重組竹作為新型建筑材料的優勢與不足

束必清， 肖忠平， 姚 振， 吳鐘瑞， 張蘇俊

(揚州工業職業技術學院， 江蘇揚州 225127)

重組竹作為新型建筑材料的優勢與不足

束必清， 肖忠平， 姚 振， 吳鐘瑞， 張蘇俊

(揚州工業職業技術學院， 江蘇揚州 225127)

發展重組竹與國家的產業政策、國內外發展趨勢相吻合，滿足可持續發展的要求。重組竹具有很多優勢，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；對當前重組竹作為新型建筑材料進行發展所具有的優勢和不足作了較為全面的闡述，旨在為重組竹的發展研究提供一個方向，從而在以后的研究中保持其優勢、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； 結構用膠； 木螺栓

重組竹是將竹材小徑級材、枝丫材等低質材，經輾搓設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、規格大、具有天然竹材紋理結構的新型人造竹材板。它突破了傳統的切削加工方式，為竹材的綜合利用開辟了一條新的利用途徑[1]。

隨著國內外各方面環境的變化，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勢，但要完全代替傳統建筑材料——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。

下面就結合筆者近幾年從事重組竹材料檢測、房屋設計的實踐經驗，對當前重組竹作為新型建筑材料進行發展所具有的優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勢

1.1 輕質高強，力學性能優良

根據呂清芳等人對重組竹基本構件的力學性能進行研究，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，則抗彎強度設計值17MPa，順紋抗壓強度設計值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，具體強度參數分別按照《鋼結構設計規范》[6]《混凝土結構設計規范》[7]取值，密度按照《建筑結構荷載規范》[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構材，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構材建造房屋，其結構比較合理，更加節省資源。

1.2 彈塑性、韌性好，抗震性能優異

由GB50005-2003(2005年版)《木結構設計規范》表4.2.7可知，樓板梁和格柵的撓度限值為1/250；重組竹作為受彎構件在破壞前彈性變形較大，接近破壞時有較小的塑性區，破壞時撓度達到l/36以上，說明重組竹受彎構件的設計應主要由剛度控制，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。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，材料的延性、耗能能力較好，震后殘余變形較小[2]。作為多次超靜定結構的房屋，在地震作用下，若局部一些構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破壞，反而由于局部構件的脫離，其余構件的安全系數反而有所提高。這些均說明了重組竹具有優異的抗震性能。

重組竹作為有機竹材的加工產物，具有大量的纖維，在沖擊荷載作用下不易發生脆性斷裂，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，竹材產量約占木材l/10，約占世界竹產量的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、產量質量絕不遜色于木材的特點。重組竹作為竹材的加工產物，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。竹結構房屋的產量僅占木結構房屋的2 %，具有較大的開發空間。若房屋廢棄后，重組竹材料可以自然降解，不會對環境產生任何負面影響[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 構件工廠預制，工業化程度高，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件，在工廠進行預拼裝，滿足要求后，通過運輸設備將各種重組竹構件運輸至現場；在施工現場按照施工組織設計的要求利用起重設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構相吻合，滿足工業化生產、工業化施工的需要，適應未來的發展趨勢。

由于重組竹在工廠預制，現場拼裝，構件間的連接大多采用榫接和螺栓連接，所以重組竹構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件，滿足不同的功能需求

重組竹本身為小徑竹材、枝丫材經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。

在竹板之間設置鋼板，利用高強結構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組合型材[8]，如H形截面、箱形截面等。根據不同的結構構件受力特點，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，可以根據需要填充各種保溫隔熱、隔聲和防潮防水材料，或布設各種管線，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 與國家的產業政策、國內外發展趨勢相吻合

隨著人們對生態環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部門的高度重視。在此基礎上，國家林業局組織編制了《2003年～2010年全國竹林基地建設規劃》[10]，明確了用15 a的時間改造和新建竹林基地120×104ha，使集約經營竹料面積不斷增加，單位面積竹林產量不斷提高，竹材的利用領域拓寬，竹材的加工利用向工業化利用，精深加工，全竹利用和高附加值方向發展。

重組竹由于具有以上多個優點，特別是具有90 %以上的高利用率，這正好符合了國家的發展方向，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展提供了一個大環境和平臺。

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點，但要完全代替傳統建筑材料——木材，真正達到“以竹代木”，重組竹亦存在一些不足，需要加以改進或優化。

2.1 加工壓制設備較難滿足現行大截面結構材的要求，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。重組竹作為結構材，其截面要滿足強度、剛度、穩定性的多方面要求，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。重組竹作為結構材，在使用時需要特別注意對其外露構件的處理，防止長期積水等現象產生。

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計使用年限進行一一對應。

2.2 結構用膠的合理選擇

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、高溫穩定性和對人體健康的危害不容忽視。

目前國內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。我國規定達到E1級環保標準的材料方可用于室內，而E1級環保標準僅要求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構不同，相關數據并不能通過，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研究。

2.4 國內的理論研究才剛剛起步，工程實例亦較少

《木結構設計規范》[4]規定輕型木結構體系最大可適用于三層民用建筑；《建筑抗震設計規范》[13]規定木柱木屋架和穿斗木構架房屋，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，重組竹結構還處于研究階段，國內的一些理論研究還比較少，對重組竹進行材料檢測、房屋結構設計和施工需要花費相當大的精力，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、湖北等地已經建造了一些重組竹結構建筑，其中湖北重組竹結構建筑為縱橫向跨度9 m、建筑面積1361.52 m2、兩層框架結構公共建筑、底層層高7 m、二層層高6 m為當中較大者。就層數而言，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理論研究結果做切實有效的檢驗。

2.5 無相關的規范標準和結構設計分析軟件

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

目前，國內無通過論證的對于重組竹乃至木結構進行結構建模、設計分析的軟件，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，擁有國家規定的產權，避免小產權現象；而想要擁有產權，在設計的時候就須滿足國家現行規范標準要求，要能夠通過國家規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構進行結構建模、設計分析的軟件，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、生活節奏較高的今天，對于普通的工程技術人員有一定的難度。而對于圖紙審查人員來說，因國家無相關規范標準可尋，更加無法進行圖紙審查。

3 結束語

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。

重組竹具有輕質高強，力學性能優良；彈塑性、韌性好，抗震性能優異；資源豐富，伐后可再生，廢棄后可降解；固碳能力強，能耗低；構件工廠預制，工業化程度高，易于更換；可利用不同材料形成組合構件，滿足不同的功能需求等優勢，并且發展重組竹作為新型建筑材料與國家的產業政策、國內外發展趨勢相吻合，滿足可持續發展的要求。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。

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[3] 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(5)：390-393.

[4] GB 50005-2003 木結構設計規范(2005年版)[S].

[5] GB 50009-2012 建筑結構荷載規范[S].

[6] GB 50017-2003 鋼結構設計規范[S].

[7] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[8] 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(2): 62-65.

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[13] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[14] GB 50206-2002 木結構工程施工質量驗收規范[S].

[15] GB 50205-2001 鋼結構工程施工質量及驗收規范[S].

江蘇省2016年省級建筑產業現代化示范基地項目；揚州工業職業技術學院大學生實踐創新項目。

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

張蘇俊(1962～)，研究員級高級工程師，從事建筑結構設計、檢測鑒定及鋼木結構方向研究。

TU531.3

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[定稿日期]2016-08-25