现代竹材在建筑结构中的应用现状

潘 毅，李家佳，李玲娇，秦 楠，唐丽娜

（1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都610031；2.东南大学 城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，江苏南京210096；3.南京市建筑设计院有限责任公司，江苏 南京210000）

目前，中国住房建设中普遍使用粘土、水泥和钢材等作为建筑材料。这不仅消耗了大量的不可再生资源，而且产生了工业“三废”，严重影响了生态环境。为此，选择环境友好的建筑材料是当代土木工程亟待解决的问题。竹、木材料即是满足这一需求的较好选择。在欧美、日本等发达国家，天然木材是主要的建筑材料之一[1]。然而，中国的木材资源相对匮乏，大量使用木材作为建筑材料目前尚难实现；相反，竹资源却相当丰富。中国的竹林种植面积居世界首位，约占世界总量的30%，尤其是西南地区的竹材资源十分丰富。作为含有木质纤维素的草茎植物，竹子3～4年即可成材，属于短周期的可再生资源，具有极高的利用价值。自古以来，竹材就广泛应用于人们的日常生活和房屋桥梁的建设中。然而，由于种种原因，竹材在现代建筑领域中的应用研究还停留在初级阶段。有鉴于此，文章将结合现代竹材的基本性能，介绍其在建筑工程中的应用现状，为进一步的研究提供参考。

1 主要的力学性能及特点

现代竹材是以天然竹子为原材料，利用先进的复合、重组技术，将竹材加工成具有各种不同尺寸规格的建筑用材，以满足现代住宅对材料的要求。现代竹材的产品主要有竹材胶合板、竹材层积材、竹材重组材等。

作为绿色材料，现代竹材纤细致密，具有良好的物理力学性能和加工性能，可视为钢材和混凝土材料的有益补充[2]，其主要力学性能见表1。由表1可知，竹材的力学性能稍逊于钢铁，而优于其他传统建筑材料。此外，竹材的密度较低，约为7.5kN／m3，是混凝土的1／4，砖墙砌体的1／3。在绿色指标上，竹材吸收CO2量是普通树木的4倍，具有自净作用，对环境影响小。在具有导热系数低、尺寸稳定性佳、韧性较好和保温隔热等诸多特点的同时，竹材也存在耐候性较低、抗弯矩能力稍弱、结构整体刚性较差和易脆性破坏等缺点[3－7]。这些不足在实际使用中应当充分考虑。

表1 竹子的主要力学性能

另外，近些年来还出现了以竹材和其他材料为主要原料的竹材复合结构，如：竹－玻璃钢复合材料、竹－木复合材料和竹筋混凝土等。这类新型结构兼具两种材料的特点，力学性能优越，能更好的满足现代建筑结构的性能要求，具有广阔的应用前景。

2 在建筑结构中的应用

早在上世纪40年代，国外就开始研制竹胶合板，相继建成了竹纤维板和单板生产线。近10年来，中国竹业生产也取得了较快发展。目前，竹材不仅常被应用于建筑施工中的模板、脚手架和室内装修等方面，还出现在现代轻型住宅、大型高层建筑和桥梁的建设中。按照竹材在建筑结构上的不同用途，文中将其分为基桩、框架、墙体和楼板、屋面和屋架，以及住宅等5类。

2.1 基桩

竹材抗压强度大，可作土建基础用桩。这些基桩一般用于临时平房或两层楼房。同时，基桩不宜过长，以免在地下水的渗透下腐蚀发霉。基桩的竹子宜选择直径大、竹肉厚和竹节节距短的，以获得较大的抗压强度。对于小直径竹材可按需要将多根捆扎为一根，以替代大直径竹材。未经防腐处理的竹柱使用年限较短，出于经济考虑，应对其进行防腐处理或埋入混凝土中，以延长使用寿命[8]。由于在通风不良的湿热条件及地下水的作用下，竹桩极易发生腐烂和霉变，因此，防潮措施显得尤为重要。例如，西双版纳的傣家竹楼采用干栏式的结构形式来满足下部结构通风、防潮的要求。该竹楼的基础便采用了施工简易的竹桩。

然而，目前这种竹材基础较少采用，主要原因在于埋入地面以下的竹桩很难避免湿热的反复作用，其防腐、防潮处理较为困难；而且，竹材还存在老化等问题，随着老化现象的持续，各项力学性能指标都会发生少量削减。因此，如何较好的处理防腐、防潮和老化现象是竹材基础研究中首要解决的问题。

2.2 框架

用作框架结构的竹材主要由圆竹组成。为了增强刚性，也可采用竹木混用。竹材的尺寸和间距因结构性质和要求的不同而不同。选用的竹材其直径应尽量适中，竹壁亦宜厚些。目前可作为框架结构的人工合成竹材有以下几种。

1）竹材层积材，即竹材层压板。它的加工工艺简单，材料来源广，竹材利用率高，易于工业化生产。其纵向强度和刚度很高，适用于承重墙体、单向板、梁等房屋构件。对于大跨度的梁构件，竹材层积材理论上可做成工字形、箱形等截面，不仅节省材料，而且提高跨越能力。

2）竹材重组材。这种材料充分利用了竹材的固有特性，具有力学性能稳定、强度高、规格大、保持天然竹材纹理结构的特点，可用作梁、柱等主要承重构件[3]。考虑到竖向构件在结构中的重要性，抗震安居房常选用竹材重组材作柱。

用竹材作为建筑框架，梁、柱节点的连接尤为重要。圆竹交联的传统方法多为用竹蔑、麻绳或铁丝捆扎和搭接的方式。随着现代竹连接技术的发展，连接方式也发生了变化，主要有粘接、镶嵌和金属紧固件等几种连接方式。其中以金属紧固件较为常见，金属紧固件连接主要有螺栓连接（图1）、套筒连接（图2）、槽口连接（图3）三种。运用这些连接方式和竹结构的内外墙系统，可以减轻建筑物的自重，从而减少由建筑物自重所引起的地震作用，不易造成人员伤亡，特别适用于高烈度地区。1998年，在哥斯达黎加的7.6级地震中，位于震中的30余座竹房屋保存完好，而周边许多混凝土结构的房屋却几乎全部倒塌。2008年6月，在四川省广元市投入使用的竹结构活动板房，历经了多次强烈余震的考验，仍然完好无损。

图1 角钢螺栓连接[9]

图2 套筒连接

图3 槽口连接[10]

2.3 墙体和楼板

与常用墙体材料相比，竹墙体的导热系数远小于常用墙体的导热系数。其导热系数约为普通混凝土的8%，钢筋混凝土的11%，约为加气混凝土的74%，空心砖砌体的24%。因此，竹墙体具有良好的保温隔热性能，是较理想的墙体材料[11]。其常见的形式有以下几种。

1）竹板墙

将圆竹劈成长条的竹板，纵向钉于横竖组成的竹杆框架上，板外抹以泥浆，浆外涂抹石灰或水泥砂浆，为使砂浆附着牢固，可在竹板面上加钉铁丝钢。

2）篱笆墙

竹篱笆技术最主要的优点是成本低廉并且建筑质量较好，经久耐用，占用空间少。竹篱笆的设计和建造更具灵活性、技术要求不高。

3）竹席墙

常见的做法是将编织的竹席钉于木架或竹架的一侧或两侧，再用灰泥涂抹，为了减轻墙重，也有不在表面涂抹泥的，用做室内隔墙[8]。

现代竹骨架墙体即属于竹板墙类型（如图4、图5所示）。竹骨架墙体设置龙骨以实现多传力路径的受力体系及保证墙体足够的刚度。由于竹材加工技术的进步，近年来还出现了竹编胶合板、竹席胶合板和竹材胶合板等产品，使得竹墙体质量有了显著提高。

图4 轻型框架墙体

图5 装配式墙体

目前，楼板材料主要采用竹帘胶合板和竹材碎料板等。主要原因是它们具有力学性能好，易于工业化生产，保温隔热效果好以及节能等特点。竹帘胶合板具有生产成本低、强度高、刚性好、幅面大等特点，可作为建筑模板材料、楼板、墙体及隔断材料。2009年东南大学和南京林业大学设计的竹结构抗震安居房，其楼面板便采用16mm厚竹帘胶合板作为结构层。同时，竹材碎料板对原料形状要求较低，具有较高的强度和较低的吸湿膨胀性，是房屋墙体、隔断和楼板的较好材料。2009年建成的北京紫竹院的楼板便采用了竹材碎料板。另外，现代竹楼板常采用现场装配的方式，由众多的板块单元[12－13]组装而成。模块化的设计使板材加工简单，便于批量化生产和缩短工期，进一步推动了竹材市场的发展。

2.4 屋面和屋架

竹材轻质高强，可作为屋面材料。其主要形式有以下几种。

1）竹瓦屋面

主要包括半圆竹瓦屋面和片状竹瓦屋面两种类型。半圆竹瓦屋面的施工工艺简单，其屋面坡度通常不宜小于30°。如能将竹材进行防水、防腐处理，并在钉眼上垫以油毡垫圈，可以做到完全防漏。片状竹瓦屋面宜采用直径大且新鲜的圆竹。施工前竹瓦应进行防水、防腐处理。屋面最小坡度也不应小于30°。2010年同济大学设计的太阳能竹屋，其屋面便采用了特殊处理的片状竹瓦屋面（如图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来开发的一种竹制建筑材料。该瓦是用竹编后的黄蔑编织成席，经涂胶，在模具上热压而成，其规格尺寸见表2。它具有幅面大，施工省等特点，现用于活动房屋、车站月台和凉棚等[8]。

表2 竹席波形瓦尺寸表

由于强重比较大，竹材也可用于建造屋架。竹屋架是主要的受力构件，它的承载能力关系着整个结构的安全性能。竹屋架具有较大的强度储备，是一种经济、可靠、环保的结构体系。国内外对此进行了较深入的研究。例如，湖南大学2009年设计建造的轻型竹结构房屋便采用了装配式竹屋架（如图7所示）。

2.5 竹结构住宅

如前所述，由于竹材具有优良的性能，不仅适合于现代建筑各个部件的使用，而且适合于整栋建筑的应用。近年来，国内相继出现了一些全竹结构建筑。由于竹结构具有与木结构相似的性质，所以竹结构建筑的总体设计可以借鉴木结构的设计体系来完成。采用梁柱结构体系，利用金属节点形式，同时使用竹集成材的加工方法来进一步提高模块化设计，加快施工进度。

如果对竹材进行防腐处理、添加辅助材料以及及时更换老化部分，竹建筑的使用寿命就能达30年以上。值得注意的是，竹材在弯曲强度方面的不足在一定程度上也是一种优点。它使竹材在第一次开裂时并不会像木材那样彻底折断。这种特性为维修和及时更换损坏部分提供了可能。竹结构建筑不但能体现竹子本身的优势，可以方便快捷地搭建、修复、拆分和运输，而且拆除之后也不会产生很多建筑垃圾，对环境的污染很小。此外，竹结构房屋还具有抗震性能好、施工速度快、保温隔热效果好、原料来源广泛、造价低廉等优点[14]，适合于工业化生产。

早在1999年，Integer China研究团队与云南世博兴云房地产有限公司，在昆明世博园的竹园内就建成了生态城中的第一栋多层竹屋。引起了当时公众的热议。经过10多年的发展，现在已相继出现了以梁柱结构体系为主的竹结构抗震安居房，属于框架结构的装配式轻型胶竹住宅以及现代竹结构别墅等。其中，以湖南大学设计建造的国际首座现代竹结构别墅样板房（图8）和Marcelo Velligas在哥伦比亚设计的低收入者住宅（图9）为代表。

图6 片状竹瓦屋面

图7 装配式屋架

图8 现代竹结构别墅[9]

图9 现代竹结构住宅[10]

3 结 论

文章概括了现代竹材的各项力学性能，重点介绍了竹材在建筑基桩、框架、墙体和楼板、屋面和屋架，以及在住宅中的综合应用，可得出以下结论。

1）作为建筑基础时，宜采用较高强度的竹材，并做好防潮处理；作为框架、楼板、墙体、屋面及屋架时，宜采用人工合成竹板材，同时，注意节点的连接和防水处理。

2）现代竹材具有灵活性强，抗震性能好，施工速度快，保温隔热效果好，原料来源广泛，造价低廉，节能环保等优点能够满足现代绿色住宅的要求。

3）竹子的耐候性较弱，弹性模量低，力学性能较离散。此外，竹结构的设计理论与方法尚不清楚。有关标准与规范尚未出台，这些正是我们以后需要解决的问题。

虽然目前竹材的研究还有许多困难，但是竹材应用广泛、潜力巨大，值得深入研究。特别是在当前 “可持续发展建筑”的政策导向下，竹结构建筑将是未来新型建筑的发展方向之一。

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