在建筑工程中由于大量天然木材被運用于房屋建造中,致使結構用木材采伐殆盡,而我國屬于木材資源相對短缺的國家。隨著我國林業政策的調整,天然林的禁止采伐,生態公益林的保護,退耕還林戰略的實施,使得木材資源緊缺的問題日益突出。同時,大量砍伐森林使自然環境的生態平衡受到嚴重威脅,水泥、鋼材等建筑材料的生產又需耗費大量的資源和能源。因此,開發出一種節能、環保、健康的綠色建筑材料已勢在必行。

 一、國內竹子特點有哪些

 我國竹類資源豐富,養竹歷史悠久,竹林面積、竹子種類及經濟利用水平均居世界首位,被譽為“竹子王國”。 全世界約有100屬1200多種竹子,而我國計有39屬約500余種,其中具有較高的經濟、生態價值而被栽培、利用的有16 屬200余種。

 竹子是一種天然速生材料,與木材有著相似的質感,且我國竹材資源豐富,合理開發利用竹建筑材料可緩解國內木材供需矛盾,具有十分重要的經濟、社會和環境效益。 竹材色澤柔和、紋理清晰、手感光滑、富有彈性,給人以良好的視覺、嗅覺和觸覺感受。它重量輕、韌性好、強度高,可以被做成桁架來解決建筑中的大跨度問題,是一種優質的建筑材料。同時,竹材又是一種生態環保的綠色建材,CO2吸收量是普通樹木的4倍,具有木材加工過程中可車、可銑、可雕的工藝性能。在使用期過后,材料可以被完全回收并再次利用。竹材還是一種低能耗的建筑材料,當建筑面積相同時,竹材與混凝土的能耗比為1∶8,與鋼材的能耗比為1∶50。

 此外,“竹”所具有的特殊文化意義是不可忽視的。隨著現代工業化進程的飛速發展,生活在鋼筋混凝土建筑叢林中的人們開始向往回歸大自然,自然與建筑的融合成為21世紀的重要課題。竹結構建筑因竹材天然的色彩、形態和質感,給人以回歸自然的心理感受,容易與環境要素統一協調,在園林建筑及室內裝飾中占有重要地位。竹結構建筑歷史源遠流長,富有自然簡約、典雅秀麗、清新空靈的美感,并充滿濃濃的鄉土氣息。為了最大限度地發揮竹材的材質美感,一些建筑設計師更是把竹子直接當作竹建筑材料,使其與自然景觀和諧地融合在一起。

 二、竹子作為竹建筑材料有哪些特點

 在全球范圍內綠色生態思潮的巨大沖擊下,竹材作為現代建筑材料已經越來越受到人們的重視,我國得天獨厚的竹材資源為竹材工業的發展奠定了堅實的物質基礎。竹材在建筑業的應用中具有以下幾點優勢:

 1、與其他建筑材料如石、磚、混凝土、鋼材等不可再生的礦物資源相比,竹材是一種極好的可再生資源,一般3~5a即可成材,只要合理開采、種植,可永續再用。隨著竹材加工業的發展,很多速生材也可用于建筑結構中,大大縮短了再生產周期。

 2、在傳統建筑材料的制造過程中,每年約消耗近百億噸的礦物資源,同時還要消耗全國總能耗15%的能源,造成嚴重的資源短缺和環境污染。竹材作為建筑材料,在施工建造過程中能耗、污染方面遠遠小于建造磚、石和混凝土類建筑物,是很好的綠色材料。從表2建筑材料壽命周期對環境影響的比較可見,就能源利用和空氣、水污染而言,竹材對環境的影響較小。

 3、竹材的韌性好,且竹結構住宅自重輕,地震時吸收的地震力也相對較少。即使在強烈的地震中整體結構出現變形,也不會散架或垮塌。據報道,1991年在哥斯達黎加發生的里氏7.6級地震中,大批磚瓦和鋼筋混凝土建筑都倒塌了,而位于震中的30座竹房屋卻安然無恙。

 4、竹材導熱系數小,一般竹材的導熱系數為0.30W/m•k左右,具有良好的保溫隔熱性能。若要達到同樣的保溫效果,竹材需要的厚度是混凝土的1/15,是鋼材的1/400;在同樣的厚度條件下,竹材的隔熱值比標準的混凝土高16倍,比鋼材高400倍。此外,竹結構建筑的年平均濕度變化范圍,保持在60%~80%之間,這與最佳居住環境相對濕度60%左右的指標最為接近。

 5、竹結構及配套部件易于定型化、標準化,實現構件的工廠預制和現場裝配化施工,現場濕作業少,施工速度快,可大大提高資金的投資效益,實現住宅建筑技術集成化、產業化和工業化,提高住宅的科技含量。

 6、竹材人造板結構材料和傳統的結構材料相比,具有強度高、韌性好、剛度大、變形小、尺寸穩定、性能優良等特點。其特性、結構取材、環境效益以及在住宅建筑中的使用功能、設計、施工、綜合經濟方面都具有優勢。

 鑒于竹結構作為建筑材料具有如上所述的諸多優點,繼續開展對竹結構材料的充分研究,使其在工程領域發揮更大的作用,具有特別重要的現實意義。

 三、竹建筑材料的應用

 新型竹結構建筑將使用原竹、竹材、竹膠合板、竹地板、竹層積材等各種結構和裝飾用材,是應用竹質材料量最大、種類最多的開發項目。竹結構建筑的發展可以作為竹產業發展的龍頭,帶動許多相關竹加工業的發展,并能促進竹子種植的同步發展,從而形成“資源培育—產品開發與生產—原材料使用”的良性循環產業鏈。因此,不斷擴大竹建材的應用范圍,是竹類資源開發利用的戰略任務之一。

 1、原竹利用

 (1)受力構件

 由于竹在長度方向上抗拉、抗壓能力較好,且富有韌性與彈性,抗彎能力也很強,不易折斷。因此,在一些簡易房屋的構造中可將竹材作為受力構件。一般用較粗的竹稈或竹稈束作房屋的梁、柱、椽等承重材料,屋頂、墻壁、天花板則采用竹片拼接而成。這種直接由竹稈建造的房屋,由于竹稈形狀為圓形,尺寸誤差較大,竹稈力學強度有限,因此只能用于結構簡單,承重力小的受力構件。

 (2)腳手架

 在世界范圍內,以竹材作為建筑施工的腳手架已有較長的歷史,甚至在現代高層建筑施工中仍在繼續使用。竹材建筑腳手架主要利用大型單竹(如毛竹等)的竹稈,主要由立稈、斜稈、頂撐和大稈組成。其構造形式一般采用雙排竹稈,用竹淺、麻繩或鐵絲綁扎,可高達幾十層,每層橫向用竹腳手板聯系以供交通運輸之用,在中國、印度、泰國等東南亞國家得到廣泛應用。與鋼腳手架相比,竹腳手架有較強的抗風能力,但由于竹材徑級尺寸的變異性較大,其搭建和拆卸都不如鋼腳手架方便、快捷。

 (3)屋面

 竹材質輕、抗沖擊、強度大、可用作屋面材料。其方式主要有以下3種。

 ①半回竹瓦屋面:取圓竹(通常選用直徑7cm以上的毛竹)從中對剖為二,剔去節隔,置于遮陽處干燥后,將半圓竹凹凸相嵌并用釘固定檀條上,屋面坡度通常不宜小于30o,該種屋面施工比較簡便。

 ②片狀竹瓦屋面:片狀竹瓦取自大直徑、成熟而且新鮮的圓竹。竹片通常寬3~4cm,長度即節間距。竹瓦應在施工前進行防水、防腐處理。一般每平方米屋面約需200塊片狀竹瓦,屋面最小坡度應不小于30o。

 ③竹席波形瓦屋面:竹席波形瓦系四川省林科所近年來開發的一種竹制建筑材料,該瓦是用竹編后的黃蔑編織成席,繼經涂膠,再在金屬波形模具上熱壓而成。它具有幅面大,施工方便等特點。現用于活動房屋、車站月臺和涼棚等的屋面。

 2、 竹材人造板

 (1)竹材膠合板

 竹材膠合板是以帶溝槽的等厚竹片為其構成單元,按相鄰層相互垂直組坯成對稱結構的板坯,熱壓膠合而成的一種竹材人造板。竹材膠合板強度高,剛性好,可以大大降低建筑物的自重,是一種優良的工程結構材料,可用于屋頂或外墻覆面、樓面底板、樓面、墻面裝飾面板等,但由于竹材膠合板生產工藝復雜、設備投入量大、工藝過程難以控制、對原料的要求高,因此其發展受到了一定的限制。

 (2)竹材刨花板

 將低質或速生材加工成長形薄刨花,拌膠后按一定的方向排列壓制成刨花板。外層刨花與板的長度方向水平,內層刨花則隨機鋪設或互相交叉。其特點是單向強度高,剛性大,具有較強的耐水性以及較低的膨脹率。它是代替木材人造板和夾心板作為預制房屋墻體、隔斷和門板的較好材料,并可用于屋頂或外墻覆面、樓面底板等。

 (3)竹材層壓板

 竹材層壓板是用一定規格的竹篾,經干燥、浸膠、干燥、組坯、熱壓膠合而成的一種竹材人造板。竹材層壓板的縱向強度和剛度很高,但橫向強度很低,其結構類似于重組木,一般作為工程結構材料。在預制房屋制造中可努力發揮其力學特點,用于橫梁、柱體、門板、樓梯扶手和承重墻體等所受荷載較大或要求較高部件的制造。可代替大量鋼材水泥和木質人造板。

 (4)竹建筑用混凝土模板

 竹建筑用混凝土模板以竹席或竹簾為主要原料,通過浸膠、干燥、組坯、熱壓等竹材膠合層積板工藝生產。比鋼模板重量輕,單模面積大,施工方便;比木模板強度高,使用壽命長,吸水率低,幾乎無膨脹和收縮;比塑模板成本低、無污染,可避免破壞性的森林砍伐和能源污染。

 四、竹結構材料在建筑領域的應用前景

 近些年全球森林面積急劇下降,而竹類植物以其獨特的生物學、生態學特性,兼具良好的經濟、生態和社會效益,竹林面積以每年3%的速度遞增。因此,竹類植物被認為是21世紀最具發展空間和發民展潛力的植物。

 2005年11月國務院辦公廳轉發了國家發改委等部門《關于加快推進木材節約和代用工作的意見》,文件中指出“以竹代木”是我國木材資源緊缺條件下的發展方向。近年來,國際竹藤組織(INBAR)不僅出版了竹建筑設計的技術報告,還與國際標準化組織(ISO)合作,著手制訂竹建筑的有關標準和規范,這將有利于竹建筑的規范、設計和推廣。

 竹結構建筑以其優越的居住性能和生態效益,開始掀起一股綠色風潮。竹材用于現代住宅建筑,從地基到框架結構,從框架系統到屋面桁架,從地板到家具再到外部覆層和室內裝修及櫥柜,每到一處,竹材都置身其中。竹材加工處理技術還可以將竹子加工成墻板、梁、柱、樓板、屋架等各種結構構件。

 除了在傳統的基礎上利用竹材外,竹子還被開發出了更多、 更新的用途,“以竹代木”成為國內外木材業的發展方向。利用現代復合、重組技術,以竹材為原料替代木材制造各種性能優良的高檔建筑材料,滿足不同房屋及其結構組件的性能要求。此類建筑材料的開發及應用,將為處于貧困狀態的廣大產竹區人民提供一條新的致富之路,勢必成為竹材利用新的發展方向。在政府和國際組織對竹材發展的積極推動下,竹子作為綠色建材在建筑業的應用必將會有的廣闊的發展前景。

 當前,環境保護成為永恒的主題。傳統的鋼筋混凝土結構和鋼結構已逐漸暴露出其固有的缺陷,“綠色建筑”呼之欲出。作為房屋建造最古老的建筑材料之一,竹材來源廣泛、價格便宜、加工容易,是一種集力學和美學等多方面優勢為一體的優質綠色建材,必將在一定范圍內取代鋼和混凝土成為主要建筑材料和結構形式。我國林業科技工作者應加大竹結構建筑研究力度,突破傳統生產方式和利用模式的局限,依靠科技,全面提升竹材在建筑行業的綜合利用水平,使人、建筑與自然生態環境之間形成一個良性的生態循環系統。