劉竹,楊守祿,*,姬寧,李丹,陳慶,吳義強

(1.貴州省林業(yè)科學研究院，貴州 貴陽 550005；2.貴州新錦竹木制品有限公司，貴州 遵義 563000；3.中南林業(yè)科技大學，材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004)

綠色建筑是一種在建設期間不破壞環(huán)境基本生態(tài)平衡條件，在生存期間所消耗的物質和能源明顯少于傳統(tǒng)建筑的一種新型建筑，又可稱為可持續(xù)發(fā)展建筑、生態(tài)建筑、回歸大自然建筑、節(jié)能環(huán)保建筑等[1]，其目的是減輕建筑對環(huán)境的負荷，即節(jié)約能源及資源；提供安全、健康、舒適的生活和工作空間；與自然環(huán)境親和，做到人及建筑與環(huán)境的和諧共處、持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)代建筑結構如磚混結構和鋼筋混凝土結構作為一種經(jīng)濟建筑材料，目前非常流行，它廣泛用于世界各地的許多類型建筑，但也存在能源消耗大、環(huán)境污染嚴重、環(huán)境負荷偏大的問題[2]。隨著城市化的快速發(fā)展和環(huán)境問題的日益突出，綠色建筑得到了快速發(fā)展。竹子具有速生豐產(chǎn)，短周期可再生特點，同時具有強度高、剛度大等力學性能方面的優(yōu)勢[3-4]，將其應用于建筑業(yè)，有助于推動該行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

貴州以竹材為原材料的綠色建筑制造技術起步相對較晚，目前正處于技術推進階段，相關產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)鏈不完善，制約了竹材在綠色建筑的推廣與應用。貴州地處世界竹類植物分布的中心范圍內(nèi)，是我國竹類植物的主產(chǎn)省區(qū)之一，竹類種質資源較為豐富，全省現(xiàn)已開發(fā)利用的主要竹種有毛竹、方竹及慈竹等[5-6]。本文分析了目前竹制材料在綠色建筑中的技術問題，并列舉了竹制材料的應用實例，總結竹材對推動貴州省綠色建筑發(fā)展的意義及建議。

1 原竹在建筑中的運用

1.1 原竹節(jié)點構件

原竹材是指直接作為建筑材料的原竹或將原竹加工成竹材單元用于建筑材料，其影響因素主要為受力方向、竹節(jié)的部位以及含水率等，如原竹的順紋抗壓強度大于弦向橫紋和徑向橫紋抗壓強度，而竹節(jié)對竹材的抗壓強度有一定的提高作用[7-10]。作為一種力學性能良好、價格低廉的生態(tài)材料，其在建筑中的應用優(yōu)勢都優(yōu)于木材，有些特征甚至堪比鋼材，因此用竹做建筑的結構構件是很合理的選擇。盡管原竹在建筑中的利用具有諸多優(yōu)勢，但仍然有很多限制原竹使用的缺點，其中主要的問題在于原竹構件節(jié)點的連接方式，傳統(tǒng)的原竹節(jié)點構造體系包括棕繩捆綁、鐵釘固定或以竹(木)的穿斗形式連接[11-13]，這種連接方式使得原竹更容易產(chǎn)生縱向裂縫?，F(xiàn)代建筑對原竹的利用有了更高的要求。為了充分發(fā)揮原竹的材料性能，必須采用更合理的結構受力形式和更精確的接縫構造形式。與傳統(tǒng)接頭相比，采用金屬接頭作為連接原竹的介質，可以有效地解決接頭處構件易滑脫、開裂、耐久性差等問題[14-15]。

此外，通過在竹節(jié)點位置加入一定配比的水泥砂漿，并用鋼螺栓穿孔加以連接，可以有效地解決懸臂端的受力問題[16-17]。這一類型的竹建筑多以桿系結構為主，此類型竹屋通風、采光性能良好，充分利用了竹子本身的結構性能，抗震性能尤其突出。經(jīng)過防腐、防蟲處理后的原竹被巧妙地設計成各種形式的結構柱、結構梁和屋架；節(jié)點連接大致分為竹-竹/木和竹-混凝土的連接[18]。根據(jù)結構的需求，形式各有不同(圖1)，但大致的處理方式還是通過灌注水泥砂漿后預埋鋼構件或者插入鋼螺栓進行連接。

圖1 不同形式原竹節(jié)點構建

1.2 原竹結構建筑

如上所述，由于竹材具有多種優(yōu)良性能，不僅適合于現(xiàn)代建筑各個部件的使用，還適合于整棟建筑的應用。近年來，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一些全竹結構建筑。在竹材資源豐富的東南亞地區(qū)，至今還有大量用竹材搭建的干欄式建筑。在我國南方的一些地區(qū)也存在著大量的干欄式建筑，例如，在云南的西雙版納，使用原竹材作為主要材料，創(chuàng)造出一種獨具特色的當?shù)亟ㄖ问?竹樓(圖2a)，還可建造竹柱子、竹梁、竹檁等結構，包括一些家具都使用竹材料制作。2010 年上海世博會，9個場館融入了竹元素，其中，印度館(圖2b)建造了世界上最大的竹穹頂，直徑達35 m。穹頂由36 根圓弧狀原竹組成，為了增強結構的整體穩(wěn)定性，從近地面開始每隔一定的距離在環(huán)向設置了9道竹箍和4道鋼箍。竹節(jié)點連接部分使用了填充水泥砂漿加螺栓固定的方式。2019年世界園藝博覽會在北京舉行期間，國際竹藤組織建造了一個3000 m2的INBAR園(圖2c)，其中主體建筑INBAR館是一個1000 m2的圓竹結構建筑，采用5000多根毛竹搭建而成，單拱跨度達32 m，高9 m，展館屋頂由9根圓竹組成(圖2d)[19]。

圖2 原竹結構建筑

由于竹結構具有與木結構相似的性質，所以竹結構建筑的總體設計可以借鑒木結構的設計體系來完成。采用梁柱結構體系，利用金屬節(jié)點形式，同時使用竹集成材的加工方法來進一步提高模塊化設計，加快施工進度。如果對竹材進行防腐處理、添加輔助材料以及及時更換老化部分，竹建筑的使用壽命就能達30年以上。值得注意的是，竹材在彎曲強度方面的不足在一定程度上也是一種優(yōu)點。它使竹材在第一次開裂時并不會徹底折斷。這種特性為維修和及時更換損壞部分提供了可能。竹結構建筑不但能體現(xiàn)竹子本身的優(yōu)勢，可以方便快捷地搭建、修復、拆分和運輸，而且拆除之后也不會產(chǎn)生很多建筑垃圾，對環(huán)境的污染很小。此外，竹結構房屋還具有抗震性能好、施工速度快、保溫隔熱效果好、原料來源廣泛、造價低廉等優(yōu)點，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

2 竹質工程材料

2.1 竹膠合板

竹材膠合板具有強度高、剛性好的特點，基本工藝是將半圓形竹筒軟化后展成平直狀，刨削加工成一定厚度和寬度的竹片，再經(jīng)干燥定形、施膠、組坯及熱壓膠合成型[20]。竹膠合板主要的產(chǎn)品有竹席膠合板、碎料夾芯竹席膠合板、覆膜竹片膠合板和竹簾膠合板等。在發(fā)展過程中，竹簾膠合板成為目前產(chǎn)量最大，應用最廣的主流膠合板產(chǎn)品[21]。隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展，對建筑模板的要求也越來越高，傳統(tǒng)的竹膠合模板缺陷也越來越明顯，通過制備竹膠合板與鋼結構膠合材料，可獲得用于建筑結構的高強度板材。竹-鋼復合結構是一種新開發(fā)的建筑材料，采用毛竹膠合板作為基礎材料[22]。在竹-鋼復合結構中，用毛竹制成的竹膠合板與冷彎薄壁型鋼用結構膠粘結，形成復合結構構件。這些組合構件可以方便地形成箱型、工字型等不同的截面形式。竹膠板與薄壁鋼的復合，可防止薄壁型鋼過早屈曲，并充分利用這兩種材料[23]。

2.2 竹集成材

竹集成材是將速生、短周期(通常4～6 a)的竹材通過定寬定厚工藝制備成竹片(去掉竹青和竹黃)，干燥至8%～12 % 的含水率，再通過膠黏劑將竹片膠合而成的型材。竹集成材強度高，能滿足多層建筑結構對材料物理力學性能的需求。目前，竹集成材已被廣泛應用于車廂底板、地板、家具等產(chǎn)品中[24]，但作為戶外建筑材料的應用才剛起步，傳統(tǒng)的竹集成材單元制造無法滿足大尺寸建筑構件的的尺寸要求，并且傳統(tǒng)的竹集成材制造中最常用的延長方法是根據(jù)產(chǎn)品進行后期加工處理[25,26]，這對竹集成材機械性能有著顯著的影響。Lin等對三種不同連接形式的大尺寸竹集成材進行了彎曲性能測試(圖3)，發(fā)現(xiàn)相比于無接頭的對照組，三種形式的接頭抗彎強度均減小10%以上，當接頭數(shù)量從1增加到3時，抗彎強度下降了6.82%～31.11%。因此，接頭參數(shù)對竹集成材的強度有很大的影響，控制接頭的數(shù)量和位置至關重要[27]。

圖3 三種連接形式竹集成材及力學性能[27]

2.3 重組竹材

重組竹又稱竹材重組材，是一種將竹材重新組織并加以強化成型的一種竹質新材料，也就是將竹材加工成長條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束，把竹束經(jīng)水溶性酚醛樹脂(PF)處理后壓縮到所需的比重和厚度制成[28-30]，成型工藝主要包括冷成型、熱固化和熱壓(圖4)。重組竹的密度可提高到1.05～1.25 g/cm3，從而解決了竹材粘結強度和表面質量差的問題，因此在我國得到了迅速的發(fā)展。為了消除竹青和竹黃對膠黏劑的影響，以及最大限度地利用竹材，幾乎所有的制造工藝都是將竹子分成兩部分。其中一部分(大約2～5 mm厚，靠近竹材的外層)用于制造竹席和竹簾，另一部分(占竹材重量的80%)靠近竹材內(nèi)層，也叫內(nèi)層竹條，用于制造重組竹[31]。與其他竹質材料相比，重組竹原料豐富，可利用小徑級的原材料，因此具有較高的利用率。

圖4 重組竹制備過程[29]

3 竹質材料在綠色建筑中的應用優(yōu)勢

3.1 生態(tài)性

在建筑類型和材料方面，Gustavsson等人[32]比較了混凝土和木結構建筑的凈碳排放量，發(fā)現(xiàn)這兩種建筑的生命周期排放量差異在每平方米建筑面積30～130 kg碳之間。Brad Upton等人[33]分析了美國住宅建筑中使用木材替代替代品對溫室氣體和能源的影響，與采用替代鋼或混凝土建筑系統(tǒng)的熱可比房屋相比，采用木質墻體系統(tǒng)的房屋所需的非加熱/冷卻總能量要少15%～16%，與木質房屋相關的溫室氣體凈排放量比采用鋼或混凝土建筑系統(tǒng)的熱可比房屋低20%～50%。與木材相比，竹材是也是一種綠色生態(tài)建筑材料，其在節(jié)約能源方面具有重要意義。Dongwei Yu等[34]基于材料的能源使用和碳排放在整個生命周期的竹結構住宅原型(圖5)與創(chuàng)新保溫技術進行了分析，結果表明：與典型的磚混結構建筑相比，在滿足建筑材料的支撐和保溫功能的條件下，竹結構建筑消耗更少的能源和更少的二氧化碳排放量。在竹材結構建筑的整個生命周期中，使用可回收竹建筑材可減少18.5%的碳排放量。

圖5 竹質綠色建筑構件碳排放量評估

3.2 可持續(xù)性

近年來，綠色建筑材料的開發(fā)和使用要求促進可持續(xù)建筑。竹子被廣泛認為是一種典型的綠色材料，正是在這樣的背景下，竹子作為一種綠色建筑材料在國際上的應用越來越廣泛[35-36]。在全球范圍內(nèi)，竹子在建筑領域的成功應用越來越多。世界各國政府已經(jīng)出臺了各種政策措施來促進竹子在建筑材料中的應用。在歐洲，已經(jīng)推出了各種推廣竹材料的項目，例如英國、德國、比利時和意大利等國的“竹子和產(chǎn)品的可持續(xù)管理和質量改進”和“用于可持續(xù)建筑構件的新型竹工程生物材料”。但是，竹子作為建筑材料在中國的應用遠遠少于其他國家，竹子的使用材料大多局限于簡單的手工制品，如籃子、墊子和窗簾等。專門從事竹建材生產(chǎn)和應用的企業(yè)很少。中國將繼續(xù)其未來的城市化任務，每年將建造20億m2的新建筑?？紤]到中國未來建筑工程的巨大規(guī)模，竹子作為一種綠色建筑材料的有效應用將為促進可持續(xù)建筑做出重大貢獻。

4 結語

原竹在建筑基礎連接構件、原竹節(jié)點構件、梁等多方面的應用說明了原竹作為一種綠色建筑材料具有廣泛的應用潛力，但隨著建筑制造業(yè)的工廠化發(fā)展，原竹在建筑領域的應用需要進行產(chǎn)業(yè)和標準化升級。在竹質建筑工程材料方面，現(xiàn)有的竹質材料如竹集成材，膠合竹及重組竹等都得到了快速的發(fā)展，其生產(chǎn)工藝都已成熟且由于輕質高強的特性在建筑工程上都得到了廣泛應用，目前新型竹質建筑材料的開發(fā)與研究正處于起步階段，加快推進新型竹質材料在綠色建筑方面的應用是推進生態(tài)文明建設，走可持續(xù)發(fā)展道路的具體表現(xiàn)。綠色建筑是現(xiàn)代建筑發(fā)展的趨勢，在建筑室內(nèi)裝飾中，竹材都用于家具上，同時也有很多竹材新材料和新技術被實施，改變多數(shù)人對竹材傳統(tǒng)認識，加快竹質材料在綠色建筑上的應用進程將會使竹材的應用更加普及。

貴州省擁有豐富的竹材資源，在發(fā)展竹材綠色建筑方面具有得天獨厚的條件，大徑級的毛竹(楠竹)可用于涼亭、柵欄等方面的應用及制造竹集成材，方竹等小徑級竹材可用于建筑表皮作為裝修材料。目前竹制綠色建筑只在一些高端消費群如別墅和休閑娛樂場所應用，在農(nóng)村地區(qū)，建筑層數(shù)不多，更適合發(fā)展竹制綠色建筑；在竹材綠色建筑制造方面，從事竹材加工企業(yè)可進行裝配式竹建筑一體化發(fā)展，可充分利用竹資源；另外，政府要建立合理的激勵機制，大力扶持竹加工企業(yè)，促進企業(yè)向產(chǎn)學研一體化方向發(fā)展。