大跨度圆竹拱形结构建造技术——2019 年北京世界园艺博览会竹藤馆案例分析

苏 娜 费本华 邵长专 周 慧 王晓欢 方长华 马欣欣 刘焕荣

(1 国际竹藤中心北京 100102；2 香港中文大学建筑学院香港 999077；3 清华大学土木水利学院北京 100084；4 国家林业与草原局北京林业机械研究所北京 100029)

竹类植物是地球上生长最快的禾本科植物，一次种植永续利用，资源丰富[1]。竹材具有较高的抗压、抗拉和抗弯性能以及优良的韧性，轻质高强，与木材相比优点明显[2-3]。圆竹具有中空、壁薄、有节的结构形态，从物理力学角度看，是一种很好的筒体结构，比等直径的实心杆具有更大的抗弯强度和惯性矩[4]，用于建筑材料时具有优良的抗弯性能和稳定性。此外，竹材天然可降解的属性使得竹建筑在整个建造过程中所产生的能耗、污染也远远小于砖石、混凝土类型的建筑[5]，并且竹材在整个建筑生命周期内具有碳汇的功能[3，6]，属于可持续建筑材料。目前，竹材由于其优良的材料性能、独特的文化属性和可持续发展的潜力，得到越来越多的国内外当代建筑师的关注。

1 圆竹在拱形结构中的适用性

竹材由于其壁薄中空的属性，易直易弯，易刚易柔，在用于建筑结构材时可以创造多种结构类型，常见的如梁架结构、编制结构、拱结构、穹顶结构、空间结构以及拉索结构等[6]，其中拱结构和穹顶结构较易创造出完整的大跨度空间[7]。

拱是在自身平面内的竖向载荷作用下产生水平推力的曲杆[8]，拱与其支座或拉杆构成拱结构，拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线构件，在外载荷作用下，拱主要承受压力，拱结构支座即拱脚承受水平推力，跨度越大，推力越大[9]。拱杆件主要受沿弧形的压力，拱内基本无剪切力，以2019 年北京世界园艺博览会竹藤馆(以下简称“竹藤馆”) 竹拱为例分析拱结构的受力特点，如图1 所示。圆竹材具有较大的轴向抗压强度和韧性，并且圆竹易于弯曲定型和连接的特点，在用于拱结构时能够很好地发挥其优良的抗压性能和韧性，创造出较大的空间尺寸和结构美感。

图1 竹藤馆竹拱受力特征示意图

2 国内外竹拱结构桥梁与建筑

竹材作为建材的历史十分悠久，在宋朝《营造法式》 中对竹材的建造方式及用料均作出了详细的注解[10]。竹拱结构是竹结构在近现代不断演变的过程，从最初中国南方穿斗式结构竹构形式到20 世纪80 年代小作坊，厂房和生产区的大量兴起，对大尺度空间的迫切需求，促进了拱形竹棚的诞生；20 世纪90 年代以后，拱形竹棚在全国推广[7]；21 世纪初，随着现代竹结构建造技术的发展以及相关组织的支持和推动[11]，越来越多的初具规模的拱形竹结构在全国各地落成，多为竹桥和展馆等公共建筑，具有代表性的为茅以升公益桥和2019 年北京世界园艺博览会竹藤馆。其中茅以升公益桥—重庆观音桥(图2) 为2017 年建成，桥身为竹拱结构，跨度为20 m，每榀竹拱由7 根立柱支撑。

国外的竹建筑也主要集中在竹资源丰富的地区，如东南亚一些国家。越南建筑师武重义擅长利用各种形式竹拱结构创造大空间竹建筑[12-14]，在其很多竹建筑作品中均有竹拱结构的应用。2009 年建筑作品《竹之翼》 (Bamboo Wing) (图3)，就是合理地利用了半拱结构营造出“竹之翼” 的意境；2010 年上海世博会的《越南馆》 (图4) 内部空间是利用传统绑扎方式形成的连续竹拱构架，使人仿佛置身于竹林之中，被誉为 “竹子宫殿”；2015 年的作品《纳曼海滩酒吧》 (Naman Beach Bar) (图5) 主体结构是由8 个竹框架构成的，每个竹框架则利用多种不同类型的竹拱交织而成。

图2 茅以升公益桥——重庆观音桥

图3 武重义作品《竹之翼》

图4 武重义作品《越南馆》

而印度尼西亚艾卜库建筑团队致力于利用巴厘岛资源丰富的马来甜龙竹(Dendrocalamus asper) (又称“巨型竹”) 建造房屋、酒店、学校和活动场所，其中巴厘岛的绿色学校(Green School) 大量运用了竹拱结构表现竹建筑之美[15-16]。梅潘提根礼堂(Mepantigan Auditorium) (图6) 是绿色学校的多功能活动空间，由2 个横跨15 m 的巨大拱门支撑，每个竹拱仅由2 根巴厘岛当地巨型竹子制成；千年桥(Millennium Bridge) (图7) 是竹子力量的证明，在当时是亚洲最大的竹桥，跨度23 m，屋顶以米南卡堡为灵感，令人印象深刻；海龟教室(Turtle Classroom)(图8) 是绿色学校最受欢迎的教室，由多个竹拱交错而成的椭圆形结构使得整个空间具有一种膨胀感，充满活力，教室可以容纳30 名学生。

图6 绿色学校的梅潘提根礼堂

图7 绿色学校的千年桥

图8 绿色学校的海归教室

3 竹藤馆建造关键技术

以2019年北京世界园艺博览会竹藤馆为案例，对拱形大跨度圆竹建筑的关键技术进行解析。竹藤馆由意大利卡德纳斯设计工作室负责建筑设计，香港中文大学建筑学院、清华大学土木工程研究团队负责工程设计，国际竹藤中心负责圆竹建筑无支点结构设计和原材料处理技术支持而建成。竹藤馆是国际竹藤中心主持的“十三五” 国家重点研发计划项目“竹资源全产业链增值增效技术集成与示范” 的成果之一，完全使用圆竹结构，在原材料制备、基础结构、圆竹连接、力学设计和后期维护等方面，获得多项技术创新。

竹藤馆为圆竹竹拱建筑体系，整个建筑采用5 000多根毛竹(Phyllostachys heterocycla) 建成，其主要受力结构为圆竹竹拱结构，竹拱跨度达到32 m，中间无任何支点，是目前中国北方跨度最大的无支点拱形圆竹建筑，图9 所示为竹藤馆效果图和建成后实拍图。

图9 竹藤馆

3.1 竹藤馆的组成部分

1) 基础。地基： 钢框架+混凝土；侧墩： 混凝土。

2) 结构。竹拱结构 (图10)： 以圆竹材为主(直径8～10 cm)，木材、五金辅助(作为连接件)，拉索(直径1.5 cm) (起连接作用，增强结构稳定性)；檩条： 圆竹檩条和钢檩条。

3) 围护。支撑：黑色方钢管框架；面层：透明玻璃。

4) 屋顶。彩钢压型板、瓦型阳光板/屋面采光板(用于采集阳光，减少电力使用)、多肉绿植(屋顶绿化)。

5) 天花。中国传统特色竹编(图11)。

3.2 圆竹原材料制备

3.2.1 标准化圆竹选取和处理

图10 竹藤馆竹拱结构

图11 竹编装饰

竹材是一种天然材料，各种自然因素致使竹竿粗细、尖削度以及力学性能等不均一，大大降低了圆竹结构材质量的可控性，因此在利用圆竹时，特别是作为建筑结构材时必须对其进行标准化处理。竹藤馆主要结构用圆竹全部选取4～6 年生、胸径在8～10 cm 的毛竹，标准竹竿长度为600±3 cm，尖削度控制在2 cm 之内，含水率为8%～12%，与北京的年平均平衡含水率相近，以减少因干缩湿胀引起的开裂现象。

3.2.2 圆竹防护处理

竹材在迅速生长过程中形成大量的糖分、淀粉和蛋白质等营养物质，易发生虫蛀、霉变、腐烂等现象，导致原竹结构材使用寿命缩短[17]，因此在圆竹利用时必须对其进行防护处理，起到防虫、防霉、防腐以及防火的效果，增强圆竹的性能稳定性和使用耐久性。竹藤馆所采用的圆竹是利用天然防腐剂+高温热油联合处理技术进行处理，其原理是利用天然防腐剂除去竹材内部的淀粉和糖分等营养物质，再利用热油处理在竹材表面形成油膜，阻止水分浸入和微生物侵袭，从而达到长效防护的效果。

3.2.3 圆竹调直、调弯处理

圆竹在生长过程中由于地势、风向或遗传等因素导致其竹竿通直度不均匀[17]，在使用过程中根据圆竹所使用场合的不同需要对其进行调直和调弯处理。在竹藤馆竹拱结构中圆竹需要进行调弯处理，调制一定的弧度；而当圆竹用于馆顶竹檩条时则需要通直的形态，以将馆顶压力均匀分布、传递在竹拱结构上，这时则需要将圆竹材料进行调直处理。竹藤馆所用圆竹是利用高温火烤加热法使圆竹软化，进行调直或者利用弧度仪进行调弯处理。

3.2.4 圆竹防开裂处理

圆竹由于其中空壁薄的构造以及其竹青至竹黄层维管束存在梯度分布的特征，导致圆竹材在受外力或生物内力时竹青、竹黄的应力分布不均匀而产生开裂的现象[18]。这种现象与很多因素相关，如竹材含水率变化、外力形式等，因此对圆竹防开裂处理主要做了2 个方面的工作：

1) 调节竹材含水率。竹材在砍伐至使用的过程中利用干燥窑将竹材进行均匀干燥，并在北京施工现场进行平衡含水率调节，使其平衡含水率与北京当地含水率保持动态平衡。

2) 通过紧固件进行加固。圆竹材的开裂一般是从两端开始，逐渐蔓延至中间。因此，在实际使用圆竹时，利用紧固件将其两端进行加固，竹藤馆使用的加固件是金属喉箍件，如图12a 和b 所示。

图12 金属喉箍紧固件

3.3 节点构造

德国学者波拜恩认为 “建构是一种连接的艺术”，表明了节点的构造对于建筑设计的重要性，节点构造是建筑品质的基本保障，也是创造好的形式与空间效果的根本所在[4]。圆竹作为建筑材料，其节点构造也是建筑品质的关键。

3.3.1 竹竿之间的连接

1) 竹竿长度方向的连接。将大竹筒两端竹隔打通，镶套与大竹筒内径一致的小竹筒，连接两根竹竿，并辅以气钉加固，实现竹竿长度方向的加长，如图13 所示。由于小竹筒连接件与大竹筒材质相同、性能相近，采用大竹筒镶套小竹筒的连接形式使得节点在受力时能够发生同步变形，而且圆竹调弯过程中较易调至相似的弧度。

图13 竹筒镶套接长工艺

2) 竹竿径向连接。圆竹在作为建筑结构体时多以成束的形式存在，以增强竹结构的强度，传统的连接形式为绑扎和榫接。绑扎多利用棕绳或铁丝等将多根圆竹连接在一起，属于柔性连接，节点容易松动；而榫接属于传统木结构典型连接方式，但由于竹材中空的特点，榫接对竹材的切削使竹材在节点处容易产生劈裂现象。竹藤馆采用现代五金件的连接方式，竹竿径向之间通过螺栓螺母进行连接，端部采用金属喉箍件进行加固，如图14a 和b 所示。圆竹檩条便是通过4 根竹竿径向连接而形成。

图14 径向连接

3.3.2 基础与竹拱结构之间的连接

竹拱拱脚处是竹拱受力较为集中的点，易发生开裂或断裂，因此基础与竹拱之间的连接尤为重要。竹藤馆两侧均有混凝土侧墩，侧墩上有凸出的与圆竹内径相似的钢管(图15a)，将钢管插入竹拱拱脚内(图15b)，在拱脚外包覆钢板(图15c)，钢板与拱脚之间的孔隙填充混凝土(图15d) 加固拱脚强度。

图15 侧墩与拱脚的连接

3.3.3 结构与屋顶、围护之间的连接

竹藤馆的屋顶与围护均不承受力，仅作为围护使得建筑成为一个较为完整的空间。屋顶采用瓦型阳光板和彩钢压型板，直接通过螺栓、螺母连接在竹檩条和钢檩条之上，如图16 所示；围护结构则是将黑色方形钢管通过螺栓、螺母连接在最外侧的竹拱上，再镶嵌玻璃而成，如图17 所示。

图17 竹藤馆围护

3.4 结构应力分散-变截面桁架竹拱

大跨度竹拱在竹藤馆作为主要承压构件，竹拱主要受沿弧形的压力，最终压力集中到拱脚并传递给侧墩，因此，拱脚处是应力最为集中的地方，最易开裂。为分散拱脚处应力集中现象，竹拱采用变截面桁架拱，如图18a 和b 所示。该结构兼具拱结构和桁架结构的双重优势，在竹拱中部将竹拱分为4 个分拱，截面从中部位置至拱脚逐渐增大，大大降低了拱脚处的应力集中现象；此外桁架式的竹拱结构，本身也分散了竹拱拱身的压力[19]。

图18 变截面桁架竹拱

3.5 拉结强化构件——斜拉索

斜拉索是桥梁中常用的受拉构件，竹藤馆在2个竹拱拱脚处对角拉结斜拉索，如图19a 和b 所示。在竹拱结构中设置斜拉索是为了增加各个拱之间的约束，以及拱与拱脚之间的约束，避免拱结构在风力等作用下发生平面外倾侧现象。

图19 对角斜拉索

3.6 圆竹构件预制化

随着现代工业技术的发展，装配式建筑的技术也愈加成熟，这种在工厂预制构件，在工地进行构件组装的建造形式不仅能够大大缩短工期，而且生产成本低，甚至在后期维护的过程中可以进行预制构件的替换，从而提高建筑的使用寿命。现代圆竹建筑也逐渐采用装配式的建造形式，其发展基础是竹构件的预制化。竹藤馆的圆竹预制构件主要为单榀竹拱和竹檩条，如图20 所示。在圆竹加工工厂，利用标准圆竹按照竹材轴向和径向连接技术将其预制成所需的单榀竹拱预制构件和竹檩条构件，在施工现场进行组装加固，大大缩短了竹藤馆的施工工期。

3.7 竹拱结构健康监测

图20 可预制竹拱和檩条

在建成的竹拱上安装了位移力学测试装置，在每榀拱上自拱脚至最拱顶处安装了5 个测试点，实现实时监测竹拱竖向位移、拱面内水平位移和拱面外水平位移。一方面实时有效了解竹拱结构的工作状况，为竹拱结构在特殊气候条件下或运营状况严重异常时触发预警信号；另一方对竹拱结构的损伤发展进行智能评估和预测，对竹拱结构的加固和修缮具有重大的参考价值。图21 为技术人员正在测量竹藤馆竹拱的位移。

图21 监测竹拱位移

4 小结

拱形大跨度圆竹建筑，充分发挥了圆竹优良的抗压性能，是一种结构合理并且富有曲线美感的建筑形态。竹藤馆作为目前中国北方跨度最大、无支点的竹拱建筑，摒弃了传统的圆竹材料现伐、现用的做法，采用标准圆竹加工和处理的方法，降低了圆竹材在使用过程中的质量不可控性，并在很大程度上延长了竹材的使用寿命；此外，竹构件的预制化大大降低了施工难度并缩短了工期，一定程度上推动了竹建筑装配化进程。巧妙的节点构造、结构设计以及斜拉索的合理运用均提高了竹拱建筑在北方较大风压的情况下的稳定性，延长了竹拱建筑的使用寿命，此外建筑健康监测技术也进一步保证了大跨度竹拱建筑的安全性。竹藤馆的建造技术已凸显现代化拱形大跨度圆竹建筑的形态，是现代化拱形大跨度圆竹建筑的典范。