生物质缠绕房屋将变革传统住宅建造方式

叶 柃

(国家林业和草原局竹缠绕复合材料工程技术研究中心 杭州 310023)

人类住宅建筑多种多样，主要采用树木、石头、砖头、瓦片、钢筋混凝土作为主要建筑材料。我国砖瓦结构住宅诞生于商周时期，成熟于唐宋年代，至今延绵3 000余年，为人类的住宅文明做出了极大功绩。钢筋混凝土房屋出现在19世纪80年代的欧洲，随着人类社会的进步，这一住宅建造方式已成为首选，为社会特别是现代化城市建设做出了不可磨灭的贡献。人类社会进入21世纪后，生态绿色发展已成为人们的主流意识，生物质缠绕房屋以其资源可再生、绿色低碳、舒适、经济、寿命长、可循环利用等优点将登上历史发展舞台。

1 生物质缠绕复合材料及资源储量

生物质材料是指主要含有纤维素、半纤维素和木素的可再生植物材料及其相关废料，可以在大自然中自然降解成无害有机物质被土壤吸收利用的材料[1-2]。常见的生物质材料主要有木材、秸秆、竹材、芦苇、草、藤等。采用生物质材料与其他生物质材料或非生物质材料的复合，优化生物质复合材料的结构形式，创新研发出满足人民生活和国民经济发展需求的高性能、多功能、高附加值的新型生物质复合材料已成为材料领域的重要研究方向[3-4]。

生物质缠绕复合材料是指采用竹、木、草、秸秆等植物，通过缠绕方式加工成的一种生物基复合材料，其典型特征为资源可再生、可生物降解且绿色低碳。我国拥有丰富的生物质原料，例如我国仅秸秆一项每年就有9亿t之多，每年可砍伐的竹材有1.5亿t。生物质缠绕复合材料技术是我国2007年发明的竹缠绕复合材料技术的延伸[5-6]，该技术的研发极大地拓展了原材料的来源，使得应用生物质缠绕复合材料全面替代传统建筑住宅中使用的砖头瓦片、钢筋混凝土等高耗能、高污染材料成为可能。

2 生物质缠绕房屋及优势

生物质缠绕房屋是指采用生物质缠绕复合材料技术，在车间生产好单间房屋，将其运到现场组合而成的住宅建筑。其创新点是将房屋建造工地转移到生产车间，在车间里完成单间房屋结构制造及内部装修工序。生物质缠绕房屋能完成这一加工方式，得益于植物茎秆的质轻高强特性。相对于传统房屋，生物质缠绕房屋具有以下优势：

1) 绿色低碳、资源可再生。植物生长期内有很强的固碳功能，将植物用到房屋建筑上可将碳储存起来。植物可源源不断的再生，特别是秸秆，伴随着人类的生产活动，每年都有一茬以上的再生；且竹子等亦是速生植物，生长3年即可利用。

2) 资源可循环利用。生物质缠绕房屋可不断循环利用。生物质缠绕房屋使用寿命应在150年以上(老化试验还在继续)，在房屋使用寿命终止时，可将生物质缠绕主体结构分解成碎片或粉，再加工成型材和生物质填料，并进行以上方式的无数次循环。都江堰竹笼、汉长城芦苇、出土的鲁国竹简、良渚出土的竹篮充分证明了生物(植物)材料在2 000～5 000年的漫长岁月依然保持一定强度的客观事实，为生物质缠绕材料循环利用提供了依据。

3) 物理结构和经济的合理性。生物质缠绕房屋在结构上，四周呈外弧形，没有直角(图1)，这使得植物茎秆的轴向拉伸强度和横向抗形变能力处于最佳状态，最大限度地减少了材料的使用量。同时将竹子的高强性能与秸秆、草的保温、隔音性能有机结合，使其制造成本具有很强的市场竞争力。

图1 生物质缠绕房屋断面示意图Fig.1 The diagram of cross section for biomass winding composite house

4) 优化房屋建造方式。传统房屋建造时，在建筑工地必然产生大量建筑垃圾，并伴有灰尘和噪声，不仅影响人们的正常生活，也影响到周围环境的美观。生物质缠绕房屋将住宅建造从建筑工地转移到工厂车间，在现场的组装时间仅为传统建房的几十分之一，甚至更短，从而减少了90%以上建筑工地的影响因子，同时能大幅度地降低建造成本。

5) 舒适、保温、隔音。由于生物固有的磁场、平衡干湿的特性，加上优良的保温性能[导热系数≤0.2 W/(m·k)]和隔声性能(隔音效果≥34 dB)(表1)，生物质缠绕房屋令居住者更加舒适。

表1 生物质缠绕房屋主要参数Tab.1 The main parameters of biomass winding composite house

6) 安全、耐候性好。生物质缠绕房屋的每个房间结构都是整体的，能抵抗高等级的地震；在与基础连接强度超过飓风扭力和升力时，也能经受飓风的袭击。由于生物质缠绕材料的防火等级为B1级(难燃烧材料)，防火效果好。基于生物材料的稳定性，生物质缠绕房屋的使用寿命要远大于钢筋混凝土结构的房屋。

7) 能满足人们居住习惯和运输方式。目前一般住房的房间规格为：宽≥3.6 m、高≥3.0 m。生物质缠绕房屋单间净宽为3.6～5.3 m，房间净高为3.0～3.8 m，能满足人们的居住习惯。同时，生物质缠绕的外形尺寸符合高速公路限宽、限高规定，方便运输。

8) 变不动产为动产。一般概念上的人类住宅是不动产的典型标志，但在很多现实情况下，需要对原有建筑进行拆除，从而造成社会财富的大量浪费。生物质缠绕房屋理论上可向任何地方迁移，使得住宅变为动产，满足人们搬家时对房间的依恋，因此可提高人们的幸福指数，并减少社会财富的浪费。

9) 充分利用大量闲置资源，增加农民收入。目前中国每年可砍伐的竹子有1.5亿t，而被利用的竹子只有4 000万t，每年都有1.1亿t竹资源被闲置。如果将这些闲置竹资源采用生物质缠绕复合材料技术充分利用起来，竹子种植环节可为550万户农民户均增收1.1万元/年，竹原材料加工可解决农村250万劳动力就业。目前中国每年产生秸秆9亿t，利用率约为75%，有些是作为燃料烧掉，有些被加工成低附加值的肥料等。如将50%的秸秆4.5亿t用于加工生物质缠绕房屋，价格按300元/t计算，每年可增加农村收入1 350亿元，按每户每年3 000元计，可普惠4 500万农户。

3 生物质缠绕房屋研发及现状

生物质缠绕房屋的研发自2015年开始。2015年设计房屋缠绕工艺(图2)，研发专门加工装备。2017年10月世界上第1幢200 m2的2层楼生物质缠绕房屋样品(包括内外装修)试制成功，现场组合时间为74 min，如加上水电气接通时间，即从现场组合建造到可入住不超过2 h[7](图3、图4)。精装修成本价为2 500元/m2。此后，又开发了生物质缠绕单身公寓和厕所。生物质缠绕厕所已在四川宜宾和重庆北碚应用。

图2 生物质缠绕房屋建造工艺流程Fig.2 The construction process of biomass winding composite house

图3 生物质缠绕房屋及其组装Fig.3 The biomass winding composite houses and their assembly

注：a：客厅；b：餐厅；c：书房；d：卧室。图4 生物质缠绕房屋内部布置Fig.4 The interior layout of biomass winding composite house

2018年首次提出了生物质缠绕高层建筑的设计思想。高层生物质缠绕房屋要借助于钢材作为承重骨架，生物质缠绕单体房间以抽屉方式嵌入架好的钢结构中，安装房屋之间的门套，接通水、电、气等设施，再外挂太阳能玻璃幕墙或石材等立面，高层建筑就此建造完成(图5)。目前，生物质缠绕房屋的关键技术已全部攻克，下一步要解决好整体结构生产效率和内外装修部品化的问题，以及专业组装工具和装备的开发。

注：左：高层建筑效果图；右：安装示意图。图5 生物质缠绕房屋高层建筑Fig.5 The high-rise buildings with biomass winding composite

4 采用绿色低碳房屋已迫在眉睫

人类住房采用砖头瓦片，特别是自钢筋混凝土以来，已给地球大气和土壤造成了很大影响，如今随着社会经济的发展，人们对房屋面积的要求也逐步提高，由于建筑引起对环境影响的危机已十分严峻。就城市钢筋混凝土高楼而言，高标号的钢筋混凝土使用寿命不超过100年，在大量城市高楼使用寿命终止后，除拆除难题外，巨量的混凝土废渣如何处理(目前有被动利用)已成为人们不得不亟需考虑的问题。同时，砖头、瓦片、钢筋混凝土的生产取自不可再生的自然资源，在生产过程中还会产生大量的碳排放。所以，住房建筑必须找到一条低碳、资源可再生、可循环利用的建造方式，与人类社会可持续发展相适应。生物质缠绕房屋的研发正是迎合了这一时代需求。

作为生物质缠绕复合材料之一的竹缠绕复合材料，已成功开发出大口径压力管道、城市综合管廊等产品，制定了国家标准和行业标准，目前被广泛应用于水利、市政工程建设等领域。

5 生物质缠绕房屋的环境意义

2020年中国房地产销售面积达17.6亿m2，销售额达17.36万亿元，房地产产业总规模超过35万亿元(不包括农村自建房)。2020年中国粗钢产量达10亿t，水泥产量达23.7亿t。粗钢按单位耗电470 KWh/t计算，全年耗电达4700亿KWh；水泥按单位耗电85 KWh/t计算，全年耗电2015 亿KWh。钢材与水泥合计总耗能为6 715亿KWh。据有关资料统计，钢材水泥耗能总量的60%以上是用于房地产开发，如加上钢筋加工和水泥浇筑用电，耗能总量则更大。以此计算，钢筋混凝土建筑的耗能在300 KWh/m2以上。

生物质缠绕房屋建造能耗在200 KWh/m2以下，每年仅建造过程就可节能2 200亿KWh，按每节约1 KWh电减排0.997 kg二氧化碳计算，仅节能1项，每年可减少二氧化碳排放2.19亿t以上，加上生物质缠绕复合材料固碳、储碳方面，减排量则更为可观。

6 生物质缠绕房屋产业形成的基础条件

钢筋混凝土住宅建筑已有近130年的历史，砖头瓦片住宅建筑更是有着近3 000年的历史，所以要改变人类的生产生活习惯是件很难的事。但社会的绿色可持续发展是人类的不二选择，应用生物质缠绕房屋逐步替代砖头瓦片、钢筋混凝土传统住房，需要满足以下基础条件：

1) 生物质缠绕房屋须具备品质和价格优势。人们对于新产品的期望是质优价廉，生物质缠绕房屋必须有舒适、安全、卫生、使用寿命长、可便捷整体搬迁等明显特点，且价格有竞争力。

2) 建立生物质缠绕房屋循环利用技术模型。循环利用是研发新产品不可缺失的内涵，生物质缠绕房屋的循环利用尚处于概念阶段，在大批量应用前，要经过充分研究、试验，建立起科学的生物质缠绕房屋循环利用技术模型，以此增加生物质缠绕房屋的生命力。

3) 建立生物质缠绕房屋技术系统理论。研究提出生物质缠绕房屋的基础理论、设计方法、监测标准；研究生物质缠绕复合材料的微观机理和物理力学性能；研究生物质缠绕房屋的材料选材、防霉、防蛀和防裂处理技术；研究生物质缠绕房屋的防灾减灾技术；研究生物质缠绕房屋生产工艺、施工工艺和工法，研发与生物质缠绕房屋相适应的生产设备、施工设备；建立起生物质缠绕房屋的安全性能、使用性能、耐久性能、舒适性能评价体系；建立适合建筑信息模型(BIM)技术应用的生物质缠绕房屋工程管理模式等。

4) 开展生物质缠绕房屋的全生命周期评价。采用生命周期分析方法，开展生物质缠绕房屋的原材料获取、材料加工、产品制造与运输、工程现场安装建造、运营维护、回收再利用等全生命周期环境影响评价，建立起生物质缠绕房屋全生命周期能耗和碳排放计算模型、环境负荷数据库、环境负荷评价体系等。

5) 生物质缠绕房屋产业的推广须上升为国家意志。太阳能、风能发电、新能源汽车等新兴产业开始都是在国家有关部门强制性推行下，才逐步得到推广壮大。虽然生物质缠绕房屋有成本优势，但来自传统行业及人们习惯思维的阻力仍然巨大。只有在得到国家高度认可并主导推动下，生物质缠绕房屋技术才能实现真正的生产力，造福于社会。