王 露，鐘 鑫，游 珊，劉 陽，曾 妮

（武昌工學院城市建設(shè)學院，湖北武漢 430065）

0 引言

竹被譽為世界“第二森林”，在全球森林資源中占據(jù)非常重要的地位。竹材具有生長周期短、可再生、強度高、韌性好的優(yōu)點，是一種綠色、環(huán)保的建筑材料，其天然的中空結(jié)構(gòu)也為建筑藝術(shù)作品提供了良好的構(gòu)件元素[1]。

竹材在民宿設(shè)計、園林景觀設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計等現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中的發(fā)展與應用得到國際相關(guān)學者的廣泛關(guān)注，已有部分研究團隊對竹材的力學性能及其應用進行研究。由于缺乏類似混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等標準的材料試驗方法、結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、施工質(zhì)量驗收規(guī)范等基礎(chǔ)理論體系，竹材在建筑結(jié)構(gòu)中仍沒有被充分利用[1]。因此，研究竹材的力學性能及其在建筑行業(yè)中的應用具有重要理論意義和實踐價值。

1 竹材力學性能

竹作為豐富的天然建筑材料，國內(nèi)外相關(guān)學者對其力學性能展開一系列的研究。竹材是一種由纖維束縱向增強的復合材料，試驗結(jié)果表明，其彈性模量、強度、斷裂韌度均與纖維束的體積百分比呈線性關(guān)系[2]。在掃描電鏡下，毛竹的維管束密度越高其承載力越強，毛竹的抗壓強度范圍為47～62.8N/mm2，且強度隨著竹子外徑的增大而明顯降低[3]。竹材的力學強度與其含水率成反比，同一竹稈上竹材頂部比底部的力學性能好[4]。

2015年國家林業(yè)局發(fā)布了《圓竹物理力學性能試驗方法》[5]，國內(nèi)相關(guān)學者根據(jù)試驗標準對圓竹力學性能進行試驗研究，結(jié)果表明，圓竹順紋抗壓強度可達60MPa，圓竹順紋抗彎承載力可達12kN[1]，竹節(jié)限制了圓竹的橫向變形，對圓竹徑向承載力影響較大，有節(jié)圓竹環(huán)剛度可達無節(jié)的2倍[6]。

竹材表現(xiàn)出優(yōu)異的力學特性，該試驗表明，竹材的抗拉強度約為木材的2倍，竹材比強度約為鋼材的3倍[7]。除此之外，竹材還具有綠色、無污染的環(huán)保價值和生長速度快、成材率高的經(jīng)濟價值[8]。

2 竹結(jié)構(gòu)的研究

竹構(gòu)件的力學性能是竹結(jié)構(gòu)研究的主要方向，是竹材工業(yè)化利用的基石[9]。隨著竹材研究的不斷深入，相關(guān)學者聚焦各種結(jié)構(gòu)工程竹材類產(chǎn)品，如膠合層積竹、重組竹、竹木復合材料等新型竹材的研究和應用。

國外學者Kariuki[10]對尺寸相同的層積竹梁與層積柏梁進行抗彎承載力的對比試驗，結(jié)果表明竹材構(gòu)件比柏材構(gòu)件具有更好的力

學特性。湖南大學通過對新型膠合竹材Glubam進行各項力學性能的試驗研究，驗證其在現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)房屋應用中的可行性。南京林業(yè)大學對重組竹的受力特性和設(shè)計工藝進行研究，為其在新式家具中的應用提供理論基礎(chǔ)；研制竹木復合板，并對其力學性能進行試驗，推廣了復合材料的發(fā)展和應用。東南大學和北京林業(yè)大學等國內(nèi)重點高校均對現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)進行試驗研究，為其在建筑中的應用提供理論依據(jù)。

3 竹材在綠色建筑中的應用

竹材擁有獨特的物理性能和深厚的文化內(nèi)涵，其在建筑空間中的應用特征表現(xiàn)為簡潔、科技、人文，旨在達到建筑與自然和諧統(tǒng)一、傳承文化、促進生態(tài)協(xié)調(diào)的目的[11]。2017年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，目的是要建設(shè)低碳節(jié)能、綠色生態(tài)、集約高效的建筑用能體系，逐步改善和提高建筑能源消費結(jié)構(gòu)與發(fā)展水平[1]。在綠色建筑理念下，竹建筑的應用與發(fā)展成為新焦點。

3.1 竹橋

湖南大學設(shè)計建造的耒陽竹橋在2008年11月10日獲得了美國《PopularScience》雜志的高度認可，被評為2008年度最佳工程創(chuàng)新之一。這座竹結(jié)構(gòu)橋梁嚴格按照現(xiàn)代力學理論進行設(shè)計建造，采用高性能的纖維增強塑料與竹復合[12]，橋面凈寬3.4m、長10m，由9根竹梁組成，于2007年末建成通車，橋梁通車以來使用狀況良好。這一創(chuàng)新性成果為竹材的應用研究奠定基礎(chǔ)。

2018年，香港中文大學、清華大學、重慶交通大學及重慶大學合作并組成“現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)研究團隊”，用716根毛竹，在重慶山區(qū)建成一座跨度21m、寬3m的竹橋——“一心橋”。該橋的主體結(jié)構(gòu)使用原竹材修建，橋面也鋪裝竹排面板，只使用少量螺栓和角鋼連接。2019年獲得了具有房地產(chǎn)及建造領(lǐng)域“奧斯卡”之稱的RICS中國年度大獎評委會特別獎。這座竹橋在環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)村公益和創(chuàng)新技術(shù)方面取得了卓越的成就，推動了綠色建材的應用與發(fā)展（見圖1）。

圖1 一心橋

由金色和黑色竹種混合建成的“印尼千禧橋”，是亞洲最長的竹橋之一，長23m。該橋受到米納卡堡建筑風格的影響，特色屋頂仿照水牛角的形狀，專門用于行人通行。這座橋代表了向世界各地推廣竹建筑的一種方式（見圖2）。

3.2 住宅

圖2 千禧橋

竹作為建筑材料自古以來被運用于居住。我國南方少數(shù)民族為傳統(tǒng)竹樓居民，竹建筑歷史久遠沿用至今。我國云南的傣族“干闌式”竹樓（見圖3），至今已有1400多年的歷史，被譽為雨林民族文化的結(jié)晶。

圖3 “干闌式”竹樓

世界上第一座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房于2009年建成并投入使用（見圖4）。該別墅采用了湖南大學肖巖教授科研團隊自主創(chuàng)新的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑和膠竹專利技術(shù)，參考北美木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，表現(xiàn)出良好的抗震優(yōu)勢[13]，在我國“5.12”汶川地震后的臨時安置及災后重建中起重要作用。

圖4 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅

北京紫竹院別墅、湖南耒陽市蔡倫竹海公園別墅等也是典型的竹建筑的工程實例，引領(lǐng)了竹材在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的研究應用。

3.3 園林景觀

廣東省南昆山森林保護區(qū)的十字水度假村由多位來自不同國家的知名規(guī)劃、建筑師共同設(shè)計完成，是我國首家頂級生態(tài)度假村。該作品將中國傳統(tǒng)客家夯土墻與國際頂級竹子建筑工藝融合，是國內(nèi)首個同時榮獲“全球景觀設(shè)計大獎”和“綠色環(huán)球21可持續(xù)設(shè)計達標評估”認證的度假村[14]。架在小溪兩岸的竹橋、依山而建的吊腳竹別墅，呈現(xiàn)出歸于自然的簡素之美（見圖5、圖6）。

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，竹建筑、竹工藝制品在景觀設(shè)計、民宿設(shè)計中應用廣泛，竹材的美學特性與自然環(huán)境充分融合，促進生態(tài)環(huán)保及旅游行業(yè)的發(fā)展。

圖5 度假村竹橋

圖6 吊腳竹別墅

4 竹建筑的發(fā)展前景

竹材作為無污染可再生的天然材料，在未來建筑中發(fā)揮著不可替代的作用。2010年上海世博會上出現(xiàn)的全竹結(jié)構(gòu)展館“德中同行之家”不僅展現(xiàn)了獨特的建筑風格，同時也倡導了前瞻性的環(huán)保理念。作為世博園區(qū)中唯一一座主體支撐結(jié)構(gòu)完全采用竹材料的二層建筑，將“可持續(xù)發(fā)展的城市化進程”主題與藝術(shù)進行充分融合，再現(xiàn)了“德中同行”活動自2007—2010三年以來一貫倡導的焦點。

2015年米蘭世博會上竹材出現(xiàn)在諸多建筑藝術(shù)作品之中，其綠色、環(huán)保、可持續(xù)性的優(yōu)勢得到現(xiàn)代建筑行業(yè)的青睞。2016年以來，國內(nèi)研究學者和知名建筑設(shè)計師們通過浙江省舉辦的“國際竹建筑雙年展”對新型竹材與傳統(tǒng)材料的結(jié)合、傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建筑的更新與保護進行探索研究[15]。在他們的積極推動下，竹建筑從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，竹子自身的材料優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，將有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

中國有著豐富的竹資源和悠久的竹文化歷史，竹建筑自重輕、抗震性能強、安全系數(shù)高、經(jīng)濟、舒適。研究竹材的力學性能及其在建筑中的應用不僅有利于綠色材料的開發(fā)利用，還符合我國當前低碳建設(shè)的發(fā)展目標，具有重大而深遠的意義。

目前，竹材的研究和應用還有很大空間，有望建立關(guān)于竹結(jié)構(gòu)設(shè)計的完整理論體系和施工技術(shù)規(guī)范，推廣竹材在綠色建筑中的應用與發(fā)展。