáng)的特性在建筑工程上都得到了廣泛應(yīng)用，目前新型竹質(zhì)建筑材料的開(kāi)發(fā)與研究正處于起步階段，加快推進(jìn)新型竹質(zhì)材料在綠色建筑方面的應(yīng)用是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，走可持續(xù)發(fā)展道路的具體表現(xiàn)。綠色建筑是現(xiàn)代建筑發(fā)展的趨勢(shì)，在建筑室內(nèi)裝飾中，竹材都用于家具上，同時(shí)也有很多竹材新材料和新技術(shù)被實(shí)施，改變多數(shù)人對(duì)竹材傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，加快竹質(zhì)材料在綠色建筑上的應(yīng)用進(jìn)程將會(huì)使竹材的應(yīng)用更加普及。

貴州省擁有豐富的竹材資源，在發(fā)展竹材綠色建筑方面具有得天獨(dú)厚的條件，大徑級(jí)的毛竹(楠竹)可用于涼亭、柵欄等方面的應(yīng)用及制造竹集成材，方竹等小徑級(jí)竹材可用于建筑表皮作為裝修材料。目前竹制綠色建筑只在一些高端消費(fèi)群如別墅和休閑娛樂(lè)場(chǎng)所應(yīng)用，在農(nóng)村地區(qū)，建筑層數(shù)不多，更適合發(fā)展竹制綠色建筑；在竹材綠色建筑制造方面，從事竹材加工企業(yè)可進(jìn)行裝配式竹建筑一體化發(fā)展，可充分利用竹資源；另外，政府要建立合理的激勵(lì)機(jī)制，大力扶持竹加工企業(yè)，促進(jìn)企業(yè)向產(chǎn)學(xué)研一體化方向發(fā)展。