从系统科学的角度讲,建筑结构是一个由各种构成元素有机地连接在一起的体系[1]。这些建筑结构元素涵盖了构件、节点以及它们之间的组合方式;一种结构体系中的构成系统都是元素与元素之间相互关系、相互作用的结果。原竹作为一种基础的建筑材料,在一定程度上可以承载构造体系乃至结构体系内绝大部分的角色。作为建造材料的原竹具有这种双重特性,它的内在综合性的理应受到重视开发普及。
一.原竹作为主要建筑材料的优劣性
(一).原竹建材的优势
1.取材便捷。竹子是森林资源之一。全球竹类植物约有107多属1300多种,主要遍布在热带和亚热带区域。中国的竹林面积约500万hm2,大约占全国森林总面积的4%,占全球竹林面积的25%;其中自然分布最为丰富的是中国云南,不完全统计有26个属220余种[2]。
2.低碳节能。二氧化碳吸收量竹材大约比普通树木的高出3倍,既经济环保又符合我国可持续发展战略。竹子作为建材,成本相对低廉,原竹(以下皆以毛竹为例)4~5年即可成材,耐用性尚可,结构所占建筑面积大大降低,空间利用率大幅度提高,并且竹材属于可降解材料,迥异与钢材、混凝土等传统建筑材料会遗留千年而不被降解。
3.造型优美。竹材属于木材分类中的一大支,可传承中国古代各类建筑风格屋顶形式,例:歇山、硬山等。
4.抗震性能稳定。因为自重轻和可塑性好,所以竹材具有显着的抗震功能。即使竹材在弯曲强度方面尚显不足,但换一角度却可说是优点。竹子密度通常在500-800 千克/立方米之间,具有很高的强度,尤其抗拉强度,竹材被称为“植物钢铁”[3]。在抗击台风和地震中,竹材的弹性能够使竹楼发挥作用。例如,在1991年哥斯达黎加发生的里氏7.7级地震中,位于震中的30座竹房屋安然无恙,而周边许多混凝土房屋和旅馆难逃一劫,全部倒塌[4]。
5.满足工业化批量生产要求。装配预制式施工如同搭积木一样,所用构件都可在工厂事先完成。
(二).原竹建材的劣势
1.竹材节点之间连接困难。原竹属于空心木材,竹材由于本身特性,各节直径密实度都不一致,相应造成杆件之间拼接较难,同理节与节之间的搭接整体稳定性难以得到有效保证,势必依赖其他建筑材料。2.不易防火。原竹建筑难逃木材建筑的通性,不宜耐火。竹材356°燃点高于燃点240°C的木材;但竹材空心含水略低,一旦引火,则水分蒸发,火势极难控制,而且由于承载和围合都是竹材,受火灾的原竹建筑将是毁灭性的。3.容易劈裂。原竹属于上小下大空心锥形圆柱体, 由于尖削度偏高,中空、薄壁, 所以易遭受霉变开裂等缺陷, 由于上述原因原竹不能作为现代建筑的承载构建,而需要利用重组技术手段对原竹进行加工改良改性, 使其满足新形势新技术下赋予的使命。4.结构可靠性差。天然竹建筑的材料力学性能不稳定。目前还没有可以进行定量设计计算模型和理论,因此,在中国建立原竹作为主要承载构建的标准会很难,也很难得到批准。5.耐候性较差。影响竹子的耐候性的主要是阳光,木材热胀冷缩较钢筋水泥明显,一旦开裂,虫子等不利因素将加剧影响竹木。6.造价偏高。浙江安吉盛产竹子,当地有较多竹制品生产企业,同时也经营生产预制的竹屋、竹别墅,建筑造价一般竹别墅每平方米1300元左右。例:杭州临安锦南街道横岭村民居委会,景观建筑1600元/平方米(2012年建成含竹地板+含税)。竹建筑一层为宜,目前在造价上没有经济优势。
二.原竹建筑的施工工艺
(一).原竹材料甄选1.原竹所选至少为5-10年生质地密实、表面光滑、形态笔直的成竹。2.承载受力梁柱所选原竹直径不下于10cm。3.围和(外墙、栏杆扶手、拉结构建等)所选所用原竹直径不下于6cm。4.相邻构建节与节之间的原竹直径最大误差小于2cm。5.室内装潢所选竹片应平直光滑,壁厚、长宽宜在选取前做到排布测量,尽量做到同一墙面统一尺寸。竹片壁厚误差鉴于2-3mm之间,长宽误差同理,所用竹片色调要统一均匀。6.喷漆等其他工序应符合国家相应规范要求,这里不作赘述。
(二).基坑及独立结构柱1.基础坑容积不小于50cm×50cm×50cm。2.原竹作为独立柱应插入基座坑的正中心,埋深不小于40cm。3.基础坑浇筑标号不小于C25混凝土,浇筑混凝土捣实均匀,表面平整4.竹建筑内立柱直径误差不大于3cm,水平间距控制在3米为宜。5.独立柱应笔直坚挺,垂直度左右偏差值应小于0.5%。
(三).梁柱搭接1.下横梁开口做企口状,与立柱穿套其中,企口保证大小适中,既满足立柱顺滑插进,又满足间隙缝不大于2mm。2.梁与柱交接部位应用其他构建进行稳固处理。3.柱头部位开口,横梁紧密插入柱头,间隙缝不大于2mm。4.交接部位应用洋钉、铁丝绑扎等固定;5.梁柱杆件同样笔直坚挺,偏差值不大于0.5%。
(四).屋架1.追寻“梁强于柱子,节点更强”的原则。2. 屋面要承载较多荷载(风雪等),应设置联系梁,加强屋架的整体性。3.杆件拉结部位应采取适中的企口搭接,型号大于12号钢丝或铁丝进行辅助绑扎。4.屋架起翘部位应符合审美弧度要求,杆件弯曲自然,严禁硬拉硬折弯曲的现象,屋架四角起翘弧度方式应保持统一。4.上述原竹建筑跨度一旦大于3米,应采取钢材加以辅助。
(五).竹瓦1.竹材作为瓦屋面竹瓦长宽度、壁厚、间隔应保持统一。2.阴阳瓦有序排列,阳瓦可气钉直接钉在阴瓦之上;而阴瓦则可使用排钉钉在檩条上。3.竹节的空腔应处理干净。4.檐口竹瓦应平整,出挑长度一致,做到自然美观。5.原竹建筑顶面内须至少设置3-4厚SBS改性沥青防水卷材一道。
(六).装饰围栏、栏杆1.围栏、栏杆彼此缔连,应做企口,企口光滑平整,间隙不大于2mm。2.企口处应气钉链接,气钉必须打入竹内,钉头超出竹面的部分应进行平整处理。3.企口处应该光滑干净,如遇开裂应及时更替,毛刺应立即剔除。4.所用装饰竹栏符合审美需求。
(七).竹墙体1.竹墙采用中间泡沫夹心保温板两面竹胶板。2.夹心板厚度为5cm左右(具体看当地保温要求),竹胶板厚度控制在3mm。3.竹墙严密铺满设置,竹墙-夹芯板-竹墙应接缝错开,严格控制通缝漏风现象。4.预留的门窗孔洞,四边用4cm-6cm方木封边,方便门窗安装;门窗洞口偏差不大于5mm。
(八).竹材贴面1.外墙贴面竹片宽度为5cm左右的,内墙和吊顶贴面竹片为3cm左右。2.竹材可现场拼接再清漆二道,也可工厂预制成品。3.贴面前对竹片进行分拣筛选,选取规格、色调基本统一。4.饰面竹片可用气钉固定于木龙骨上,钉头埋入龙骨深度适宜,露头部分应磨平处理。
5.竹片目测绝不出现明显的凹凸不平现象。6.墙面图案拼凑可按图纸要求进行现场测量比对。
(九).清漆1.在喷油漆前,竹片应做清尘、去污等简单处理。
2.现场手动喷漆应均速、有效碰过竹片,保证不漏喷、不出现过密或过稀现象。
(十).原竹建筑常见的搭接处理方式1.古建筑的榫卯交接技术。2.榫卯处再用其他材料稳固措施(例:防锈螺钉锚固。如图1)
三.原竹作为建筑材料的未来之路
(一).原竹建筑材料亟需解决的诟病
竹建筑在世界建筑业中是一个非常有特色、有潜力的产业,但是目前还存在以下一些常规建筑问题亟需克服:1.竹建筑防水、隔声、气密性、保温隔热等功能方面效果有待于进一步提升。2.竹建筑目前以手工加工为主,工业化建造模式正需要研究。3.节点构造、防火和耐候性等需要在改良改性方面进一步探索研究。4.作为文化遗产的原竹建筑技术和艺术需要系统化总结、保护、传承和推广。
(二).原竹建筑材料的发展前景
1.原料充足。2.符合生态设计提出的“4Re”原则。竹类植物具有生长快、再生能力强、生长周期短的物种优势,符合生态设计提出的“4Re”原则(Reduction、Reuse、Recycling、Regeneration),是一种可持续发展的材料资源[4]。采用竹材代替传统木材作为建筑材料,对地球资源的保护有着积极的作用,延缓全球温室效应。3.国际竹建筑双年展对竹建筑的推广普及起到旗舰作用。4.政策支持、技术支持。目前各国都对低碳环保的建筑的探索和研究投入大量的人力物力,随着各地对竹子建筑的探索研究,原竹建筑越来越走进人们的生活所需。5.竹建筑工业化普及,造价下降如果竹子建筑一旦普及和竞争变大,市场竞争加剧,那么竹子建筑的单平方造价将在现在1300元左右每平方米的基础开始下浮。
参考文献:
1. 苏朝浩, 郑少鹏.建筑结构体系之演化特征初探[J]. 建筑学报,2010(06).
2.竺肇华.中国热带地区竹藤发展[M] .北京:中国林业出版社,2001.
3. 刘海燕.我国南方建筑环境中的竹文化研究[D]. 湖南大学.2007
4.张海莹.返璞归真的竹建筑[J]. 建筑装饰材料世界,2007(05).