竹材的特性及其在建筑中的应用
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竹材的特性及其在建筑中的应用
[摘要]：“竹”正成为许多建筑师关注的一个热点，它以不同的方式成为构建建筑的一个要素。本文从竹材建筑已有的物理和化学研究基础，中西方竹材建构的差距以及竹材在建筑中的优势三个方面来阐述竹材作为建筑上的一种可持续发展材料对将来的建筑发展产生一定的影响。
关键词：竹材 竹材建筑 结构 竹材建构
Abstract:In recent years,bamboo is becoming a hot spot concerned by lots of architecture. It becomes one of the elements of architecture. The article discusses bamboo as a kind of sustainable development material will cause a profound impact on the future of architecture from three aspects. Which are the research foundation of bamboo construction of physical and chemical, the bamboo construction gap between western and China, and the advantages of bamboo construction.
Key Words: bamboo,bamboo architecture,structure,bamboo construction
我国素有“竹子王国”之誉，竹资源十分丰富。据统计，全世界竹林面积约有2200万公顷，而我国竹林面积达720万公顷，约占三分之一，位居世界第二位，仅次于印度。全球竹属植物70余属，1200余种；而我国约有竹属植物35属，近400种。全世界竹林年产量1600万吨，我国的竹林年产量达到800万吨以上，几乎占到世界竹产量的一半；位居世界第一位。所以在我国，竹子又被称为“第二森林”。我国竹林面积中毛竹面积分布最大，范围最广。其中，福建，江西，浙江三省的竹林面积占到全国一半。
目前，国内与国外对竹子的物理和化学性能都有着很深的研究，但对于竹材在建构方面的应用还比较匮乏。
一．竹建筑研究基础
1.竹材的力学性能
竹材具有相当好的力学性能，就强度和成本而言，竹材是自然界中效能最高的材料。竹材的抗拉强度约为木材的2倍,抗压强度约为木材的1.5倍,竹材的比强度高于木材和普通钢材。[1]
表1 竹材各种力学强度 MPa
表2 竹材与其它材料的强度比较
2.竹材的防腐研究 表3 竹材与其它材料的硬度比较
竹材的防腐技术发展到现在已经可以大大地提高竹材的耐久性。常见的的竹材防腐处理工艺包括常压处理和压力处理两类；常压处理防腐主要包括扩散法，热冷槽法和真空法。压力处理基本方法为满细胞法（贝塞尔法），空细胞法（吕宾法）和半空细胞法（劳来法）。除了常压和压力处理方法外，还有一些特殊方法用于处理特殊树种。一个好的处理工艺一般可以达到两个目的，一是提高防腐剂的渗透深度，二是提高防腐剂的抗流失性。竹材属于难处理材种，可以尝试试验一些特殊处理方法以提高其渗透性，比如震荡压力法和刻痕法、细菌侵蚀法、预微波处理法、预压缩处理法。寻找适合竹材防腐处理的方法是竹材防腐研究工作中需要重点解决的问题。[2]
3.竹材作为结构体系研究
3.1竹材作为框架结构
同济大学参加2010年6月在西班牙马德里举行的首届欧洲“太阳能十项全能竞赛”的作品“阳光旅馆”就是竹材作为框架结构的实例。该竹屋的建筑面积为72㎡，主要用材为竹子；采用中国古典建筑的美学元素反宇屋顶。曲线的屋顶密集地排布着光伏组件，既能实现光伏电池板发电效率最大化，又有利于散热通风；体现了光伏建筑一体化的理念和智慧。该竹屋由直径为12㎝的毛竹两支或四只为一组组合而成梁或柱，以铸铁铰接点连接形成钢配体系的结构框架。连接没有从内部破坏竹结构、使竹材本身作为类似杆件的承重能力得到利用；同时也利用连接点的金属构件设计避免了传统竹材连接点的朴素做法，不会在连接处破损而安全可靠，还减少了胶合的高能耗处理方法。最终人所能接触到的界面几乎全由竹材构成，外立面的6cm的竹管构成。[3]
BRIO事务所在印度设计
的“竹子宿舍”也是竹材用于框架结构的又一个实例。为了与地形相符，宿舍楼根据景观点而有不同的立面高度。坡度较大的地方立面较低，正对着
树林一边是入口庭院。而垂直的正立面则面对着稻田。该
宿舍楼有三层，巧妙地吸取了中国传统古建筑井干式结构
的建筑语汇。竹子梁柱构成的“笼子”包裹了整座建筑。
内外两个部分的间隙是阳台和走廊。带顶的阳台和较窄的
楼体宽度适宜通风，并遮挡了半户外的空间。随着季节和
时光转换，竹子幕墙不断呈现出光影的变化，使建筑变成光线的“传感器”。除了竹子梁柱和墙体，地板是用天然石料和抛光混凝土建造，内部刷成白色，呈现出理性平和的建筑语言。竹排的间隔是15米，好像是建筑外面可渗透的外皮，并支撑了整座建筑。梁柱用两根竹子组成，直径90mm，用钢带连接起来。地板采用竹子和50mm混凝土混合的办法搭建，表面是一层天然石料。墙体是用竹子制作的填实板，里面是加固塑料。采用天然材料和一流的技术，这座建筑展现了一种新的“建筑成语”——当代可持续建筑的表现。
3.2竹材作为桁架结构
2001年建成的杰克逊瑞格酒厂，结构材料以集成板材出现、葡萄园有4000平方米、位于加拿大南安大略湖上的
尼亚加拉、由KPMB设计，
是世界上第四大的葡萄酿
酒厂，屋顶采用析架设计的
配合建筑的大空间特征很
好的满足了酒厂大型设备
及经常出入的车辆。[3]
3.3竹材作为悬索结构 澳大利亚公司Bambuco和工程公司Faber Maunsell联手在英国泰恩河（River Tyne）上架起100米长的主桥。这是“夏季泰恩节”上的一部分活动，这座竹桥是悬索结构的典型代表。泰恩河上的这座桥梁用25米高的塔门支撑，并用20吨竹子做成的部件手工搭建起来。工程公司Faber Maunsell采用三维分析软件进行设
计并保证它能够达到英国标准。公司主管
John
Longthorne
说：
“泰恩河以其桥梁而闻名，每一座桥
梁都有独特的工程上的壮举。”Bambuco的竹桥秉承传
统，将成为泰恩河下游的第一座悬索桥，也是千年桥
和泰恩桥抛物线拱对应的地方。”这座桥梁即使将来
在拆除后，竹子部分还将再利用。
3.4竹材作为拱结构
Jörg Stamm是国际公认大型竹结构设计师，一直致力于原竹建筑的研究，在泰国曾设计长达60m竹桥，在多个国家都有他现代竹建筑设计作品。该竹桥位于哥伦比亚佩雷拉的厄瓜多尔、原竹作为建筑的结构材料。于2000年9月建成，该桥横跨52米，竹桥桥面底部两侧呈弯曲的形状的两个曲线、是整个竹桥的主要构成要素、承受着整个桥梁的主要压力，两个拱结构分别由12竹管捆绑组成，两端收敛地固
定在两个钢筋混凝土支座上，利用地基基本直接承
受水平推力。桥面水平处则以交错的斜撑材提供水
平面的稳定刚度，合理的工程设计呈现出和谐、简
洁的结构美学，令人赞赏不已。
巴西设计师Rafael Penteado Paolini: Brazil这个项目可变通公园（Parkand Garden Structures)，主要挑战是传统材料和现代技术相结合，拱结构的设计理念基于这样一种理念：利用竹材自身的弹性和柔铺性、让两个竹莲对彼此的弯曲，营造出一个大的公共公间、供游玩的人休息。这个空间创造出的竹竿利用拱结
构原理，把接头连接到混凝土钢基础中，把力传递
给地基。设计为了创造出趣味的空间、使用三组拱
结构的模块化设计，大大地改变了空间的使用；同
时三组铰拱结构组成了极具趣味性的棕摘叶形结构形态，给予人们愉悦的气氛，每组建筑物的室内空间尺度为15.65 mX 20.04 m。[3]
二．中外竹材建筑在建构方面的差距
中国人用竹材来搭建建筑也有数千年的历史了，但是目前的情况下，国外与国内的竹材建筑还存在差距，主要是建构方面。这并不仅仅是只存在于竹材建筑，而是在整个大背景下，国内很多的建筑在建构方面还有待提高质量。目前在国内，张永和，马清运，李晓东等新锐建筑师在竹材建筑方面有所探索。但大都限于用竹材当做装饰用材，做建筑表皮的较多。 张永和1999年开始进行的“竹化城市”的研究，通过对竹子的生活习性的研究，利用其生长系统性、快速性及其易成活性，尝试将竹子作为一种绿色城市管网，使之沿街道发展，达到市内每幢建筑与其它建筑材料结合形成竹屋顶、竹幕墙、竹门、竹窗。由于竹子在中国文化中的特殊地位，使之构成建筑的地域性。同年在曼谷的展览中展出装置“竹墙”，以活竹子作为垂直元素，干竹篾为水平元素，纺织成墙，用以改善室内空间的质量，同时为这个城市增添一抹绿意；2000年，威尼斯双年展中以活竹作为竹屏风门；同年在北京开始了“生态竹院宅”的方案，以两层半透明的阳光板中密植竹子形成外层院墙，而中心则以四根组合竹(杆)柱支撑四个屋角，外围的竹墙起到遮阳和调节气候的作用，同时以其文化意义与中国传统的庭院的人文精神相融合；此外还有南宁柳沙州半岛的规划方案中，上千亩湿地将被改造成大片的竹林，在3～5 年内形成一片葱茏的绿景。
此外，香港建筑师严迅奇和日本建筑师隈研吾也是这方面的代表。严迅奇(许李严事务所)在为柏林文化节设计的供表演及展览用的临时建筑——竹亭中，采用传统“扎”法将竹杆相互固定，用“三角形稳定性”原理，以直线构成曲面，整个竹亭既稳固又轻盈通透富有动感。竹亭位于柏林文化中心门前的水池
上，与文化中心相映成趣：一个飘浮，一
个凝重；一个通透，一个密实；一个东方，
一个西方，充分体现了东方与西方、传统
与现代、自然与人工的完美结合。
三．竹材在建筑方面的优势
1.经济性:竹子建筑最重要的优点是成本低廉但不降低建筑质量,而且经久耐用,占用空间少。根据哥斯达黎加PNB的统计,竹房屋比普通材料住宅的成本便宜20%。
2.灵活性:竹子建筑的设计和建造更具灵活性,优点之一就是能够通过更换损坏部分得到经常性的维护。
3.低技术:竹建筑的技术要求不高。大多数竹房屋的建造基于当地的技术水平,无需高技术的指导,另外,竹建筑比较容易与先进技术结合使用。
4.安全性:由于质量轻、弹性好,竹子的抗震功能非常突出。据报道(Gutierez,1998),在哥斯达黎加的7.6级地震中,位于震中的30座竹房屋保存完好,而周边许多混凝土房屋和旅馆全部倒塌。
5.舒适性:热带农区夏季气温很高,中国云南南部地区,人们至今仍然喜欢建造竹楼来避暑,享受竹楼的凉爽。
6.耐用性:经过适当处理的竹材使用寿命可达30年之久,而且,竹材种类的精心选择、防腐处理、辅助材料的使用以及老化或损坏部分的定期更换等等都能增加竹房屋的耐用性。
7.可持续性:社会、经济和环境的可持续性是当前发展领域中日益重要的问题。竹子本身所具备的特点符合可持续性发展的所有指标。竹子在2~3年即可成材,而木材至少需要25年。竹子是世界上生长最快的植物,只需利用当地的主要原材料和工具就足以建造简单经济的竹房屋。[4]
结语
竹材作为一种生态的可持续发展的天然材料，在我国蕴藏丰富。其优点众多，用在建筑方面是切实可行的；同时它给人带来以视觉的美感和易于亲近的感受。目前，对于竹材的尝试和应用还尚未达到系统，全面的程度，相信看似普通的竹子还有很大的潜力有待开发。
参考文献：
[1]潘毅，李家佳，李玲娇，秦楠，唐丽娜，现代竹材在建筑结构中的应用现状，土木建筑与环境工程，2011.12，Vol.33, 文章编号:１６７４－４７６４（２０１１）Ｓ２－０１１５－０４
[2]李 能，陈玉和，包永洁，吴再兴, 国内外竹材防腐的研究进展,中南林业科技大学学报，2012.6，Vol.32 No.6
[3]李艳华，王晓，现代竹建筑形态特征研究，武汉理工大学硕士论文，2012.6
[4]李 慧,张玉坤, 生态建筑材料竹子浅析,建筑科学，2007.08，Vol.23 No.8, [文章编号]1002-8528(2007)08-0020-07