圆竹建筑建造技术改良与推广应用

黄宏亮 王 琴 周昌平，2 蔡 卫 朱玉兰 王燕飞 张宏亮，2*

(1 安吉县竹产业发展中心 浙江安吉 313300； 2 国家竹产业研究院 浙江安吉 313300；3 安吉竹境竹业科技有限公司 浙江安吉 313300)

目前， 我国实施乡村振兴战略， 大规模的美丽乡村建设促使人们挖掘乡村传统建筑文化， 日益重视绿色环保、 可持续利用的绿色建材。 竹子是一种速生、 低碳、 可降解材料， 同时兼具生态、经济、 文化价值， 因此竹材作为建筑材料日益受到人们的重视， 竹建筑的建造技术亦不断创新[3]。浙江安吉是全球的著名竹乡， 也是“两山” 理念诞生地、 美丽乡村发源地、 绿色发展先行地。 安吉县政府在“千万工程” 实施、 “中国美丽乡村”建设、 “中国美丽县域” 打造过程中特别强调本土文化的传承， 竹子作为长期与安吉人民相生相伴的乡土建材， 在乡村建设中得到了广泛应用。浙江安吉竹境竹业科技有限公司(以下简称“竹境” )， 在圆竹建筑的传承和发展中做了大量的探索: 通过科技赋能， 大幅提升圆竹防腐、 防霉、防虫性能， 满足了市场对原竹使用年限的要求；通过设计赋能， 创造出符合现代审美风格的圆竹建筑， 大幅提升了圆竹建筑的附加值； 通过自主研发， 解决了圆竹建筑支撑、 连接、 功能拓展等方面落后或缺失的情况， 极大提高了原竹建筑的牢固度； 通过策划和执行全国性大型竹文化、 竹建筑活动， 大幅提升了圆竹建筑的知名度和美誉度， 使圆竹建筑得到了蓬勃发展， 成为竹产业的重要行业之一。 本文分析了传统圆竹建筑存在的问题， 介绍了“竹境” 在圆竹建筑建造工艺改良方面研发的技术和应用案例， 提出了圆竹建筑未来的发展趋势， 以期为竹建筑的推广应用提供借鉴。

1 传统圆竹建筑存在的问题

1.1 竹材作为建材具有局限性

1) 竹材易腐烂、 易虫蛀、 易霉变。 原竹含有较多的营养物质， 其中主要营养成分含量为: 蛋白质1.5% ～6.0%、 可溶性糖类2.0%、 淀粉2.2%～5.2%、 脂肪和蜡质2.2%～3.6%。 在适宜的温度和湿度条件下保存和使用， 竹材极易产生腐烂、 虫蛀、 霉变， 导致使用寿命较短。

2) 竹材壁薄中空、 具有尖削度。 与木材相比， 竹材径级较小， 有的竹种仅为1～2 cm， 用途最广的毛竹其胸径也多为7 ～12 cm。 竹材壁薄中空， 由根部至梢部逐渐变小， 呈一定的尖削度，毛竹基部的壁厚最大可达15 mm 左右， 而梢部壁厚却仅有2～3 mm。

3) 竹材结构不均匀。 竹材在横断面方向上从外到内分为竹青、 竹肉和竹黄。 竹青组织致密、 质地坚硬、 表面光滑、 外表常被有一层蜡质， 对水和胶粘剂润湿性差； 竹黄组织疏松、质地脆弱、 横向强度低； 竹肉位于竹青和竹黄之间， 其结构与性能也介于竹青和竹簧之间，是竹材加工利用的主要部分。 由于竹青、 竹簧、竹肉三者之间结构上的差别， 使得它们在物理、力学性能及胶合性能上存在明显差异； 同时不同部位营养物质含量也不同， 竹黄部分高于竹青和竹肉， 造成原竹的防护处理难度远高于木材和经分割后的竹材。

1.2 缺乏具有现代审美特色的设计和创新

圆竹结构建筑历史悠久， 在距今约7 000 年的河姆渡遗址中就发现有利用圆竹和其他天然材料修建房屋的遗迹。 但自20 世纪80 年代起， 由于中国经济快速发展， 人们开始崇尚现代建筑材料(砖、 混凝土和钢材等) 和西方建筑形式， 使得中国圆竹建筑的研究和发展在很长时间内停滞不前， 很少有建筑设计师团队关注圆竹建筑。 竹材属于木材分类中的一个分支， 长期以来传统竹工匠模仿木结构建筑形式建设竹结构的亭、 榭、廊、 阁、 轩、 楼、 台等， 没有发挥竹子具有抗拉、抗压、 抗弯强度好的物理特性和形态优美的自然环保属性等优点开展创新设计， 拘泥于传统木结构建筑形式， 未进行设计创新是导致圆竹建筑缺乏现代审美和个性表达的重要因素。 进入21 世纪后， 随着可持续发展理念的普及以及对中国传统文化的发掘和重视， 圆竹建筑重新回到国人视野[4-6]。

1.3 建造技术落后， 结构欠牢固

圆竹是圆柱形中空体结构， 无法使用在木材上行之有效且牢固的榫卯结构进行支撑和连接，传统圆竹建筑支撑采取直接落地方式， 竹子容易霉变、 腐烂， 而且不美观； 传统圆竹的连接方式主要为麻绳捆扎， 处理粗糙且不牢固， 缺乏现代、先进的连接件， 易引发竹子开裂、 发霉、 变形等一系列的问题。

1.4 专业人才缺乏

圆竹建筑为工匠作品， 目前竹工匠平均年龄超过50 岁， 后继乏人； 同时， 竹建筑设计和工艺深化的人才稀缺。

从传统的备自投工作方式可以看出，当#1主变或#3主变失电备自投成功动作后#2主变所带负荷为正常运行时的2倍，主变过载会引起变压器过热短路，严重时会导致变压器爆炸[3]。因此，我们在原有的备自投中增加负荷均分功能，该功能只针对边变压器即#1主变或#3主变失电的情况，改变原有的备自投动作过程，主要有两种工作方式：

2 圆竹建筑建造技术改良

2.1 圆竹材料采运、 处理与存储

选用6 年生毛竹作为圆竹材料， 并于白露到次年立春期间采伐， 民间俗称冬竹。 采伐后运至初加工厂进行处理， 以解决原竹霉变、 腐烂、 虫蛀等问题。 采运途中做好防护措施， 使竹材表面不受损伤。

原竹防腐、 防霉处理工艺包括如下步骤[7]:1) 将新鲜的原竹干燥至含水率为12%～15%； 2)将干燥后的原竹放入真空度在0.08 MPa 以上的压力罐内， 处理35～50 min； 3) 向真空压力罐内加入原竹专用防护剂； 4) 关闭真空泵， 开启压力泵， 使压力达到1.2 ～1.8 MPa， 保持压力处理50～70 min； 5) 解除压力， 排出防护剂。

上述工艺针对原竹特性， 利用干燥、 真空、加压等工艺流程， 有效将原竹专用防护剂从营养物质含量最高且密度较低的竹黄部位渗透进原竹，实现防护剂饱和注入效果， 并能在原竹内长时间停留， 不易流失， 从而起到长效防护效果， 大幅提升了圆竹的使用寿命: 半户外使用年限达20年， 户内使用年限可达30 年。 处理好的竹材通过油漆和塑封的方式可以长期存储。

2.2 改良圆竹支撑、 连接、 功能拓展等技术

“竹境” 公司通过自主研发， 在圆竹支撑、连接、 功能拓展等方面累计获得授权发明专利1项、 授权实用新型专利13 项。

在圆竹支撑连接方面， 创新研发了一种原竹支撑底座(图1)[8]， 该支撑底座包括下固定部、与下固定部配合连接的连接部和连接部上方的原竹安装部3 个部分， 下固定部预埋于地下或者与固定在地面上的钢板等其他物体连接， 连接部与原竹安装部连为一体， 与下固定部之间的连接可拆卸， 原竹安装部插入原竹的中空部， 对原竹进行固定。 该底座可对原竹与地面之间进行固定，不仅解决了原竹和地面直接固定不牢固的问题，而且可以防止原竹底部与地面之间接触， 从而延长原竹的使用寿命； 同时配合紧固件的应用， 还能有效防止原竹开裂导致固定不稳的问题。

在竹建筑和装饰中， 原竹的安装工艺通常多采用直接用螺丝或螺栓将原竹和结构件进行连接，这样往往造成螺丝或螺栓外露， 影响美观， 而且当原竹纵向开裂时会发生脱落， 容易造成安全事故。 为解决这一问题， 研发了原竹紧固结构(图2)[9]， 该结构包括形成紧固圈的主体部， 紧固圈具有一紧固开口， 紧固开口的前端设置有与主体部连接的锁紧部， 锁紧部形成原竹通过的通道，锁紧部的两侧设置有将原竹固定于结构件上的固定部。 原竹紧固结构设计简单， 使用方便， 在原竹使用场所可对原竹与结构件之间进行稳定牢固的固定。

图2 原竹紧固结构Fig.2 Bamboo fastening structure

为拓宽竹材利用范围、 推动竹建筑的发展， 研发了原竹装饰结构[10]。 该结构包括装饰外墙(图3) 和装饰吊顶， 其中装饰外墙包括龙骨和墙面，墙面包括若干根原竹， 龙骨通过连接件固定在主梁上， 龙骨包括上龙骨和下龙骨， 原竹通过紧固件固定在龙骨上。 原竹装饰结构安装简单， 相比其他装饰墙面， 更加环保， 材料和加工成本更低， 通过简单牢固的方式来固定和锁紧原竹， 稳定性好。

图3 原竹装饰墙Fig.3 Bamboo decorative wall

3 圆竹建筑的示范推广

通过举办高峰论坛、 设计建造大赛、 花园建造节、 竹建构分享会等形式推广示范圆竹建筑的应用， 同时通过为设计师提供工艺深化和打样服务等举措， 用设计为圆竹建筑赋能， 打造符合现代审美风格的圆竹建筑。

3.1 绿色发展高峰论坛

浙江安吉分别于2017、 2018、 2019 年举办了3届国际“竹产业·竹建筑·竹文化” 绿色发展高峰论坛， 邀请相关领域的专家、 学者、 设计师及企业家等汇聚一起探讨竹材在建筑、 装饰领域的多元应用， 推动竹建筑成为竹产业的重要产业之一。

3.2 全国高校竹设计建造大赛

浙江安吉分别于2017 年、 2019 年和2023年举办了3 届全国高校竹设计建造大赛， 大赛与安吉竹乡文化旅游和乡村振兴项目结合， 邀请全国知名高校为当地设计和建造一批竹建筑、竹景观作品， 这些作品符合当地的规划要求，是长久性、 功能性、 在地性的竹建筑 (图4)。通过举办竹建筑设计大赛， 为安吉设计和建造了26 个竹建筑作品， 展示了圆竹在建筑中的应用， 并形成安吉县最具特色的“竹建筑探寻之旅” 旅游线路。

图4 全国高校竹设计建造大赛部分作品Fig.4 Some works of national university bamboo design and construction competition

3.3 北林国际花园建造节

北林国际花园建造节以圆竹和花材作为核心材料， 旨在通过材料建构和艺术表达相互交叠运用的建造体验， 激发园林学子的创作热情， 提高动手能力， 弘扬工匠精神， 为风景园林行业培养实践创新人才， 也为圆竹的推广应用提供新思路。2018—2023 年连续举办了6 届， 设计和建造了120 余个花园建造作品， 推动了圆竹在园林领域的应用(图5)

图5 北林国际花园建造节中的部分圆竹作品Fig.5 Some works of round bamboo architecture in BFU International Garden-making Festival

3.4 “竹建构的无限创造” 分享会

在中国建筑设计院校较为集中的城市， 与当地高校联合开展“竹建构的无限创造” 分享会，邀请设计大师分享最新的圆竹建筑实践案例。“竹境” 公司分别主办了南京(东南大学)、 上海(同济大学)、 广州(华南理工大学)、 杭州(浙江大学)、 深圳(深圳大学) 等地方的分享会，在当地建筑设计界普及竹建筑， 极大地推动了竹建筑的应用。

3.5 竹工匠培训班

通过举办竹工匠培训班， 工厂计件制和项目承包制， 为竹工匠购买社保、 工商保险、 按月发放薪资等举措， 培养竹工匠队伍； 通过邀请高校教师到安吉实地培训和实践， 与高校联合建立“竹建筑研学基地” 和自主培养等举措， 建设设计师梯队。

4 “竹境” 圆竹建筑设计与施工案例

4.1 旅游景区观光车停靠站

作品《曳留》 (图6)。 灵感源于桃叶， 以曲线为主， 屋顶呈桃叶形态， 两侧立柱则为桃叶茎脉。 顾名思义“留步” 亦是“留客”， 希望游玩安吉桃花源景区后不舍离去， 流连忘返。

图6 圆竹建筑设计作品《曳留》Fig.6 The architectural design work of round bamboo:Stay a While

作品《归且》 (图7)。 灵感源于中式合院， 顾名思义“归家” “且慢且行”， 进入安吉桃花源景区时希望带给人们一种亲近感、 归属感。

图7 圆竹建筑设计作品《归且》Fig.7 The architectural design work of round bamboo:Return to Peace

作品《支停》 (图8)。 灵感源于桃枝， 以直线为主， 立柱——桃枝形态， 屋顶——展翅的鸟儿， 顾名思义“休憩片刻”， 进入了桃花源景区，若累了可以休憩片刻。

图8 圆竹建筑设计作品《支停》Fig.8 The architectural design work of round bamboo: Short Stop

4.2 安吉竹产业共富展示厅

展示厅设计方案以“竹” 为主要元素， 分为主体部分与门头部分(图9)。 主体部分采用原竹立柱加混凝土基柱， 门头部分则是纯竹结构， 采用竹框构架加修饰原竹。 不论是外部结构还是内部结构， 都采取曲直结合来展现当地竹的韧性与刚性， 象征着坚韧不拔和刚正不阿的高尚人格。屋顶造型设计灵感来源于当地绵延起伏的山脉，独具错落感、 层次感， 同时也隐喻着“两山” 美以及生态美。 在整体建筑中空间变化让人游， 暖黄色调(原竹与灯光相映衬) 使人暖， 特殊结构供人赏， 由此达到一种可让人慢下脚步、 体验美丽乡村文化的目的。

图9 安吉竹产业共富展示厅Fig.9 Anji bamboo industry Co-prosperity exhibition hall

4.3 国家竹产业研究院门头

该设计旨在创建一个以古建筑斗拱元素为灵感的竹结构大门， 注重传统与现代的结合， 以创造出一个独特而引人注目的入口(图10)。 其主要特点是使用竹材作为结构材料， 以实现可持续性和环保性。 以简约和纯粹的形体为基础， 以展现竹材料本身的线条和美感。

图10 国家竹产业研究院竹结构大门Fig.10 Bamboo structure gate of National Bamboo Industry Research Institute

5 圆竹建筑发展趋势与建议

5.1 装配式圆竹建筑

装配式圆竹建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行， 在工厂加工制作好建筑用组件(建筑主体框架由圆竹预制组件组成， 每个组件均由不同长度的竹子组装， 后经捆绑等方式， 制作成不同造型) 和构件， 运输到建筑施工现场， 通过可靠的连接方式在现场组装后经吊装完成。 装配式建筑具有减少能耗和污染，质量稳定、 精度高， 提高现场施工效率、 材料使用效率、 降低人工成本等优势。

5.2 建筑构件标准化

圆竹与各使用场景连接、 安装时使用的连接件在工厂做成标准竹构件， 拆装较为方便， 构件可使节点连接更加牢固， 部分构件可循环使用，从而减少浪费， 满足低碳环保要求。

5.3 吊顶、 墙面装饰等装配系统开发

竹子是一种十分特殊的植物， 竹子的节间处由坚韧的纤维束和中空的空腔交织而成。 如何在不破坏圆竹自身结构和形状的前提下将其使用在建筑装饰领域是一大难点。 研发圆竹吊顶、 墙面装饰等装配系统将可以很好地解这一问题。