浅谈竹结构及其应用前景

▲  原竹结构使用性能与局限性

竹结构具有特殊的微观构造，其组成主要为厚壁细胞的维管束与薄壁细胞。相较于其他建筑材料，竹的天然属性和较高刚度、强度主要源自于纤维厚壁细胞维管束的轴向整齐排列（图1）。

图1  竹结构的微观构造

然而竹材因取自天然有机生物材料，自身确实具有局限性。首先，原竹材力学性能的不均匀和不确定性较强。竹材属于各向异性材料，其三维力学性能复杂，差异性大，不同部位、竹龄、不同含水率的竹材，力学性能均不相同。图2为竹顺纹、横纹的抗压应变曲线。其次，圆竹结构易开裂。圆竹维管束顺纹生长，其横向缺少约束，故顺纹抗剪切强度与横纹抗拉强度较低（见表1），加之竹内外维管束密度不匀、大小不均，内外干缩率均不相同致使原竹易发生开裂。第三，竹为可燃材料，虽然其燃点通常高于常见建筑木材的燃点，但由于竹为空心结构，且含水量较少，因此一旦燃烧其结构损坏更为严重。第四，未经处理的竹的耐久性能较差，因其含有淀粉成分，易受微生物侵蚀，在使用中需额外对其进行干燥、耐腐处理。

 图2  竹的抗压应力-应变关系曲线

▲  原竹结构应用状况与突破

竹结构在中国有着悠久的历史，被用于大量民居乃至桥梁等结构中。原竹节点中最常见的连接方式是用棕绳或铁丝绑扎连接（见图3），另一种常见的连接方式是用竹销（又称穿斗式连接）或螺栓连接，但由于开凿过程对原竹造成破坏，易发生劈裂。而钢构件与钢板的加入使原竹连接更牢固且易安装。竹钢节点成为一种受力上更合理的选择。20世纪80年代冯纪忠先生于方塔园设计的何陋轩中就采用了原竹嵌入金属件内的连接方式。在圆竹空心部分灌注混凝土或其他填充物以增加其强度与耐久性也使竹结构在现代建筑的应用得到进一步的推广。

图3  竹结构连接方式

在盛产建筑用竹的亚洲就涌现出一批优秀的现代建筑师与原竹结构建筑作品。愈发成熟的原竹建筑建构技术和合理的设计，证明了原竹结构建筑同样能满足现代建筑的使用需求与审美标准。如日本建筑师隈研吾设计的公社之屋（图4），利用原竹材料同样设计出了现代建筑的大方简洁；越南著名竹建筑大师武重义先生用传统油浸棕绳方式配合框架或拱券结构设计、创造出一系列精美的原竹建筑（图5）。

图4  公社之屋

图5  越南海湾竹结构休闲中心

▲  常见工程竹制作与性能简介

工程竹既保留了原竹绿色、环保、亲和的特性，又在传统竹结构的力学特性及竹材加工量产、质量控制上有突破，将竹结构在建筑中的应用推向新的广度与高度。工程竹主要分为竹篾积成材、竹集成材（胶合竹）、竹重组材三大类（图6），后两者最为常见。胶合竹通常由原竹抽取竹条压制而成，重组竹则由预先压碎的竹条通过高压压制而成。

各类竹集成材均是综合力学性能良好的建筑材料，其强重比高于钢材，可用作受力构件。根据ASTM D5456中数据，工程竹的弹性模量可达到13,200MPa，弯曲强度可达90MPa，顺纹抗拉强度可达200MPa，顺纹抗压强度可达95MPa，相比于常用木材的力学性能指标要高出15%~20%。

图6  工程竹的分类

▲  工程竹结构应用与突破

工程竹在建筑结构领域的应用起步尚晚，大型建筑中较少使用工程竹作为结构部分。而工程竹截面形式同木结构构件相似，因此目前工程竹结构连接大多参照木结构体系的连接方式，如榫卯连接、螺栓连接及螺栓和金属件组合连接等（图7）。

图7  工程竹结构连接方式

随着对工程竹认识的加深，一些商业建筑开始尝试采用工程竹作为结构用材，如位于四川乐至报国寺禅修中心的大跨度屋面，由轻型、易于拼接的小型重组竹杆件组成的空间网架结构实现（图8）；再如美国伊利诺伊州机场中工程竹被大胆应用于机场屋面的结构檩条中（图9）。

图8  乐至报国寺禅修中心

图9  美国伊利诺伊州机场

从国际市场趋势来看，工程竹结构的应用前景将越来越明朗。目前工程竹已被纳入ASTM美国材料试验协会国际标准（ASTM D5456《用于结构复合木材评估的标准规范》），随着现代木竹结构关键技术研究及规范体系构建以及工程应用的成熟，工程竹结构将被因地制宜地应用于更多现代建筑中。

▲  建筑用竹结构使用性能优势分析

从竹结构自身物理性能角度看，竹相较于混凝土和钢具有更好的保温性，且在中国常见建筑用竹木结构中，其各项物理指标也相较常用木材要高出15%~20%（见表2）。如前文所述，竹材的强重比要高于钢材。此外，受力设计合理的轻质原竹结构具有相对良好的抗震性能。因此，在与多种材料对比下，竹是综合性能良好且性价比较高的结构材料（见表3、表4）。

▲  建筑竹结构在生态保护与节能上独具优势

从环境保护与节能角度来看，竹结构建筑低碳、绿色，搭配合理的制造工艺，可满足从取材、建构到拆毁、回收全周期对环境无危害的生态建筑标准。且竹材本身作为可再生资源，其生长周期相对较短。在全球木材急剧减少的同时，世界竹材却在逐年增多。且经过高温、高压合成、处理的高性能竹基纤维复合材料（又称“竹钢”，其性能见表5、表6）拉压强度均比普通钢材高，而批量生产成本相当，寿命可达50年。在建筑结构中“钢竹木是一家”，“以竹代钢”，“以竹代木”也未必不是一个可行的“可持续发展”新方案。

▲  竹文化与自然亲和力赋予建筑独特魅力

从环境与人文关怀角度看，建筑作为人居环境的重要载体，在满足基本的安全、功能等需求的基础上，人在空间中的感受是建筑设计的核心。而竹木材料属于生物质材料，其天然具有温润、亲和的特性，相较于钢、混凝土等人造无机材料，更能使人在空间中产生亲和自然的舒适感受。这一点的重要性，尤其体现在当今生活在工业化城市中居民愈发强烈的自然追求和人文关怀诉求上。

竹结构建筑的应用在上世纪80年代曾相对停滞。直到2000年后，随着可持续发展理念和国际交流的不断深入，许多国际建筑师有意识地将“竹”与东方文化联系起来，并在中国开展了许多有关圆竹建筑的实践项目，圆竹建筑材料才重新回归国人视线。作为中国传统文化的重要符号，竹有着更深刻的文化底蕴和超越其物理形态的精神寄托——风雅与坚韧不拔。且无论是在古代民间文化还是士大夫文化中，竹结构建筑都能做到雅俗共赏。新时代对建设“特色城乡”的号召以及使用现代手段对传统艺技的传承的需求，都为现代竹结构发展提供了良好的发展机遇。

此外，竹木作为生态材料，其在建筑使用中的魅力还体现在舒适性与“亲和力”。竹材与木材一样，无论在颜色质感上还是气味上都能给人以愉悦感。这一点在建筑实际应用中颇为重要，在环境中亲和舒适的建筑能缓解人的紧张与焦虑。在精神需求日益增长的时代建筑不再仅是承担着一定功能的效率盒子，最终还要回到人自身的使用感受，而竹、木这类拥有自然属性材料的使用一定程度上可将人从现代钢筋混凝土森林中解放出来，因此竹同样受到当下许多设计师与大众使用者的青睐。

▲  竹结构发展前景——未来“绿色低碳”建筑中的重要角色

要实现人类可持续发展的时代命题，阻止全球变暖迫在眉睫。而如何实现“碳中和”是建筑领域不可逃避的课题。预制工业化生产、可再生材料与超低能耗建筑都为其提供了多种思路，同时也为新时代竹结构的更广泛应用提供了无限可能。基于前文对竹结构性能与应用的分析，可得出此猜想：现代竹结构或成为未来“绿色低碳”建筑中的重要角色。

装配式建筑因避免了湿作业的环境污染与较高能耗，因而在环保与节能上有着不可否认的优势。而随着预制工业化生产技术的进步，竹结构也有望实现对质量的精准控制与批量化、模数化生产。基于前文对竹结构技术突破的分析，未来甚至可以畅想环保量大的竹材与数字化智能生产相结合，3D打印技术的推广对竹构件精准个性化预制的革新，结合更加精妙、合理的结构计算选型与建筑节点设计，这一领域的发展或将成为“中国智造”的又一新篇章。

我国木材资源短缺与钢材需求持续增长的问题将促使建筑领域更加关注“以竹代钢”、“以竹代木”的可能性。在钢材较稀缺的时代，竹材曾被用于代替钢筋使用，20世纪中期，中国曾有一批竹筋混凝土结构建成，但后因发现承载力仍有不足而停止使用。而如前文所述，随着高性能竹基纤维复合材料“竹钢”的诞生，通过高效开发竹资源缓解国家森林资源不足，控制建筑用钢量与碳排量这一理念将逐步落于实践。

超低能耗建筑竹材可用作保温隔热性能及气密性更高的围护结构。因为对其合理的应用与设计将有助于实现更多样、廉价的被动式超低能耗建筑。例如，2021年全球十大低碳建筑之一位于印度尼西亚巴厘岛绿色学校（Green School）新建筑“弧（The Arc）”（图10） 便是竹拱结构建筑，旨在用最少材料提供最大占地面积。顶篷顶部与底部开口的自然通风，配合当地热带气候可实现零空调使用，极大地降低了建筑使用过程中的碳排放。

图10   绿色校园里的轻质竹建筑The Arc

竹结构的实际应用可以通过Panyaden国际学校体育馆（图11~16）这一案例来更清晰地说明。该建筑位于泰国清迈，是现代工程技术与传统天然竹材的结合典范。首先建筑结构充分考虑其力学性能与使用安全性，能够承受当地诸如高速风、地震等自然荷载。整个建筑使用轻质环保的竹结构，未使用钢筋或其他连接体，部分连接处通过麻绳捆扎，且经过特殊处理的竹结构能使建筑寿命至少长达50年，实现了可再生材料对传统钢材与混凝土的替代。设计同样顺应了现代建筑的装配预制化趋势，独创了跨度可超17m的预制竹桁架结构，能够在运至现场后快速搭建。竹材配合巧妙设计，使建筑能够自然通风与保温甚至整个建筑体中竹所吸收的碳高于原料加工运输和建造过程中的碳排放，实现了零碳能耗。

图11  Panyaden国际学校体育馆整体外观

图12  Panyaden国际学校体育馆部分设计概念草图

图13  Panyaden国际学校体育馆竹结构节点及室内预制竹桁架1

图14  Panyaden国际学校体育馆竹结构节点及室内预制竹桁架2

图15  Panyaden国际学校体育馆建筑剖面图和结构计算图

图16  Panyaden国际学校体育馆结构与覆盖系统3D模型图

▲  完善相关标准，挖掘竹结构绿色潜能

竹作为绿色生态材料引起了国际界愈发广泛的关注与应用。例如即便在竹材相对较少的欧洲，竹结构也同样受到欧盟的重视。从“欧洲竹子行动计划”中可见该材料的发展潜力，在德国甚至已形成一套完善的竹结构标准体系。

而反观国内，竹仍然作为一种非主流建筑结构材料，其使用受到国内尚未完善的标准与政策的制约。值得注意的是，中国竹资源储量为世界第一，这一得天独厚的条件从一定程度上赋予了竹结构广泛试验与应用更高的可行性。然而，现实中圆竹与工程竹在建筑结构上的使用仍然较少。中国现行竹建筑相关标准绝大多数都是相关工艺制品标准，在建筑工程领域的标准配套相对缺失。

所以未来应进一步提高对竹结构的发展和其潜能的关注，增加相关的基础研究以解决竹材在建筑结构中的技术问题与质量问题，加快竹结构标准体系的建立，并在相关专业培训领域增设课程，同时对大众普及竹结构建筑知识，增加社会认同度并推广应用，只有自主创新与积极借鉴并行才能挖掘竹结构的绿色潜能并将其发挥到极致。

本文欲提起大众关注的是，竹材作为可再生的有机材料，产量大且绿色环保，这一独特优势是传统的钢筋混凝土、钢材等人造无机材料所无法取代的。且竹结构在建筑应用中本就已有文化底蕴与美学价值。要想充分挖掘和发挥竹结构的潜能，需要持续、深入地研究竹结构建筑并增加社会性科普，使其得到实际意义上的应用与推广。国内专业人士可在竹结构的未来应用上进行更大胆的猜想并应坚信竹结构的独特气质必将为建筑创造更多可能，带来更大突破。