基于預(yù)制竹材結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可持續(xù)性建筑研究

王爽

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

當(dāng)今，我們正面對(duì)著威脅建筑業(yè)的一些主要可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，包括具有全球和地方重要性的問(wèn)題：如資源枯竭、保護(hù)生物多樣性和氣候變化。那么，對(duì)于這些問(wèn)題，我們首要應(yīng)該想到什么呢：“對(duì)于傳統(tǒng)污染型建筑材料有哪些替代品？”“這些替代品是如何起作用的?”“如何能保證替代品的穩(wěn)定來(lái)源?”。本文提供了在應(yīng)對(duì)可持續(xù)建設(shè)和發(fā)展的挑戰(zhàn)中起關(guān)鍵作用的構(gòu)件的實(shí)用信息。它的基礎(chǔ)是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，也就是確保每個(gè)人現(xiàn)在的生活質(zhì)量的同時(shí)，又保證不損害今后幾代人的生活質(zhì)量。[3]可持續(xù)發(fā)展要求設(shè)計(jì)者在建筑生命周期的每個(gè)階段都有生態(tài)意識(shí)的思考，從建造的決定開始。讓我們了解為實(shí)現(xiàn)能源和水效率目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和最大限度地減少對(duì)環(huán)境的總體影響所采取的關(guān)鍵決策和步驟，探索每個(gè)項(xiàng)目階段的機(jī)會(huì)，以創(chuàng)建更多可持續(xù)的項(xiàng)目。我們需要涵蓋建筑工程專業(yè)，包括建筑或設(shè)計(jì)服務(wù)、土木工程、機(jī)電工程、結(jié)構(gòu)工程等其他相關(guān)工程專業(yè)。首先從一種目前利用率較低但是受力性能較好的材料開始介紹。

竹子是一種多功能、結(jié)實(shí)、可再生、環(huán)保的材料。它是禾本科植物，也是地球上生長(zhǎng)最快的木本植物。大多數(shù)竹子品種在播種后3-4 年就能長(zhǎng)出成熟的纖維，比大多數(shù)木材生長(zhǎng)周期短出數(shù)倍。有些竹子一天能長(zhǎng)到1 米，很多能長(zhǎng)到25 米甚至更多。竹子可以在3-5 年的周期內(nèi)快速、輕松、可持續(xù)地生長(zhǎng)。它可以生長(zhǎng)在邊緣和退化的土地上，也可以在高地以及河岸生長(zhǎng)。竹材適應(yīng)大多數(shù)氣候條件和土壤類型，作為一種土壤穩(wěn)定劑和有效的碳匯設(shè)施，有助于對(duì)抗溫室效應(yīng)。盡管在過(guò)去，特別是在中國(guó)南部地區(qū)，它僅被用于農(nóng)村建筑，但對(duì)于這種高強(qiáng)度材料，我們應(yīng)該投入更多的關(guān)注。此外，還要盡早推廣基于現(xiàn)代鋼筋混凝土設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，才能使竹材以最經(jīng)濟(jì)的方式用于廣泛的現(xiàn)代城市和農(nóng)村建設(shè)。本人從這幾方面，通過(guò)相應(yīng)研究，取得了一定結(jié)論。本文從材料特性、科學(xué)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和預(yù)制中、高容量模塊化組件的發(fā)展三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 竹材的力學(xué)特性

本文通過(guò)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)生長(zhǎng)在中國(guó)的兩個(gè)品種——?jiǎng)傊窈兔襁M(jìn)行了完整的力學(xué)特性分析。以混凝土行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別測(cè)定了兩種竹材的抗拉壓強(qiáng)度。[4]根據(jù)實(shí)驗(yàn)組綜合結(jié)果，測(cè)得剛竹和毛竹的典型特征抗壓強(qiáng)度分別為63MPa 和44MPa。抗拉強(qiáng)度分別為76MPa 和62MPa。除此之外，關(guān)于竹齡選擇以及竹材加工選取竹材的不同部位也是需要考慮的因素。筆者通過(guò)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)，了解到，不同竹齡的竹材，竹壁厚薄不均, 產(chǎn)生的收縮應(yīng)力更大, 更易開裂。毛竹根部的竹筒部位由于含水率較高也較易開裂。就竹齡而言,4 年以下竹齡的毛竹較易開裂。所以，對(duì)于不同部位以及竹齡的相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)，還有待進(jìn)一步研究完善。

2 可持續(xù)發(fā)展建筑的竹材梁柱組合結(jié)構(gòu)研究

在闡述了竹材的力學(xué)性能之后，筆者將進(jìn)一步對(duì)竹材梁柱結(jié)構(gòu)的組合形式進(jìn)行分析。在這一過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)了一種新型的由竹材組成的梁柱組合形式：利用專用的鋼構(gòu)連接件將半裂主板條連接在一起。通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能試驗(yàn)，測(cè)試得到一種可以有效提高竹材梁柱整體性的鋼材連接件，并且這種連接件能夠以焊接及螺栓的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖1 所示。[1]首先將連接件連接到柱，通過(guò)擰緊兩個(gè)半分裂管件使用螺栓擰緊，使其到達(dá)到一個(gè)特定的扭矩水平。夾具通過(guò)將柱底底板固定，使得立柱很容易連接到地基上，從而使得整個(gè)門式剛架的安裝更加容易。該結(jié)構(gòu)針對(duì)工業(yè)廠房等大跨結(jié)構(gòu)有著較好的推廣性，也可以被用于在大學(xué)學(xué)校校舍或者商業(yè)活動(dòng)中心。上述開發(fā)項(xiàng)目是竹材作為一種綠色工程材料，在建筑結(jié)構(gòu)中用于可持續(xù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的研發(fā)項(xiàng)目的一部分。

圖1 竹材連接件

3 大跨度抗彎構(gòu)件的研究

上述的結(jié)構(gòu)適用于中等跨度的構(gòu)件，如板條梁或柱。然而，針對(duì)與多高曾建筑，這樣的結(jié)構(gòu)體系的安全性還有待研究。針對(duì)與需要承擔(dān)大量水平荷載的建筑結(jié)構(gòu)，需要采用新的竹材材料形式——新型纖維增強(qiáng)復(fù)合竹（FRCB）構(gòu)件。[2]根據(jù)竹纖維的制備工藝，一般需要對(duì)竹纖維進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是提高竹材的塑性，保持足夠的強(qiáng)度。生產(chǎn)實(shí)踐表明，竹纖維的質(zhì)量與其生產(chǎn)條件密切相關(guān)，堿處理竹纖維的主要影響因素是濕度。在以往的研究中，纖維飽和點(diǎn)以上的竹材力學(xué)性能基本不變。堿處理后竹材的力學(xué)性能與含水率之間的關(guān)系尚未確定。天然竹材可作為單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，宏觀上呈各向異性。在竹纖維的加工過(guò)程中，以軋制法和精梳法加工的竹纖維大多處于與晶粒平行的拉伸狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)竹材的縱向拉伸性能進(jìn)行了研究。得到了相應(yīng)結(jié)論：（1）原竹為脆性材料，堿處理后NaOH（2.5%）浸泡24h 可制得塑性材料（含水率18%）。（2）經(jīng)NaOH（2.5%）浸泡24h 后，竹材縱向力學(xué)性能與含水率密切相關(guān)。抗拉強(qiáng)度隨含水率和擬合線的減小而增大。在含水量為40%～90%時(shí)，竹子的伸長(zhǎng)可達(dá)10%以上。因此，在機(jī)械加工粗竹纖維時(shí)，竹材含水率應(yīng)控制在40%～90%之間。（3）堿處理后竹材的縱向抗拉強(qiáng)度取決于單根纖維的粘結(jié)強(qiáng)度，竹材的塑性伸長(zhǎng)取決于單根纖維間的滑移變形。

將竹材以復(fù)合纖維的形式組合在一起，形成一個(gè)剛性框架，為了達(dá)到整體通效果，使其輔以鋼筋及混凝土材料進(jìn)行整體性澆筑，其預(yù)制示意如圖2 所示。通過(guò)對(duì)所屬結(jié)構(gòu)的水平、豎直雙向荷載實(shí)驗(yàn)，得到了較好的實(shí)驗(yàn)效果，試驗(yàn)清楚地證明了這種大跨度剛架在現(xiàn)代多、高層建筑中應(yīng)用的可行性。[4]

圖2 預(yù)制復(fù)合竹材應(yīng)用示意圖

4 結(jié)論

本文介紹了筆者為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代可持續(xù)建設(shè)的預(yù)制竹結(jié)構(gòu)所做的最新研究工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)工程原理和力學(xué)性能，包括對(duì)常見的中國(guó)竹材的嚴(yán)格測(cè)試所獲得的強(qiáng)度和剛度，開發(fā)了一種科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。已開發(fā)出合適的鋼性連接裝置，使受力構(gòu)件具有可連接性，補(bǔ)充以焊接及螺栓等補(bǔ)強(qiáng)方式。通過(guò)該種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，使大面積建筑結(jié)構(gòu)預(yù)制成為現(xiàn)實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于像中國(guó)這樣擁有大片荒地和適宜氣候的國(guó)家來(lái)說(shuō)具有巨大的潛力。