葉 柃

(國家林業(yè)和草原局竹纏繞復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心 杭州 310023)

人類住宅建筑多種多樣，主要采用樹木、石頭、磚頭、瓦片、鋼筋混凝土作為主要建筑材料。我國磚瓦結(jié)構(gòu)住宅誕生于商周時期，成熟于唐宋年代，至今延綿3 000余年，為人類的住宅文明做出了極大功績。鋼筋混凝土房屋出現(xiàn)在19世紀(jì)80年代的歐洲，隨著人類社會的進步，這一住宅建造方式已成為首選，為社會特別是現(xiàn)代化城市建設(shè)做出了不可磨滅的貢獻。人類社會進入21世紀(jì)后，生態(tài)綠色發(fā)展已成為人們的主流意識，生物質(zhì)纏繞房屋以其資源可再生、綠色低碳、舒適、經(jīng)濟、壽命長、可循環(huán)利用等優(yōu)點將登上歷史發(fā)展舞臺。

1 生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料及資源儲量

生物質(zhì)材料是指主要含有纖維素、半纖維素和木素的可再生植物材料及其相關(guān)廢料，可以在大自然中自然降解成無害有機物質(zhì)被土壤吸收利用的材料[1-2]。常見的生物質(zhì)材料主要有木材、秸稈、竹材、蘆葦、草、藤等。采用生物質(zhì)材料與其他生物質(zhì)材料或非生物質(zhì)材料的復(fù)合，優(yōu)化生物質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式，創(chuàng)新研發(fā)出滿足人民生活和國民經(jīng)濟發(fā)展需求的高性能、多功能、高附加值的新型生物質(zhì)復(fù)合材料已成為材料領(lǐng)域的重要研究方向[3-4]。

生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料是指采用竹、木、草、秸稈等植物，通過纏繞方式加工成的一種生物基復(fù)合材料，其典型特征為資源可再生、可生物降解且綠色低碳。我國擁有豐富的生物質(zhì)原料，例如我國僅秸稈一項每年就有9億t之多，每年可砍伐的竹材有1.5億t。生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料技術(shù)是我國2007年發(fā)明的竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)的延伸[5-6]，該技術(shù)的研發(fā)極大地拓展了原材料的來源，使得應(yīng)用生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料全面替代傳統(tǒng)建筑住宅中使用的磚頭瓦片、鋼筋混凝土等高耗能、高污染材料成為可能。

2 生物質(zhì)纏繞房屋及優(yōu)勢

生物質(zhì)纏繞房屋是指采用生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料技術(shù)，在車間生產(chǎn)好單間房屋，將其運到現(xiàn)場組合而成的住宅建筑。其創(chuàng)新點是將房屋建造工地轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)車間，在車間里完成單間房屋結(jié)構(gòu)制造及內(nèi)部裝修工序。生物質(zhì)纏繞房屋能完成這一加工方式，得益于植物莖稈的質(zhì)輕高強特性。相對于傳統(tǒng)房屋，生物質(zhì)纏繞房屋具有以下優(yōu)勢：

1) 綠色低碳、資源可再生。植物生長期內(nèi)有很強的固碳功能，將植物用到房屋建筑上可將碳儲存起來。植物可源源不斷的再生，特別是秸稈，伴隨著人類的生產(chǎn)活動，每年都有一茬以上的再生；且竹子等亦是速生植物，生長3年即可利用。

2) 資源可循環(huán)利用。生物質(zhì)纏繞房屋可不斷循環(huán)利用。生物質(zhì)纏繞房屋使用壽命應(yīng)在150年以上(老化試驗還在繼續(xù))，在房屋使用壽命終止時，可將生物質(zhì)纏繞主體結(jié)構(gòu)分解成碎片或粉，再加工成型材和生物質(zhì)填料，并進行以上方式的無數(shù)次循環(huán)。都江堰竹籠、漢長城蘆葦、出土的魯國竹簡、良渚出土的竹籃充分證明了生物(植物)材料在2 000～5 000年的漫長歲月依然保持一定強度的客觀事實，為生物質(zhì)纏繞材料循環(huán)利用提供了依據(jù)。

3) 物理結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟的合理性。生物質(zhì)纏繞房屋在結(jié)構(gòu)上，四周呈外弧形，沒有直角(圖1)，這使得植物莖稈的軸向拉伸強度和橫向抗形變能力處于最佳狀態(tài)，最大限度地減少了材料的使用量。同時將竹子的高強性能與秸稈、草的保溫、隔音性能有機結(jié)合，使其制造成本具有很強的市場競爭力。

圖1 生物質(zhì)纏繞房屋斷面示意圖Fig.1 The diagram of cross section for biomass winding composite house

4) 優(yōu)化房屋建造方式。傳統(tǒng)房屋建造時，在建筑工地必然產(chǎn)生大量建筑垃圾，并伴有灰塵和噪聲，不僅影響人們的正常生活，也影響到周圍環(huán)境的美觀。生物質(zhì)纏繞房屋將住宅建造從建筑工地轉(zhuǎn)移到工廠車間，在現(xiàn)場的組裝時間僅為傳統(tǒng)建房的幾十分之一，甚至更短，從而減少了90%以上建筑工地的影響因子，同時能大幅度地降低建造成本。

5) 舒適、保溫、隔音。由于生物固有的磁場、平衡干濕的特性，加上優(yōu)良的保溫性能[導(dǎo)熱系數(shù)≤0.2 W/(m·k)]和隔聲性能(隔音效果≥34 dB)(表1)，生物質(zhì)纏繞房屋令居住者更加舒適。

表1 生物質(zhì)纏繞房屋主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of biomass winding composite house

6) 安全、耐候性好。生物質(zhì)纏繞房屋的每個房間結(jié)構(gòu)都是整體的，能抵抗高等級的地震；在與基礎(chǔ)連接強度超過颶風(fēng)扭力和升力時，也能經(jīng)受颶風(fēng)的襲擊。由于生物質(zhì)纏繞材料的防火等級為B1級(難燃燒材料)，防火效果好?；谏锊牧系姆€(wěn)定性，生物質(zhì)纏繞房屋的使用壽命要遠大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋。

7) 能滿足人們居住習(xí)慣和運輸方式。目前一般住房的房間規(guī)格為：寬≥3.6 m、高≥3.0 m。生物質(zhì)纏繞房屋單間凈寬為3.6～5.3 m，房間凈高為3.0～3.8 m，能滿足人們的居住習(xí)慣。同時，生物質(zhì)纏繞的外形尺寸符合高速公路限寬、限高規(guī)定，方便運輸。

8) 變不動產(chǎn)為動產(chǎn)。一般概念上的人類住宅是不動產(chǎn)的典型標(biāo)志，但在很多現(xiàn)實情況下，需要對原有建筑進行拆除，從而造成社會財富的大量浪費。生物質(zhì)纏繞房屋理論上可向任何地方遷移，使得住宅變?yōu)閯赢a(chǎn)，滿足人們搬家時對房間的依戀，因此可提高人們的幸福指數(shù)，并減少社會財富的浪費。

9) 充分利用大量閑置資源，增加農(nóng)民收入。目前中國每年可砍伐的竹子有1.5億t，而被利用的竹子只有4 000萬t，每年都有1.1億t竹資源被閑置。如果將這些閑置竹資源采用生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料技術(shù)充分利用起來，竹子種植環(huán)節(jié)可為550萬戶農(nóng)民戶均增收1.1萬元/年，竹原材料加工可解決農(nóng)村250萬勞動力就業(yè)。目前中國每年產(chǎn)生秸稈9億t，利用率約為75%，有些是作為燃料燒掉，有些被加工成低附加值的肥料等。如將50%的秸稈4.5億t用于加工生物質(zhì)纏繞房屋，價格按300元/t計算，每年可增加農(nóng)村收入1 350億元，按每戶每年3 000元計，可普惠4 500萬農(nóng)戶。

3 生物質(zhì)纏繞房屋研發(fā)及現(xiàn)狀

生物質(zhì)纏繞房屋的研發(fā)自2015年開始。2015年設(shè)計房屋纏繞工藝(圖2)，研發(fā)專門加工裝備。2017年10月世界上第1幢200 m2的2層樓生物質(zhì)纏繞房屋樣品(包括內(nèi)外裝修)試制成功，現(xiàn)場組合時間為74 min，如加上水電氣接通時間，即從現(xiàn)場組合建造到可入住不超過2 h[7](圖3、圖4)。精裝修成本價為2 500元/m2。此后，又開發(fā)了生物質(zhì)纏繞單身公寓和廁所。生物質(zhì)纏繞廁所已在四川宜賓和重慶北碚應(yīng)用。

圖2 生物質(zhì)纏繞房屋建造工藝流程Fig.2 The construction process of biomass winding composite house

圖3 生物質(zhì)纏繞房屋及其組裝Fig.3 The biomass winding composite houses and their assembly

注：a：客廳；b：餐廳；c：書房；d：臥室。圖4 生物質(zhì)纏繞房屋內(nèi)部布置Fig.4 The interior layout of biomass winding composite house

2018年首次提出了生物質(zhì)纏繞高層建筑的設(shè)計思想。高層生物質(zhì)纏繞房屋要借助于鋼材作為承重骨架，生物質(zhì)纏繞單體房間以抽屜方式嵌入架好的鋼結(jié)構(gòu)中，安裝房屋之間的門套，接通水、電、氣等設(shè)施，再外掛太陽能玻璃幕墻或石材等立面，高層建筑就此建造完成(圖5)。目前，生物質(zhì)纏繞房屋的關(guān)鍵技術(shù)已全部攻克，下一步要解決好整體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率和內(nèi)外裝修部品化的問題，以及專業(yè)組裝工具和裝備的開發(fā)。

注：左：高層建筑效果圖；右：安裝示意圖。圖5 生物質(zhì)纏繞房屋高層建筑Fig.5 The high-rise buildings with biomass winding composite

4 采用綠色低碳房屋已迫在眉睫

人類住房采用磚頭瓦片，特別是自鋼筋混凝土以來，已給地球大氣和土壤造成了很大影響，如今隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對房屋面積的要求也逐步提高，由于建筑引起對環(huán)境影響的危機已十分嚴(yán)峻。就城市鋼筋混凝土高樓而言，高標(biāo)號的鋼筋混凝土使用壽命不超過100年，在大量城市高樓使用壽命終止后，除拆除難題外，巨量的混凝土廢渣如何處理(目前有被動利用)已成為人們不得不亟需考慮的問題。同時，磚頭、瓦片、鋼筋混凝土的生產(chǎn)取自不可再生的自然資源，在生產(chǎn)過程中還會產(chǎn)生大量的碳排放。所以，住房建筑必須找到一條低碳、資源可再生、可循環(huán)利用的建造方式，與人類社會可持續(xù)發(fā)展相適應(yīng)。生物質(zhì)纏繞房屋的研發(fā)正是迎合了這一時代需求。

作為生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料之一的竹纏繞復(fù)合材料，已成功開發(fā)出大口徑壓力管道、城市綜合管廊等產(chǎn)品，制定了國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前被廣泛應(yīng)用于水利、市政工程建設(shè)等領(lǐng)域。

5 生物質(zhì)纏繞房屋的環(huán)境意義

2020年中國房地產(chǎn)銷售面積達17.6億m2，銷售額達17.36萬億元，房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)總規(guī)模超過35萬億元(不包括農(nóng)村自建房)。2020年中國粗鋼產(chǎn)量達10億t，水泥產(chǎn)量達23.7億t。粗鋼按單位耗電470 KWh/t計算，全年耗電達4700億KWh；水泥按單位耗電85 KWh/t計算，全年耗電2015 億KWh。鋼材與水泥合計總耗能為6 715億KWh。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，鋼材水泥耗能總量的60%以上是用于房地產(chǎn)開發(fā)，如加上鋼筋加工和水泥澆筑用電，耗能總量則更大。以此計算，鋼筋混凝土建筑的耗能在300 KWh/m2以上。

生物質(zhì)纏繞房屋建造能耗在200 KWh/m2以下，每年僅建造過程就可節(jié)能2 200億KWh，按每節(jié)約1 KWh電減排0.997 kg二氧化碳計算，僅節(jié)能1項，每年可減少二氧化碳排放2.19億t以上，加上生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料固碳、儲碳方面，減排量則更為可觀。

6 生物質(zhì)纏繞房屋產(chǎn)業(yè)形成的基礎(chǔ)條件

鋼筋混凝土住宅建筑已有近130年的歷史，磚頭瓦片住宅建筑更是有著近3 000年的歷史，所以要改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活習(xí)慣是件很難的事。但社會的綠色可持續(xù)發(fā)展是人類的不二選擇，應(yīng)用生物質(zhì)纏繞房屋逐步替代磚頭瓦片、鋼筋混凝土傳統(tǒng)住房，需要滿足以下基礎(chǔ)條件：

1) 生物質(zhì)纏繞房屋須具備品質(zhì)和價格優(yōu)勢。人們對于新產(chǎn)品的期望是質(zhì)優(yōu)價廉，生物質(zhì)纏繞房屋必須有舒適、安全、衛(wèi)生、使用壽命長、可便捷整體搬遷等明顯特點，且價格有競爭力。

2) 建立生物質(zhì)纏繞房屋循環(huán)利用技術(shù)模型。循環(huán)利用是研發(fā)新產(chǎn)品不可缺失的內(nèi)涵，生物質(zhì)纏繞房屋的循環(huán)利用尚處于概念階段，在大批量應(yīng)用前，要經(jīng)過充分研究、試驗，建立起科學(xué)的生物質(zhì)纏繞房屋循環(huán)利用技術(shù)模型，以此增加生物質(zhì)纏繞房屋的生命力。

3) 建立生物質(zhì)纏繞房屋技術(shù)系統(tǒng)理論。研究提出生物質(zhì)纏繞房屋的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)；研究生物質(zhì)纏繞復(fù)合材料的微觀機理和物理力學(xué)性能；研究生物質(zhì)纏繞房屋的材料選材、防霉、防蛀和防裂處理技術(shù)；研究生物質(zhì)纏繞房屋的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)；研究生物質(zhì)纏繞房屋生產(chǎn)工藝、施工工藝和工法，研發(fā)與生物質(zhì)纏繞房屋相適應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備、施工設(shè)備；建立起生物質(zhì)纏繞房屋的安全性能、使用性能、耐久性能、舒適性能評價體系；建立適合建筑信息模型(BIM)技術(shù)應(yīng)用的生物質(zhì)纏繞房屋工程管理模式等。

4) 開展生物質(zhì)纏繞房屋的全生命周期評價。采用生命周期分析方法，開展生物質(zhì)纏繞房屋的原材料獲取、材料加工、產(chǎn)品制造與運輸、工程現(xiàn)場安裝建造、運營維護、回收再利用等全生命周期環(huán)境影響評價，建立起生物質(zhì)纏繞房屋全生命周期能耗和碳排放計算模型、環(huán)境負荷數(shù)據(jù)庫、環(huán)境負荷評價體系等。

5) 生物質(zhì)纏繞房屋產(chǎn)業(yè)的推廣須上升為國家意志。太陽能、風(fēng)能發(fā)電、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)開始都是在國家有關(guān)部門強制性推行下，才逐步得到推廣壯大。雖然生物質(zhì)纏繞房屋有成本優(yōu)勢，但來自傳統(tǒng)行業(yè)及人們習(xí)慣思維的阻力仍然巨大。只有在得到國家高度認可并主導(dǎo)推動下，生物質(zhì)纏繞房屋技術(shù)才能實現(xiàn)真正的生產(chǎn)力，造福于社會。