本文来自微信公众号：世界科学 （ID：World-Science），作者：冷予冰、陈玲珠、王明谦、陈溪、张富文、许清风，原文标题：《竹子难以满足现代建筑业的要求，但科学家把它运用到中国现代建筑中 | 启明星之声》，题图来自：萬一
竹子是世界上生长最快的植物之一，在竹资源分布较多的国家和地区，竹材作为建筑材料已有上千年的历史。我国拥有悠久的竹文化历史，也是有记录最早开始使用竹建筑的国家。竹文化渗透于中国传统文化的方方面面，北宋著名文学家苏轼的名言“宁可食无肉，不可居无竹”，体现了竹在中华文明中兼具实用价值和文化传承价值。
面对全球绿色建筑日新月异、我国绿色和高质量发展方兴未艾的发展机遇，富有中华人文内涵的现代竹建筑，正在也必将在生态城市、美丽乡村和“一带一路”建设中占据重要一席并发挥独特的影响与作用。
2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上承诺，我国将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和，推动疫情后世界经济绿色复苏。
竹材是低碳可再生的生物质材料，具有可再生易降解、强重比高、轻质抗震等优点，且导热系数小、保温隔热性能好、内部温湿环境舒适，装配化程度高、建造快，是绿色建筑和装配式建筑的重要类型之一。
建筑业对全球可持续发展和降低碳排放有重要的影响，在发展绿色环保生态建筑的背景下，我国作为拥有全球最丰富竹林资源和最深厚竹文化底蕴的国家，在我国推广竹质建材和现代竹结构建筑有天然的优势和巨大的潜力。
竹材资源丰富，圆竹建筑历史悠久
竹子是世界上最主要的非木质林产品，主要分布在北纬46°至南纬47°之间的热带、亚热带和温带地区。我国是世界上最主要的产竹国之一，竹材种类、竹林面积、蓄积和产量等均居世界首位。
据2018年发布的第九次全国森林资源清查数据，我国竹林面积641.2万公顷，约占全球竹林面积的20%。除新疆、内蒙古、黑龙江和吉林等北方省区无竹子分布外，其他省市区都有竹子生长，主要集中在浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、广东、广西、贵州、四川、重庆和云南等。
竹材具有一次种植永续利用的特点，正在低碳生活中发挥越来越重要的作用。
圆竹建筑在我国乃至世界范围内有悠久的使用历史，在浙江河姆渡和四川金沙遗址均出土了我国早期的竹结构房屋。湖南湘西吊脚楼、西南地区傣族民居“干阑式”竹楼是传统竹屋的代表，在福建土楼墙体中也普遍采用竹材作为拉结材料增强墙体的整体性能，竹材至今依旧是我国多层建筑施工或维修的主要脚手架材料之一。
圆竹虽然具有天然环保的特性和深厚的资源优势，但其物理性能不稳定、易干裂，单根圆竹承载力不高、节点连接复杂且易劈裂破坏，导致其在建筑工程中的应用受到诸多限制。未经处理的竹材易受虫蛀、腐朽和霉变的损害，耐久性能普遍不佳。圆竹难以满足现代建筑业对材料的要求。
工程竹：实现对竹材利用的标准化和工业化
研究人员从20世纪70年代开始尝试利用现代胶合工艺对圆竹进行改性重组，制成符合现代建筑工业需求的规格材料，当前应用较广的工程竹材包括胶合竹、重组竹、竹席胶合板、竹席竹帘胶合板、竹材刨花板、竹篾层积材等，其中典型的建筑用工程竹材包括胶合竹、重组竹等。
胶合竹又称竹集成材，是竹条在长度方向顺纹组坯胶合压制而成的板材或方材，胶合竹中保留了竹片单元，其材性与圆竹本身的材性相关性较大。重组竹则对竹材的加工更加深化，是以竹束或竹束片为构成单元，按顺纹组坯、经胶合压制而成的板材或方材。胶合竹和重组竹的生产工艺如图1所示。
图1 胶合竹和重组竹的生产工艺
经加工处理后的工程竹，克服了圆竹的材料缺陷和尺寸变异性，力学性能更加稳定，将其用于工程承重结构有很大的发展空间。工程竹结构建筑在保留生态绿色的基础上实现了标准化与现代化，符合绿色低碳和建筑工业化的行业发展需求，有广阔的市场应用前景。
将工程竹作为结构承重用材的时间不长，在全世界范围内均处于探索阶段。随着越来越多的研究机构加入研发队伍中，以及生产加工工艺的不断创新发展，近年来涌现了一批精美的工程竹结构建筑，如昭君博物馆、牛背山青年旅社等，其特有的建筑语境充分展示了所代表的精神属性和文化属性。图2为工程竹结构的示范建筑。
图2 工程竹结构示范建筑，图片均来自《中国现代竹建筑》
工程竹的物理力学性能
根据国内外研究人员的研究结果，各类胶合竹产品的密度为600 kg/m3～1000 kg/m3，含水率为8%～12%，抗压强度多在40 MPa ～60 MPa，抗拉强度多在90 MPa～140 MPa，抗弯强度多在90 MPa～120 MPa，抗弯弹性模量多在8000 MPa～12000 MPa，受压和受弯破坏表现出较好的塑性性能，材料强重比高于钢材，是一种综合力学性能很好的建筑材料，可用于梁、柱、板等主要承重构件。
重组竹的各项物理力学性能与制备工艺及竹材品种密切相关，在目前的生产工艺下，根据国内外研究人员的测试结果，重组竹的密度为1000 kg/m3～1250 kg/m3，含水率为8%～10%，抗压强度多在50 MPa～80 MPa，抗拉和抗弯强度可达120 MPa以上、甚至高达250 MPa，抗压和抗弯弹性模量多在12000 MPa～13000 MPa，综合力学性能优异且稳定。
从胶合竹、重组竹以及云杉木材的典型应力-应变曲线可以看出，三种材料受拉时都表现为线弹性直到拉断，受压时则表现出不同程度的非线性行为。
对于胶合竹，单轴受压的压应力-应变曲线在达到约75%抗压强度时开始进入非线性阶段，而后应力随应变非线性增长，在压应变大约达到20000 με时达到极限抗压强度，此后保持稳定的受压平台到超过30000 με，最终能达到总高度10%的压缩变形。
重组竹的受压应力-应变曲线与胶合竹类似，在约65%抗压强度时开始进入非线性阶段，而后应力随应变非线性增长，在压应变大约达到20000 με～25000 με时达到极限抗压强度，此后随着加载进行，抗压能力未明显下降，直至达到总高度4%的压缩变形，表现出极好的抗压延性。
与云杉木材相比，重组竹和胶合竹均表现出很好的受压延性。
工程竹构件可以实现标准化的高效连接
圆竹构件最传统的连接方式是钢丝或绳索绑扎以及榫接，绑扎多用于脚手架及少数民房，榫接参考了传统木结构的连接方式，但开口使竹材在节点处强度减弱，易劈裂和折断。现代圆竹结构中出现了五金件套筒连接，但由于圆竹尺寸不统一，钢制节点对精度要求较高，这种连接难以实现批量快速生产。
工程竹的出现解决了这一问题。工程竹结构的连接节点可以参考胶合木结构，通过螺栓等金属连接件实现标准化的高效连接。
基于工程竹材料的力学性能和加工性能，目前有四种节点连接形式（如图3）。这四种形式的连接节点各有优缺点：
图3（a）所示的钢填板螺栓节点构造简单，用钢量少，适用于不同截面尺寸梁柱的连接，但初始刚度低，螺栓处易劈裂，梁柱上需要开槽，而中部开扁槽对于重组竹来说加工难度大，成本高；
图3（b）所示的钢夹板螺栓节点构造简单，用钢量少，且梁柱上不需开槽，加工方便，但是要求梁柱等宽，初始刚度也较低；
图3（c）所示的T形钢板螺栓节点和图3（d）所示的双L形钢板螺栓节点安装方便快捷，初始刚度大，承载力高，适用于不同截面尺寸梁柱的连接，但用钢量略大。
图3 四种工程竹结构梁柱节点形式
通过对这四种节点的单调和低周反复加载试验发现，胶合竹梁柱节点的破坏主要是由于胶合竹梁在受力螺栓处顺纹劈裂，而在重组竹梁柱节点中，由于重组竹的胶层较基材更薄弱，易发生重组竹层板间的胶层破坏。
T形和双L形钢板螺栓节点虽然增大了用钢量和加工成本，但其弹塑性刚度尤其是弹性刚度、承载力、耗能能力得到明显提升，通过合理的设计，能够改善节点的延性和耗能能力。
工程竹结构的耐久性能及防护设计
工程竹材经过蒸煮、干燥或改性重组等生产工艺，其耐久性能要优于未经处理的圆竹，然而作为生物质材料，长期暴露于室外的工程竹结构会遭受多种因素的综合影响，如温湿度变化、紫外线辐射、酸雨、虫蛀等。竹材的纤维素、木质素等生物质成分在自然环境下易发生老化变质，微观成分和物理力学性能发生不可逆变化，对结构安全性和耐久性产生影响。
通过对已建工程竹结构示范工程的调研，发现存在黑霉、脱胶、开裂等耐久性问题，长期使用存在隐患。
课题组进行了工程竹材在人工加速条件下的耐久性能试验，研究了结构用胶合竹和重组竹在紫外线辐射、干湿循环、冷热循环单独作用下，以及上述因素耦合作用下的物理力学性能变化，发现胶合竹的力学性能受紫外线辐射的影响更大，重组竹的强度在老化前期同时受紫外线辐射、干湿和冷热循环的影响，在后期干湿和冷热循环对力学性能的影响更大。
对工程竹结构进行防护设计是必要的，通过从构造上采取防水、防潮、防腐、防虫技术措施，减小潮湿、腐朽、虫蛀等危害因素对工程竹结构耐久性能的影响，结合针对性的表面或加压浸渍防腐处理，提升工程竹结构的耐久性能。
工程竹结构的防火性能及防火设计
竹材是可燃材料，其防火性能是限制竹制工程材料推广和应用的重要因素之一。
竹材在高温和火灾下吸收热量温度升高，材料中的水分蒸发，含水率的改变以及材料本身的分解和炭化引起材料物理力学性能的改变。目前的研究成果表明，胶合竹的炭化性能与常用软木（花旗松）类似，重组竹的炭化性能与常用硬木（菠萝格）类似，重组竹的炭化速度小于胶合竹。
对工程竹结构的防火设计需要从防火验算和防火构造两方面进行。
防火验算采用基于有效炭化层厚度的计算方法，认为工程竹构件燃烧后会在表面形成炭化层，燃烧前的截面尺寸扣除有效炭化层厚度，即为燃烧后的剩余截面，工程竹构件经过一定时间的燃烧后，其剩余承载力需要满足要求。
在防火构造方面，需要从结构中金属连接件的防火处理、缝隙的封堵、防火分隔等多方面共同着手，保障工程竹结构的防火安全。
内部缺陷的无损和微损检测技术
生物质材料在长期使用过程中难免会产生开裂、腐朽、虫蛀等缺陷，定期的检测维护能够为工程竹结构的长期安全使用提供保障。
传统的检测方法主要是通过目测，配合探针、塞尺等进行探测，难以识别内部的隐蔽缺陷。随着无损和微损检测技术的快速发展，对工程竹结构的缺陷检测有了越来越多的选择，例如钻入阻抗法、探地雷达法等。
钻入阻抗法是采用木材阻抗仪对工程竹材料进行检测，通过钻入过程中材料阻抗变化，对材料内部的腐朽、虫蛀、裂缝等缺陷进行评定的方法，如图4（a）所示。钻入阻抗法能够准确检测胶合竹构件各种内部缺陷的位置和几何尺寸，误差在10%以内，满足工程精度要求；由于重组竹的材料密度较大，阻抗仪的探针无法打入，因此钻入阻抗法不适用于重组竹内部的缺陷检测。
探地雷达技术通过发射天线发射宽频带高频电磁波，当存在开裂等缺陷或分界面时，该区域介电性质发生变化，电磁波将产生反射波。利用接收天线采集反射电磁波，通过分析反射电磁波时频特征和振幅特性，可以推断是否存在缺陷及其所在位置。
探地雷达可用于胶合竹和重组竹构件的缺陷判别，如图4（b）所示，其在探测距离内存在多个类似于螺栓孔洞的缺陷时，距探测表面较近的缺陷较敏感，探地雷达对螺孔缺陷和长方体缺陷深度具有较好的探测精度，探测误差绝对值＜17.6%。
图4 钻入阻抗法和探地雷达法检测工程竹构件内部缺陷
工程竹结构系列技术标准的编制
由上海市建筑科学研究院有限公司联合国际竹藤组织、南京林业大学、东南大学等单位，历时5年时间完成了工程竹结构系列标准的编制工作，标准已于2022年6月由中国工程建设标准化协会发布，自2022年11月1日起施行。
《工程竹结构设计标准》（T/CECS 1101-2022）对工程竹结构的材料与配件、设计原则与设计指标、构件设计、连接设计、构造设计、防火与防护设计做了规定；《工程竹结构施工及质量验收标准》（T/CECS 1102-2022）对工程竹结构的制作与安装、施工安全、施工质量验收做了规定；《工程竹结构检测技术标准》（T/CECS 1103-2022）对工程竹结构的材料性能检测、尺寸偏差与变形检测、缺陷检测、构件防护性能检测、连接节点检测、结构性能检测做了规定。三部标准将为工程竹结构的设计建造和运营维护提供技术支撑。
现阶段要使工程竹建筑真正跻身于主流建筑市场还有很长的路要走，还有许多瓶颈需要突破，例如现阶段的生产线和生产工艺对大跨度、大截面尺寸构件的制约，结构的耐久和防火问题等。
鉴于竹结构建筑在改善民生、发展绿色经济、应对气候变化等方面发挥的独特作用，以及其特有的文化属性，中国现代竹建筑产业的健康发展可以为落实2030可持续发展议程、建设美丽中国做出独特的贡献。
本文来自微信公众号：世界科学 （ID：World-Science），本文作者来自上海市建筑科学研究院有限公司：冷予冰（结构所研创中心主任、高级工程师）、陈玲珠（结构所装配式建筑技术部主任、高级工程师）、王明谦（科研项目负责人、高级工程师）、陈溪（副总工程师、高级工程师）、张富文（副所长、正高级工程师）、许清风（总工程师、教授级高工）