冷予冰 陳玲珠 王明謙 陳溪 張富文 許清風

竹子是世界上生長最快的植物之一，在竹資源分布較多的國家和地區(qū)，竹材作為建筑材料已有上千年的歷史。我國擁有悠久的竹文化歷史，也是有記錄最早開始使用竹建筑的國家。竹文化滲透于中國傳統(tǒng)文化的方方面面，北宋著名文學家蘇軾的名言“寧可食無肉，不可居無竹”，體現(xiàn)了竹在中華文明中兼具實用價值和文化傳承價值。面對全球綠色建筑日新月異、我國綠色和高質(zhì)量發(fā)展方興未艾的發(fā)展機遇，富有中華人文內(nèi)涵的現(xiàn)代竹建筑，正在也必將在生態(tài)城市、美麗鄉(xiāng)村和“一帶一路”建設中占據(jù)重要一席并發(fā)揮獨特的影響與作用。

2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上承諾，我國將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和，推動疫情后世界經(jīng)濟綠色復蘇。竹材是低碳可再生的生物質(zhì)材料，具有可再生易降解、強重比高、輕質(zhì)抗震等優(yōu)點，且導熱系數(shù)小、保溫隔熱性能好、內(nèi)部溫濕環(huán)境舒適，裝配化程度高、建造快，是綠色建筑和裝配式建筑的重要類型之一。建筑業(yè)對全球可持續(xù)發(fā)展和降低碳排放有重要的影響，在發(fā)展綠色環(huán)保生態(tài)建筑的背景下，我國作為擁有全球最豐富竹林資源和最深厚竹文化底蘊的國家，在我國推廣竹質(zhì)建材和現(xiàn)代竹結構建筑有天然的優(yōu)勢和巨大的潛力。

竹材資源豐富，圓竹建筑歷史悠久

竹子是世界上最主要的非木質(zhì)林產(chǎn)品，主要分布在北緯46°至南緯47°之間的熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)。我國是世界上最主要的產(chǎn)竹國之一，竹材種類、竹林面積、蓄積和產(chǎn)量等均居世界首位。據(jù)2018年發(fā)布的第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)，我國竹林面積641.2萬公頃，約占全球竹林面積的20%。除新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江和吉林等北方省區(qū)無竹子分布外，其他省市區(qū)都有竹子生長，主要集中在浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、廣東、廣西、貴州、四川、重慶和云南等。竹材具有一次種植永續(xù)利用的特點，正在低碳生活中發(fā)揮越來越重要的作用。

圓竹建筑在我國乃至世界范圍內(nèi)有悠久的使用歷史，在浙江河姆渡和四川金沙遺址均出土了我國早期的竹結構房屋。湖南湘西吊腳樓、西南地區(qū)傣族民居“干闌式”竹樓是傳統(tǒng)竹屋的代表，在福建土樓墻體中也普遍采用竹材作為拉結材料增強墻體的整體性能，竹材至今依舊是我國多層建筑施工或維修的主要腳手架材料之一。圓竹雖然具有天然環(huán)保的特性和深厚的資源優(yōu)勢，但其物理性能不穩(wěn)定、易干裂，單根圓竹承載力不高、節(jié)點連接復雜且易劈裂破壞，導致其在建筑工程中的應用受到諸多限制。未經(jīng)處理的竹材易受蟲蛀、腐朽和霉變的損害，耐久性能普遍不佳。圓竹難以滿足現(xiàn)代建筑業(yè)對材料的要求。

工程竹——實現(xiàn)對竹材利用的標準化和工業(yè)化

研究人員從20世紀70年代開始嘗試利用現(xiàn)代膠合工藝對圓竹進行改性重組，制成符合現(xiàn)代建筑工業(yè)需求的規(guī)格材料，當前應用較廣的工程竹材包括膠合竹、重組竹、竹席膠合板、竹席竹簾膠合板、竹材刨花板、竹篾層積材等，其中典型的建筑用工程竹材包括膠合竹、重組竹等。

膠合竹又稱竹集成材，是竹條在長度方向順紋組坯膠合壓制而成的板材或方材，膠合竹中保留了竹片單元，其材性與圓竹本身的材性相關性較大。重組竹則對竹材的加工更加深化，是以竹束或竹束片為構成單元，按順紋組坯、經(jīng)膠合壓制而成的板材或方材。膠合竹和重組竹的生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 膠合竹和重組竹的生產(chǎn)工藝

經(jīng)加工處理后的工程竹，克服了圓竹的材料缺陷和尺寸變異性，力學性能更加穩(wěn)定，將其用于工程承重結構有很大的發(fā)展空間。工程竹結構建筑在保留生態(tài)綠色的基礎上實現(xiàn)了標準化與現(xiàn)代化，符合綠色低碳和建筑工業(yè)化的行業(yè)發(fā)展需求，有廣闊的市場應用前景。

將工程竹作為結構承重用材的時間不長，在全世界范圍內(nèi)均處于探索階段。隨著越來越多的研究機構加入研發(fā)隊伍中，以及生產(chǎn)加工工藝的不斷創(chuàng)新發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了一批精美的工程竹結構建筑，如昭君博物館、牛背山青年旅社等，其特有的建筑語境充分展示了“竹”在中國現(xiàn)代建筑中所代表的精神屬性和文化屬性。圖2為工程竹結構的示范建筑。

圖2 工程竹結構示范建筑，圖片均來自《中國現(xiàn)代竹建筑》

工程竹的物理力學性能

根據(jù)國內(nèi)外研究人員的研究結果，各類膠合竹產(chǎn)品的密度為600 kg/m3～1 000 kg/m3，含水率為8%～12%，抗壓強度多在40 MPa ～60 MPa，抗拉強度多在90 MPa～140 MPa，抗彎強度多在90 MPa～120 MPa，抗彎彈性模量多在8 000 MPa～12 000 MPa，受壓和受彎破壞表現(xiàn)出較好的塑性性能，材料強重比高于鋼材，是一種綜合力學性能很好的建筑材料，可用于梁、柱、板等主要承重構件。重組竹的各項物理力學性能與制備工藝及竹材品種密切相關，在目前的生產(chǎn)工藝下，根據(jù)國內(nèi)外研究人員的測試結果，重組竹的密度為1 000 kg/m3～1 250 kg/m3，含水率為8%～10%，抗壓強度多在50 MPa～80 MPa，抗拉和抗彎強度可達120 MPa以上、甚至高達250 MPa，抗壓和抗彎彈性模量多在12 000 MPa～13 000 MPa，綜合力學性能優(yōu)異且穩(wěn)定。

從膠合竹、重組竹以及云杉木材的典型應力-應變曲線可以看出，三種材料受拉時都表現(xiàn)為線彈性直到拉斷，受壓時則表現(xiàn)出不同程度的非線性行為。對于膠合竹，單軸受壓的壓應力-應變曲線在達到約75%抗壓強度時開始進入非線性階段，而后應力隨應變非線性增長，在壓應變大約達到20 000 με時達到極限抗壓強度，此后保持穩(wěn)定的受壓平臺到超過30 000 με，最終能達到總高度10%的壓縮變形。重組竹的受壓應力-應變曲線與膠合竹類似，在約65%抗壓強度時開始進入非線性階段，而后應力隨應變非線性增長，在壓應變大約達到20 000 με～25 000 με時達到極限抗壓強度，此后隨著加載進行，抗壓能力未明顯下降，直至達到總高度4%的壓縮變形，表現(xiàn)出極好的抗壓延性。與云杉木材相比，重組竹和膠合竹均表現(xiàn)出很好的受壓延性。

工程竹構件可以實現(xiàn)標準化的高效連接

圓竹構件最傳統(tǒng)的連接方式是鋼絲或繩索綁扎以及榫接，綁扎多用于腳手架及少數(shù)民房，榫接參考了傳統(tǒng)木結構的連接方式，但開口使竹材在節(jié)點處強度減弱，易劈裂和折斷?，F(xiàn)代圓竹結構中出現(xiàn)了五金件套筒連接，但由于圓竹尺寸不統(tǒng)一，鋼制節(jié)點對精度要求較高，這種連接難以實現(xiàn)批量快速生產(chǎn)。工程竹的出現(xiàn)解決了這一問題。工程竹結構的連接節(jié)點可以參考膠合木結構，通過螺栓等金屬連接件實現(xiàn)標準化的高效連接。

基于工程竹材料的力學性能和加工性能，目前有四種節(jié)點連接形式（如圖3）。這四種形式的連接節(jié)點各有優(yōu)缺點：圖3（a）所示的鋼填板螺栓節(jié)點構造簡單，用鋼量少，適用于不同截面尺寸梁柱的連接，但初始剛度低，螺栓處易劈裂，梁柱上需要開槽，而中部開扁槽對于重組竹來說加工難度大，成本高；圖3（b）所示的鋼夾板螺栓節(jié)點構造簡單，用鋼量少，且梁柱上不需開槽，加工方便，但是要求梁柱等寬，初始剛度也較低；圖3（c）所示的T形鋼板螺栓節(jié)點和圖3（d）所示的雙L形鋼板螺栓節(jié)點安裝方便快捷，初始剛度大，承載力高，適用于不同截面尺寸梁柱的連接，但用鋼量略大。

圖3 四種工程竹結構梁柱節(jié)點形式

通過對這四種節(jié)點的單調(diào)和低周反復加載試驗發(fā)現(xiàn)，膠合竹梁柱節(jié)點的破壞主要是由于膠合竹梁在受力螺栓處順紋劈裂，而在重組竹梁柱節(jié)點中，由于重組竹的膠層較基材更薄弱，易發(fā)生重組竹層板間的膠層破壞。T形和雙L形鋼板螺栓節(jié)點雖然增大了用鋼量和加工成本，但其彈塑性剛度尤其是彈性剛度、承載力、耗能能力得到明顯提升，通過合理的設計，能夠改善節(jié)點的延性和耗能能力。

工程竹結構的耐久性能及防護設計

工程竹材經(jīng)過蒸煮、干燥或改性重組等生產(chǎn)工藝，其耐久性能要優(yōu)于未經(jīng)處理的圓竹，然而作為生物質(zhì)材料，長期暴露于室外的工程竹結構會遭受多種因素的綜合影響，如溫濕度變化、紫外線輻射、酸雨、蟲蛀等。竹材的纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)成分在自然環(huán)境下易發(fā)生老化變質(zhì)，微觀成分和物理力學性能發(fā)生不可逆變化，對結構安全性和耐久性產(chǎn)生影響。通過對已建工程竹結構示范工程的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在黑霉、脫膠、開裂等耐久性問題，長期使用存在隱患。

課題組進行了工程竹材在人工加速條件下的耐久性能試驗，研究了結構用膠合竹和重組竹在紫外線輻射、干濕循環(huán)、冷熱循環(huán)單獨作用下，以及上述因素耦合作用下的物理力學性能變化，發(fā)現(xiàn)膠合竹的力學性能受紫外線輻射的影響更大，重組竹的強度在老化前期同時受紫外線輻射、干濕和冷熱循環(huán)的影響，在后期干濕和冷熱循環(huán)對力學性能的影響更大。對工程竹結構進行防護設計是必要的，通過從構造上采取防水、防潮、防腐、防蟲技術措施，減小潮濕、腐朽、蟲蛀等危害因素對工程竹結構耐久性能的影響，結合針對性的表面或加壓浸漬防腐處理，提升工程竹結構的耐久性能。

工程竹結構的防火性能及防火設計

竹材是可燃材料，其防火性能是限制竹制工程材料推廣和應用的重要因素之一。竹材在高溫和火災下吸收熱量溫度升高，材料中的水分蒸發(fā)，含水率的改變以及材料本身的分解和炭化引起材料物理力學性能的改變。目前的研究成果表明，膠合竹的炭化性能與常用軟木（花旗松）類似，重組竹的炭化性能與常用硬木（菠蘿格）類似，重組竹的炭化速度小于膠合竹。

對工程竹結構的防火設計需要從防火驗算和防火構造兩方面進行。防火驗算采用基于有效炭化層厚度的計算方法，認為工程竹構件燃燒后會在表面形成炭化層，燃燒前的截面尺寸扣除有效炭化層厚度，即為燃燒后的剩余截面，工程竹構件經(jīng)過一定時間的燃燒后，其剩余承載力需要滿足要求。在防火構造方面，需要從結構中金屬連接件的防火處理、縫隙的封堵、防火分隔等多方面共同著手，保障工程竹結構的防火安全。

內(nèi)部缺陷的無損和微損檢測技術

生物質(zhì)材料在長期使用過程中難免會產(chǎn)生開裂、腐朽、蟲蛀等缺陷，定期的檢測維護能夠為工程竹結構的長期安全使用提供保障。傳統(tǒng)的檢測方法主要是通過目測，配合探針、塞尺等進行探測，難以識別內(nèi)部的隱蔽缺陷。隨著無損和微損檢測技術的快速發(fā)展，對工程竹結構的缺陷檢測有了越來越多的選擇，例如鉆入阻抗法、探地雷達法等。

鉆入阻抗法是采用木材阻抗儀對工程竹材料進行檢測，通過鉆入過程中材料阻抗變化，對材料內(nèi)部的腐朽、蟲蛀、裂縫等缺陷進行評定的方法，如圖4（a）所示。鉆入阻抗法能夠準確檢測膠合竹構件各種內(nèi)部缺陷的位置和幾何尺寸，誤差在10%以內(nèi)，滿足工程精度要求；由于重組竹的材料密度較大，阻抗儀的探針無法打入，因此鉆入阻抗法不適用于重組竹內(nèi)部的缺陷檢測。

圖4 鉆入阻抗法和探地雷達法檢測工程竹構件內(nèi)部缺陷

探地雷達技術通過發(fā)射天線發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，當存在開裂等缺陷或分界面時，該區(qū)域介電性質(zhì)發(fā)生變化，電磁波將產(chǎn)生反射波。利用接收天線采集反射電磁波，通過分析反射電磁波時頻特征和振幅特性，可以推斷是否存在缺陷及其所在位置。探地雷達可用于膠合竹和重組竹構件的缺陷判別，如圖4（b）所示，其在探測距離內(nèi)存在多個類似于螺栓孔洞的缺陷時，距探測表面較近的缺陷較敏感，探地雷達對螺孔缺陷和長方體缺陷深度具有較好的探測精度，探測誤差絕對值＜17.6%。

工程竹結構系列技術標準的編制

由上海市建筑科學研究院有限公司聯(lián)合國際竹藤組織、南京林業(yè)大學、東南大學等單位，歷時5年時間完成了工程竹結構系列標準的編制工作，標準已于2022年6月由中國工程建設標準化協(xié)會發(fā)布，自2022年11月1日起施行。

《工程竹結構設計標準》（T/CECS 1101-2022）對工程竹結構的材料與配件、設計原則與設計指標、構件設計、連接設計、構造設計、防火與防護設計做了規(guī)定；《工程竹結構施工及質(zhì)量驗收標準》（T/CECS 1102-2022）對工程竹結構的制作與安裝、施工安全、施工質(zhì)量驗收做了規(guī)定；《工程竹結構檢測技術標準》（T/CECS 1103-2022）對工程竹結構的材料性能檢測、尺寸偏差與變形檢測、缺陷檢測、構件防護性能檢測、連接節(jié)點檢測、結構性能檢測做了規(guī)定。三部標準將為工程竹結構的設計建造和運營維護提供技術支撐。

現(xiàn)階段要使工程竹建筑真正躋身于主流建筑市場還有很長的路要走，還有許多瓶頸需要突破，例如現(xiàn)階段的生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝對大跨度、大截面尺寸構件的制約，結構的耐久和防火問題等。鑒于竹結構建筑在改善民生、發(fā)展綠色經(jīng)濟、應對氣候變化等方面發(fā)揮的獨特作用，以及其特有的文化屬性，中國現(xiàn)代竹建筑產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展可以為落實2030可持續(xù)發(fā)展議程、建設美麗中國做出獨特的貢獻。