現代竹材在建筑結構中的應用現狀

潘 毅，李家佳，李玲嬌，秦 楠，唐麗娜

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031；2.東南大學 城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室，江蘇南京210096；3.南京市建筑設計院有限責任公司，江蘇 南京210000）

目前，中國住房建設中普遍使用粘土、水泥和鋼材等作為建筑材料。這不僅消耗了大量的不可再生資源，而且產生了工業“三廢”，嚴重影響了生態環境。為此，選擇環境友好的建筑材料是當代土木工程亟待解決的問題。竹、木材料即是滿足這一需求的較好選擇。在歐美、日本等發達國家，天然木材是主要的建筑材料之一[1]。然而，中國的木材資源相對匱乏，大量使用木材作為建筑材料目前尚難實現；相反，竹資源卻相當豐富。中國的竹林種植面積居世界首位，約占世界總量的30%，尤其是西南地區的竹材資源十分豐富。作為含有木質纖維素的草莖植物，竹子3～4年即可成材，屬于短周期的可再生資源，具有極高的利用價值。自古以來，竹材就廣泛應用于人們的日常生活和房屋橋梁的建設中。然而，由于種種原因，竹材在現代建筑領域中的應用研究還停留在初級階段。有鑒于此，文章將結合現代竹材的基本性能，介紹其在建筑工程中的應用現狀，為進一步的研究提供參考。

1 主要的力學性能及特點

現代竹材是以天然竹子為原材料，利用先進的復合、重組技術，將竹材加工成具有各種不同尺寸規格的建筑用材，以滿足現代住宅對材料的要求?，F代竹材的產品主要有竹材膠合板、竹材層積材、竹材重組材等。

作為綠色材料，現代竹材纖細致密，具有良好的物理力學性能和加工性能，可視為鋼材和混凝土材料的有益補充[2]，其主要力學性能見表1。由表1可知，竹材的力學性能稍遜于鋼鐵，而優于其他傳統建筑材料。此外，竹材的密度較低，約為7.5kN／m3，是混凝土的1／4，磚墻砌體的1／3。在綠色指標上，竹材吸收CO2量是普通樹木的4倍，具有自凈作用，對環境影響小。在具有導熱系數低、尺寸穩定性佳、韌性較好和保溫隔熱等諸多特點的同時，竹材也存在耐候性較低、抗彎矩能力稍弱、結構整體剛性較差和易脆性破壞等缺點[3－7]。這些不足在實際使用中應當充分考慮。

表1 竹子的主要力學性能

另外，近些年來還出現了以竹材和其他材料為主要原料的竹材復合結構，如：竹－玻璃鋼復合材料、竹－木復合材料和竹筋混凝土等。這類新型結構兼具兩種材料的特點，力學性能優越，能更好的滿足現代建筑結構的性能要求，具有廣闊的應用前景。

2 在建筑結構中的應用

早在上世紀40年代，國外就開始研制竹膠合板，相繼建成了竹纖維板和單板生產線。近10年來，中國竹業生產也取得了較快發展。目前，竹材不僅常被應用于建筑施工中的模板、腳手架和室內裝修等方面，還出現在現代輕型住宅、大型高層建筑和橋梁的建設中。按照竹材在建筑結構上的不同用途，文中將其分為基樁、框架、墻體和樓板、屋面和屋架，以及住宅等5類。

2.1 基樁

竹材抗壓強度大，可作土建基礎用樁。這些基樁一般用于臨時平房或兩層樓房。同時，基樁不宜過長，以免在地下水的滲透下腐蝕發霉。基樁的竹子宜選擇直徑大、竹肉厚和竹節節距短的，以獲得較大的抗壓強度。對于小直徑竹材可按需要將多根捆扎為一根，以替代大直徑竹材。未經防腐處理的竹柱使用年限較短，出于經濟考慮，應對其進行防腐處理或埋入混凝土中，以延長使用壽命[8]。由于在通風不良的濕熱條件及地下水的作用下，竹樁極易發生腐爛和霉變，因此，防潮措施顯得尤為重要。例如，西雙版納的傣家竹樓采用干欄式的結構形式來滿足下部結構通風、防潮的要求。該竹樓的基礎便采用了施工簡易的竹樁。

然而，目前這種竹材基礎較少采用，主要原因在于埋入地面以下的竹樁很難避免濕熱的反復作用，其防腐、防潮處理較為困難；而且，竹材還存在老化等問題，隨著老化現象的持續，各項力學性能指標都會發生少量削減。因此，如何較好的處理防腐、防潮和老化現象是竹材基礎研究中首要解決的問題。

2.2 框架

用作框架結構的竹材主要由圓竹組成。為了增強剛性，也可采用竹木混用。竹材的尺寸和間距因結構性質和要求的不同而不同。選用的竹材其直徑應盡量適中，竹壁亦宜厚些。目前可作為框架結構的人工合成竹材有以下幾種。

1）竹材層積材，即竹材層壓板。它的加工工藝簡單，材料來源廣，竹材利用率高，易于工業化生產。其縱向強度和剛度很高，適用于承重墻體、單向板、梁等房屋構件。對于大跨度的梁構件，竹材層積材理論上可做成工字形、箱形等截面，不僅節省材料，而且提高跨越能力。

2）竹材重組材。這種材料充分利用了竹材的固有特性，具有力學性能穩定、強度高、規格大、保持天然竹材紋理結構的特點，可用作梁、柱等主要承重構件[3]?？紤]到豎向構件在結構中的重要性，抗震安居房常選用竹材重組材作柱。

用竹材作為建筑框架，梁、柱節點的連接尤為重要。圓竹交聯的傳統方法多為用竹蔑、麻繩或鐵絲捆扎和搭接的方式。隨著現代竹連接技術的發展，連接方式也發生了變化，主要有粘接、鑲嵌和金屬緊固件等幾種連接方式。其中以金屬緊固件較為常見，金屬緊固件連接主要有螺栓連接（圖1）、套筒連接（圖2）、槽口連接（圖3）三種。運用這些連接方式和竹結構的內外墻系統，可以減輕建筑物的自重，從而減少由建筑物自重所引起的地震作用，不易造成人員傷亡，特別適用于高烈度地區。1998年，在哥斯達黎加的7.6級地震中，位于震中的30余座竹房屋保存完好，而周邊許多混凝土結構的房屋卻幾乎全部倒塌。2008年6月，在四川省廣元市投入使用的竹結構活動板房，歷經了多次強烈余震的考驗，仍然完好無損。

圖1 角鋼螺栓連接[9]

圖2 套筒連接

圖3 槽口連接[10]

2.3 墻體和樓板

與常用墻體材料相比，竹墻體的導熱系數遠小于常用墻體的導熱系數。其導熱系數約為普通混凝土的8%，鋼筋混凝土的11%，約為加氣混凝土的74%，空心磚砌體的24%。因此，竹墻體具有良好的保溫隔熱性能，是較理想的墻體材料[11]。其常見的形式有以下幾種。

1）竹板墻

將圓竹劈成長條的竹板，縱向釘于橫豎組成的竹桿框架上，板外抹以泥漿，漿外涂抹石灰或水泥砂漿，為使砂漿附著牢固，可在竹板面上加釘鐵絲鋼。

2）籬笆墻

竹籬笆技術最主要的優點是成本低廉并且建筑質量較好，經久耐用，占用空間少。竹籬笆的設計和建造更具靈活性、技術要求不高。

3）竹席墻

常見的做法是將編織的竹席釘于木架或竹架的一側或兩側，再用灰泥涂抹，為了減輕墻重，也有不在表面涂抹泥的，用做室內隔墻[8]。

現代竹骨架墻體即屬于竹板墻類型（如圖4、圖5所示）。竹骨架墻體設置龍骨以實現多傳力路徑的受力體系及保證墻體足夠的剛度。由于竹材加工技術的進步，近年來還出現了竹編膠合板、竹席膠合板和竹材膠合板等產品，使得竹墻體質量有了顯著提高。

圖4 輕型框架墻體

圖5 裝配式墻體

目前，樓板材料主要采用竹簾膠合板和竹材碎料板等。主要原因是它們具有力學性能好，易于工業化生產，保溫隔熱效果好以及節能等特點。竹簾膠合板具有生產成本低、強度高、剛性好、幅面大等特點，可作為建筑模板材料、樓板、墻體及隔斷材料。2009年東南大學和南京林業大學設計的竹結構抗震安居房，其樓面板便采用16mm厚竹簾膠合板作為結構層。同時，竹材碎料板對原料形狀要求較低，具有較高的強度和較低的吸濕膨脹性，是房屋墻體、隔斷和樓板的較好材料。2009年建成的北京紫竹院的樓板便采用了竹材碎料板。另外，現代竹樓板常采用現場裝配的方式，由眾多的板塊單元[12－13]組裝而成。模塊化的設計使板材加工簡單，便于批量化生產和縮短工期，進一步推動了竹材市場的發展。

2.4 屋面和屋架

竹材輕質高強，可作為屋面材料。其主要形式有以下幾種。

1）竹瓦屋面

主要包括半圓竹瓦屋面和片狀竹瓦屋面兩種類型。半圓竹瓦屋面的施工工藝簡單，其屋面坡度通常不宜小于30°。如能將竹材進行防水、防腐處理，并在釘眼上墊以油氈墊圈，可以做到完全防漏。片狀竹瓦屋面宜采用直徑大且新鮮的圓竹。施工前竹瓦應進行防水、防腐處理。屋面最小坡度也不應小于30°。2010年同濟大學設計的太陽能竹屋，其屋面便采用了特殊處理的片狀竹瓦屋面（如圖6所示）。

2）竹席波形瓦屋面

竹席波形瓦是四川省林科所近年來開發的一種竹制建筑材料。該瓦是用竹編后的黃蔑編織成席，經涂膠，在模具上熱壓而成，其規格尺寸見表2。它具有幅面大，施工省等特點，現用于活動房屋、車站月臺和涼棚等[8]。

表2 竹席波形瓦尺寸表

由于強重比較大，竹材也可用于建造屋架。竹屋架是主要的受力構件，它的承載能力關系著整個結構的安全性能。竹屋架具有較大的強度儲備，是一種經濟、可靠、環保的結構體系。國內外對此進行了較深入的研究。例如，湖南大學2009年設計建造的輕型竹結構房屋便采用了裝配式竹屋架（如圖7所示）。

2.5 竹結構住宅

如前所述，由于竹材具有優良的性能，不僅適合于現代建筑各個部件的使用，而且適合于整棟建筑的應用。近年來，國內相繼出現了一些全竹結構建筑。由于竹結構具有與木結構相似的性質，所以竹結構建筑的總體設計可以借鑒木結構的設計體系來完成。采用梁柱結構體系，利用金屬節點形式，同時使用竹集成材的加工方法來進一步提高模塊化設計，加快施工進度。

如果對竹材進行防腐處理、添加輔助材料以及及時更換老化部分，竹建筑的使用壽命就能達30年以上。值得注意的是，竹材在彎曲強度方面的不足在一定程度上也是一種優點。它使竹材在第一次開裂時并不會像木材那樣徹底折斷。這種特性為維修和及時更換損壞部分提供了可能。竹結構建筑不但能體現竹子本身的優勢，可以方便快捷地搭建、修復、拆分和運輸，而且拆除之后也不會產生很多建筑垃圾，對環境的污染很小。此外，竹結構房屋還具有抗震性能好、施工速度快、保溫隔熱效果好、原料來源廣泛、造價低廉等優點[14]，適合于工業化生產。

早在1999年，Integer China研究團隊與云南世博興云房地產有限公司，在昆明世博園的竹園內就建成了生態城中的第一棟多層竹屋。引起了當時公眾的熱議。經過10多年的發展，現在已相繼出現了以梁柱結構體系為主的竹結構抗震安居房，屬于框架結構的裝配式輕型膠竹住宅以及現代竹結構別墅等。其中，以湖南大學設計建造的國際首座現代竹結構別墅樣板房（圖8）和Marcelo Velligas在哥倫比亞設計的低收入者住宅（圖9）為代表。

圖6 片狀竹瓦屋面

圖7 裝配式屋架

圖8 現代竹結構別墅[9]

圖9 現代竹結構住宅[10]

3 結 論

文章概括了現代竹材的各項力學性能，重點介紹了竹材在建筑基樁、框架、墻體和樓板、屋面和屋架，以及在住宅中的綜合應用，可得出以下結論。

1）作為建筑基礎時，宜采用較高強度的竹材，并做好防潮處理；作為框架、樓板、墻體、屋面及屋架時，宜采用人工合成竹板材，同時，注意節點的連接和防水處理。

2）現代竹材具有靈活性強，抗震性能好，施工速度快，保溫隔熱效果好，原料來源廣泛，造價低廉，節能環保等優點能夠滿足現代綠色住宅的要求。

3）竹子的耐候性較弱，彈性模量低，力學性能較離散。此外，竹結構的設計理論與方法尚不清楚。有關標準與規范尚未出臺，這些正是我們以后需要解決的問題。

雖然目前竹材的研究還有許多困難，但是竹材應用廣泛、潛力巨大，值得深入研究。特別是在當前 “可持續發展建筑”的政策導向下，竹結構建筑將是未來新型建筑的發展方向之一。

[1]費本華，王戈，任海青，等.我國木結構建筑行業發展現狀分析[J].木材工業，2009，23（2）：19－22.

[2]沈之容，倪陽，胡志凌，等.“德中同行”竹結構展館的材料試驗與結構分析[J].結構工程師，2009，25（1）：78－80.

[3]鄭凱，陳緒和.竹材人造板在預制房屋建造中的應用前景[J].世界竹藤通訊，2006，4（1）：1－2.

[4]郝林.INTEGER現代復合竹結構建筑[J].世界建筑，2010，2（4）：65－69.

[5]江澤慧，費奪華，王正，等.新型竹材結構建筑研究初報：結構復合竹材的研究與應用[J].國際木業，2003，6（1）：12－13.

[6]魏洋，蔣身學，李國芬，等.FRP筋增強竹梁的力學性能試驗研究[J].工業建筑，2009，38（2）S：327－331.

[7]楊云芳，劉志坤.毛竹材抗拉彈性模量及抗拉強度[J].浙江林學院報，1996，13（1）：168－172.

[8]王愷.竹材在土木建筑工程上的應用[J].竹材研究會刊，1990，9（1）：13－19.

[9]肖巖，陳國，單波，等.竹結構輕型框架房屋的研究與應用[J].建筑結構學報，2010，31（6）：195－201.

[10]陳曉揚.現代竹結構建筑研究[J].建筑與文化，2010（7）：35－39.

[11]李念平，曾德軍，王倩，等.新型竹結構建筑傳熱特性[J].科技導報，2010，28（20）：87－89.

[12]單煒，李玉順.竹材在建筑結構中的應用前景分析[J].森林工程，2008，24（2）：62－65.

[13]陳國，肖巖，單波.現代竹結構住宅設計及工程應用[J].工業建筑，2011，41（4）：66－68.

[14]魏洋，張齊生，蔣身學，等.現代竹質工程材料的基本性能及其在建筑結構中的應用前景[J].建筑技術，2011，42（5）：390－393