王爽

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

當(dāng)今，我們正面對著威脅建筑業(yè)的一些主要可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，包括具有全球和地方重要性的問題：如資源枯竭、保護(hù)生物多樣性和氣候變化。那么，對于這些問題，我們首要應(yīng)該想到什么呢：“對于傳統(tǒng)污染型建筑材料有哪些替代品？”“這些替代品是如何起作用的?”“如何能保證替代品的穩(wěn)定來源?”。本文提供了在應(yīng)對可持續(xù)建設(shè)和發(fā)展的挑戰(zhàn)中起關(guān)鍵作用的構(gòu)件的實用信息。它的基礎(chǔ)是一個簡單的概念，也就是確保每個人現(xiàn)在的生活質(zhì)量的同時，又保證不損害今后幾代人的生活質(zhì)量。[3]可持續(xù)發(fā)展要求設(shè)計者在建筑生命周期的每個階段都有生態(tài)意識的思考，從建造的決定開始。讓我們了解為實現(xiàn)能源和水效率目標(biāo)、實現(xiàn)成本節(jié)約和最大限度地減少對環(huán)境的總體影響所采取的關(guān)鍵決策和步驟，探索每個項目階段的機(jī)會，以創(chuàng)建更多可持續(xù)的項目。我們需要涵蓋建筑工程專業(yè)，包括建筑或設(shè)計服務(wù)、土木工程、機(jī)電工程、結(jié)構(gòu)工程等其他相關(guān)工程專業(yè)。首先從一種目前利用率較低但是受力性能較好的材料開始介紹。

竹子是一種多功能、結(jié)實、可再生、環(huán)保的材料。它是禾本科植物，也是地球上生長最快的木本植物。大多數(shù)竹子品種在播種后3-4 年就能長出成熟的纖維，比大多數(shù)木材生長周期短出數(shù)倍。有些竹子一天能長到1 米，很多能長到25 米甚至更多。竹子可以在3-5 年的周期內(nèi)快速、輕松、可持續(xù)地生長。它可以生長在邊緣和退化的土地上，也可以在高地以及河岸生長。竹材適應(yīng)大多數(shù)氣候條件和土壤類型，作為一種土壤穩(wěn)定劑和有效的碳匯設(shè)施，有助于對抗溫室效應(yīng)。盡管在過去，特別是在中國南部地區(qū)，它僅被用于農(nóng)村建筑，但對于這種高強(qiáng)度材料，我們應(yīng)該投入更多的關(guān)注。此外，還要盡早推廣基于現(xiàn)代鋼筋混凝土設(shè)計基礎(chǔ)上的科學(xué)設(shè)計方法，才能使竹材以最經(jīng)濟(jì)的方式用于廣泛的現(xiàn)代城市和農(nóng)村建設(shè)。本人從這幾方面，通過相應(yīng)研究，取得了一定結(jié)論。本文從材料特性、科學(xué)設(shè)計方法的發(fā)展和預(yù)制中、高容量模塊化組件的發(fā)展三個方面進(jìn)行簡要介紹。

1 竹材的力學(xué)特性

本文通過相應(yīng)實驗，對生長在中國的兩個品種——剛竹和毛竹進(jìn)行了完整的力學(xué)特性分析。以混凝土行業(yè)的測試標(biāo)準(zhǔn)，分別測定了兩種竹材的抗拉壓強(qiáng)度。[4]根據(jù)實驗組綜合結(jié)果，測得剛竹和毛竹的典型特征抗壓強(qiáng)度分別為63MPa 和44MPa?？估瓘?qiáng)度分別為76MPa 和62MPa。除此之外，關(guān)于竹齡選擇以及竹材加工選取竹材的不同部位也是需要考慮的因素。筆者通過借鑒相關(guān)文獻(xiàn)，了解到，不同竹齡的竹材，竹壁厚薄不均, 產(chǎn)生的收縮應(yīng)力更大, 更易開裂。毛竹根部的竹筒部位由于含水率較高也較易開裂。就竹齡而言,4 年以下竹齡的毛竹較易開裂。所以，對于不同部位以及竹齡的相關(guān)性能實驗，還有待進(jìn)一步研究完善。

2 可持續(xù)發(fā)展建筑的竹材梁柱組合結(jié)構(gòu)研究

在闡述了竹材的力學(xué)性能之后，筆者將進(jìn)一步對竹材梁柱結(jié)構(gòu)的組合形式進(jìn)行分析。在這一過程中，我發(fā)現(xiàn)了一種新型的由竹材組成的梁柱組合形式：利用專用的鋼構(gòu)連接件將半裂主板條連接在一起。通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能試驗，測試得到一種可以有效提高竹材梁柱整體性的鋼材連接件，并且這種連接件能夠以焊接及螺栓的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖1 所示。[1]首先將連接件連接到柱，通過擰緊兩個半分裂管件使用螺栓擰緊，使其到達(dá)到一個特定的扭矩水平。夾具通過將柱底底板固定，使得立柱很容易連接到地基上，從而使得整個門式剛架的安裝更加容易。該結(jié)構(gòu)針對工業(yè)廠房等大跨結(jié)構(gòu)有著較好的推廣性，也可以被用于在大學(xué)學(xué)校校舍或者商業(yè)活動中心。上述開發(fā)項目是竹材作為一種綠色工程材料，在建筑結(jié)構(gòu)中用于可持續(xù)經(jīng)濟(jì)增長的研發(fā)項目的一部分。

圖1 竹材連接件

3 大跨度抗彎構(gòu)件的研究

上述的結(jié)構(gòu)適用于中等跨度的構(gòu)件，如板條梁或柱。然而，針對與多高曾建筑，這樣的結(jié)構(gòu)體系的安全性還有待研究。針對與需要承擔(dān)大量水平荷載的建筑結(jié)構(gòu)，需要采用新的竹材材料形式——新型纖維增強(qiáng)復(fù)合竹（FRCB）構(gòu)件。[2]根據(jù)竹纖維的制備工藝，一般需要對竹纖維進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是提高竹材的塑性，保持足夠的強(qiáng)度。生產(chǎn)實踐表明，竹纖維的質(zhì)量與其生產(chǎn)條件密切相關(guān)，堿處理竹纖維的主要影響因素是濕度。在以往的研究中，纖維飽和點以上的竹材力學(xué)性能基本不變。堿處理后竹材的力學(xué)性能與含水率之間的關(guān)系尚未確定。天然竹材可作為單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，宏觀上呈各向異性。在竹纖維的加工過程中，以軋制法和精梳法加工的竹纖維大多處于與晶粒平行的拉伸狀態(tài)。實驗中，通過對竹材的縱向拉伸性能進(jìn)行了研究。得到了相應(yīng)結(jié)論：（1）原竹為脆性材料，堿處理后NaOH（2.5%）浸泡24h 可制得塑性材料（含水率18%）。（2）經(jīng)NaOH（2.5%）浸泡24h 后，竹材縱向力學(xué)性能與含水率密切相關(guān)?？估瓘?qiáng)度隨含水率和擬合線的減小而增大。在含水量為40%～90%時，竹子的伸長可達(dá)10%以上。因此，在機(jī)械加工粗竹纖維時，竹材含水率應(yīng)控制在40%～90%之間。（3）堿處理后竹材的縱向抗拉強(qiáng)度取決于單根纖維的粘結(jié)強(qiáng)度，竹材的塑性伸長取決于單根纖維間的滑移變形。

將竹材以復(fù)合纖維的形式組合在一起，形成一個剛性框架，為了達(dá)到整體通效果，使其輔以鋼筋及混凝土材料進(jìn)行整體性澆筑，其預(yù)制示意如圖2 所示。通過對所屬結(jié)構(gòu)的水平、豎直雙向荷載實驗，得到了較好的實驗效果，試驗清楚地證明了這種大跨度剛架在現(xiàn)代多、高層建筑中應(yīng)用的可行性。[4]

圖2 預(yù)制復(fù)合竹材應(yīng)用示意圖

4 結(jié)論

本文介紹了筆者為實現(xiàn)現(xiàn)代可持續(xù)建設(shè)的預(yù)制竹結(jié)構(gòu)所做的最新研究工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)工程原理和力學(xué)性能，包括對常見的中國竹材的嚴(yán)格測試所獲得的強(qiáng)度和剛度，開發(fā)了一種科學(xué)的設(shè)計方法。已開發(fā)出合適的鋼性連接裝置，使受力構(gòu)件具有可連接性，補(bǔ)充以焊接及螺栓等補(bǔ)強(qiáng)方式。通過該種結(jié)構(gòu)實驗，使大面積建筑結(jié)構(gòu)預(yù)制成為現(xiàn)實，這項技術(shù)對于像中國這樣擁有大片荒地和適宜氣候的國家來說具有巨大的潛力。