看似木，用如钢，实为竹，这种可持续的新材料，了解一下

背景

竹子是一种可持续的负碳材料——每公顷竹林的年固碳量为5.09吨，是杉木的1.46倍、热带雨林的1.33倍。而所谓固碳，就是吸收二氧化碳的能力。当我们使用竹材来建造房屋时，就等于将这些二氧化碳固定在建筑中，而新生的竹子又可以源源不断的吸收空气中的二氧化碳。木材的可持续性原理也是一样。然而，与树木相比，竹子成材的周期要短很多——竹子3-4年即可成材，一棵60英尺的树木要恢复得60年，一棵竹子只需要59天。因此，将竹材应用到工程当中具有很大的潜力和利好。

然而，一直以来，国内在工业化利用竹材上面存在一些技术瓶颈，制约了发展与应用前景。其一，以往的竹材应用通常以毛竹为主，若想达到工业化应用，需对其进行去黄去青处理，利用率低至20~50%；其二，在国内，小径竹资源占比60%以上，因其壁薄径小，无法得到高效的利用；其三，目前国内的人工处理的竹材板主要以传统的竹篾、竹片和竹条为基本单元，宽度在2公分左右，限制了其在结构用材方面的应用。

新材料的诞生

这种被称为“竹钢”的新材料，实际上是一种“高性能竹基纤维复合材料”，主要是指以竹基纤维为基本构成单元按顺纹理方向经热（冷）压胶合而成的材料。实际上就是将竹材（目前大多数采用慈竹）原料通过碾压疏解成竹丝束，然后将酚醛树脂（俗称“电木”，一种有机粘结剂）均匀导入其中，热压成型，然后固化干燥，然后便形成了这种重组竹新材料。

这项技术来源于中国林科院木材所的研究，根据相关论文和专业的结果来看，这项产品技术节省了传统的剖蔑工序，是我国在竹材加工应用领域的一项重大突破，属于竹材工业化利用的第五代技术，竹材的利用率可以提高到95%以上。

竹钢梁截面


在制备过程中，它没有打乱竹材纤维的排列方向，可以保持竹材原有的高强度的特点。通过权威检测：这种材料的抗弯强度≥350MPa，抗拉强度≥360MPa，抗压强度≥140MPa，弹性模量≥30GPa，水煮膨胀率≤5%，单位重量的强度可达到钢材的2.5倍，因此被称作“竹钢”。同时，竹钢也可以作为建筑结构的理想选材。经过实验，它对于冲击荷载及周期性疲劳破坏有很强的抵抗力，具有较好的抗震性，竹钢结构在各种条件下，均表现出优异的稳定性和结构的完整性。

高性能竹基纤维复合材料（竹钢）板材常规尺寸为2500L*1280W*20T（25、30、35）mm大板面设计，自由裁切，100%出材率，适用性更强。

除了作为常规板材，竹钢最大的突破在于它可作为梁、柱等主要结构构件应用在建筑、景观工程项目上，主要是由于以下几个特点：


1.易加工。常规木工工艺均可操作，可裁，可钻，可锯，可刨，不可钉；板材厚度虽然只有20~35mm,长度虽然只有2500mm,但是借用优异的双组份拼板胶，采用直拼、叠拼、错逢拼、指接、螺接等方式，可获取到厚达几米，长达几十米的方材；因为竹材不存在木材的虫蛀和结疤等问题，加工面亦非常完整光滑，无需补腻；
2.阻燃性好。防火能力达到B1级（难然级别），且即使燃烧碳化，在一段时间内也会无毒无烟，同时碳化表层还可以阻燃；
3.低碳环保。甲醛释放量仅为0.1 mg/L，符合欧洲E0级环保标准；
4.表面良好的附着性。可采用常规的木材着色剂，调出任意色彩；根据具体需要，表面可喷涂、擦刷各类木油、木蜡油、水性清漆、硝基清漆、醇酸清漆以及已调色后的木蜡油和调和漆；
5.易于施工。由于规格板材的商品化，竹钢更适合装配式施工，适合工厂室内定做、现场拼装加工施工方式；同时，这种材料的施工对气候的要求不高，不会像混凝土工程一样需要很长的养护期，即使冬季施工也不受限制；
6.防虫耐腐蚀。耐白腐菌和褐腐菌等级达到强耐腐水平，处理的竹材重组材在哈慈木霉、产紫青霉和烟曲霉等类霉菌作用下，平均被害值可达到1。
7.类木材外观的美观性。由于竹纤维未被破坏，竹钢整体呈现木质纤维的我外观，无需过多装饰就很美观，更具有亲和力。

昭君博物院“竹钢”雨棚

七舍合院竹钢曲梁

较于木材的优越性


我国结构用木质材料相对缺乏，目前大多数依靠从加拿大等国进口工程木材，但是竹林资源确实极其丰富，因此用竹材部分替代木材作为结构用途工程材料则显得非常必要。相比于建筑结构用木材的力学性能，竹材免受其缺陷（包含木节、斜纹、裂纹、生长环境等）等因素的影响，其力学性能具有良好的稳定性，且强度力学性能也远高于木材。

我与竹结构

笔者曾在2017年参与过一个涉及竹材应用的项目。该项目是一座十八米跨度的步行桥，位于浙江余姚的深山老林里。在选材方面，之前有其他设计师曾考虑过钢结构，但是核算成本后，造价大概高达20多万元。后来，笔者所在团队接受这一项目。考虑到周边山上遍布竹林，于是决定选用竹子作为桥梁的结构和装饰材料。最后，我们与当地的匠人共同配合，用时25天，花费2.6万元完成了一座18米的步行桥。其中，材料费5000元，其他均为人工费。

中村竹桥


在设计过程中，我主要的贡献在于结构选型和实现方面。当时尽管参考了越南武重义、港中文“无止桥”团队的一些案例，但是由于自然原竹的壁厚与直径有个体性差异，再加上我当时的经验尚浅，不足以对竹子的抗弯性能做出合理判断和预估。于是，只能通过测算和实验，大概估算原竹的轴向受力能力，对此我还是比较自信的。于是，很自然地，我就建议团队采用了桁架结构，尽最大可能使竹桥里面的竹结构构件仅受到轴向的拉力或者压力，以较短杆件满足较大跨度的需求。

在整个过程中，其实最困扰我的就是原竹材料的力学性能个体差异问题，没有办法实现准确计算。工程竹和工程木的出现与应用就可以将这个问题完美解决。

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