重组竹建筑材料的优势与不足

【摘要】发展重组竹与国家的产业政策、国内外发展趋势相吻合，满足可持续发展的要求。重组竹具有很多优势，但目前也存在一些不足。通过分析提出重组竹的强重比为2．74～2．94，略高于普通钢材，比木材和混凝土大;对当前重组竹作为新型建筑材料进行发展所具有的优势和不足作了较为全面的阐述，旨在为重组竹的发展研究提供一个方向，从而在以后的研究中保持其优势、改进其不足，真正达到“以竹代木”的目标。

【关键词】重组竹;新型建筑材料;抗震性能;结构用胶;木螺栓

重组竹是将竹材小径级材、枝丫材等低质材，经辗搓设备加工为横向不断裂、纵向松散而交错相连的竹束，然后干燥、施胶、组坯、热压而成的一种强度高、规格大、具有天然竹材纹理结构的新型人造竹材板。它突破了传统的切削加工方式，为竹材的综合利用开辟了一条新的利用途径［1］。随着国内外各方面环境的变化，将重组竹作为新型建筑材料的研究逐渐增多。重组竹作为新型建筑材料具有比较多的优势，但要完全代替传统建筑材料———木材，真正达到“以竹代木”，重组竹亦存在一些不足，需要加以改进。下面就结合笔者近几年从事重组竹材料检测、房屋设计的实践经验，对当前重组竹作为新型建筑材料进行发展所具有的优势和不足作了较为全面的阐述，旨在为重组竹作为新型建筑材料的研究提供一个方向，从而在以后的研究中保持其优势，对其不足加以改进，真正达到“以竹代木”的目标。

1重组竹作为新型建筑材料的优势

1．1轻质高强，力学性能优良

根据吕清芳等人对重组竹基本构件的力学性能进行研究，其保证率大于等于95%的重组竹柱极限抗压强度和弹性极限抗压强度分别达到53．0MPa、34．3MPa;保证率大于等于95%的重组竹梁的弯曲抗拉强度达到36．8MPa［2］。根据魏洋等人的研究，竹材本身的抗拉强度可达150MPa，弹性模量达10GPa［3］。而重组竹根据工艺不同，密度略有差别，一般在8～10kN/m3之间。重组竹材料分项系数考虑介于钢材与混凝土之间，取1．25，则重组竹抗压强度为27．4MPa，抗弯强度为29．4MPa;按照弹性模量10GPa相同，选取性能较佳的TC17木材东北落叶松，则抗弯强度设计值17MPa，顺纹抗压强度设计值15MPa［4］，密度6～7kN/m3［5］;钢材选用厚度不大于16mm的Q235钢，混凝土选用C25，具体强度参数分别按照《钢结构设计规范》［6］《混凝土结构设计规范》［7］取值，密度按照《建筑结构荷载规范》［5］取值。将重组竹与东北落叶松、Q235钢材及C25混凝土进行分析比较，具体见表1所示。在建造同样一栋多层建筑，使用荷载相同的情况下，若采用重组竹作为结构材，其重量最轻;由于其重量最轻，故在地震作用下，吸收的地震力也最小，截面尺寸在不考虑构造要求的情况下亦可更小，从而建筑的总体重量更小。说明采用重组竹作为结构材建造房屋，其结构比较合理，更加节省资源。

1．2弹塑性、韧性好，抗震性能优异

由GB50005－2003(2005年版)《木结构设计规范》表4．2．7可知，楼板梁和格栅的挠度限值为1/250;重组竹作为受弯构件在破坏前弹性变形较大，接近破坏时有较小的塑性区，破坏时挠度达到l/36以上，说明重组竹受弯构件的设计应主要由刚度控制，与钢材类似［2］。将重组竹用作3000mm跨楼板梁或格栅时，则其破坏之前有80mm左右变形，比较明显，属于塑性破坏，危害较小。重组竹作为受压构件，同样破坏之前存在较大弹性变形，接近破坏时有较小的塑性区。另外，若在重组竹柱破坏后对其进行卸荷，80%以上的变形能够得到恢复，材料的延性、耗能能力较好，震后残余变形较小［2］。作为多次超静定结构的房屋，在地震作用下，若局部一些构件因破坏而退出工作，在较大变形下与整体建筑脱离，则整个房屋不会形成连续破坏，反而由于局部构件的脱离，其余构件的安全系数反而有所提高。这些均说明了重组竹具有优异的抗震性能。重组竹作为有机竹材的加工产物，具有大量的纤维，在冲击荷载作用下不易发生脆性断裂，韧性较好。

1．3资源丰富，伐后可再生，废弃后可降解

竹子是我国的第二森林资源，竹材产量约占木材l/10，约占世界竹产量的l/3。其生长周期短，4a以上毛竹或3a生丛生竹即可满足使用要求。同时竹材具有较强的伐后再生能力，只要管理科学合理，一次造林可多次采伐，取之不尽、用之不竭［8］。竹材资源丰富且集中，易于收集与贮运，具有投资少、上马快、产量质量绝不逊色于木材的特点。重组竹作为竹材的加工产物，具有90%以上的高利用率［8］。我国为森林资源较为贫乏的国家，特别是国家实施了天然林保护工程后，长江、黄河上中游禁止和限制砍伐木材，每年木材供需缺口达6000×104m3。竹结构房屋的产量仅占木结构房屋的2%，具有较大的开发空间。若房屋废弃后，重组竹材料可以自然降解，不会对环境产生任何负面影响［9］。

1．4固碳能力强，能耗低

［9］竹材在生长过程中能吸收二氧化碳，放出氧气，改善人们生活的自然环境。就减排而言，竹林比其他树种的森林可吸收更多的二氧化碳，具有超强的固碳能力。在加工过程中竹材能耗低，建造同样面积的建筑，竹材的能耗是木材的1/3、钢筋混凝土的1/8、钢材的1/50。

1．5构件工厂预制，工业化程度高，易于更换

目前重组竹建筑一般是在工厂将竹材制成各种重组竹构件，在工厂进行预拼装，满足要求后，通过运输设备将各种重组竹构件运输至现场;在施工现场按照施工组织设计的要求利用起重设备进行起吊并临时固定，用各种仪器进行检测矫正，最后作最终固定。这种类型建筑的安装周期短，所需人员少，与我国老年化的社会结构相吻合，满足工业化生产、工业化施工的需要，适应未来的发展趋势。由于重组竹在工厂预制，现场拼装，构件间的连接大多采用榫接和螺栓连接，所以重组竹构件在后期使用过程中易于更换。

1．6可利用不同材料形成组合构件，满足不同的功能需求

重组竹本身为小径竹材、枝丫材经一定的工艺压制而成，故在压制之前，可以在小径竹材、枝丫材之间掺入一定量的外加剂，如碳纤维、钢丝、钢渣等，从而改善重组竹的性能。在竹板之间设置钢板，利用高强结构胶进行热压或冷压使其全界面粘合，形成基本钢竹组合板，再将多个钢竹组合板进行定位，施胶热压或冷压全界面粘合成各种胶结组合型材［8］，如H形截面、箱形截面等。根据不同的结构构件受力特点，采用不同的截面形式，使建筑更加安全可靠，材料的使用更加合理。在墙体的墙骨柱或楼面的格栅之间，可以根据需要填充各种保温隔热、隔声和防潮防水材料，或布设各种管线，从而提高墙体和楼面的使用性和适用性，使建筑更加耐久、美观。

1．7与国家的产业政策、国内外发展趋势相吻合

随着人们对生态环境保护意识逐步加强，竹子的培育与加工已引起政府和相关部门的高度重视。在此基础上，国家林业局组织编制了《2003年～2010年全国竹林基地建设规划》［10］，明确了用15a的时间改造和新建竹林基地120×104ha，使集约经营竹料面积不断增加，单位面积竹林产量不断提高，竹材的利用领域拓宽，竹材的加工利用向工业化利用，精深加工，全竹利用和高附加值方向发展。重组竹由于具有以上多个优点，特别是具有90%以上的高利用率，这正好符合了国家的发展方向，与钢筋混凝土建筑等所形成的建筑垃圾形成鲜明对比，为重组竹作为新型建筑材料在中国的发展提供了一个大环境和平台。

2重组竹作为新型建筑材料的不足

重组竹作为新型建筑材料具有以上多个优点，但要完全代替传统建筑材料———木材，真正达到“以竹代木”，重组竹亦存在一些不足，需要加以改进或优化。

2．1加工压制设备较难满足

现行大截面结构材的要求，材料耐久性还有待进一步改进重组竹的压制成型工艺分为普通热压、高频热压和冷压3种成型工艺［11］。普通热压工艺压制的构件一般厚度不超过50mm，高频热压目前还属于初试阶段。重组竹作为结构材，其截面要满足强度、刚度、稳定性的多方面要求，截面一般较大，目前普通热压、高频热压较难满足大截面的要求，使用较多的是冷压工艺。冷压与热压、碳化后热压相比，冷压的尺寸稳定性，但使用时的抗弯弹性模量和抗压模量最差［12］，耐久性最为不好。重组竹作为结构材，在使用时需要特别注意对其外露构件的处理，防止长期积水等现象产生。另外，对重组竹耐久性的研究目前还处于起步阶段，作为设计使用年限25a、50a及以上的建筑，重组竹能否保持其在这么长的时间内性能不变或变化较小还有待进一步研究。目前各方面的研究还未能将重组竹的耐久性与建筑的设计使用年限进行一一对应。

2．2结构用胶的合理选择

目前，重组竹材料的加工工艺一般为竹材→截断→开片软化→去青→分片拉丝疏解→高温干燥(碳化)→常温定性→施胶→预干→选丝组坯→冷压或热压成型→固化→脱膜。其中胶的使用非常重要，它不仅影响到竹材之间的整体性，而且对于重组竹的后期使用亦有很大影响，胶的耐久性、高温稳定性和对人体健康的危害不容忽视。目前国内使用比较普遍的胶有酚醛胶、三聚氰胺树脂胶和脲醛树脂胶等。因酚醛胶耐久性好，故使用较多。但它们都含有一定量的甲醛和苯。我国规定达到E1级环保标准的材料方可用于室内，而E1级环保标准仅要求0．5mg/L＜甲醛含量≤1．5mg/L，对苯的提及较少。国外一些胶的性能较好，但是价格较高。如何合理选择胶的种类进行施胶，还需要进一步研究。

2．3木螺栓在重组竹中的握钉力及重组竹耐火性还有待进

一步研究目前，我国对木螺丝在木材中的握钉力研究较多，但是重组竹与木材的结构不同，相关数据并不能通过，对木螺丝在重组竹中的握钉力研究还较少。重组竹作为竹材和各种胶的组合物，木材、胶合板防火剂对其是否适用、高压浸渍对重组竹的性能又有何影响、防火处理后能否达到建筑耐火等级对其的要求等目前还没有相关研究。

2．4国内的理论研究才刚刚起步，工程实例亦较少

《木结构设计规范》［4］规定轻型木结构体系最大可适用于三层民用建筑;《建筑抗震设计规范》［13］规定木柱木屋架和穿斗木构架房屋，6～8度时不宜超过2层，总高度不宜超过6m;9度时宜建单层，高度不应超过3．3m;木柱木梁房屋宜建单层，高度不宜超过3m。目前，重组竹结构还处于研究阶段，国内的一些理论研究还比较少，对重组竹进行材料检测、房屋结构设计和施工需要花费相当大的精力，因此工程实例更加稀少。目前仅湖南［9］、南京［1］、浙江安吉、浙江桐庐、上海、湖北等地已经建造了一些重组竹结构建筑，其中湖北重组竹结构建筑为纵横向跨度9m、建筑面积1361．52m2、两层框架结构公共建筑、底层层高7m、二层层高6m为当中较大者。就层数而言，可以满足“以竹代木”的要求;但工程实例太少，要想进行大面积推广，必然还须有一定比例的工程实例对相关理论研究结果做切实有效的检验。

2．5无相关的规范标准和结构设计分析软件

健全的规范标准是保证建筑质量的必备条件。目前国内的一些重组竹结构房屋在进行设计时，绝大多数是参照国内的设计规范标准，如《木结构设计规范》［4］《钢结构设计规范》［6］等;对重组竹结构房屋进行施工则大多数参照《木结构工程施工质量验收规范》［14］和《钢结构工程施工质量及验收规范》［15］，但相关设计施工规范标准是否完全适用于重组竹结构还有待进一步研究。同样一栋建筑，参照多个不同规范标准的不确定条文进行设计施工，也会给重组竹结构的设计施工带来一定困难，使重组竹的大力推广产生一定的阻碍。目前，国内无通过论证的对于重组竹乃至木结构进行结构建模、设计分析的软件，也给重组竹的大力推广带来了一定的阻碍。重组竹要想大力推广，重组竹建造的房屋就必然需要合法，拥有国家规定的产权，避免小产权现象;而想要拥有产权，在设计的时候就须满足国家现行规范标准要求，要能够通过国家规定的审图部门的图纸审查。因无通过论证的对于重组竹乃至木结构进行结构建模、设计分析的软件，故想要通过图纸审查，有很多工作量需要人工手算，这在计算机普及、生活节奏较高的今天，对于普通的工程技术人员有一定的难度。而对于图纸审查人员来说，因国家无相关规范标准可寻，更加无法进行图纸审查。

3结束语

重组竹的强重比为2．74～2．94之间，略高于普通钢材，比木材和混凝土大。重组竹具有轻质高强，力学性能优良;弹塑性、韧性好，抗震性能优异;资源丰富，伐后可再生，废弃后可降解;固碳能力强，能耗低;构件工厂预制，工业化程度高，易于更换;可利用不同材料形成组合构件，满足不同的功能需求等优势，并且发展重组竹作为新型建筑材料与国家的产业政策、国内外发展趋势相吻合，满足可持续发展的要求。因此，只要克服重组竹目前存在的一些不足，重组竹作为新型建筑材料必然有其广阔的前景，真正全面的“以竹代木”也必然可以实现。

作者:束必清 肖忠平 姚 振 吴钟瑞 张苏俊 单位:扬州工业职业技术学院

参考文献

［1］李琴，华锡奇，戚连忠．重组竹发展前景展望［J］．竹子研究汇刊，2001(1):76－80．

［2］吕清芳，魏洋，张齐生，等．新型竹质工程材料抗震房屋基本构件力学性能试验研究［J］．建筑技术与应用，2008(11):1－5．

［3］魏洋，张齐生，蒋身学，等．现代竹质工程材料的基本性能及其在建筑结构中的应用前景［J］．建筑技术，2011(5):390－393．

［4］GB50005－2003木结构设计规范(2005年版)［S］．［5］GB50009－2012建筑结构荷载规范［S］．

［6］GB50017－2003钢结构设计规范［S］．［7］GB50010－2010混凝土结构设计规范［S］．

［8］单炜，李玉顺．竹材在建筑结构中的应用前景分析［J］．森林工程，2008(2):62－65．

［9］李霞镇，钟永，任海青．现代竹结构建筑在我国的发展前景［J］．木材加工机械，2011(6):44－47．

［10］国家林业局．2003年－2010年全国竹林基地建设规划［R］．北京:国家林业局，2002．

［11］蒋身学，张齐生，傅方四，等．竹材重组竹高频加热胶合成型机研制及应用［J］．林业科技开发，2011(3):109－111．

［12］黄小真，蒋身学，张齐生．3种竹材重组竹耐老化性能比价［J］．林业科技开发，2010，24(2):55－57．

［13］GB50011－2010建筑抗震设计规范［S］．［14］GB50206－2002木结构工程施工质量验收规范［S］．

［15］GB50205－2001钢结构工程施工质量及验收规范［S］．