李佳偉 李 政

北京服裝學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院

1 引言

由于休閑城市景觀建設(shè)的不斷發(fā)展,天然木材的需求量呈增長趨勢,世界各地森林面積逐漸萎縮，森林保護(hù)任務(wù)與木材市場需求之間的矛盾日益突出。同時(shí)國內(nèi)對(duì)竹木結(jié)構(gòu)的需求越來越迫切。竹鋼的開發(fā)利用有效地緩解了我國林地和生長的森林有機(jī)地的不平衡，滿足了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)在林產(chǎn)品上的各項(xiàng)需求，為后續(xù)發(fā)展開辟了一條新的道路，為推動(dòng)我國新型、綠色建筑的發(fā)展具有重大意義。

2 竹鋼概況

竹鋼——高性能竹基纖維復(fù)合材料是以資源豐富的竹材為主要原料，竹材纖維經(jīng)過定向分離、重組、復(fù)合等先進(jìn)工藝加工而成的。是我國自主研發(fā)的且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型材料，并成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。其克服了竹材直徑小、各向異性、材料不均勻等缺陷。竹材的強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)組織性能優(yōu)越，是實(shí)現(xiàn)竹子高效、高價(jià)值利用的有效途徑之一。

3 竹鋼性能

由于竹鋼良好的性能優(yōu)勢，其優(yōu)異的物理力學(xué)性能和高效經(jīng)濟(jì)的特性在多個(gè)領(lǐng)域中頗具市場潛力和機(jī)遇?！爸皲摗币言趪覚?quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，其結(jié)構(gòu)體系可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)論證和精確計(jì)算，這為“竹鋼”在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.1 物理性能

竹鋼強(qiáng)度可以達(dá)到400MPa左右，承受300MPa壓力，約等于玻璃鋼的結(jié)實(shí)程度，抗壓力是平常材料的三倍。其抗拉力是平常材料的兩倍，防腐、防蟲是優(yōu)良條件之一。

采用28小時(shí)水煮循環(huán)實(shí)驗(yàn)，證明了竹鋼的耐水性非常好。竹鋼在不經(jīng)過防霉處理的情況下，可以達(dá)到二級(jí)的防霉標(biāo)準(zhǔn)。二次防霉處理后效果最佳，同時(shí)，竹鋼的裝飾加工性十分出色。

3.2 制作工藝

將竹子改造成“竹鋼”最關(guān)鍵的一步就是疏解壓析機(jī)。通過熱壓，10多厘米厚的竹片被壓制成1cm～3cm不等的高強(qiáng)度板材毛坯，然后進(jìn)行砂光處理，再按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行裁制、拼接、加固等。一塊竹鋼可以承受300MPa壓力，和玻璃鋼的結(jié)實(shí)程度差不多，比木材、鋼材更有韌性，可以滿足異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（圖1）。

圖1 竹鋼生產(chǎn)過程

3.3 竹鋼的應(yīng)用特性及功能

竹鋼的問世是生態(tài)與科技的融合，是具有廣泛用途的高端環(huán)保新材料，是世界上強(qiáng)度最高的經(jīng)濟(jì)型人造板材，應(yīng)用范圍很廣。

3.3.1 綠色環(huán)保

隨著全球氣候的變暖，森林愈發(fā)顯得彌足珍貴，竹鋼的出現(xiàn)有效地保護(hù)了人類的生存環(huán)境。通過環(huán)保加工工藝生產(chǎn)的“竹鋼”使用時(shí)無需特殊呵護(hù)和保養(yǎng)，可以有效吸收二氧化碳及大量有害物質(zhì)。這對(duì)保護(hù)生態(tài)平衡和應(yīng)對(duì)氣候變化極其有利。

3.3.2 高強(qiáng)度

在制作過程中高性能竹纖維復(fù)合材料沒有干擾竹纖維的排列方向，并能保持竹子原有的高強(qiáng)度特性。通過權(quán)威檢測：高性能竹基纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度≥350MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)≥360MPa，抗壓強(qiáng)度≥140MPa，彈性模量≥30GPa，水煮膨脹率≤5%，由于竹鋼強(qiáng)度高、密度大，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到或超過了葉片基材和戶外板材的性能指標(biāo)要求，同時(shí)，竹鋼對(duì)于沖擊荷載和周期性疲勞損傷具有較強(qiáng)的抗力，擁有最佳的抗沖擊性能，竹鋼結(jié)構(gòu)在多種條件下，均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。

3.3.3 良好地可加工性

常規(guī)木工工藝均可操作，可裁，可鉆，可鋸，可刨，不可釘；板材厚度雖然只有20mm～35mm，長度雖然只有2500mm，但是借用優(yōu)異的雙組份拼板膠，采用直拼、疊拼、錯(cuò)逢拼、指接、螺接等方式，可獲取到厚達(dá)幾米，長達(dá)幾十米的方材；因?yàn)橹癫牟淮嬖谀静牡南x蛀和結(jié)疤等問題，加工面亦非常完整光滑，無需補(bǔ)膩。

3.3.4 耐久性和耐候性

“竹鋼”由我國資源豐富的可循環(huán)再生的慈竹、環(huán)保膠酚醛樹脂和水分組成，表面可著油、漆。精心設(shè)計(jì)和建造的現(xiàn)代竹鋼結(jié)構(gòu)建筑堅(jiān)固耐磨，即使在多雨、潮濕氣候下也不易變形，是現(xiàn)代最經(jīng)久耐用的建筑材料之一。

3.3.5 阻燃性好

防火能力達(dá)到B1級(jí)（難燃級(jí)別），且即使燃燒碳化，在一段時(shí)間內(nèi)也會(huì)無毒無煙，同時(shí)碳化表層還可以阻燃。

3.3.6 易于施工（工期短）

竹鋼具有良好的可加工性，通過拼接板材的結(jié)構(gòu)方式可采用裝配式施工，這樣施工使得竹鋼結(jié)構(gòu)-房屋、亭閣或是地板等均具有造型獨(dú)特、拆裝簡易的特點(diǎn)，且對(duì)氣候的適應(yīng)能力較強(qiáng)，不會(huì)像混凝土工程一樣需要很長的養(yǎng)護(hù)期，另外，竹鋼板材可以適應(yīng)各種溫度，即使冬季施工也不受限制。

3.4 竹鋼與木材對(duì)比

目前我國木材較為稀缺，因此利用竹子作為木材的部分替代品是非常必要的。竹鋼相比于建筑結(jié)構(gòu)用木材的力學(xué)性能受其缺陷（包含接縫、斜紋、裂紋、生長環(huán)境等）因素的影響，強(qiáng)度和力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木材。

通過高性能竹基纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，部分代替結(jié)構(gòu)用木材在木結(jié)構(gòu)、鋼-木混合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，逐漸實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料資源的自主化，推動(dòng)我國新型綠色建筑的進(jìn)一步發(fā)展。表1比較了建筑結(jié)構(gòu)中使用的兩種材料的性能。

表1 竹鋼與木材對(duì)比

4 竹鋼在景觀建筑中的應(yīng)用

竹鋼用途主要分布在室內(nèi)室外裝飾和結(jié)構(gòu)等方面。具體可廣泛運(yùn)用在集成建筑、室外棧道、門窗、墻面板等。用竹鋼做的建筑造型獨(dú)特、拆卸方便、使用壽命長、冬暖夏涼，同時(shí)能夠體現(xiàn)出當(dāng)?shù)貪夂竦拿褡逦幕?，是回歸自然享受低碳的最佳選擇。

4.1 竹鋼結(jié)構(gòu)在室外建筑中的運(yùn)用

北京國際青年?duì)I接待大廳是以竹子為原材料的全竹鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織設(shè)計(jì)的環(huán)保房，竹鋼以傾斜的姿勢與土壤親密結(jié)合，自然、環(huán)保融為一體，不僅建材80%采用竹鋼，更是太陽能、風(fēng)能等綠色能源全面使用的完整生態(tài)建筑（圖2）。

圖2 接待大廳側(cè)視圖

劉曉都大師在巴塞羅那中心廣場的作品也是用竹鋼材和標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)的，厚度只有10mm的10000片竹鋼片，以有利的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了大跨度結(jié)構(gòu)，自然的結(jié)合力減少了對(duì)扶墻拱壁的需求。

牛背山青年旅社，國內(nèi)第一個(gè)“竹鋼”的曲型結(jié)構(gòu)建筑，創(chuàng)了竹材異性結(jié)構(gòu)的先例（圖3）。

圖3 牛背山青年旅社竹鋼結(jié)構(gòu)

昭君博物館入口雨棚選擇竹鋼作為結(jié)構(gòu)用材，設(shè)計(jì)簡潔輕盈，通過傘骨結(jié)構(gòu)和正負(fù)錐形的桁架結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，寬大的室外雨棚完全由受力結(jié)構(gòu)形成，將材料受拉性能直觀表現(xiàn)于形式上，是第一個(gè)“竹鋼”材料柱梁一體化的結(jié)構(gòu)，開啟了以全竹鋼結(jié)構(gòu)融入大型公共建筑的先河（圖4）。

圖4 昭君博物院“竹鋼”雨棚

4.2 竹鋼結(jié)構(gòu)在室內(nèi)裝飾中的運(yùn)用

竹鋼的環(huán)保性較好、強(qiáng)度和韌性高，用來做家具，其吸濕性較好，不開裂，也不變形。除了環(huán)保外，保溫、隔音效果也很好，在室內(nèi)局部采用竹鋼結(jié)構(gòu)，可以做隔斷墻、背景墻、造型、地板等等，成為當(dāng)下最優(yōu)秀的室內(nèi)外裝飾材料之一。

三聯(lián)圖書館是“竹鋼”室內(nèi)外一體化呈現(xiàn)的典型建筑，竹鋼對(duì)窄邊框大尺寸大開度特型門窗進(jìn)行嘗試，也是竹鋼對(duì)海邊嚴(yán)酷環(huán)境的初次挑戰(zhàn)。

“竹鋼”紋理自然、質(zhì)密堅(jiān)硬、外觀清新高雅、零甲醛釋放，使用時(shí)無需特殊護(hù)理和保養(yǎng)，有效吸收二氧化碳及空氣中大量有害物質(zhì)。在高襠家具中有所體現(xiàn)（圖5）。

圖5 竹鋼家具

竹鋼家具紋理自然、質(zhì)密堅(jiān)硬，具有清新高雅的獨(dú)特氣質(zhì)，同時(shí)能夠凈化空氣等。

竹鋼被用作外墻和外立面的主打材料。它可以作為結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件，也可以作為外部貼面。顏色和質(zhì)地都比后期添加的裝飾材料優(yōu)良。

內(nèi)庭院外立面大面積的玻璃與竹制材料構(gòu)成簡約的現(xiàn)代主義構(gòu)圖，表達(dá)了設(shè)計(jì)師對(duì)傳統(tǒng)的尊重、對(duì)自然和生活品質(zhì)的追求（圖6）。

圖6 內(nèi)院中使用的竹鋼材料

5 竹鋼在景觀建筑中的營造

竹鋼所代表的是中國獨(dú)有的文化，是傳播中國文化的載體，在景觀建筑中能夠呈現(xiàn)出獨(dú)具特色的東方竹韻，真正詮釋在空間美學(xué)上的應(yīng)用。

上海浦東國慶寺是一座具有現(xiàn)代風(fēng)格的寺廟，通過建筑開合、庭院尺度的處理，使寺廟在都市環(huán)境包圍中呈現(xiàn)“幽、隱、靜、藏”的韻味，傳達(dá)出一種原生態(tài)且具有宗教空間精神的禪意。設(shè)計(jì)師想要打破固有的傳統(tǒng)，希望把具有現(xiàn)代化的語言轉(zhuǎn)化為某種意義上的傳統(tǒng)認(rèn)同和情感共鳴。墻體采用的是杉木模板的清水混凝土，屋頂用的是鈦鋅板金屬材料，竹鋼嵌入其中，冷暖交相輝映，自然和諧的氛圍中顯露出真實(shí)的情感（圖7）。

圖7 上海浦東國慶寺室內(nèi)效果圖

位于成都的西派國樾時(shí)代藝術(shù)中心為了營造空間的整體感受，建筑師將精神寄托于建筑之中，融入了多種圍合的空間體驗(yàn)，流動(dòng)著的空間形態(tài)有趣而開放。豎向裝飾中運(yùn)用了大量的竹鋼元素，亦有局部的垂直綠化墻相襯，讓整個(gè)建筑在清新通透的氛圍里中流連，風(fēng)格獨(dú)特，配合通透的大面積玻璃幕墻，虛實(shí)結(jié)合，增添了建筑的優(yōu)雅與神秘。建筑布局采用傳統(tǒng)的庭院群落圍合關(guān)系，既是對(duì)傳統(tǒng)文化的塑造又是對(duì)未來新的藝術(shù)的回應(yīng)（圖8）。

圖8 水景后院圖

6 結(jié)語

雖然竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨良好的發(fā)展機(jī)遇，但與其他行業(yè)相比仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)如今如何解決承重和安全性的問題；如何激發(fā)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的活力；如何開發(fā)新型材料結(jié)構(gòu)體系；特別是連接的節(jié)點(diǎn)如何滿足功能構(gòu)件的穩(wěn)定等，是我們目前面臨的首要問題。

一種集力學(xué)和美學(xué)于一身的環(huán)境友好型工程材料將在全球綠色發(fā)展的新時(shí)代肩負(fù)著重要使命。竹鋼在景觀建筑中的應(yīng)用必定會(huì)在建筑界乃至整個(gè)城市發(fā)展進(jìn)程中起到革命性的變化。