竹结构建筑应用前景分析

周军文, 高　逸

(常州工学院土木与建筑学院， 江苏常州 213002)



竹结构建筑应用前景分析

周军文, 高逸

(常州工学院土木与建筑学院， 江苏常州 213002)

竹材是一种有机建筑材料，具有良好的生态性能，且原材料供应充足，用其建造的房屋具有许多优势。原竹由于种类繁多，分布较广，其力学性能界定较难，而且原竹本身具有的薄壁中空结构特点，不便于大规模工程应用。以原竹为原料加工而成的的重组竹结构材，克服了原竹结构本身的不利因素，具有优良的力学性能和施工便利性，其生产技术成熟，典型工程具有较好示范效果，因此，竹材在房屋结构中的应用具有广阔的前景。

竹结构建筑；重组竹；建筑材料；力学特性

竹子是一种自然生长的天然植物，具有成长周期短，强度高，质量轻、弹性好的特点，是一种优良的速生和可再生的资源。在常规建材中，竹材性能和其他材料相比毫不逊色，其单位面积的抗拉和抗压强度只逊于钢铁，而在绿色指标上均优于其他材料[1]。

直接用竹材建造房屋的历史十分悠久，几千年前，我国就用原竹来建造房屋。由于竹材是一种易于取材，价格便宜的材料，在我国的南方、东南亚以及拉丁美洲的一些国家，使用原竹建造房屋非常普遍，其中以我国云南地区的傣族竹楼最为典型，经过多年的传承和发展，其施工工艺已趋于成熟。在国外，一些低收入者用原竹建造简易住宅，其主体采用原竹，屋面为普通的波形瓦，用轻质复合墙板做维护结构，其建造成本很低，如图1所示[2]。

图1　简易竹结构住宅

此外，一些现代公用建筑和公共设施也使用原竹来建造，如广州南昆山十字度假酒店的竹桥(图2)[3]， 2000年德国汉诺威博览会的双层竹亭(图3)[4]，以及2010年上海世博会的“德中同行之家”的二层全竹结构的环保建筑。这些竹结构建筑既满足建筑的功能要求，又有较好的使用效果。2005年11月国务院办公厅转发国家发改委等部门《关于加快推进木材节约和代用工作的意见》中指出“以竹代木”是我国木材资源紧缺条件下的发展方向，因此，加快竹材在建筑中的应用研究具有重要的社会意义和经济意义。

图2　广州南昆山十字度假酒店的竹桥

图3　德国汉诺威博览会的双层竹亭

1　竹结构的生态优势

1.1竹材资源的可持续性

我国是一个森林面积相对较少，木材资源也相对较少的国家，但是我国的竹材资源却十分丰富，是世界上为数不多盛产竹子的国家之一，竹林在我国被称为“第二森林”，竹林的面积约为360×104ha，差不多占世界竹林面积的25 %。竹林年产量达800×104t以上，几乎占世界竹产量的一半。竹子具有生长周期短，成材快的特点，一旦竹林培育成功，通过合理的管理，就可以源源不断地提供竹材，是可再生的资源，有利于保护生态环境，实现生态和社会的可持续发展[5]。

1.2竹结构的环境友好性

竹子是一种天然的自然生长植物，除了阳光和水分外，不需要其他的任何能量，还能吸收空气中大量的二氧化碳有害气体，并且释放出大量氧气，文献[6]研究表明，每1 t竹子在生长过程中，释放出1.07 t氧气，吸收1.47 t二氧化碳，而且对于水泥、钢材这些矿物质建材，每t成品相反需要排除大量的二氧化碳等有害气体，还消耗掉大量不可再生的矿物资源，因此，竹材对环境的影响很小。

毛竹的固碳能力比一般的森林还要强。1 ha毛竹的年固碳量为5.09 t，是杉木的1.46倍。经集约化经营，毛竹林年固碳能力提高1.56倍。通过集约化经营的毛竹林，1 ha毛竹林年固碳能力可达12.75 t，相当于吸收二氧化碳46.75 t，相当于17个人一年的二氧化碳排放量[7]。

竹材是有机生物体，内部存在许多细小的空腔，空腔使得竹材的热传导速度慢，因此竹材的热传递系数很小，其导热系数一般为0.3 W/m·k左右，具有良好的保温隔热性能。若要达到同样的保温效果，竹材所需要的厚度是混凝土的1/15，是钢材的1/400。竹质材料对温度有一种双向的调节作用，取到“冬暖夏凉”的保温效果。此外，竹结构建筑的年平均湿度变化保持60 %～80 %之间，这与最佳居住环境湿度60 %左右的指标最为接近[6]，因此采用竹材作为建筑材料，既符合国家建设生态节能住宅的产业政策，又顺应了健康住宅的历史趋势。

2　竹结构建筑面临的问题

2.1材料力学性能的界定

全世界的木本竹类植物约有60余属，1 200余种，我国则有40余属，400多种[5]。因为不同的竹子，其截面的纤维束大小和分布是不一样的，纤维束的质地也是不尽相同的，因此每种竹子的受力性能也是有一定的差别。而且竹子的竹龄也会影响到竹子纤维束的力学性能，不同种类，不同竹龄的原竹，其力学性能是有差异的。因此，在竹材使用之前，界定不同原竹的力学特性是必须完成的工作。尽管竹材在房屋建筑中应用的历史较早，但主要用在边远山区和农村地区，这些房屋几乎没有经过严格的结构设计，对于少数竹结构公共建筑和设施，一般通过试验研究来指导工程设计，其时间成本和经济成本较高，不利于工业化推广应用。

2.2竹构件本身的力学性能

由于原竹是圆形的中空薄壁结构，径向和环向的受力性能相差较大，其径向的抗压、抗拉承载力很大，而环向的拉压承载力很小。尽管单根竹杆能够承担一定的荷载,但毕竟单根原材的直径有限，总的承载力较小，限制了其在房屋结构中大规模的应用。

随着工业技术的进步，近几十年出现一种新型的结构材，即重组竹[8]。它以竹材为原始材料，经过开片、粗加工、熏蒸、碳化、干燥、精加工和胶合等一系列加工工艺后重组成的结构材。

改性后的重组竹结构材，有方材和板材两种主要形式，更多的以板材的形式出现。由于出现的时间较晚，目前主要用在地板、家具等方面，应用到房屋结构上不多，其特性的研究主要集中在生产工艺、构件承载力方面以及材料的本构关系研究，目前的少量研究表明，其受拉的应力-应变关系曲线近似线性关系，且其受拉和受压的强度也相差较大[9]，因此，在对重组竹构件的强度计算时，如何确定其屈服荷载，如何推导其强度计算公式，还有很多的问题需要解决。

2.3竹结构建筑的节点计算

原竹的节点设计也是一个关键问题，原竹上不宜开孔，以免应力集中造成结构过早破坏。尽管已设计了一些原竹节点的连接方式[2]，但其力学性能和承载能力还有待进一步研究。

对于重组后的重组竹结构材，由于可以是方材，截面尺寸较大，便于加工，对结构受力有利，其梁柱节点的连接形式也可以多种形式。常见的有我国古代的榫卯节点连接方式；后来通过不断的改进，提出了钢柱套加U型钢板托的连接方式[10]；黄东升则在考虑柱子的连接和节点的耗能因素的基础上，提出了钢柱套L型梁翼缘加U型箍的连接方式[11-12]。在国外则更多的采用梁、柱内填钢板螺栓连接方式[13]，也有学者提出了梁、柱植筋螺栓连接方式[14]。 这些节点都在一些实际工程中得到应用，取得较好的效果，但是目前国内对于这些节点的理论分析和试验研究甚少，其节点的力学特性还知之较少，特别是对节点承载力至关重要的M-Φ曲线，以及对节点耗能有重要影响的节点等效阻尼比、滞回性能等，都需要做深入的研究，因此对于这些节点在工程中的推广应用还有许多的工作要做。

3　竹材在房屋建筑中的应用前景

由于原竹的特殊结构形式，其承受荷载的能力较小，而且连接构造也比较困难，不利于施工。而重组竹因其特殊的制作工艺以及原料本身的特性，其力学特性明显优于原木和工程木材。密度在1.1 g/cm3左右的重组竹板材，其平均静曲强度可达到120 MPa，弹性模量达到1.6X104MPa，大大超过其他木材人造板和普通人造板[15]。对以四川慈竹为原料制作的重组竹材进行研究表明，其顺纹抗拉强度达到248.18 MPa，顺纹抗压强度达到129.17 MPa，材料的稳定性较好[1]。研究表明，重组竹的硬度、强度、耐水性、防蛀性和耐久性都优于天然木材，并且已经在我国的浙江、江苏、福建、江西和湖北等地方广泛生产[16]。有关重组竹结构材力学特性的试验研究已在湖南大学、南京林业大学以及中国林业科学研究院等机构展开。为了充分展示新型竹结构建筑的特点和优异性能，2009年在湖南大学完工一栋建筑面积为250 m2,占地面积120 m2的竹结构别墅(图4)，2010年在北京紫竹院公园建成了第2栋竹结构示范房并被用作竹产品展示和茶室(图5)[17]。黄东升在四川省青川县震害重建中，使用重组竹建造了一栋二层民宅(图6)[18]。这些竹结构建筑都取得了较好的示范效果。

图4　湖南大学竹结构别墅

图5　北京紫竹院别墅

图6　青川竹结构民宅

4　结束语

竹材是一种天然的有机生物材料，其生长周期短，分布范围广，材料供应充足，由于其特殊的组织结构，具有较好的保温隔热效果。竹子是很好的生态材料，而且其强度很高，因此是优良、环保的建筑材料。尽管由于天然原竹本身的结构特性，不利于大规模的工业化应用，但是以原竹为原料开发出来的重组竹结构材，具有很好的力学性能。在节能环保的生态建筑已成为一种趋势的背景下，以重组竹替代日益缺乏的木材来建造的生态建筑，将成为竹材未来应用的新方向，然而，作为一种新型的建筑材料，重组竹还没有形成一套完整的规范体系，对于大规模工业化应用还需要进行深入的研究。

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建设部科技项目(项目编号：2014-K2-014)；江苏省高校自然科学研究面上项目(项目编号：13KJD560001)；江苏省大学生创新创业项目(项目编号：201511055026Y)

周军文(1974～)，男，硕士，副教授，研究方向为现代竹、木结构。

TU366.1

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[定稿日期]2016-03-10