竹质材料在绿色建筑中的应用

刘竹,杨守禄,*,姬宁,李丹,陈庆,吴义强

(1.贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005；2.贵州新锦竹木制品有限公司，贵州 遵义 563000；3.中南林业科技大学，材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

绿色建筑是一种在建设期间不破坏环境基本生态平衡条件，在生存期间所消耗的物质和能源明显少于传统建筑的一种新型建筑，又可称为可持续发展建筑、生态建筑、回归大自然建筑、节能环保建筑等[1]，其目的是减轻建筑对环境的负荷，即节约能源及资源；提供安全、健康、舒适的生活和工作空间；与自然环境亲和，做到人及建筑与环境的和谐共处、持续发展。

现代建筑结构如砖混结构和钢筋混凝土结构作为一种经济建筑材料，目前非常流行，它广泛用于世界各地的许多类型建筑，但也存在能源消耗大、环境污染严重、环境负荷偏大的问题[2]。随着城市化的快速发展和环境问题的日益突出，绿色建筑得到了快速发展。竹子具有速生丰产，短周期可再生特点，同时具有强度高、刚度大等力学性能方面的优势[3-4]，将其应用于建筑业，有助于推动该行业的绿色可持续发展。

贵州以竹材为原材料的绿色建筑制造技术起步相对较晚，目前正处于技术推进阶段，相关产品和产业链不完善，制约了竹材在绿色建筑的推广与应用。贵州地处世界竹类植物分布的中心范围内，是我国竹类植物的主产省区之一，竹类种质资源较为丰富，全省现已开发利用的主要竹种有毛竹、方竹及慈竹等[5-6]。本文分析了目前竹制材料在绿色建筑中的技术问题，并列举了竹制材料的应用实例，总结竹材对推动贵州省绿色建筑发展的意义及建议。

1 原竹在建筑中的运用

1.1 原竹节点构件

原竹材是指直接作为建筑材料的原竹或将原竹加工成竹材单元用于建筑材料，其影响因素主要为受力方向、竹节的部位以及含水率等，如原竹的顺纹抗压强度大于弦向横纹和径向横纹抗压强度，而竹节对竹材的抗压强度有一定的提高作用[7-10]。作为一种力学性能良好、价格低廉的生态材料，其在建筑中的应用优势都优于木材，有些特征甚至堪比钢材，因此用竹做建筑的结构构件是很合理的选择。尽管原竹在建筑中的利用具有诸多优势，但仍然有很多限制原竹使用的缺点，其中主要的问题在于原竹构件节点的连接方式，传统的原竹节点构造体系包括棕绳捆绑、铁钉固定或以竹(木)的穿斗形式连接[11-13]，这种连接方式使得原竹更容易产生纵向裂缝。现代建筑对原竹的利用有了更高的要求。为了充分发挥原竹的材料性能，必须采用更合理的结构受力形式和更精确的接缝构造形式。与传统接头相比，采用金属接头作为连接原竹的介质，可以有效地解决接头处构件易滑脱、开裂、耐久性差等问题[14-15]。

此外，通过在竹节点位置加入一定配比的水泥砂浆，并用钢螺栓穿孔加以连接，可以有效地解决悬臂端的受力问题[16-17]。这一类型的竹建筑多以杆系结构为主，此类型竹屋通风、采光性能良好，充分利用了竹子本身的结构性能，抗震性能尤其突出。经过防腐、防虫处理后的原竹被巧妙地设计成各种形式的结构柱、结构梁和屋架；节点连接大致分为竹-竹/木和竹-混凝土的连接[18]。根据结构的需求，形式各有不同(图1)，但大致的处理方式还是通过灌注水泥砂浆后预埋钢构件或者插入钢螺栓进行连接。

图1 不同形式原竹节点构建

1.2 原竹结构建筑

如上所述，由于竹材具有多种优良性能，不仅适合于现代建筑各个部件的使用，还适合于整栋建筑的应用。近年来，国内外相继出现了一些全竹结构建筑。在竹材资源丰富的东南亚地区，至今还有大量用竹材搭建的干栏式建筑。在我国南方的一些地区也存在着大量的干栏式建筑，例如，在云南的西双版纳，使用原竹材作为主要材料，创造出一种独具特色的当地建筑形式-竹楼(图2a)，还可建造竹柱子、竹梁、竹檩等结构，包括一些家具都使用竹材料制作。2010 年上海世博会，9个场馆融入了竹元素，其中，印度馆(图2b)建造了世界上最大的竹穹顶，直径达35 m。穹顶由36 根圆弧状原竹组成，为了增强结构的整体稳定性，从近地面开始每隔一定的距离在环向设置了9道竹箍和4道钢箍。竹节点连接部分使用了填充水泥砂浆加螺栓固定的方式。2019年世界园艺博览会在北京举行期间，国际竹藤组织建造了一个3000 m2的INBAR园(图2c)，其中主体建筑INBAR馆是一个1000 m2的圆竹结构建筑，采用5000多根毛竹搭建而成，单拱跨度达32 m，高9 m，展馆屋顶由9根圆竹组成(图2d)[19]。

图2 原竹结构建筑

由于竹结构具有与木结构相似的性质，所以竹结构建筑的总体设计可以借鉴木结构的设计体系来完成。采用梁柱结构体系，利用金属节点形式，同时使用竹集成材的加工方法来进一步提高模块化设计，加快施工进度。如果对竹材进行防腐处理、添加辅助材料以及及时更换老化部分，竹建筑的使用寿命就能达30年以上。值得注意的是，竹材在弯曲强度方面的不足在一定程度上也是一种优点。它使竹材在第一次开裂时并不会彻底折断。这种特性为维修和及时更换损坏部分提供了可能。竹结构建筑不但能体现竹子本身的优势，可以方便快捷地搭建、修复、拆分和运输，而且拆除之后也不会产生很多建筑垃圾，对环境的污染很小。此外，竹结构房屋还具有抗震性能好、施工速度快、保温隔热效果好、原料来源广泛、造价低廉等优点，适合于工业化生产。

2 竹质工程材料

2.1 竹胶合板

竹材胶合板具有强度高、刚性好的特点，基本工艺是将半圆形竹筒软化后展成平直状，刨削加工成一定厚度和宽度的竹片，再经干燥定形、施胶、组坯及热压胶合成型[20]。竹胶合板主要的产品有竹席胶合板、碎料夹芯竹席胶合板、覆膜竹片胶合板和竹帘胶合板等。在发展过程中，竹帘胶合板成为目前产量最大，应用最广的主流胶合板产品[21]。随着我国建筑业的迅速发展，对建筑模板的要求也越来越高，传统的竹胶合模板缺陷也越来越明显，通过制备竹胶合板与钢结构胶合材料，可获得用于建筑结构的高强度板材。竹-钢复合结构是一种新开发的建筑材料，采用毛竹胶合板作为基础材料[22]。在竹-钢复合结构中，用毛竹制成的竹胶合板与冷弯薄壁型钢用结构胶粘结，形成复合结构构件。这些组合构件可以方便地形成箱型、工字型等不同的截面形式。竹胶板与薄壁钢的复合，可防止薄壁型钢过早屈曲，并充分利用这两种材料[23]。

2.2 竹集成材

竹集成材是将速生、短周期(通常4～6 a)的竹材通过定宽定厚工艺制备成竹片(去掉竹青和竹黄)，干燥至8%～12 % 的含水率，再通过胶黏剂将竹片胶合而成的型材。竹集成材强度高，能满足多层建筑结构对材料物理力学性能的需求。目前，竹集成材已被广泛应用于车厢底板、地板、家具等产品中[24]，但作为户外建筑材料的应用才刚起步，传统的竹集成材单元制造无法满足大尺寸建筑构件的的尺寸要求，并且传统的竹集成材制造中最常用的延长方法是根据产品进行后期加工处理[25,26]，这对竹集成材机械性能有着显著的影响。Lin等对三种不同连接形式的大尺寸竹集成材进行了弯曲性能测试(图3)，发现相比于无接头的对照组，三种形式的接头抗弯强度均减小10%以上，当接头数量从1增加到3时，抗弯强度下降了6.82%～31.11%。因此，接头参数对竹集成材的强度有很大的影响，控制接头的数量和位置至关重要[27]。

图3 三种连接形式竹集成材及力学性能[27]

2.3 重组竹材

重组竹又称竹材重组材，是一种将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料，也就是将竹材加工成长条状竹篾、竹丝或碾碎成竹丝束，把竹束经水溶性酚醛树脂(PF)处理后压缩到所需的比重和厚度制成[28-30]，成型工艺主要包括冷成型、热固化和热压(图4)。重组竹的密度可提高到1.05～1.25 g/cm3，从而解决了竹材粘结强度和表面质量差的问题，因此在我国得到了迅速的发展。为了消除竹青和竹黄对胶黏剂的影响，以及最大限度地利用竹材，几乎所有的制造工艺都是将竹子分成两部分。其中一部分(大约2～5 mm厚，靠近竹材的外层)用于制造竹席和竹帘，另一部分(占竹材重量的80%)靠近竹材内层，也叫内层竹条，用于制造重组竹[31]。与其他竹质材料相比，重组竹原料丰富，可利用小径级的原材料，因此具有较高的利用率。

图4 重组竹制备过程[29]

3 竹质材料在绿色建筑中的应用优势

3.1 生态性

在建筑类型和材料方面，Gustavsson等人[32]比较了混凝土和木结构建筑的净碳排放量，发现这两种建筑的生命周期排放量差异在每平方米建筑面积30～130 kg碳之间。Brad Upton等人[33]分析了美国住宅建筑中使用木材替代替代品对温室气体和能源的影响，与采用替代钢或混凝土建筑系统的热可比房屋相比，采用木质墙体系统的房屋所需的非加热/冷却总能量要少15%～16%，与木质房屋相关的温室气体净排放量比采用钢或混凝土建筑系统的热可比房屋低20%～50%。与木材相比，竹材是也是一种绿色生态建筑材料，其在节约能源方面具有重要意义。Dongwei Yu等[34]基于材料的能源使用和碳排放在整个生命周期的竹结构住宅原型(图5)与创新保温技术进行了分析，结果表明：与典型的砖混结构建筑相比，在满足建筑材料的支撑和保温功能的条件下，竹结构建筑消耗更少的能源和更少的二氧化碳排放量。在竹材结构建筑的整个生命周期中，使用可回收竹建筑材可减少18.5%的碳排放量。

图5 竹质绿色建筑构件碳排放量评估

3.2 可持续性

近年来，绿色建筑材料的开发和使用要求促进可持续建筑。竹子被广泛认为是一种典型的绿色材料，正是在这样的背景下，竹子作为一种绿色建筑材料在国际上的应用越来越广泛[35-36]。在全球范围内，竹子在建筑领域的成功应用越来越多。世界各国政府已经出台了各种政策措施来促进竹子在建筑材料中的应用。在欧洲，已经推出了各种推广竹材料的项目，例如英国、德国、比利时和意大利等国的“竹子和产品的可持续管理和质量改进”和“用于可持续建筑构件的新型竹工程生物材料”。但是，竹子作为建筑材料在中国的应用远远少于其他国家，竹子的使用材料大多局限于简单的手工制品，如篮子、垫子和窗帘等。专门从事竹建材生产和应用的企业很少。中国将继续其未来的城市化任务，每年将建造20亿m2的新建筑。考虑到中国未来建筑工程的巨大规模，竹子作为一种绿色建筑材料的有效应用将为促进可持续建筑做出重大贡献。

4 结语

原竹在建筑基础连接构件、原竹节点构件、梁等多方面的应用说明了原竹作为一种绿色建筑材料具有广泛的应用潜力，但随着建筑制造业的工厂化发展，原竹在建筑领域的应用需要进行产业和标准化升级。在竹质建筑工程材料方面，现有的竹质材料如竹集成材，胶合竹及重组竹等都得到了快速的发展，其生产工艺都已成熟且由于轻质高强的特性在建筑工程上都得到了广泛应用，目前新型竹质建筑材料的开发与研究正处于起步阶段，加快推进新型竹质材料在绿色建筑方面的应用是推进生态文明建设，走可持续发展道路的具体表现。绿色建筑是现代建筑发展的趋势，在建筑室内装饰中，竹材都用于家具上，同时也有很多竹材新材料和新技术被实施，改变多数人对竹材传统认识，加快竹质材料在绿色建筑上的应用进程将会使竹材的应用更加普及。

贵州省拥有丰富的竹材资源，在发展竹材绿色建筑方面具有得天独厚的条件，大径级的毛竹(楠竹)可用于凉亭、栅栏等方面的应用及制造竹集成材，方竹等小径级竹材可用于建筑表皮作为装修材料。目前竹制绿色建筑只在一些高端消费群如别墅和休闲娱乐场所应用，在农村地区，建筑层数不多，更适合发展竹制绿色建筑；在竹材绿色建筑制造方面，从事竹材加工企业可进行装配式竹建筑一体化发展，可充分利用竹资源；另外，政府要建立合理的激励机制，大力扶持竹加工企业，促进企业向产学研一体化方向发展。