原态重组竹材在园林建筑中的应用探究

闫 薇，史田田，于兰芳，曹春红，张 彬，周建波，傅万四*

(1.衡水职业技术学院 生物工程系，河北 衡水 053000； 2.中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091； 3.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

木材资源日益紧张，竹材是木材的优异替代材料。实现碳达峰碳中和是当前经济社会广泛而深刻的系统性变革，竹材属于天然的储碳材料，竹材及其主要制品只要处于使用状态就会作为碳储存库而一直存在[1]。现代园林的发展在社会经济建设中处于蓬勃发展时期，我国城市园林绿地不仅数量迅猛增长，质量也在快速提升，更注重人居环境的改善，人与自然的和谐共生。与钢筋混凝土结构、轻钢结构、砖混结构等常见建筑类型相比，竹材在园林建筑中的应用具有节能减排、绿色环保等显著优势。

创建园林城市和森林城市的活动备受关注，人们在园林、公园的设计和建造过程中也越来越重视竹材的应用，这是人们追求自然美与生活美的具体反映。建筑、地形、水体、植物是构成园林的四要素，园林建筑是园林环境中重要的组成部分，具有使用功能和观赏价值双重属性。

竹材是园林建筑常用材料，但目前创新应用不够，笔者在综合分析竹材在园林建筑中应用现状的基础上，结合原态重组竹材这一新型材料，探讨研究其在园林建筑中的应用，以期为竹材在园林建筑中的设计创意和造型表现提供参考。

1 竹材在园林建筑应用的现状

园林建筑是以优质的外部环境为依托，具有一定的使用功能，又能与环境和谐共融、供观赏游览使用的各类建筑物和构筑物的总称，包含建筑和小品。园林建筑不仅仅需要满足一般建筑的使用功能，还要具有非常强的美学价值。

竹材不仅仅是设计材料，更是一种文化的痕迹。自古以来，人们用竹材或者木材建造房屋等是一种选择，这种自然天成的材料更受到人们的欢迎。在我国战国时期的《考工记》中最早提到了材质美，“天有时，地有气，材有美，工有巧，合此四者，然后可以为良”，认为“材有美”是艺术作品成功的关键之一，优秀的设计离不开适当的选材与合理的工艺[2]。

越来越多的人们向往回归自然、绿色生态的生活方式。竹材是人们生活不可或缺的重要部分，越来越多的竹材身影出现在人们的生活环境和景观建筑中，例如休憩乘凉用的竹亭、组织交通的竹桥、日常用的竹凳、行走时的竹廊、居住的竹屋等[3]。竹材在园林建筑的发展前景非常广阔，园林中的许多大型建筑、景观小品等都采用竹材，然而受竹材产品类型和加工工艺的影响，目前在园林建筑当中应用的主要是竹集成材，部分采用竹层积材，极大地限制了竹材在园林建筑当中的应用。而原竹在建筑中的应用主要是通过钢构件连接、节点部位填充连接、穿斗式连接、槽齿连接、销连接、绑扎结合等节点连接方式实现的[4]，在园林建筑设计的造型和创新上尚未推陈出新。因此创新型的竹材产品将有助于打破竹材在园林建筑中的应用瓶颈，为园林建筑设计和材料应用实现新的突破。

2 原态重组竹材的理念及产品

原竹具有强度大、质量轻的特点，中空、具有竹节，如图1所示，竹壁径向维管束分布从竹青到竹黄排列由密集到稀疏，这体现了竹材天然的密度梯度[5]。竹材具有良好的力学特性，建筑师称之为“植物钢筋”，在建筑领域的应用已有上千年的历史。随着科学技术的发展和进步，原竹的生物学结构和特性受到越来越多科研人员的关注，竹材的原态重组技术作为新时代科学与技术的产物应运而生，并体现了较广阔的应用前景。

图1 竹材原态特征(a)和竹壁径向的维管束分布(b)[6]Fig.1 Features of bamboo in original status(a); Vascular bundles distribution on bamboo culm wall in radial direction(b)

2006年，傅万四研究员在国际上首次提出“竹材弧形原态重组”[6]，次年，提出“竹材原态重组(Bamboo Recombining in Original Status, BROS)”这一创新理念[7-8]。2006年以来，以傅万四研究员为课题组长的团队对竹材弧形重组材料制造技术及相关设备进行了系统性研究，并开展了工业生产，主要包括国家林业局北京林业机械研究所、东北林业大学、中国林科院木工所、湖南省林科院等科研单位及高校。竹材原态重组技术保留了竹子原有的组织结构，使竹子空腔、竹隔等独特的结构得以充分利用，从而可以实现竹竿抗弯、抗压和抗剪能力强等力学性能优点较大限度地保留，充分体现了竹材的原生态优势，属于首创技术[9-13]。竹材原态重组技术的诞生以及该材料的加工利用提高了竹材的利用率，实现了竹材的更高效利用，是更好实现“以竹代木，以竹胜木”的新途径。

原态重组竹材具有质量轻、强度高等优点，可广泛应用在建筑领域，不仅拓展了竹材的应用领域，提高了竹材的利用率，其胶黏剂用量远少于传统重组竹，还大大提高了竹材的经济附加值[14]。以竹材弧形原态重组板材为例，生产1 m3的成品板材约需要70根竹材，现已进行了中试生产，产品售价按4 500元·m-3计算，可产生直接经济效益。此外，原态重组竹材成套设备可实现销售收入2 000～8 000万元，推动了竹材加工机械行业的发展。

经历了十几年的研究与开发，原态重组竹材呈现出丰富的产品，图2所示为弧形重组竹材(a)、仿生重组竹材(又称多方重组竹材)(b)、梯形重组竹材(c)[14-17]。

图2 丰富多样的原态重组竹材[6-7]Fig.2 Varied products of Bamboo Recombining in Original Status (BROS)

原态重组竹材前期需要进行防腐处理就可应用于户外建筑及景观小品。防腐处理可提高竹材的天然耐久性，对提升竹材户外应用价值具有重要意义，竹材原态重组材料可采取多种方法进行防腐处理[18]。本着对自然的尊重和环境的保护，更加生态环保的防腐剂正在走进竹材防腐的一线。原态重组竹材的防腐处理优选对环境友好的技术方法，如可采用环保型的防腐剂、乙酰化及纳米材料处理技术等，提高竹材的耐腐性，提升经济价值。竹材的防腐处理会对其力学性能产生一定影响，例如防腐处理对竹材的抗拉强度影响表现为：碳化竹材抗拉强度最优，未碳化竹材次之，最差为加压浸注方法处理的竹片[19]。

著名建筑师密斯的经典言论指出，所有的材料，不论是人工的还是自然的，都有其自身的性格。我们在选用这些材料之前，必须知道其性格[20]。竹材原态重组材料既保留了竹子的原态组织结构，又使得竹子的文化内涵得以展现，满足现代人们对安宁、赋有生命力的心理需求。竹集成材和原竹的可塑性对建筑构造样式具有较大影响，相比之下，原态重组竹材在可塑性方面具有绝对优势，可以满足竹建筑造型艺术的发展需要。竹材原态重组的应用诠释了人与自然的完美融合、可促进园林建筑的可持续发展，是自然美与技术美的有机结合。同时，竹材具有调节环境温湿度的作用，可以和园林植物一起“呼吸”，通过温度和湿度的相互影响实现园林建筑与园林植物的互动联通，形成园林独特的有机生态系统。原态重组竹材在园林中的应用可以产生独特审美价值的构造方式，创造出更多艺术表现形式的园林建筑。

3 原态重组竹材在园林建筑中的应用

3.1 园林建筑小品装饰材料

竹材材质肌理赋有细腻的触感，其天然斑驳的色彩，呈现出深浅不一的效果，可让游人感受到其视觉、触觉的碰撞，稍作休息便可嗅到竹子的韵味，仿佛置身于竹林之中，享受着安静、自由的气息[21]。将我国优秀灿烂的传统文化与原态重组竹材相结合，通过现代的设计手法融合具有时代信息的装饰元素，可创造出独特意境的园林空间。竹材原态重组材料具有优异的环境学特性，加之其原态特性，是很好的装饰材料。竹材原态重组材料在园林建筑小品的运用包括地面铺设材料、墙面铺装材料、结构装饰材料、装饰陈设材料等[22]。

园路、广场、栈道等交通系统具有组织引导游览路线的作用，是园林建筑中非常重要的组成部分。其中，铺地的设计非常重要，包括铺地的材料、质感、色彩、花纹等。竹材经过防腐处理可以成为一种很好的铺地材料，在现代园林中被作为高档用材广泛使用，也常用于水边作木栈道。

竹材的构造决定了竹材具有优异的视觉特性，例如可测量表征的竹材颜色、光泽度、纹理等给人们带来舒适的视觉感受[23]。竹材弧形重组材料进行拼接之后还可以出现不同的肌理，可以组成特殊的图案(图3)[24]，可作为园路、广场、平台等铺地材料，提升观赏价值，别具一格，如图4所示。竹材表面呈现出特殊的纹理和质感，原态重组竹材肌理纹样备受游客及消费者喜爱。

图3 弧形重组竹材的拼接肌理[25]Fig.3 Splicing texture of arc recombining bamboo

图4 弧形重组竹材铺地效果图Fig.4 Visual presentation of arc recombining bamboo in paving

不仅如此，因弧形竹片的原态特点，弧形重组竹材表现出优异的力学性能[14]，可满足木栈道、桥面等材料的使用。竹制梁桥和拱桥等可以联系园林中的水陆交通、组织游览路线、变换观赏视线，还可以与水面倒影相映成趣自成一景，兼有交通和观赏的双重价值，然而园桥的观赏价值往往超过其交通功能。相比木材和重组竹等传统材料，原态重组竹材更好地保留了竹材原有的组织结构和高硬度[25]，耐磨性能好，经过防腐、表面涂饰处理可以具有较高的耐久性，更适合于作为铺地材料。采用仿生重组竹材与传统砖石墙体相结合设计虚实结合的景墙、漏窗以及建筑小品等，可以营造独特的景观效果。以空透形态为主的景墙，可以与仿生重组竹材相结合，如图5所示，通过竹腔形成的天然孔洞看到对面景色，空间隔而不断，实现人与景色的隔空对话，而竹材横断面维管束密集到稀疏的环状排列也是一种天然的观赏景点，从而达到自然装饰、美化环境、点缀风景的目的。

图5 仿生重组竹材在景墙的应用效果图Fig.5 Visual presentation of bionic recombining bamboo in landscape wall

3.2 休憩设施材料

作为城市景观的重要节点元素，休憩设施小品是环境的点睛之笔，其视觉形象应当与所处周围环境相契合、相呼应，符合特定区域环境的文化特色[26]。创建园林城市的过程中，无论是建设口袋公园还是大型的文化园林，园桌、园凳、园椅等都是必不可少的休憩设施。

竹材原态重组更多地保留了大自然赋予的竹材独特的结构，而且胶黏剂用量比竹集成材更少[14]，因此更适合用来作为休憩设施用材，安全性能更高，自然程度更大，更贴近人们对健康生活的追求。有研究表明，采用竹质材料可以很好地满足幼儿对于设施安全性能的需求，原态重组竹材的色彩饱和度较低，具有舒缓情绪的作用，可以安抚并降低陌生环境给幼儿带来的不安情绪[27]。由此可见，竹材深受人们喜爱不仅仅是人们的回归自然之举更是人们内心的精神需求。

弧形竹片胶合而成的弧形重组竹材巧妙地契合了树木的年轮纹理，既保留了竹子的质感，又体现了木材的美感。竹材肌理是自然界献给人类的美丽图案，维管束在端面的分布呈现点的疏密、大小变化；在径切面上，致密通直纹理是一种天然的线形表面装饰，表现出竹丝笔直的纹理效果；而在横切面上，是曲线美的弧形纹理的完美体现，与木材的肌理形态相似。弧形重组竹材的利用，无论是加工成为薄竹进行表面装饰还是直接加工成工艺品都是极具特殊表现力的新型材料。例如，可通过调整切削角度等加工方法获得诸如年轮、山形纹路等特殊图案的薄竹，装饰效果非同一般。

园桌、园凳等是园林中必不可少的设施，是为游人提供就坐休息的主要场所，优美的桌凳造型、独特的选材会给园林景观增添不少风采。传统竹椅以圆竹为主，现代竹椅多采用竹集成材，以竹集成材为主的现代休憩设施所体现的竹材肌理十分单一，基本是直线肌理的表现，有失活泼。以弧形重组竹材为主设计的茶艺园桌，最大程度地诠释了弧形竹材的形态、色彩表现力和独特肌理[24]，如图6所示，更增添了几分活泼、自然与禅意。

图6 弧形重组竹材制备的园桌[24]Fig.6 Garden table made of arc recombining bamboo

在园林建筑小品当中，我们可以采用弧形重组竹材设计制作具有特殊肌理和构造的园椅、园桌、园凳等，如图7所示，弧形曲线柔和优雅，拉近了人与自然的距离，更是园林小品中别具风格的景点。

图7 弧形重组竹材应用于园桌、园凳效果图Fig.7 Visual presentation of arc recombining bamboo in garden table and stool

图8为弧形重组竹材加工制作的竹椅，从不同的角度可以看到不同的肌理，笔直的线形给人刚毅的印象，弯曲的弧线给人柔美的感觉，丰富了竹制座椅的外形表现。竹材原态重组可同时满足竹制休憩设施在结构形态创新、技术创新和设计材料创新方面的需要。

图8 弧形重组竹材制作的竹椅Fig.8 Chair made of arc recombining bamboo

仿生重组竹材制备的竹凳别具风格，巧妙利用了竹材的空腔结构，虚实结合，同时降低了竹凳的重量，充分体现了竹材的自然之美，见图9(a)。该竹凳与获得德国红点奖的“竹细胞”坐凳作品[28](见图9(b))具有异曲同工之妙。相信仿生重组竹材在不久的将来还会给设计师们带来更具灵感和创意的设计作品。

图9 竹材仿生重组竹凳效果图(a)和德国红点奖获奖作品“竹细胞”(b)Fig.9 Visual presentation of bionic recombining bamboo in garden stool (a); Bamboo cell (b)

原态重组竹材可谓结合了原竹和竹集成材两者的优点，既有大自然赋予的竹材独特的结构肌理又可以大规模生产加工，较原竹结构具有更好的结构强度、制作工艺、较高的机械化生产程度，具有广阔的应用和发展空间。

3.3 建筑结构承重材料

以竹质型材为建筑材料的当代竹建筑倾向于发展装配式竹建筑、轻型竹结构以及大空间的框架结构建筑[29]。大型竹建筑在结构材料方面多集中使用重组竹，然而重组竹密度大、自重大，单位质量力学性能不高，原竹所具有的独特的组织结构和物理特性在传统的竹材重组技术中并没有很好地体现出来，传统的重组竹不能满足长范围、大跨度重组的要求，因此不能用作对力学强度要求高、长度和跨度较大的建筑结构材料[30]。

竹材原态重组材料实现了指接接长来降低尖削度，通过重组实现了强度的增加，前期预处理可实现竹材的防腐防蛀，相比原竹更适合作为建筑构件使用。竹材原态重组材料集合了原竹和重组竹材两者的优点，弥补了缺点，不仅更多地保留了竹材的原态特性，具有优异的力学性能，还符合现代工业发展需要可以大规模机械加工生产，竹材原态重组材料是竹材用于建筑结构材料领域的高效利用方式，对提升竹材的利用价值具有重要意义。

弧形重组竹材充分发挥了原态竹片拱形结构的优点[14]，具有优异的力学性能，完全可以替代传统重组竹在园林竹建筑结构方面的应用，例如承受建筑主要荷载的梁柱系统等。亦可以参考相关的设计规范进行竹质人行桥的构件设计[31]，竹桥具有自然、古朴、典雅的特点，通常是点缀水景的优选设计，营造小桥流水的意境。

仿生重组竹材在结构方面受启发于蜂巢结构，利用仿生学原理，将正六边形化的单根竹材有机结合成为一个整体，不仅使竹材的不均匀性得到降低，提升了原竹的承受轴向荷载的能力，还充分发挥了仿生重组竹材的中空构造优势，使其强重比优于同体积其它建筑材料[17,32]。仿生重组竹材主要作为轴向承重结构在建筑领域应用，可用于园林当中亭子、廊、花架等园林建筑、小品，既具有文化气息又亲近自然、别致新颖。此外，原态重组竹材还具有较强的抗震性，即使发生强烈地震，其主体结构不会发生剧烈形变，仍能完整无损，非常适宜园林等公共场所的建筑设计使用。

现代竹建筑所表现出来的形式和空间是建筑本质的回归，在推进生态文明建设和彰显文化内涵的今天，竹材凭借独特的力学、美学、文化以及生态价值在现代园林建筑中依然备受青睐。相信在不久的将来，竹材原态重组材料在建筑结构和承重方面的应用会带给我们更多与众不同的建筑表现。

4 结语及展望

竹材原态重组技术的诞生给竹材的应用打开了新天地，为竹制产品注入了新鲜血液。材料作为园林建筑的本质语言，在极大程度上担任了地域、文化属性的载体，竹材是深受人们喜爱的天然材料，原态重组竹材承载着更多的自然属性、文化意义和新时代科学技术，不仅具有优异的力学性能，更是高环保、低成本的绿色低碳材料，具有独特的肌理和表现力。原态重组竹材不会限于园林建筑中装饰、休憩设施、结构承重等方面的应用，还可进一步推广应用在休闲旅游度假区以及养老院、幼托、学校等公共建筑。未来原态重组竹材将在连续化、多功能化和智能化方面进一步发展，融入更多科技元素，原态重组竹材在园林建筑当中的应用将为园林的发展带来新机遇。