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竹结构材料在建筑领域的应用前景

竹结构材料在建筑领域的应用前景

2013年9月14日 6:55:08
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建筑业作为我国的支柱产业,在国民经济中占有非常重要的地位。随着我国经济的持续快速发展和人民生活水平的大幅提高,人们对居住环境的要求越来越高。各种高档木结构房屋、木结构别墅开始在中国的旅游风景区、经济发达地区出现并高速发展,木结构房屋建筑成为一个新热点。

  由于大量天然木材被运用于房屋建造中,致使结构用木材采伐殆尽,而我国属于木材资源相对短缺的国家。随着我国林业政策的调整,天然林的禁止采伐,生态公益林的保护,退耕还林战略的实施,使得木材资源紧缺的问题日益突出。同时,大量砍伐森林使自然环境的生态平衡受到严重威胁,水泥、钢材等建筑材料的生产又需耗费大量的资源和能源。因此,开发出一种节能、环保、健康的绿色建筑材料已势在必行。

  竹材的特点

  我国竹类资源丰富,养竹历史悠久,竹林面积、竹子种类及经济利用水平均居世界首位,被誉为“竹子王国”。 全世界约有100属1200多种竹子,而我国计有39属约500余种,其中具有较高的经济、生态价值而被栽培、利用的有16 属200余种。

  竹子是一种天然速生材料,与木材有着相似的质感,且我国竹材资源丰富,合理开发利用竹建筑材料可缓解国内木材供需矛盾,具有十分重要的经济、社会和环境效益。 竹材色泽柔和、纹理清晰、手感光滑、富有弹性,给人以良好的视觉、嗅觉和触觉感受。它重量轻、韧性好、强度高,可以被做成桁架来解决建筑中的大跨度问题,是一种优质的建筑材料。同时,竹材又是一种生态环保的绿色建材,CO2吸收量是普通树木的4倍,具有木材加工过程中可车、可铣、可雕的工艺性能。在使用期过后,材料可以被完全回收并再次利用。竹材还是一种低能耗的建筑材料,当建筑面积相同时,竹材与混凝土的能耗比为1∶8,与钢材的能耗比为1∶50。

表1竹材、钢材及木材的抗拉强度

材料种类

类别

抗拉强度(MPa)

内侧

外侧

平均

竹材

毛竹

298.4

89.3

193.9

钢材

工钢

235.0~370.0

木材

杉木

23.1~44.0

松木

22.7~90.7

此外,“竹”所具有的特殊文化意义是不可忽视的。随着现代工业化进程的飞速发展,生活在钢筋混凝土建筑丛林中的人们开始向往回归大自然,自然与建筑的融合成为21世纪的重要课题。竹结构建筑因竹材天然的色彩、形态和质感,给人以回归自然的心理感受,容易与环境要素统一协调,在园林建筑及室内装饰中占有重要地位。竹结构建筑历史源远流长,富有自然简约、典雅秀丽、清新空灵的美感,并充满浓浓的乡土气息。为了最大限度地发挥竹材的材质美感,一些建筑设计师更是把竹子直接当作建筑材料,使其与自然景观和谐地融合在一起。

  竹建筑材料的特点

  在全球范围内绿色生态思潮的巨大冲击下,竹材作为现代建筑材料已经越来越受到人们的重视,我国得天独厚的竹材资源为竹材工业的发展奠定了坚实的物质基础。竹材在建筑业的应用中
  具有以下几点优势:

  1、与其他建筑材料如石、砖、混凝土、钢材等不可再生的矿物资源相比,竹材是一种极好的可再生资源,一般3~5a即可成材,只要合理开采、种植,可永续再用。随着竹材加工业的发展,很多速生材也可用于建筑结构中,大大缩短了再生产周期。

   2、在传统建筑材料的制造过程中,每年约消耗近百亿吨的矿物资源,同时还要消耗全国总能耗15%的能源,造成严重的资源短缺和环境污染。竹材作为建筑材料,在施工建造过程中能耗、污染方面远远小于建造砖、石和混凝土类建筑物,是很好的绿色材料。从表2建筑材料寿命周期对环境影响的比较可见,就能源利用和空气、水污染而言,竹材对环境的影响较小。

  表2 建材寿命周期对环境的影响

材料

水污染

温度效应

空气污染指数

固体废弃物

竹材

1

1

1

1

钢材

120

1.47

1.44

1.37

水泥

0.9

1.88

1.69

1.95

3、竹材的韧性好,且竹结构住宅自重轻,地震时吸收的地震力也相对较少。即使在强烈的地震中整体结构出现变形,也不会散架或垮塌。据报道,1991年在哥斯达黎加发生的里氏7.6级地震中,大批砖瓦和钢筋混凝土建筑都倒塌了,而位于震中的30座竹房屋却安然无恙。

  4、竹材导热系数小,一般竹材的导热系数为0.30W/m•k左右,具有良好的保温隔热性能。若要达到同样的保温效果,竹材需要的厚度是混凝土的1/15,是钢材的1/400;在同样的厚度条件下,竹材的隔热值比标准的混凝土高16倍,比钢材高400倍。此外,竹结构建筑的年平均湿度变化范围,保持在60%~80%之间,这与最佳居住环境相对湿度60%左右的指标最为接近。

  5、竹结构及配套部件易于定型化、标准化,实现构件的工厂预制和现场装配化施工,现场湿作业少,施工速度快,可大大提高资金的投资效益,实现住宅建筑技术集成化、产业化和工业化,提高住宅的科技含量。

  6、竹材人造板结构材料和传统的结构材料相比,具有强度高、韧性好、刚度大、变形小、尺寸稳定、性能优良等特点。其特性、结构取材、环境效益以及在住宅建筑中的使用功能、设计、施工、综合经济方面都具有优势。


  鉴于竹结构作为建筑材料具有如上所述的诸多优点,继续开展对竹结构材料的充分研究,使其在工程领域发挥更大的作用,具有特别重要的现实意义。

  竹建筑材料的应用

  新型竹结构建筑将使用原竹、竹材、竹胶合板、竹地板、竹层积材等各种结构和装饰用材,是应用竹质材料量最大、种类最多的开发项目。竹结构建筑的发展可以作为竹产业发展的龙头,带动许多相关竹加工业的发展,并能促进竹子种植的同步发展,从而形成“资源培育—产品开发与生产—原材料使用”的良性循环产业链。因此,不断扩大竹建材的应用范围,是竹类资源开发利用的战略任务之一。

  1、原竹利用
  (1)受力构件

  由于竹在长度方向上抗拉、抗压能力较好,且富有韧性与弹性,抗弯能力也很强,不易折断。因此,在一些简易房屋的构造中可将竹材作为受力构件。一般用较粗的竹秆或竹秆束作房屋的梁、柱、椽等承重材料,屋顶、墙壁、天花板则采用竹片拼接而成。这种直接由竹秆建造的房屋,由于竹秆形状为圆形,尺寸误差较大,竹秆力学强度有限,因此只能用于结构简单,承重力小的受力构件。

  (2)脚手架

  在世界范围内,以竹材作为建筑施工的脚手架已有较长的历史,甚至在现代高层建筑施工中仍在继续使用。竹材建筑脚手架主要利用大型单竹(如毛竹等)的竹秆,主要由立秆、斜秆、顶撑和大秆组成。其构造形式一般采用双排竹秆,用竹浅、麻绳或铁丝绑扎,可高达几十层,每层横向用竹脚手板联系以供交通运输之用,在中国、印度、泰国等东南亚国家得到广泛应用。与钢脚手架相比,竹脚手架有较强的抗风能力,但由于竹材径级尺寸的变异性较大,其搭建和拆卸都不如钢脚手架方便、快捷。

  (3)屋面

  竹材质轻、抗冲击、强度大、可用作屋面材料。其方式主要有以下3种。

  ①半回竹瓦屋面:取圆竹(通常选用直径7cm以上的毛竹)从中对剖为二,剔去节隔,置于遮阳处干燥后,将半圆竹凹凸相嵌并用钉固定檀条上,屋面坡度通常不宜小于30o,该种屋面施工比较简便。

  ②片状竹瓦屋面:片状竹瓦取自大直径、成熟而且新鲜的圆竹。竹片通常宽3~4cm,长度即节间距。竹瓦应在施工前进行防水、防腐处理。一般每平方米屋面约需200块片状竹瓦,屋面最小坡度应不小于30o。

  ③竹席波形瓦屋面:竹席波形瓦系四川省林科所近年来开发的一种竹制建筑材料,该瓦是用竹编后的黄蔑编织成席,继经涂胶,再在金属波形模具上热压而成。它具有幅面大,施工方便等特点。现用于活动房屋、车站月台和凉棚等的屋面。

  2、竹材人造板

  (1)竹材胶合板

  竹材胶合板是以带沟槽的等厚竹片为其构成单元,按相邻层相互垂直组坯成对称结构的板坯,热压胶合而成的一种竹材人造板。竹材胶合板强度高,刚性好,可以大大降低建筑物的自重,是一种优良的工程结构材料,可用于屋顶或外墙覆面、楼面底板、楼面、墙面装饰面板等,但由于竹材胶合板生产工艺复杂、设备投入量大、工艺过程难以控制、对原料的要求高,因此其发展受到了一定的限制。

  (2)竹材刨花板

  将低质或速生材加工成长形薄刨花,拌胶后按一定的方向排列压制成刨花板。外层刨花与板的长度方向水平,内层刨花则随机铺设或互相交叉。其特点是单向强度高,刚性大,具有较强的耐水性以及较低的膨胀率。它是代替木材人造板和夹心板作为预制房屋墙体、隔断和门板的较好材料,并可用于屋顶或外墙覆面、楼面底板等。

  (3)竹材层压板

  竹材层压板是用一定规格的竹篾,经干燥、浸胶、干燥、组坯、热压胶合而成的一种竹材人造板。竹材层压板的纵向强度和刚度很高,但横向强度很低,其结构类似于重组木,一般作为工程结构材料。在预制房屋制造中可努力发挥其力学特点,用于横梁、柱体、门板、楼梯扶手和承重墙体等所受荷载较大或要求较高部件的制造。可代替大量钢材水泥和木质人造板。

  (4)竹建筑用混凝土模板

  竹建筑用混凝土模板以竹席或竹帘为主要原料,通过浸胶、干燥、组坯、热压等竹材胶合层积板工艺生产。比钢模板重量轻,单模面积大,施工方便;比木模板强度高,使用寿命长,吸水率低,几乎无膨胀和收缩;比塑模板成本低、无污染,可避免破坏性的森林砍伐和能源污染。

  竹建筑材料的前景

  近些年全球森林面积急剧下降,而竹类植物以其独特的生物学、生态学特性,兼具良好的经济、生态和社会效益,竹林面积以每年3%的速度递增。因此,竹类植物被认为是21世纪最具发展空间和发民展潜力的植物。

  2005年11月国务院办公厅转发了国家发改委等部门《关于加快推进木材节约和代用工作的意见》,文件中指出“以竹代木”是我国木材资源紧缺条件下的发展方向。近年来,国际竹藤组织(INBAR)不仅出版了竹建筑设计的技术报告,还与国际标准化组织(ISO)合作,着手制订竹建筑的有关标准和规范,这将有利于竹建筑的规范、设计和推广。

  竹结构建筑以其优越的居住性能和生态效益,开始掀起一股绿色风潮。竹材用于现代住宅建筑,从地基到框架结构,从框架系统到屋面桁架,从地板到家具再到外部覆层和室内装修及橱柜,每到一处,竹材都置身其中。竹材加工处理技术还可以将竹子加工成墙板、梁、柱、楼板、屋架等各种结构构件。

  除了在传统的基础上利用竹材外,竹子还被开发出了更多、 更新的用途,“以竹代木”成为国内外木材业的发展方向。利用现代复合、重组技术,以竹材为原料替代木材制造各种性能优良的高档建筑材料,满足不同房屋及其结构组件的性能要求。此类建筑材料的开发及应用,将为处于贫困状态的广大产竹区人民提供一条新的致富之路,势必成为竹材利用新的发展方向。在政府和国际组织对竹材发展的积极推动下,竹子作为绿色建材在建筑业的应用必将会有的广阔的发展前景。

  结语

  当前,环境保护成为永恒的主题。传统的钢筋混凝土结构和钢结构已逐渐暴露出其固有的缺陷,“绿色建筑”呼之欲出。作为房屋建造最古老的建筑材料之一,竹材来源广泛、价格便宜、加工容易,是一种集力学和美学等多方面优势为一体的优质绿色建材,必将在一定范围内取代钢和混凝土成为主要建筑材料和结构形式。我国林业科技工作者应加大竹结构建筑研究力度,突破传统生产方式和利用模式的局限,依靠科技,全面提升竹材在建筑行业的综合利用水平,使人、建筑与自然生态环境之间形成一个良性的生态循环系统。