竹资源高效利用新途径——竹基三角形结构件

李 轩

(湖南省植物园 长沙 410116)

竹子生长快、 用途广、 资源丰富且再生性强，竹子在生长过程中能大量固碳， 改善自然环境。与当前广泛使用的传统建筑材料(如砖、 混凝土等) 相比， 竹材不仅生长周期短、 加工过程中能耗低、 废弃后可自然降解， 属于生态友好型资源，而且竹材具有强度大、 强重比高、 塑性好、 变形能力强等优良结构性能， 被结构工程师们誉为“植物钢筋”。 虽然钢材的抗拉强度为竹材的2.5 ～3.0 倍， 但钢材的比重较大， 若按单位质量计算，竹材的抗拉强度约为钢材的3 ～4 倍。 因此利用竹材作为建筑结构承重材料具有很大潜力， 是建筑行业理想的天然绿色建材[1]。

然而， 传统竹结构在防火、 防虫、 保温、 隔声、 防腐等方面存在一定缺陷， 而且在自然状态下容易开裂、 老化， 因此竹材在建筑工程中常作为简易、 临时性建筑结构使用。 随着低碳、绿色发展理念的普及， 迫切需要探寻竹材绿色利用新途径。 本研究通过多年探索， 成功开发了竹基三角形结构件及其构建空间结构的新方法。 该方法改变了当前竹结构构建及以杆件经节点连接构建空间结构的传统技术与施工方法，大幅度拓展了空间结构构建的可用材料类型和应用领域。 同时， 为解决竹材的防虫、 防腐、防水防潮及阻燃加固处理问题， 开发了布纤维基混凝土复合利用新技术， 使竹结构产品能够用于潮湿多水的环境。

1 竹基三角形结构件及其空间结构构建

由于竹基三角形结构件及其所构建的空间结构主要发挥承载作用， 因此必须具备特定的承载能力。 同时， 空间结构中各结构件之间的受力必须通过相应的连接与紧固件传递， 因此在生产中，应对组成空间结构的竹基三角形结构件、 连接与紧固件的力学与经济性能， 进行系统设计与性能评估。

1.1 构建工艺流程

图1 展示了竹基三角形结构件及空间结构的制作工艺流程。 选择以一次性竹筷为构建竹材(图1 A)， 经透明胶带连接与固定， 形成竹基正三角形结构件(图1B)； 再通过透明胶带连接并固定12 个竹基正三角形结构件， 组合成三角台体的网架结构单体(图1C、 D)， 在结构单体外粘胶塑料膜， 构建形成三角台体膜结构(图1F)，该膜结构的承载能力可达自身质量的30 倍； 由5个三角台体网架结构单体(图1 中C、 C1、 C2、C3、 C4)， 可组合形成五角锥网格结构(图1E)。同样， 由竹基正三角形结构件B， 可连接形成20面体(图1G)， 或者组合成更大的空间结构类型(图1H)。

图1 竹基三角形结构件制作及其空间结构构建流程示意图Fig.1 Process flow diagram for the production of bamboo-based triangular structural parts and their spatial structure combination

1.2 结构件设计方法

根据应用目的和边界约束条件， 设计一种由三角形网格单元构成的空间结构类型， 如三向网架[2]。 确定组成该空间结构的各网格单元上的三角形结构件的外边长长度、 夹角大小和力学性能等结构参数； 或直接设计一种三角形结构件， 使其具有特定的结构特征(如图1B 为竹基正三角形结构件) 和力学性能。 根据这些结构参数， 选择竹材生产竹基三角形结构件。

根据空间结构的设计强度， 计算由竹基三角形结构件经连接件、 紧固件连接与固定， 形成空间结构的杆件与节点所需要达到的结构强度， 设计连接与固定方式和连接件、 紧固件类型。 在整体结构分析中， 应以节点的弯矩—转角关系为计算依据， 弯矩—转角关系应由试验或经试验验证的数值模拟确定。

1.3 空间结构构建

通过连接件、 紧固件连接与固定竹基三角形结构件边与顶角， 确定空间结构的杆件与节点，便可简单、 方便、 快捷地构建形成各种空间结构类型。 选择以自攻螺钉、 铁丝作为连接与紧固件，连接与固定竹基正三角形结构件， 可构建形成不同类型的空间结构， 如图2 为五角锥网格结构的构建方式。 竹基三角形空间结构的优点是材料选择方便， 安装简单快捷， 但缺点是竹材结构容易被破坏， 影响结构件及所构成的空间结构的结构性能。 选择铁丝作为连接与横向加固材料， 可以增加竹材的抗破损能力。

图2 竹基三角形结构件构建的五角锥网格结构Fig.2 Pentagonal pyramid grid structure constructed from bamboo-based triangular structural parts

2 竹基三角形结构件的批量生产

竹基三角形结构件根据构件连接方式、 材料作用与应用目的的不同可分为3 种类型: 节点连接型、 杆件连接型和综合连接型。 其中， 节点连接型竹基三角形结构件是指由3 根杆件经3 个节点分别连接与固定而形成； 杆件连接型竹基三角形结构件是指由单根竹材在节点位置， 经弯曲成型形成相邻的杆件， 竹材两端经连接与固定而形成； 综合连接型竹基三角形结构件， 是指由抗拉性能更强的结构材料与竹材经杆件或节点连接与固定而形成的， 由多种材料和连接方式综合连接与固定形成复合结构的竹基三角形结构件。 3 种结构件类型的生产技术如下。

2.1 节点连接型竹基三角形结构件

选择结构完整、 小头直径为2 ～6 cm 的竹材作为原材料； 选择胶带、 长螺纹丝杆(长度通常在1.2 m 以上， 根据节点固定的长度要求截取)、自攻螺丝钉作为竹基三角形结构件中的连接件与紧固件。 通过下料、 切角、 冲孔(图3a)、 杆件固定(图3b) 等工序， 生产不同力学与经济性能的三角形结构件(图3c)。

图3 节点连接型竹基三角形结构件的制作Fig.3 Production of node connected bamboo-based triangular structural parts

2.2 杆件连接型竹基三角形结构件

有研究发现[3]， 竹材热塑性随温度升高而增强， 竹青的热软化温度为208.3 ～211.3 ℃。 我们在实践中发现用大功率电热吹风机能快速加热，在温度为220 ℃左右时竹青软化， 使竹片(竿)易于弯曲成型(图4a)。 选择直径为1～3 cm 的小径竹竿或竹片， 利用热塑成型技术， 在节点位置扭弯， 使两相邻杆件依据设计的内角大小成型，再选择胶带或自攻螺丝连接或紧固竹片(竿) 两端(图4b)， 即形成杆件连接型竹基三角形结构件(图4c)。 利用热塑成型技术宜设计结构件边长在2 m 以内的小型竹基三角形结构件。

图4 杆件连接型竹基三角形结构件的制作Fig.4 Production of rod connected bamboo-based triangular structural parts

2.3 综合连接型竹基三角形结构件

上述2 种竹基三角形结构件在节点加工或杆件连接时会影响竹材的结构性能。 为增强结构件的结构强度， 通常选择抗拉性能更强或综合性能更好的材料在节点或杆件位置整体多重连接与固定竹材， 形成综合连接型竹基三角形结构件(图5)。

图5 综合连接型竹基三角形结构件Fig.5 Comprehensive connected bamboo-based triangular structural parts

3 竹基三角形结构件及其空间结构的防护与固定

为提高竹基三角形结构件及其构建的空间结构的防虫、 防腐、 防水防潮及阻燃能力， 开发了布纤维基混凝土防护与固定技术。

3.1 布纤维基混凝土制作方法

选择200 g/m2的无纺布作为基材， 称取水泥(标号42.5) (与无纺布质量比不小于5 ∶1)。 将水泥与水按质量比1 ∶1 混合， 充分搅拌成水泥浆。 将无纺布浸入水泥浆中， 或用水泥浆浇注无纺布， 使无纺布充分吸附水泥浆， 形成布纤维基混凝土。 用布纤维基混凝土缠绕、 包裹或粘贴到竹基三角形结构件(图6) 或在空间结构上对其进行防护和固定。

图6 布纤维基混凝土防护与固定竹基三角形结构件Fig.6 Fiber reinforced concrete protection and fixation of bamboo-based triangular structural parts

3.2 防护与固定技术的工艺流程

以竹基三角形结构件构成的四角锥网格结构支架(图7a) 为例， 说明利用布纤维基混凝土进行防护与固定的工艺流程。 先用布纤维基混凝土对支架的各节点与杆件进行防护与固定， 再在网格结构支架的外侧贴压布纤维基混凝土膜(图7b)， 将几个覆膜的网格结构支架组合固定， 可形成投影面积更大的结构顶棚(图7c)； 还可在这种结构顶棚上反复贴加布纤维基混凝土膜， 以形成不同厚度与强度的竹结构。

图7 竹基三角形结构件的防护与固定Fig.7 Protection and fixation of bamboo-based triangular structural parts

3.3 防护与固定效果评价

随机选取同批生产的竹基三角形结构件， 构建相似或相同的空间结构， 在相同的环境条件下，测试了采用和未用布纤维基混凝土进行防护与固定处理的结构的使用效果。 试验发现， 采用布纤维基混凝土进行防护与固定的结构使用4 年后，结构仍完整且功能正常， 而未经布纤维基混凝土防护与固定的结构， 正常使用年限仅为1 年。 试验还发现， 布纤维基混凝土在对结构进行有效地防护的同时， 提高了结构的强度， 大大拓展了竹材与空间竹结构的应用范围和途径。

4 竹基三角形结构件的应用

4.1 森林康养及园林景观设施营建

空间网格结构， 是现代建筑与人类文明的标志， 通常以其跨度大、 结构强度高、 自身质量轻的特性而作为现代大跨度空间结构营建的主体类型[2，4-5]。 但由于构建施工复杂， 空间定位要求严格， 并受竹木自身特性的限制， 很难营建较大跨度的建筑空间。 应用竹基三角形结构件技术， 采用小径竹即可营建较大跨度的空间结构。

图8 为应用竹基三角形结构件建造的森林康养设施。 选用竹龄4 年以上、 小头直径4 ～6 cm、竹壁厚度3 mm 以上的圆竹， 批量生产不同边长的节点连接型竹基正三角形结构件。 由15 个边长为4 m 的结构件组成15 面体网壳， 在网壳中间以边长为1.9 m 的结构件填充； 考虑到顶面结构的承载能力， 在边长为1.9 m 的三角形结构件中再用边长0.85 m 的结构件填充加固； 用布纤维基混凝土对结构进行防护和加固处理， 形成如图8a 的正15 面体网壳结构。 经实测， 整体结构的荷载大于30.17 kN。 用双层边长为4.3 m 的布纤维基混凝土黏合到除门窗以外的各立面上， 形成结构房屋(图8b)， 其最大跨度达6.48 m， 有效面积达27.52 m2， 装修装饰后可作为森林康养地的设施(图8c)。

图9 为应用竹基三角形结构件建造的园林景观亭。 用小头直径1 ～3 cm、 长度为4 m 的小径竹， 批量生产杆件连接型竹基等腰直角三角形结构件。 由三角形结构件经布纤维基混凝土进行防护加固处理后构建成四角锥网格结构(图9a)，可营建如图9b 所示的景观亭。

图9 竹基三角形结构件在园林景观设施中的应用Fig.9 Application of bamboo-based triangular structure parts in garden landscape facilities

4.2 生态浮岛等水体净化设施

图10 为应用竹基三角形结构件建造的生态浮岛， 该浮岛于2022 年7 月20 日建成。 由节点连接型竹基三角形结构件形成支架(图10a)， 经布纤维基混凝土防护， 底部加入泡沫塑料作为上浮材料。 该结构可利用浮岛不同空间位置的出水高差， 设计陆生、 水生等多种生态类型植物， 提高水处理效率与观赏性(图10b)。 同时可用来解决部分观赏性强的水生植物不适宜于深水环境生长的技术难题。 类似结构还可设计成大型水面花坛，结构稳定性强， 可视性好。

图10 竹基三角形结构件在水体净化设施中的应用Fig.10 Application of bamboo-based triangular structure parts in water purification facilities

4.3 在生态挡土墙等园林环保工程领域中的应用

竹基三角形结构件经布纤维基混凝土防护与固定形成的网架结构、 桁架结构， 可与地下根系发达的地被竹等竹类植物结合用于坡面防护与绿化(图11)。 与常见的石质、 混凝土及各种砌体等硬防护挡土墙相比， 可大幅降低建造成本， 大量减少土体外运， 同时还可减少硬防护工程的石漠化效应， 生态绿化效果显著。

图11 竹基三角形结构件在生态工程设施中的应用Fig.11 Application of bamboo-based triangular structure parts in ecological engineering facilities

5 结束语

竹基三角形结构件能广泛利用我国丰富的竹资源， 就地取材， 方便快捷地构建各种类型的空间结构， 由于空间结构设计合理， 使其拥有较大的承载能力和结构跨度， 而无须使用高强度的结构材料[6]。 研究开发的布纤维基混凝土技术， 为竹木结构防护、 结构固定和性能改善提供了新思路。

竹基三角形结构件及其相关技术能整合多种结构材料的性能优势， 产品性价比高， 结构自身质量轻， 其结构自重和生产成本通常不到同类产品的1/10， 市场竞争优势突出， 可适应于多水潮湿环境， 能广泛应用于园林环保、 森林康养和建筑工程等多个领域， 市场容量大。