现代竹结构建筑的发展现状

柳 菁，张家亮，郭 军，李玉顺

（宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波 315211）

中国位于世界竹子分布的中心，竹类植物资源极其丰富，无论是竹子的面积、种类、蓄积量或者是采伐量均居世界产竹国之首［1］。全世界约有100属1 000多种竹子，而我国就有37属约500种，竹林面积500万hm2，约占世界竹林面积的1/4［2］。

竹子的生长速度很快，一般3～5 a年就可成材利用，属于短周期的可再生资源，具有极大的开发价值。竹材的力学性能优良，其抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度约为木材的1.5倍［3－4］。然而，长期以来竹材多以原竹形式或经过简单加工后用于农业、渔业、建筑业、编制生活用具和农具，技术含量低，附加值不高。因此，将竹材进行二次开发，应用于建筑结构领域，不仅能够拓宽竹材的应用范围，促进竹材工业的科技创新，而且有利于保护生态环境，促进人与自然和谐发展［5］。

竹材与水泥、钢材、粘土砖等传统建筑材料相比较，它在生长过程中可改善自然环境。竹材是生物有机体，是碳的储藏库，据资料统计，每公顷毛竹林年吸收CO2约47 t，而且CO2能固定存储于砍伐后的竹材。竹材加工的能耗低，又因其有机高分子聚合体结构和内部空腔结构使其具有天然良好的隔热性能，与此同时竹材废弃后还可以自然降解。因此竹结构建筑从材料的制造、使用、废弃直到再生利用的整个生命周期中具备与生态环境的协调共存性。合理地发展竹结构建筑有利于生态平衡和环境保护，具有重大而深远的意义。

1 竹材的构造及力学性能特性

1.1 竹材的构造

竹材是指竹子砍伐后除去枝条的主干，又称竹秆，由竹节和节间两部分构成，其形状为圆柱形，内部中空。

节间竹秆圆筒外壳称为竹壁，竹壁由竹青、竹壁中部 （亦称为竹肉）和竹黄组成。竹青是竹壁的外侧部分，结构紧密，质地坚硬，其最外层常附有一层蜡质，表面光滑而呈绿色。竹黄位于竹壁的内侧，结构疏松，质地脆弱，一般呈黄色。竹肉位于竹青和竹黄之间，由维管束和基本组织构成。竹肉占竹壁厚度的绝大部分，是生产竹材改性产品可供利用的最好和最多的部分。

竹节由秆环，萚环和节隔组成，加强竹秆直立以及水分、养分的横向输导。竹节的竹壁厚度大于其相邻节间竹壁厚度。由于竹节、节隔的存在以及竹节附近竹壁厚度的变化，使得竹材在物理力学性能方面的变异性、非匀质性均大于木材。竹节的存在能提高竹秆的抗压强度，竹节处顺纹抗压强度比节间处提高8%，而竹节处横纹抗压强度比节间高45%;而竹节的存在却会降低竹秆的抗拉强度，另外，竹节还能使竹秆的顺纹抗剪强度有所提高。

1.2 竹材的力学性质

竹材的力学性质是指竹材抵抗外力作用的性能，包括抗拉强度、抗压强度、静曲强度、抗剪、抗冲击性能以及弹性模量。竹材的力学性质与其含水率、竹秆部位、竹种等密切相关，所以在研究竹材时应充分考虑这些因素。

表1为常见种类竹材和木材的主要力学性能指标［6］。由表中数据可知，竹材的抗拉强度明显优于木材，约为2倍;抗压强度约比木材高出20%。竹材密度只有钢材的1/6～1/8，而竹材的顺纹抗拉强度可达到常用钢材的1/2左右，因此竹材的比强度甚至高于钢材。

表1 竹材与木材强度比较Tab.1 The strength comparison of bamboo and wood MPa

2 原竹建筑

2.1 传统原竹建筑

用原竹建造房屋在我国已有两千多年的历史。原竹是一种形态朴实、自然典雅、价格低廉的生态材料，能够体现建筑师崇尚自然的设计理念［7－8］。由于竹材的顺纹抗压力和抗拉力很高，可以直接使用单根竹子制作各式桁架结构、网架结构，单层亭台楼阁中的梁柱等受力杆件。

传统的原竹建筑大多架设简单、造型单一、设施简陋、成本低廉，是经济欠发达地区节约成本的选择，难有建筑的美观效果，多见于我国云南、四川、福建等地少数民族居住区。图1为云南西双版纳地区较典型的傣家竹楼。傣家竹楼的造型属干栏式建筑，其房顶呈“人”字型，竹楼的所有梁、柱、墙及附件均为竹子制成。傣家竹楼一般为上下两层的高脚楼房，高脚是为了防止地面潮气的侵入，底层架空可供饲养牲畜和堆放杂物。上层为人们居住的地方，一般分为堂屋和卧室两部分，堂屋设火塘，是烧茶做饭和家人团聚的地方，卧室位于堂屋内侧，用竹围子或木板间隔而得。

图1 傣家竹楼Fig.1 Bamboo house of the Dai nationality

图2为云南佤族竹楼，住房构造和形状与傣家竹楼相似，建筑材料均为竹子和草，据说最结实的佤族竹楼，住上3～5年就须翻修或重建。

2.2 现代原竹建筑

随着竹子间连接技术的发展，并结合建筑师丰富的想象力，造型别致、风格独特的现代原竹建筑应运而生。

哥伦比亚著名建筑师Simon Velez常年致力于竹建筑的研究。2000年德国汉诺威世博会上，Simon设计出巨型竹篷［9］（如图3所示），其屋顶直径36.6 m，悬挑9.1 m，是目前世界大跨度竹结构的典型代表。

图3 Simon Velez设计的汉诺威世博会巨型竹篷Fig.3 The giant bamboo canopy designed by Simon Velez

2010年上海世博会上的印度馆 （如图4所示）是现代原竹建筑领域的巨大突破。印度馆中央穹顶半径有36 m，高18 m，骨架全部用盘口粗的竹子累加编制而成，被称为世界最大跨度的竹制穹顶结构建筑。这座巨型穹顶没有一根梁、一根柱，共用了500多根竹子，最长的有20 m，竹材用量达到40 t。该馆的建造未使用任何能源，实现了完全零排放，被称为上海世博会最绿色的展馆。

图4 上海世博会印度馆的竹制穹顶Fig.4 Bamboo dome of India pavilion at the Expo

“德中同行之家”展馆 （如图5所示）是2010年上海世博会上原竹建筑的又一力作［10－11］。该展馆建筑面积330 m2，是一座覆膜全竹结构环保建筑。展馆主要支撑结构为24组向上张开的4根竹竿组成的倒金字塔形构架，展馆使用的竹材是产于中国南部的巨龙竹，长8 m，竹龄大于4 a，平均直径20 cm，所有竹材在建造之前均经过特殊防火处理并通过了相应防火测试。竹杆支撑体系在建筑屋面层通过钢节点相互连接固定，通过钢片或钢管并采用活动螺栓固定，保证了展馆的可移动性。该结构体系体现了灵活建造的方式，构件的替换变得简单，所有材料具备了循环和再生利用的可能性。

图5 上海世博会德中同行之家外观和连接节点Fig.5 German-Chinese House at the Expo and its connections

3 改性竹建筑

天然的竹子是小直径的空心圆柱体，其刚度、强度分布不均匀，从形状到性能均不能满足现代工程结构的建造要求，很多工程无法直接利用原竹作为结构构件。对原竹进行一系列的物理化学处理和机械切削，即对竹材进行改性处理，生产出截面规整、性能稳定的板材和型材，才能适应现代建筑形式的多样性和复杂性。改性竹材在现代建筑结构中的应用推广方面我国学者已做出了很多有意义的尝试。

3.1 校舍建筑

2004年，国际竹藤组织和中国林科院木材工业研究所的技术支持下，在云南屏边建造了全竹结构小学校舍建筑［12］（如图6所示）。校舍屋架采用竹层积材制作，屋顶和墙体则为竹胶合板制成。制作屋架时，根据设计要求，将竹层积材加工成不同尺寸和形状的梁部件，然后用螺栓、夹板、钉子等金属连接件连接和组装而成。这是首次将竹集成材和竹胶合板作为结构材用于建筑，为改性竹材在现代建筑结构中的应用迈出了可喜一步。

图6 云南省屏边小学全竹结构校舍Fig.6 Bamboo school building in Yunnan province

3.2 抗震安居房建筑

“5.12”汶川地震后，南京林业大学和东南大学联合开发了现代竹结构抗震安居房 （如图7所示）。该安居房采用梁、柱+搁栅、墙骨柱结构受力体系。基础采用混凝土浅基础。楼面、屋面均采用竹帘胶合板为结构层，竹帘胶合板支承于竹层积材次梁格栅上，通过钉子连接。墙体根据保温、隔热要求采用双层竹帘胶合板墙板。该安居房的构件规格统一，节点构造简单，施工快捷，可实现快速的装配化施工，适合于灾后重建工作［13］。

图7 竹结构抗震安居房Fig.7 Bamboo anti-seismic house for low-income urban residents

3.3 竹结构别墅

湖南大学基于多年来在改性竹材领域积累的丰富研究成果，率先建造了现代竹结构别墅样板房（如图8所示）。该建筑的主要结构构件虽为竹材，但其外形与普通钢混别墅并无区别。该结构中，竹材并未暴露在外面，从而可延长房屋的使用寿命。墙体中填充了岩棉等保温材料，提高了房屋的保温隔热性能［14］。2009年，国际竹藤组织和湖南大学联合实施了北京紫竹院公园环保节能型竹建筑示范项目 （如图9所示），也是全竹结构的现代别墅建筑。

图8 湖南大学现代竹结构别墅样板房Fig.8 Modern bamboo villa in Hunan University

图9 北京紫竹院公园环保节能型现代竹结构别墅示范房Fig.9 Modern bamboo villa in Beijing Zizhuyuan Park

4 复合式竹建筑

为了更好地发挥竹材优良的力学性能，提高竹材高强度的利用效率，宁波大学科研人员开发出将竹材与冷弯薄壁型钢进行复合而得的钢－竹组合构件及其结构体系，并进行了相关研究［15］。钢－竹组合构件由竹材人造板与冷弯薄壁型钢间通过胶粘剂或胶粘剂+金属连接件复合而成，构件间通过可靠的连接构成复合式现代竹结构建筑体系。钢材与竹材的组合使两者在受力过程中共同工作，大大提高材料的使用效率，同时这种组合方式能够方便地获得空心形、箱形、工字形等有利于充分发挥材料高强度的组合型截面、克服薄壁型钢的过早屈曲，可达到竹材与钢材优势互补的效果。

4.1 钢－竹组合构件

（1）钢－竹组合楼板。两张竹胶板之间平放压型钢板，竹板与钢板间用胶粘剂粘结或胶粘剂粘结的基础上打螺钉加强组合楼板的整体性［16］。为了以较低截面用钢率达到更好的力学性能，同时也尝试了另一种组合方式，即两张竹胶板之间按一定间距立放冷弯薄壁型钢，型钢与竹板界面通过胶粘剂粘结，或胶粘剂+螺钉连接，型钢两侧粘贴竹板条以提高薄壁型钢的侧向稳定性［17］（如图10所示）。研究表明，这两种形式的组合楼板均具有很高的承载力和较高的刚度，可以满足作为建筑楼板的使用要求。

图10 钢－竹组合楼板Fig.10 Bamboo-steel composite slab

（2）钢－竹组合墙体。两张竹胶板间夹着压型钢板，竹板与钢板界面用胶粘剂粘结 （如图11所示）［18］，构成压型钢板－竹胶板组合墙体;也可以在两张竹胶板间立放薄壁C型钢，型钢与竹板界面同样通过胶粘剂或胶粘剂+螺钉连接，型钢两侧粘贴竹板条加强其侧向稳定性［19］。

（3）钢－竹组合梁。以两根冷弯薄壁C型钢为骨架，将其背靠背放置，其间粘贴竹板，组合件上下表面各胶粘一块竹板，构成工字形截面的钢－竹组合梁［20］（如图12所示）。

图11 钢－竹组合墙体试件Fig.11 Bamboo-steel composite wall

图12 钢－竹组合梁Fig.12 Bamboo-steel composite beam

（4）钢－竹组合柱。以矩形冷弯薄壁型钢为骨架，在其周边粘贴竹材人造板复合而成 （如图13所示）。薄壁型钢的壁厚可薄至1～2mm，与轻钢结相比，钢材用量大为降低，由于竹板的约束薄壁型钢的抗屈曲性能得到保证。

图13 钢－竹组合柱Fig.13 Bamboo-steel composite column

4.2 钢－竹组合结构体系

钢－竹组合构件间通过适当的连接方式构成以下两种复合式竹建筑。

（1）墙体承重的箱式结构体系。由钢－竹组合楼板和组合墙体装配成空间箱形结构。墙体与楼板通过可靠的连接构成空间受力性能良好的结构体系，其中墙体既是很重要的受力部位，在其芯部填充保温材料后又成为节能性能优良的围护构件。该结构体系适用于单层和矮层建筑，作为结构受力构件的组合墙、组合板等均可统一在工厂预制、现场安装，施工方便快捷。

（2）梁柱式框架结构体系。钢－竹组合梁和组合柱通过刚性连接构成框架承重结构，从而构成类似于一般框架结构体系的钢－竹组合梁柱式结构体系。该结构体系中，组合柱承受全部的竖向荷载及水平荷载，荷载依次从组合楼板传至组合梁，再由组合梁传到柱，最后由柱将荷载传到基础。该结构体系中墙体只是起围护及分隔房间作用，统一采用钢－竹组合墙体，此时墙体的截面厚度和型钢壁厚可适当减小，墙体及楼板的空腔中仍然可以填充各种保温隔热材料。这种结构体系建筑平面布置灵活，可以取得较大的使用空间，具有良好的延性。

4 结束语

随着全球能源危机的加剧和环境问题的日益突出，“绿色建筑”是必然的选择，合理有效地开发新型材料、创新结构体系，在一定范围内取代钢和混凝土作为主要建筑材料和结构形式使用，将是21世纪土木工程领域改革与发展的方向。作为最古老的建筑材料之一，竹材来源广泛、价格低廉、加工容易，是一种集力学和美学等多方面优势为一体的环境友好型工程材料。开展全方位的现代竹结构建筑研究工作，并加以推广有助于建筑业的绿色低碳发展，具有重要的经济、社会和环境效益。

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