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最生态环保材料竹子建筑使用研究论文

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[摘要]目前我国无论是城市还是乡镇都在以惊人的速度发展建设,与之相伴而来的是能源、资源消耗和环境污染。由于竹子的自然属性,其可以作为一种生态建筑材料,本文首先介绍了竹子的世界分布、生长条件及物理特性;其次从建筑学的角度出发,阐述了竹子的建筑特性,介绍并分析了一座具有典型性的竹子建筑。文章旨在倡导将竹子作为生态建筑材料,促进其在我国的开发利用。

[关键词]生态建筑材料;竹子;竹建筑

1 引言

钢材、水泥、玻璃、砂石、粘土砖及其它金属、化工材料,其原料都是不可再生的矿物资源。我国在建筑材料制造过程中,约消耗近百亿t的矿物资源,造成严重的资源短缺和环境破坏。同时,建筑材料的制造过程,还要消耗占全国总能耗15%的能源并造成惊人的环境污染。建筑材料的全球性紧缺是十分令人担忧的问题:特别在发展中国家。木材及其它传统建筑材料的短缺及相应的价格上涨迫使人们必须去寻找一种价格低廉又能满足建造要求的建筑材料。

竹子因其属于草科植物,所以常被称作高大的“草”,与塑料、木材和石头等材料建造的房屋相比,廉价的竹子建筑不但经济,耐久性和安全性也很好。

许多竹子房屋用处理过或天然的竹材来建造,必要时辅以木材、泥浆、砖块及混凝土等其它材料,可增加耐用性并丰富造型。竹子在我国的产量非常丰富,中国人对竹子的使用有几千年的历史,但是,一直都局限在传统的用法上,作为生态建筑材料的巨大价值却被忽视了。本文从建筑学的角度对竹子进行分析和说明,旨在揭示我国开发竹子这种生态建筑材料所具有的深远意义。

2竹子的性质

2.1分布世界上有超过l 600种竹子,主要分布在亚非拉的一些国家(见图1)。欧洲没有天然分布的竹种,北美原产的竹子也只有几种。近百年来,一些欧洲国家和美国、加拿大等从亚非拉的一些产竹国家引种了大量的竹种。例如,美国从中国引种的刚竹属竹种就有35种。亚太竹区是世界最大的竹区,该区竹子约50多属,900多种,其中有经济价值的有100多种。主要产竹国家有中国、印度、缅甸、泰国、孟加拉、柬埔寨、越南、日本、印度尼西亚、马来西亚、菲律宾等。

美洲竹区南至南纬470的阿根廷南部,北至北纬40。的美国东部,共有18个属,270多种。在北美,除大青篱竹及其2个亚种外,没有乡土竹种。在拉丁美洲,南北回归线之间的墨西哥、危地马拉、哥斯达尼加、尼加拉瓜、洪都拉斯、哥伦比亚、委内瑞拉和巴西的亚马逊流是竹子分布的中心。

非洲竹区竹子分布范围较小,南起莫桑比克南部,北至苏丹东部。在非洲北部苏丹境内的尼罗河上游河谷地带和埃塞俄比亚的温带山地森林地区都有成片的竹林分布。然而非洲大陆的竹类区系很贫乏,引种的也不过十几种。

图1世界竹区分布目前,世界上绝大多数竹林仍处于荒芜状态,滥砍滥伐严重,经营管理水平低,产量不高。本世纪80年代以来,一些热带、亚热带国家都重视发展竹业生产。其中,经营历史较久、经营管理水平较高的要算中国和日本。

2.2 自然属性竹子是属于禾本科竹亚科(Ba,Ilbusadea)的一类植物,已知全球约有150属,l 225种;竹林面积达l 400万hm2。竹子的生长速度非常快,在理想的条件下,一种生长在哥伦比亚的叫Guadua的窄叶竹,直径为22~24 cm左右,它的茎秆只要3~4个月就可以完全长成。竹子的产量也很惊人,在哥伦比亚,每ho土地可以产出7 000~10 000万株Guadua;在巴西,Guadua的一些品种每ho可以产出60 000株。

我国江西的毛竹具有生长快、成材早、产量高、用途广的特点,一株毛竹从出笋到成竹只需2个月左右,当年即可砍作造纸原料,若作竹材原料,也只需3~6年的加固生长就可砍伐利用。0.067 hm2(1亩)可年产竹材l 500~2 000 kg。毛竹是多年生常绿树种,要求温暖湿润的气候条件,年平均温度15~20cc,年降水量为l 200。1 800 mm。对土壤的要求高于一般树种,既需要充裕的水湿条件,又不耐积水淹浸。

2.3物理性质竹材有一般木材所不及的优点:收缩量小,高度的割裂性、弹性和韧性,很好的顺纹抗压力和抗拉力。

竹材在外力作用下的抵抗力称为竹材的力学强度,单位为MPa。竹材的抗拉强度约为木材的2~25倍,抗压强度为木材的1.5~2倍。表l列出了竹材的各种力学强度,竹子的抗压和抗拉性能都很好。而且生长在斜坡的竹子比生长在山谷的竹子结实,在贫瘠干旱的土地上生长的竹子比在肥沃的土壤中生长的竹子结实。这些在选用竹子时也要作为考虑因素。

2.4竹子在建筑方面的优势1)经济性:竹子建筑最重要的优点是成本低廉但不降低建筑质量,而且经久耐用,占用空间少。根据哥斯达黎加PNB的统计,竹房屋比普通材料住宅的成本便宜20%H1。

2)灵活性:竹子建筑的设计和建造更具灵活性,优点之一就是能够通过更换损坏部分得到经常性的维护。

3)低技术:竹建筑的技术要求不高。大多数竹房屋的建造基于当地的技术水平,无需高技术的指导,另外,竹建筑比较容易与先进技术结合使用。

4)安全性:由于质量轻、弹性好,竹子的抗震功能非常突出。据报道(Gutierez,1998),在哥斯达黎加的7.6级地震中,位于震中的30座竹房屋保存完好,而周边许多混凝土房屋和旅馆全部倒塌。

5)舒适性:热带农区夏季气温很高,中国云南南部地区,人们至今仍然喜欢建造竹楼来避暑,享受竹楼的凉爽。

6)耐用性:经过适当处理的竹材使用寿命可达30年之久,而且,竹材种类的精心选择、防腐处理、辅助材料的使用以及老化或损坏部分的定期更换等等都能增加竹房屋的耐用性。

7)可持续性:社会、经济和环境的可持续性是当前发展领域中日益重要的问题。竹子本身所具备的特点符合可持续性发展的所有指标。竹子在2~3年即可成材,而木材至少需要25年。竹子是世界上生长最快的植物,只需利用当地的主要原材料和工具就足以建造简单经济的竹房屋。

3竹子的应用

3.1传统用法

1)利用其割裂性编织用具、竹帘、竹席、竹篱、伞骨、灯笼等;

2)利用其负荷力制作晒竿、担架、脚手架、梁柱、门窗、地板、竹桥、竹筏及其它家具、用具

3)利用其弹力制作弓、弩、钓竿等;

4)利用其抵抗力制作手杖、伞柄、撑竿、竹钉、竹箍等;

5)利用其中空特性制作水车、水桶、水管、烟筒及各种乐器;

6)利用其外观特性制作竹索、蔑榄、工艺品、玩具等。

3.2现代用法随着科学技术的进步,除了在传统的基础上提高产品质量外,竹子还被开发出了更多新的用途(见图4)。主要是以竹代木,将竹材制成各种建筑用板材,比如胶合板、纤维板、装饰板等代替各类木质板材。竹质人造板材质细密,不易开裂、变形,具有抗压、抗拉、抗弯等优点,各项性能指标均高于常用木材。

4竹子建筑

4.1概况竹子在食品、房屋、家具等许多领域的应用历史悠久。在许多国家,竹子以多种方式得以巧妙利用,一生都可为人类服务。竹子是房屋建造最古老的建筑材料之一,作为品质优良的建筑材料,竹子比较便宜,且容易加工。近年来,竹子作为房屋建筑材料的重要性逐渐得到人们的关注。在亚洲,许多低收入家庭利用竹子搭建房屋构架,即便使用其它材料,竹子也是建筑单元的主要组成部分。其可以制成房屋的屋顶桁架、檩子、椽子、柱子、地板、墙体、门窗等各种部分,有时为了隔声的需要可以结合水泥、石膏等材料。竹子建筑除了环保外,还具有造价低、便于安装的优点(见图5、6)。在中国和日本的文化中,竹子具有重要的地位。

竹子刚劲、清新、生机盎然、蓬勃向上的特点被看作是做人的重要品质,因此,竹子在建筑、家具及日用品中更多的体现其文化涵义。在东南亚,竹子几乎覆盖了泰国、印尼的乡间和很多太平洋小岛,孟加拉国90%的农村房屋都是用竹子建造的;在南美洲,本土适合建造用的竹子Guadua建成的房屋很受欢迎,在哥伦比亚的安第斯山地区,竹子被用来建造结构柱或者劈裂制成板条,用来覆盖在墙体表面、天花板和地板上,大多数的竹子还被用作脚手架或者混凝土的模板∞j。

4.2我国的传统竹子建筑我国在2 000多年前,竹子就已用于民间房屋的建造,迄今南方各省仍多采用竹子建造一些半永久性或临时性的房屋、棚舍等。竹子在江南民居建筑中一般做夯土墙的骨料使用,可以使夯土墙更加坚固耐用,也可以把竹子剖成长条编成竹笆作为围墙、外墙,竹子还可以编织成窗间墙的防护网、护墙板或者做成框钉竹条用作护窗板b]。

在云南,傣家竹楼属热带雨林竹楼形式,包括德宏、景颇、西双版纳一带。傣族民居以木柱承重,四周围竹墙,为了通风和防潮,房屋整个架空。竹构架歇山顶,坡度很大,屋面覆以小平瓦或排草。湿热带的太阳眩光很强,所以墙体不能开窗,但又要保证通风。竹编的墙透光柔和,既排除了眩光又可以通风Mj。景颇族的竹楼是长脊短檐、架空低矮的干栏式建筑,竹楼的架空高度很低,一般距地面约50cm,高的也不超过l m,竹屋两侧的竹编墙体上部略向外倾,覆盖脊长而檐短的倒梯形双坡屋顶o¨。

从结构上看,景颇民居采用的是纵向承重构架。三列纵向设立的竹子可依家庭大小延长扩展,柱与柱之间无横向的联系构件。另外,承重的柱子与架空层、居住层、围护的墙体三者之间也是相互独立、自成一体的,4.3现代竹子建筑现代竹子建筑根据不同的需求,主要分为3类。

一是廉价的实用房屋,主要针对解决贫困地区的居住问题,这类住宅建筑以低造价为前提,对技术的要求低对竹材的需求量很大。如东南亚的大部分地区以及南美的一些国家,目前仍然有大量竹制房屋。二是临时性建筑,如用于临时展览或休憩用的竹屋,这类建筑要求建造快捷、拆装方便、且造型精美。具有代表性的例子就是由哥伦比亚建筑师西蒙·韦雷(Simon velez)为汉诺威世博会主持设计的zERI厅,以及建于哥伦比亚,由Jorg sta姗设计的跨度约为45 m的竹桥(见图9)。在我国的台湾南部,使用竹子也有很悠久的历史,随着时代的发展,又把竹子灵活地应用于现代房屋中,例如竹子建造的公厕(见图10)、办公室等。三是比较奢侈的别墅、茶室等。这类建筑追求的是竹子所体现的颀长挺拔以及朴素内敛之美,建筑构件精致考究,造价较高,但随着技术的发展和人们对精神美的更高追求,这类高品质的竹子建筑的发展空间也是很大的。典型例子是隈研吾设计的位于长城脚下的公社竹屋。隈研吾之所以选择竹子为材料,如他自己所说,“既然它在中国与日本文化中具有独特涵养,我们尽可能使用竹子”。

这充分体现了竹子在中国和日本文化中的重要地位。竹子排布的密度与直径,提供了各种不同的空间分割,利用这些特性,隈研吾设计了一面竹墙,就像长城一样沿着基地斜面的一层竹子,将长城的特质运用到居住行为上。这样一来房子被称作“墙”而非“房屋”(4.4竹构件的连接竹子自身具有很多优点,如前面已经提到的,它是一种便宜,生长迅速的植物,其优越的物理性能使图10外挂竹墙公厕图11隈研吾设计的竹屋之成为很好的建筑材料。但是在竹子建筑中,连接部分是竹结构的一个难点。因为竹子本身是圆筒形的,圆形的交接在节点处比较困难;另外竹纤维是纵向生长的,这样竹子很容易在纵向破裂;竹子表面很光滑而且坚硬,捆绑材料很难固定住。目前常用的一些连接竹结构的方法可以比较好的解决这一难题。

1)捆绑连接法捆绑连接法是最常见的连接方法,用传统的自然植物连接,如椰子的纤维、棕榈叶、树的内皮和竹藤等。捆绑之前将藤条在水中浸泡一下,藤条在干燥后会收缩变紧,从而捆绑的更牢固。横梁末端和绑带起到了传递受力的作用,如果捆绑得不够紧,横梁很可能会在孔洞里裂开。

2)榫卯(螺栓)连接法具有次级连接元素的构件经常用于与绳索的上下连接。在这种连接方法中,作为螺栓的构件负责传递拉力与压力。在木构件中,这种连接由榫卯来完成。金属螺钉是穿孔材料,如果竹材不够新鲜,竹子就很容易被楔形的螺钉劈裂,因此要选用砍伐后不久的竹材穿孔,另外穿孔不能太靠近竹子的端部,否则竹子会很容易裂开4.5实例分析——zE砒厅1)背景哥伦比亚的建筑师西蒙·韦雷致力于竹建筑的研究已经很多年,是这方面的专家。他设计了大量优秀的竹子建筑,这些作品包括住宅、观光塔、乡村俱乐部甚至马厩。
zERI厅是西蒙·韦雷为了2000年汉诺威世博会而设计的,它代表了(Zem Ernissions Research&Initiatives,zERI)的宗旨——可持续发展,另一个目的是为了推动竹子在南美洲作为建筑材料的应用。

该建筑的建筑面积2 150 m!,其中地面1 650 m2,一层的展厅500 m2(见图14~16)。

2)方案zERI厅为圆形架构建筑,主要静力结构的构成单元由2个斜柱及其支撑的2个悬臂梁组成。在这个圆形放射状平面上每个轴线上有2个支撑横梁,横梁在最高处形成1个圆环。lO对上述的基本结构单元按照圆形规律布置,构架上还有一些为了减少跨度而设置的支撑结构。支撑结构不把荷载直接图14 zElu厅外观图15框架示意图16受力示意传递到斜柱上,而是将荷载转化成柱与柱之间的相互挤压。为了避免斜柱折断,减少斜柱的长度,在整个建筑的中间高度位置加入了旋转展厅。

该建筑屋顶呈lO边形,向外悬挑7 m。屋顶平面的直径为40 m,屋脊处高度为14.5 m,屋面排水槽处高度为7 m。屋面材料为9 mm厚的瓷砖贴面,由竹子加固,下铺3 cm的水泥砂浆。砂浆和下面铺的金属卷材一起将屋顶的荷载传递到椽子上,椽子之间的距离较近,由它们将荷载向下传递给梁和柱(见图17、18)。

外圈的斜柱由6根圆木绑成,里圈的由4根绑成,它们是由纽纹条和扁钢连接的。不论里圈还是外圈,斜柱只有2棵圆木直接与基础接触,其它的圆木都是用来增加硬度和弹性的。里圈的斜柱下部是圆型基座,外圈的斜柱下接单个的基座,由基础梁相互连接。

3)连接方法①A型——水泥砂浆埋螺纹杆从内部打穿竖向竹子2~3个柱子节儿,插入螺纹杆,再从外注入水泥砂浆将其固定。横向竹子在垂直方向打一个穿孑L,串在螺纹杆上。螺纹杆伸出来的末端,至少要有一个螺母和圈垫拧在上面,最后在向横向竹子注入水泥砂浆。
②B型——钢条螺栓,水泥固定首先把横向放置的竹子竖向打孔,螺纹杆从这些孔中拉出来。第2根垂直放置的竹子外侧固定了钢条,钢条绕过横向竹子,拧在刚才拉出来垂直螺纹杆上。钢条像根皮带将2根竹子拉在一起。横向竹子上被钢条搭上的那节必须灌入水泥砂浆,否则钢条一紧,竹子就会被勒劈。

③2种连接方式的评估根据FMPA斯图加特(一家专门测试材料的机构)的实验,A型连接基本没有什么错位,在螺纹杆连接处连接竹子的时候,曾出现竹子破裂。最大的荷载为70 kN。B型连接有1.5 mm的错位,不过可以承受140 kN,是上一种的2倍之多。竹子的破裂发生在给钢条凿孔和对竹子进行切割的时候。

4.6局限及解决办法1)寿命有些竹子的淀粉含量比较高,在收割后很快就会被昆虫和霉菌侵蚀,破坏了竹子的强度和联接。

在热带雨林中,没有经过防腐处理的竹子建筑的预期寿命是3.5年,很少有寿命超过15年的,因此整个建筑每隔一定时间就要重建。

解决办法:一种传统的办法是将竹子烘烤晾干后,快速的用烟熏一下,利用烟里面的木馏油在竹子表面形成一层保护膜,这样就可以起到很好的防蛀作用。还有一种方法是在竹子外表面涂上一层熟石灰,这样可以防止湿气渗入,也可以防止霉菌的腐蚀。在印度尼西亚还有一种传统的办法就是在竹子涂上焦油后再包一层沙子,待晾干后再刷石灰。

2)连接尽管一些传统的方法,诸如榫卯和捆扎技术已经使用了上千年。但是这种固定方法的效率并不高,在一定范围内会有移动。由于竹子会随季节性的湿气变化而膨胀,膨胀率达到直径的6%,长度也会相应缩小,从而使连接处变松弛。

解决办法:西蒙-韦雷设计了一种连接法,即上面提到的螺栓水泥连接法。由于螺栓是一种力量集中型的连接构件,所以定在竹片容易引起竹子的开裂,这种方法是在螺栓节点之间填充固化水泥。有了这种连接法,可以增大竹子建筑的跨度。

3)缺乏设计指导和规范社会上存在一种普遍的观念,就是竹子是穷人的建筑材料,竹子建筑被看作是临时的避难所。这种观念导致竹子这种生态建筑材料的价值长期被忽视了。除了传统的建造方法外,现代只有极少数建筑师致力于竹子的研究和开发。因而在竹建筑的设计方面缺乏相应的指导和规范,在通常情况下,专业建筑师在选材时就很少考虑竹材。

5 结语

通过以上对竹子的介绍可知,竹子在我国作为建筑材料被开发是切实可行的。目前国内发展迅速,大规模的城镇建设消耗了大量能源,也给环境带来了破坏。以可持续发展为方针,针对我国国情、建设采用“就地取材”和“低技术”的理念是必要的。我国的竹类资源十分丰富,使用竹子已有几千年的历史,从乐器、家具到古老的“火箭”、造纸、造船、造桥、建造房屋,竹子几乎可以涉及到各个领域。但是人们的传统观念认为以竹子为材料代表了贫穷和落后,这种错误的认识导致了对竹子的利用只停留在传统的方法上,技术落后、产品单一,没有更好的挖掘竹子的价值。

要开发竹建筑项目,首先要考虑项目实施的对象。比如在开放的林区和生产石材的地区,人们可以获得足够的木材和石材,就无需关注竹材的利用。

相对来讲,竹建筑项目在比较贫困且没有资源可供选择的地区成功实施的可能性更大。如果当地人们已经使用了竹子,那么工作就更容易开展。丰富的竹资源是实施低成本的首要前提,根据竹资源清查和年采伐量限额的计算,可以预测可收获的竹材数量,并制定相应的竹子管理计划。另外一个要考虑的问题是项目成本,竹屋的成本由竹建筑的规模、竹材处理、设计、施工及其它材料的使用等因素构成。

因此,要根据使用者的支付能力来做出合理的房屋设计。

在今后,国内应该多关注竹子这种生态建筑材料的应用,应该有更多的建筑师从事这方面的研究和实践,引进国外先进经验,结合当地实际情况,建造出经济耐用舒适的竹建筑。当然,政府的优惠政策对竹建筑地推广也十分重要,如果得到政府住房政策的鼓励或认可,大规模的竹建筑项目就有可能顺利实施。有关为贫困人口建造住房提供补助的政策环境是项目成功实施的重要条件,包括制定建房补助政策、对建房用地、资金及廉价建材等审批条件的放宽等。有了建筑师的努力和尝试及政府的支持,相信这种低造价、低技术、无污染的生态建筑必将在建设和应用中体现出它的优越性。

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