竹材力学性能及其在绿色建筑中的应用研究

王 露，钟 鑫，游 珊，刘 阳，曾 妮

（武昌工学院城市建设学院，湖北武汉 430065）

0 引言

竹被誉为世界“第二森林”，在全球森林资源中占据非常重要的地位。竹材具有生长周期短、可再生、强度高、韧性好的优点，是一种绿色、环保的建筑材料，其天然的中空结构也为建筑艺术作品提供了良好的构件元素[1]。

竹材在民宿设计、园林景观设计、室内设计等现代建筑领域中的发展与应用得到国际相关学者的广泛关注，已有部分研究团队对竹材的力学性能及其应用进行研究。由于缺乏类似混凝土结构、钢结构、木结构等标准的材料试验方法、结构技术规程、施工质量验收规范等基础理论体系，竹材在建筑结构中仍没有被充分利用[1]。因此，研究竹材的力学性能及其在建筑行业中的应用具有重要理论意义和实践价值。

1 竹材力学性能

竹作为丰富的天然建筑材料，国内外相关学者对其力学性能展开一系列的研究。竹材是一种由纤维束纵向增强的复合材料，试验结果表明，其弹性模量、强度、断裂韧度均与纤维束的体积百分比呈线性关系[2]。在扫描电镜下，毛竹的维管束密度越高其承载力越强，毛竹的抗压强度范围为47～62.8N/mm2，且强度随着竹子外径的增大而明显降低[3]。竹材的力学强度与其含水率成反比，同一竹秆上竹材顶部比底部的力学性能好[4]。

2015年国家林业局发布了《圆竹物理力学性能试验方法》[5]，国内相关学者根据试验标准对圆竹力学性能进行试验研究，结果表明，圆竹顺纹抗压强度可达60MPa，圆竹顺纹抗弯承载力可达12kN[1]，竹节限制了圆竹的横向变形，对圆竹径向承载力影响较大，有节圆竹环刚度可达无节的2倍[6]。

竹材表现出优异的力学特性，该试验表明，竹材的抗拉强度约为木材的2倍，竹材比强度约为钢材的3倍[7]。除此之外，竹材还具有绿色、无污染的环保价值和生长速度快、成材率高的经济价值[8]。

2 竹结构的研究

竹构件的力学性能是竹结构研究的主要方向，是竹材工业化利用的基石[9]。随着竹材研究的不断深入，相关学者聚焦各种结构工程竹材类产品，如胶合层积竹、重组竹、竹木复合材料等新型竹材的研究和应用。

国外学者Kariuki[10]对尺寸相同的层积竹梁与层积柏梁进行抗弯承载力的对比试验，结果表明竹材构件比柏材构件具有更好的力

学特性。湖南大学通过对新型胶合竹材Glubam进行各项力学性能的试验研究，验证其在现代竹结构房屋应用中的可行性。南京林业大学对重组竹的受力特性和设计工艺进行研究，为其在新式家具中的应用提供理论基础；研制竹木复合板，并对其力学性能进行试验，推广了复合材料的发展和应用。东南大学和北京林业大学等国内重点高校均对现代竹结构进行试验研究，为其在建筑中的应用提供理论依据。

3 竹材在绿色建筑中的应用

竹材拥有独特的物理性能和深厚的文化内涵，其在建筑空间中的应用特征表现为简洁、科技、人文，旨在达到建筑与自然和谐统一、传承文化、促进生态协调的目的[11]。2017年住房和城乡建设部发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，目的是要建设低碳节能、绿色生态、集约高效的建筑用能体系，逐步改善和提高建筑能源消费结构与发展水平[1]。在绿色建筑理念下，竹建筑的应用与发展成为新焦点。

3.1 竹桥

湖南大学设计建造的耒阳竹桥在2008年11月10日获得了美国《PopularScience》杂志的高度认可，被评为2008年度最佳工程创新之一。这座竹结构桥梁严格按照现代力学理论进行设计建造，采用高性能的纤维增强塑料与竹复合[12]，桥面净宽3.4m、长10m，由9根竹梁组成，于2007年末建成通车，桥梁通车以来使用状况良好。这一创新性成果为竹材的应用研究奠定基础。

2018年，香港中文大学、清华大学、重庆交通大学及重庆大学合作并组成“现代竹木结构研究团队”，用716根毛竹，在重庆山区建成一座跨度21m、宽3m的竹桥——“一心桥”。该桥的主体结构使用原竹材修建，桥面也铺装竹排面板，只使用少量螺栓和角钢连接。2019年获得了具有房地产及建造领域“奥斯卡”之称的RICS中国年度大奖评委会特别奖。这座竹桥在环保、可持续发展、农村公益和创新技术方面取得了卓越的成就，推动了绿色建材的应用与发展（见图1）。

图1 一心桥

由金色和黑色竹种混合建成的“印尼千禧桥”，是亚洲最长的竹桥之一，长23m。该桥受到米纳卡堡建筑风格的影响，特色屋顶仿照水牛角的形状，专门用于行人通行。这座桥代表了向世界各地推广竹建筑的一种方式（见图2）。

3.2 住宅

图2 千禧桥

竹作为建筑材料自古以来被运用于居住。我国南方少数民族为传统竹楼居民，竹建筑历史久远沿用至今。我国云南的傣族“干阑式”竹楼（见图3），至今已有1400多年的历史，被誉为雨林民族文化的结晶。

图3 “干阑式”竹楼

世界上第一座现代竹结构别墅样板房于2009年建成并投入使用（见图4）。该别墅采用了湖南大学肖岩教授科研团队自主创新的现代竹结构建筑和胶竹专利技术，参考北美木结构房屋的结构设计标准，表现出良好的抗震优势[13]，在我国“5.12”汶川地震后的临时安置及灾后重建中起重要作用。

图4 现代竹结构别墅

北京紫竹院别墅、湖南耒阳市蔡伦竹海公园别墅等也是典型的竹建筑的工程实例，引领了竹材在现代结构中的研究应用。

3.3 园林景观

广东省南昆山森林保护区的十字水度假村由多位来自不同国家的知名规划、建筑师共同设计完成，是我国首家顶级生态度假村。该作品将中国传统客家夯土墙与国际顶级竹子建筑工艺融合，是国内首个同时荣获“全球景观设计大奖”和“绿色环球21可持续设计达标评估”认证的度假村[14]。架在小溪两岸的竹桥、依山而建的吊脚竹别墅，呈现出归于自然的简素之美（见图5、图6）。

随着旅游业的发展，竹建筑、竹工艺制品在景观设计、民宿设计中应用广泛，竹材的美学特性与自然环境充分融合，促进生态环保及旅游行业的发展。

图5 度假村竹桥

图6 吊脚竹别墅

4 竹建筑的发展前景

竹材作为无污染可再生的天然材料，在未来建筑中发挥着不可替代的作用。2010年上海世博会上出现的全竹结构展馆“德中同行之家”不仅展现了独特的建筑风格，同时也倡导了前瞻性的环保理念。作为世博园区中唯一一座主体支撑结构完全采用竹材料的二层建筑，将“可持续发展的城市化进程”主题与艺术进行充分融合，再现了“德中同行”活动自2007—2010三年以来一贯倡导的焦点。

2015年米兰世博会上竹材出现在诸多建筑艺术作品之中，其绿色、环保、可持续性的优势得到现代建筑行业的青睐。2016年以来，国内研究学者和知名建筑设计师们通过浙江省举办的“国际竹建筑双年展”对新型竹材与传统材料的结合、传统乡村建筑的更新与保护进行探索研究[15]。在他们的积极推动下，竹建筑从传统走向现代，竹子自身的材料优势得以充分发挥，将有广阔的发展前景。

5 结语

中国有着丰富的竹资源和悠久的竹文化历史，竹建筑自重轻、抗震性能强、安全系数高、经济、舒适。研究竹材的力学性能及其在建筑中的应用不仅有利于绿色材料的开发利用，还符合我国当前低碳建设的发展目标，具有重大而深远的意义。

目前，竹材的研究和应用还有很大空间，有望建立关于竹结构设计的完整理论体系和施工技术规范，推广竹材在绿色建筑中的应用与发展。