竹材力學(xué)性能及其在綠色建筑中的應(yīng)用研究

王 露，鐘 鑫，游 珊，劉 陽，曾 妮

（武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430065）

0 引言

竹被譽(yù)為世界“第二森林”，在全球森林資源中占據(jù)非常重要的地位。竹材具有生長周期短、可再生、強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色、環(huán)保的建筑材料，其天然的中空結(jié)構(gòu)也為建筑藝術(shù)作品提供了良好的構(gòu)件元素[1]。

竹材在民宿設(shè)計(jì)、園林景觀設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用得到國際相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，已有部分研究團(tuán)隊(duì)對竹材的力學(xué)性能及其應(yīng)用進(jìn)行研究。由于缺乏類似混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)的材料試驗(yàn)方法、結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范等基礎(chǔ)理論體系，竹材在建筑結(jié)構(gòu)中仍沒有被充分利用[1]。因此，研究竹材的力學(xué)性能及其在建筑行業(yè)中的應(yīng)用具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 竹材力學(xué)性能

竹作為豐富的天然建筑材料，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對其力學(xué)性能展開一系列的研究。竹材是一種由纖維束縱向增強(qiáng)的復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，其彈性模量、強(qiáng)度、斷裂韌度均與纖維束的體積百分比呈線性關(guān)系[2]。在掃描電鏡下，毛竹的維管束密度越高其承載力越強(qiáng)，毛竹的抗壓強(qiáng)度范圍為47～62.8N/mm2，且強(qiáng)度隨著竹子外徑的增大而明顯降低[3]。竹材的力學(xué)強(qiáng)度與其含水率成反比，同一竹稈上竹材頂部比底部的力學(xué)性能好[4]。

2015年國家林業(yè)局發(fā)布了《圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[5]，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對圓竹力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，圓竹順紋抗壓強(qiáng)度可達(dá)60MPa，圓竹順紋抗彎承載力可達(dá)12kN[1]，竹節(jié)限制了圓竹的橫向變形，對圓竹徑向承載力影響較大，有節(jié)圓竹環(huán)剛度可達(dá)無節(jié)的2倍[6]。

竹材表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)特性，該試驗(yàn)表明，竹材的抗拉強(qiáng)度約為木材的2倍，竹材比強(qiáng)度約為鋼材的3倍[7]。除此之外，竹材還具有綠色、無污染的環(huán)保價(jià)值和生長速度快、成材率高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[8]。

2 竹結(jié)構(gòu)的研究

竹構(gòu)件的力學(xué)性能是竹結(jié)構(gòu)研究的主要方向，是竹材工業(yè)化利用的基石[9]。隨著竹材研究的不斷深入，相關(guān)學(xué)者聚焦各種結(jié)構(gòu)工程竹材類產(chǎn)品，如膠合層積竹、重組竹、竹木復(fù)合材料等新型竹材的研究和應(yīng)用。

國外學(xué)者Kariuki[10]對尺寸相同的層積竹梁與層積柏梁進(jìn)行抗彎承載力的對比試驗(yàn)，結(jié)果表明竹材構(gòu)件比柏材構(gòu)件具有更好的力

學(xué)特性。湖南大學(xué)通過對新型膠合竹材Glubam進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其在現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)用中的可行性。南京林業(yè)大學(xué)對重組竹的受力特性和設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行研究，為其在新式家具中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)；研制竹木復(fù)合板，并對其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，推廣了復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。東南大學(xué)和北京林業(yè)大學(xué)等國內(nèi)重點(diǎn)高校均對現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為其在建筑中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 竹材在綠色建筑中的應(yīng)用

竹材擁有獨(dú)特的物理性能和深厚的文化內(nèi)涵，其在建筑空間中的應(yīng)用特征表現(xiàn)為簡潔、科技、人文，旨在達(dá)到建筑與自然和諧統(tǒng)一、傳承文化、促進(jìn)生態(tài)協(xié)調(diào)的目的[11]。2017年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，目的是要建設(shè)低碳節(jié)能、綠色生態(tài)、集約高效的建筑用能體系，逐步改善和提高建筑能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與發(fā)展水平[1]。在綠色建筑理念下，竹建筑的應(yīng)用與發(fā)展成為新焦點(diǎn)。

3.1 竹橋

湖南大學(xué)設(shè)計(jì)建造的耒陽竹橋在2008年11月10日獲得了美國《PopularScience》雜志的高度認(rèn)可，被評為2008年度最佳工程創(chuàng)新之一。這座竹結(jié)構(gòu)橋梁嚴(yán)格按照現(xiàn)代力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，采用高性能的纖維增強(qiáng)塑料與竹復(fù)合[12]，橋面凈寬3.4m、長10m，由9根竹梁組成，于2007年末建成通車，橋梁通車以來使用狀況良好。這一創(chuàng)新性成果為竹材的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

2018年，香港中文大學(xué)、清華大學(xué)、重慶交通大學(xué)及重慶大學(xué)合作并組成“現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)”，用716根毛竹，在重慶山區(qū)建成一座跨度21m、寬3m的竹橋——“一心橋”。該橋的主體結(jié)構(gòu)使用原竹材修建，橋面也鋪裝竹排面板，只使用少量螺栓和角鋼連接。2019年獲得了具有房地產(chǎn)及建造領(lǐng)域“奧斯卡”之稱的RICS中國年度大獎(jiǎng)評委會(huì)特別獎(jiǎng)。這座竹橋在環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)村公益和創(chuàng)新技術(shù)方面取得了卓越的成就，推動(dòng)了綠色建材的應(yīng)用與發(fā)展（見圖1）。

圖1 一心橋

由金色和黑色竹種混合建成的“印尼千禧橋”，是亞洲最長的竹橋之一，長23m。該橋受到米納卡堡建筑風(fēng)格的影響，特色屋頂仿照水牛角的形狀，專門用于行人通行。這座橋代表了向世界各地推廣竹建筑的一種方式（見圖2）。

3.2 住宅

圖2 千禧橋

竹作為建筑材料自古以來被運(yùn)用于居住。我國南方少數(shù)民族為傳統(tǒng)竹樓居民，竹建筑歷史久遠(yuǎn)沿用至今。我國云南的傣族“干闌式”竹樓（見圖3），至今已有1400多年的歷史，被譽(yù)為雨林民族文化的結(jié)晶。

圖3 “干闌式”竹樓

世界上第一座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房于2009年建成并投入使用（見圖4）。該別墅采用了湖南大學(xué)肖巖教授科研團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑和膠竹專利技術(shù)，參考北美木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出良好的抗震優(yōu)勢[13]，在我國“5.12”汶川地震后的臨時(shí)安置及災(zāi)后重建中起重要作用。

圖4 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅

北京紫竹院別墅、湖南耒陽市蔡倫竹海公園別墅等也是典型的竹建筑的工程實(shí)例，引領(lǐng)了竹材在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的研究應(yīng)用。

3.3 園林景觀

廣東省南昆山森林保護(hù)區(qū)的十字水度假村由多位來自不同國家的知名規(guī)劃、建筑師共同設(shè)計(jì)完成，是我國首家頂級生態(tài)度假村。該作品將中國傳統(tǒng)客家夯土墻與國際頂級竹子建筑工藝融合，是國內(nèi)首個(gè)同時(shí)榮獲“全球景觀設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)”和“綠色環(huán)球21可持續(xù)設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)評估”認(rèn)證的度假村[14]。架在小溪兩岸的竹橋、依山而建的吊腳竹別墅，呈現(xiàn)出歸于自然的簡素之美（見圖5、圖6）。

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，竹建筑、竹工藝制品在景觀設(shè)計(jì)、民宿設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，竹材的美學(xué)特性與自然環(huán)境充分融合，促進(jìn)生態(tài)環(huán)保及旅游行業(yè)的發(fā)展。

圖5 度假村竹橋

圖6 吊腳竹別墅

4 竹建筑的發(fā)展前景

竹材作為無污染可再生的天然材料，在未來建筑中發(fā)揮著不可替代的作用。2010年上海世博會(huì)上出現(xiàn)的全竹結(jié)構(gòu)展館“德中同行之家”不僅展現(xiàn)了獨(dú)特的建筑風(fēng)格，同時(shí)也倡導(dǎo)了前瞻性的環(huán)保理念。作為世博園區(qū)中唯一一座主體支撐結(jié)構(gòu)完全采用竹材料的二層建筑，將“可持續(xù)發(fā)展的城市化進(jìn)程”主題與藝術(shù)進(jìn)行充分融合，再現(xiàn)了“德中同行”活動(dòng)自2007—2010三年以來一貫倡導(dǎo)的焦點(diǎn)。

2015年米蘭世博會(huì)上竹材出現(xiàn)在諸多建筑藝術(shù)作品之中，其綠色、環(huán)保、可持續(xù)性的優(yōu)勢得到現(xiàn)代建筑行業(yè)的青睞。2016年以來，國內(nèi)研究學(xué)者和知名建筑設(shè)計(jì)師們通過浙江省舉辦的“國際竹建筑雙年展”對新型竹材與傳統(tǒng)材料的結(jié)合、傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑的更新與保護(hù)進(jìn)行探索研究[15]。在他們的積極推動(dòng)下，竹建筑從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，竹子自身的材料優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，將有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

中國有著豐富的竹資源和悠久的竹文化歷史，竹建筑自重輕、抗震性能強(qiáng)、安全系數(shù)高、經(jīng)濟(jì)、舒適。研究竹材的力學(xué)性能及其在建筑中的應(yīng)用不僅有利于綠色材料的開發(fā)利用，還符合我國當(dāng)前低碳建設(shè)的發(fā)展目標(biāo)，具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

目前，竹材的研究和應(yīng)用還有很大空間，有望建立關(guān)于竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整理論體系和施工技術(shù)規(guī)范，推廣竹材在綠色建筑中的應(yīng)用與發(fā)展。