竹建構(gòu)體系的前瞻性與關(guān)鍵區(qū)塊研究*

申紹杰 武向前 劉彥民

1.竹建構(gòu)的實(shí)踐意義

竹材作為建筑材料已有上千年的歷史。傳統(tǒng)而原始的非洲埃塞俄比亞地區(qū)傳統(tǒng)民居sidama就是使用竹片自上而下上下一體編織而成。在南美洲，一種名叫Quincha的墻體技術(shù)可以追溯到公元前300年[1]-[2]（圖1）。

圖1 Quincha竹屋圖

中國(guó)人對(duì)于竹材的利用同樣有著悠久的歷史，不晚于南北朝的《三輔黃圖·甘泉宮》曾記載：“竹宮，甘泉祠宮也，以竹為宮，天子居中。”少數(shù)民族聚集地如云南、貴州等地的竹材吊腳樓技術(shù)，也有上千年的傳承。

傳統(tǒng)上，竹材被認(rèn)為是“窮人的材料”，許多低收入家庭利用竹材料搭建房屋構(gòu)架[1]。直至20世紀(jì)晚期才得到重新認(rèn)識(shí)。建筑師發(fā)現(xiàn)，竹子不僅僅可以表達(dá)地域性和氣候適應(yīng)性，而且還是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的選擇材料之一。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，常見(jiàn)的水泥、鋼筋混凝土等不可再生材料的消耗加劇，對(duì)環(huán)境造成了沉重的負(fù)擔(dān)。竹子是世界上生長(zhǎng)速度最快的植物，原材料廉價(jià)，在生長(zhǎng)的過(guò)程中可以改善自然環(huán)境，加工過(guò)程中能耗較低，材料可以自然降解[2]。對(duì)世界主要竹種的基本物理力學(xué)性質(zhì)所做的研究工作表明，竹材具有強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定、密度適中的特點(diǎn)，從F.Albermani等[3]定義的材料“強(qiáng)度效率”來(lái)看，竹材的剛度效率和強(qiáng)度效率分別為33和0.017，不亞于鋼材的27和0.02，優(yōu)于混凝土的10和0.003；而生產(chǎn)1立方米的竹材所消耗的能量?jī)H為生產(chǎn)1立方米鋼材的0.1%、1立方米混凝土的6.4%,是性價(jià)比很高的綠色建筑材料[4]。因此，竹材這種綠色建材對(duì)于當(dāng)代建筑實(shí)踐和建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有特別的意義。

竹構(gòu)建筑除了具有綜合經(jīng)濟(jì)成本低、建造的技術(shù)要求起點(diǎn)低、材料生態(tài)環(huán)保、自重輕的優(yōu)勢(shì)之外，還充分利用了天然材料，減少了材料因二次加工所必須的物質(zhì)能源消耗和加工過(guò)程中的污染。此外，在建筑美學(xué)的表達(dá)上，竹構(gòu)建筑受到人們的喜愛(ài)是毋庸置疑的。設(shè)計(jì)師如何利用竹材，發(fā)揮其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，建造滿足人們使用需求的竹構(gòu)空間，是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

竹子主要分布在N46°至S47°之間的熱帶、亞熱帶和暖溫帶。地區(qū)[5]。其中，亞太地區(qū)分布最多。我國(guó)是個(gè)竹材大國(guó)，第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示竹林面積超過(guò)600萬(wàn)公頃，在面積、蓄積、竹制品產(chǎn)量和出口量均居世界第一，竹加工技術(shù)和竹產(chǎn)品創(chuàng)新能力處于世界先進(jìn)水平。

因此，竹構(gòu)建筑的探索和研究，中國(guó)不但不該缺席，還應(yīng)走在世界的前列。

2 國(guó)內(nèi)外竹構(gòu)建筑的探索與研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于竹材建筑的探索早于國(guó)內(nèi)。美國(guó)在20世紀(jì)70年代末就成立了“竹子協(xié)會(huì)”，推廣竹子在美國(guó)的應(yīng)用。歐洲于2000年成立“歐洲竹子協(xié)會(huì)”，同年我國(guó)也成立的“國(guó)際竹藤中心”，致力于推廣竹子的應(yīng)用。

建筑界的實(shí)踐探索走在理論研究的前頭。以哥倫比亞籍的西蒙·韋列（Simón Vélez）為代表的南美洲建筑師在上世紀(jì)晚期開(kāi)始了對(duì)竹構(gòu)建筑的積極探索，他將現(xiàn)代建筑技術(shù)和設(shè)計(jì)手法和原生竹材結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)作了一些列竹構(gòu)作品，其中不少構(gòu)筑物頗具技術(shù)挑戰(zhàn)，甚至包括優(yōu)美的竹構(gòu)橋梁（圖2）。他設(shè)計(jì)的游牧美術(shù)館座落成于墨西哥城的鄒克婁中央廣場(chǎng)（Zócalo），占地5,130平方米，是世界上最大的可反復(fù)拆裝竹材建筑（圖3）。他的作品使人們對(duì)竹建筑有了新的認(rèn)識(shí)。

圖2 哥倫比亞波哥大珍妮·加爾松橋圖

圖3 新游牧美術(shù)館圖

在印度尼西亞，地方設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)PT bamboo pure致力于用全竹結(jié)構(gòu)創(chuàng)造富有地域特征的作品，他們?cè)O(shè)計(jì)的“綠色學(xué)校”（圖4-5）將竹材用于結(jié)構(gòu)、裝飾、休閑等材料，地板家具等也采取了竹制品。通過(guò)把構(gòu)成整座校園的各種元素裝配在一起，當(dāng)?shù)仫L(fēng)格以一種新的關(guān)系與現(xiàn)代設(shè)計(jì)策略融合了起來(lái)。

在越南，青年建筑師武重義專(zhuān)注于竹材建構(gòu)，他基于傳統(tǒng)的低技術(shù)，將竹竿組合成結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用一定的空間結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)造出通透宜人的竹構(gòu)空間（圖6），他在建構(gòu)的處理和空間的優(yōu)雅表達(dá)上取得了很好的協(xié)調(diào)，作品經(jīng)常用于高端公共建筑如高級(jí)餐廳等。他本人2014年憑借竹構(gòu)建筑的創(chuàng)作獲得亞洲建筑師協(xié)會(huì)建筑獎(jiǎng)。

圖4-5 綠色學(xué)校圖

圖6 武重義的竹餐廳圖

國(guó)內(nèi)較早將原生竹材結(jié)合進(jìn)設(shè)計(jì)的有馮紀(jì)忠位于上海松江方塔園的何陋軒，采用竹材為原料，很好的將古建筑用現(xiàn)代園林組合方式組合在一起。香港的嚴(yán)訊奇、臺(tái)灣地區(qū)的謝英俊、日本的隈研吾也在中國(guó)境內(nèi)有過(guò)零星的小規(guī)模的竹構(gòu)創(chuàng)作。其他一些民間竹構(gòu)建筑，多是將竹材作為裝飾件和面材來(lái)使用，或者是一些簡(jiǎn)單的構(gòu)筑物，和竹構(gòu)建筑存在一定的差距。

隨著近年來(lái)社會(huì)對(duì)環(huán)保理念的深入認(rèn)識(shí)，建筑界積極踐行綠色可持續(xù)發(fā)展理念，越來(lái)越多的建筑師將視野轉(zhuǎn)向竹材，賦予這些材料新的表現(xiàn)形式。國(guó)內(nèi)業(yè)界對(duì)竹建筑的探索興趣日益增長(zhǎng)，《世界建筑》2013年第12期以專(zhuān)刊形式集中報(bào)道了“關(guān)于竹的探索”；2014年在無(wú)錫召開(kāi)了召開(kāi)的“竹建筑·竹生活高峰論壇”，與會(huì)業(yè)界人員達(dá)到千人。截止日前正在在中國(guó)龍泉舉辦的國(guó)際竹建筑雙年展，一系列竹構(gòu)作品正在或即將落成。

國(guó)外在理論研究方面，和竹材性能相關(guān)的研究比較成熟，但是竹構(gòu)建筑的研究還處于剛起步的狀態(tài)，主要原因還是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家并非竹材的主要產(chǎn)地，對(duì)竹材、竹構(gòu)建筑有一定的距離和陌生感。這個(gè)現(xiàn)象直到最近才有了進(jìn)展，出現(xiàn)了比較專(zhuān)業(yè)的著作，其中有2012年德國(guó)學(xué)者Gernot Minke 的《Building with Bamboo : Design and Technology of a Sustainable Architecture》以及2014年西班牙學(xué)者Eduard Broto的《 Bamboo Design Guide & 59 Case Study》，這些優(yōu)秀著作對(duì)于設(shè)計(jì)實(shí)踐有較好的參考價(jià)值。國(guó)內(nèi)竹構(gòu)建筑方面，2008年張楠的“原竹建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分析及改進(jìn)”總結(jié)了一些竹節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的做法和改進(jìn)。2013年李文駒的“竹建筑的再生之路” 列舉了竹建構(gòu)的一些做法。2014年何禮平在《建筑師》上發(fā)表“永恒與瞬間——“竹建構(gòu)”的意義創(chuàng)造與解釋”強(qiáng)調(diào)了竹建構(gòu)的重要意義。

此外，尚有其他一些論文，多屬于案例及經(jīng)驗(yàn)介紹性的為主。國(guó)內(nèi)外的研究中，對(duì)于建構(gòu)的體系研究是個(gè)空白。

3 竹建構(gòu)發(fā)展的掣肘以及建構(gòu)體系研究必要性

在竹材的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)在竹建構(gòu)產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它竹制品。竹材不僅可以生產(chǎn)各種小件日用品，而且經(jīng)加工改性后，可以大量應(yīng)用在室內(nèi)及室外工程上，特別是用在飾面材料上（如無(wú)錫大劇院）。但竹構(gòu)建筑的發(fā)展起步緩慢，作為設(shè)計(jì)龍頭的建筑師對(duì)于竹構(gòu)建筑雖然喜愛(ài)，但卻“過(guò)度重視建筑的劣勢(shì)”[6]，或缺乏足夠的信心支撐，不敢用、不會(huì)用、不善用竹子；或者存在認(rèn)識(shí)偏見(jiàn)，認(rèn)為竹子僅僅是邊緣建筑師的題材。此外，國(guó)家沒(méi)有竹構(gòu)建筑相關(guān)規(guī)范，建筑師無(wú)法可依，也一定程度上影響了實(shí)踐的開(kāi)展。

相關(guān)竹建構(gòu)體系研究的空白，很大程度上掣肘了它的發(fā)展。

建構(gòu)體系涉及到材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及形式表達(dá)等方面，其中任何一個(gè)方面的短板，都會(huì)影響和阻礙設(shè)計(jì)的進(jìn)程。國(guó)內(nèi)的竹構(gòu)建筑探索和理論研究落后于南美甚至東南亞，這和我國(guó)作為世界第一大的竹產(chǎn)地國(guó)的地位是極不相稱(chēng)的。建構(gòu)體系研究的展開(kāi)，不僅可以促進(jìn)建筑界對(duì)于竹構(gòu)建筑整體性深入認(rèn)識(shí)，豐富建筑學(xué)的內(nèi)涵；還利于推動(dòng)建筑實(shí)踐、乃至建筑可持續(xù)道路的發(fā)展。我國(guó)正處于高速發(fā)展的階段，竹建構(gòu)體系的研發(fā)與使用可以大量減少的水泥、鋼材等不可再生材料的使用。

4 竹建構(gòu)體系研究前瞻

竹建構(gòu)體系的建立涉及材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和空間形式四個(gè)方面。以建構(gòu)的視角而論，研究?jī)?nèi)容無(wú)法脫離四個(gè)基本區(qū)塊，具體來(lái)說(shuō)，即材料的選擇優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形式研究、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方法、空間形式的創(chuàng)新和表達(dá)。

竹建構(gòu)體系通過(guò)對(duì)竹子各種不同的組合與處理方式，克服竹材本身的不足，充分發(fā)揮竹材較強(qiáng)的抗拉、抗壓能力。目前，竹材在建筑業(yè)通常用作室內(nèi)裝飾品，很少當(dāng)作建筑構(gòu)件來(lái)使用，傳統(tǒng)的竹結(jié)構(gòu)多數(shù)采用捆扎法，但由于竹子截面為圓形等特點(diǎn)，這樣結(jié)構(gòu)形式極其不穩(wěn)定，因此急需探索新型穩(wěn)定的竹結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)不同的建筑結(jié)構(gòu)[4]。

4.1 竹材的選擇和優(yōu)化

建構(gòu)必須對(duì)材料性能有充分認(rèn)識(shí)，此部分內(nèi)容主要是在當(dāng)前已有的材料研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)常見(jiàn)各類(lèi)竹材的特征特性、力學(xué)性能及耐久與防腐性能三個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理和比較，建立圖表體系庫(kù)，便于優(yōu)化選材。

1）各類(lèi)原生竹材特征和特性研究。研究將首先對(duì)一些常見(jiàn)、量大、適合做建材的竹材分門(mén)別類(lèi)，對(duì)其特征和特性進(jìn)行分門(mén)梳理，特征包含大小、尺寸、竹節(jié)特征等；特性包括分布地、生長(zhǎng)周期、耐久、耐裂、加工處理的可操作性等。通過(guò)兩方面進(jìn)行分析、比較，建立材料的特征特性體系圖表庫(kù)，為選材提供系統(tǒng)參考。

2）竹材力學(xué)性能的梳理和比較。根據(jù)現(xiàn)有的材料力學(xué)研究成果，對(duì)常見(jiàn)竹材的力學(xué)性能進(jìn)行梳理比較，原生竹材因種類(lèi)、地域、氣候、生長(zhǎng)年齡等原因，在質(zhì)量和力學(xué)性能方面存在較大的差異，同一根竹材也存在部位上的差別；此外材料還受形狀、部位、尺寸、生長(zhǎng)時(shí)間、含水量等影響。通過(guò)梳理和比較，建立體系圖表，為結(jié)構(gòu)選型、選材提供系統(tǒng)參考數(shù)據(jù)。

3）竹材的耐久與防腐處理。竹材是易腐材料，使用前一般需要經(jīng)過(guò)去脂、防蟲(chóng)、藥化、碳化一系列耐久或防腐處理，其方式有水漂、藥浸、油浸、藥壓、汽蒸、熏烤等。這些方式各存優(yōu)缺點(diǎn)。研究擬從耗時(shí)、成本、效果、環(huán)境損失等方面給出系統(tǒng)的比較，建立體系圖表庫(kù)，為選擇合適的處理方法提供基本的參考數(shù)據(jù)。

4.2 結(jié)構(gòu)形式研究

選擇什么樣的結(jié)構(gòu)形式，取決于它是否能用竹材來(lái)構(gòu)筑，其特定形式是否和竹子的特征相匹配。平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)有大量的類(lèi)型和形式，經(jīng)組合可以滿足不同大小的空間需求。結(jié)構(gòu)選型從兩個(gè)方面研究，一是和原生竹桿相匹配的結(jié)構(gòu)形式研究，二是原生竹材經(jīng)組合、劈開(kāi)、編織等方式變化處理后的結(jié)構(gòu)形式研究，以期滿足梁、板、柱、墻體等不同建筑結(jié)構(gòu)的需要。

1）和原生竹桿相匹配的結(jié)構(gòu)選型

原生竹材是桿件，在長(zhǎng)度、直徑上有一定的范圍，所匹配的結(jié)構(gòu)類(lèi)型必須跟其特征相關(guān)聯(lián)。一些空間結(jié)構(gòu)采用桿件形式構(gòu)成，竹材可以滿足構(gòu)筑條件，形成結(jié)構(gòu)空間。研究將建立結(jié)構(gòu)選型體系圖表，用于結(jié)構(gòu)類(lèi)型優(yōu)化。

2)和組合處理后的竹材相匹配的結(jié)構(gòu)

原生竹材，可以通過(guò)排列、綁扎、劈開(kāi)、編織等手法處理后形成豐富多樣的組合件（圖7），組合件因形式不同，其受力能力也會(huì)得到相應(yīng)的改變，會(huì)有另外的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與其相匹配，結(jié)構(gòu)形式會(huì)有更多的變化。例如拱、薄殼、雙曲面及懸索等。研究將建立體系圖表，將使結(jié)構(gòu)選型的工作進(jìn)一步深入。此部分為研究的創(chuàng)新點(diǎn)之一，也是研究的難點(diǎn)。

圖7 竹材組合后形成的大跨度空間圖

4.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方法

竹材不同于工業(yè)型材料，尺寸上存在差別，截面的圓度不一。再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件連接時(shí)就出現(xiàn)銜接精密度和穩(wěn)定度的問(wèn)題。因此在這方面必須制定處理原則、措施和方法。

竹構(gòu)建筑的節(jié)點(diǎn)，是建構(gòu)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)建構(gòu)體系的作用至關(guān)重要，它必須是材料、受力、功能、審美的統(tǒng)一。竹構(gòu)建筑常見(jiàn)的材料有三類(lèi)，即竹、金屬、混凝土（含水泥）。研究的內(nèi)容是它們和竹材的組合連接，即：竹和竹（木），和金屬，和混凝土（含水泥）。這些節(jié)點(diǎn)處理的關(guān)鍵在于保障連接的可靠性、穩(wěn)定性，因此必須考慮材料的保護(hù)措施，即保障節(jié)點(diǎn)和材料不會(huì)被應(yīng)力所破壞[5]（圖8）。

圖8 竹和金屬的連接圖

對(duì)于一般常見(jiàn)節(jié)點(diǎn)，研究結(jié)果以構(gòu)造詳圖的形式提供節(jié)點(diǎn)解決方案、方法；對(duì)于另外一部分特例，提出針對(duì)性的處理要點(diǎn)、措施和原則。

4.4 建構(gòu)的空間形式創(chuàng)新與表達(dá)

現(xiàn)代建筑關(guān)注本體設(shè)計(jì)，除了功能與形式，還注重材料、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和空間表達(dá)。建構(gòu)本身就是一種形式表達(dá)（圖9-10），處于建筑審美要素的核心地位。建筑通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，能夠表達(dá)建筑的恒久魅力。通過(guò)探討竹建構(gòu)技術(shù)，推動(dòng)竹構(gòu)建筑的形式的創(chuàng)新，可以使竹建筑上升到一個(gè)較高的層次，擺脫目前的比較淺薄的飾面型設(shè)計(jì)或裝飾型設(shè)計(jì)。

圖9 竹構(gòu)的空間與形式圖

圖10 竹構(gòu)的空間與形式圖

此外，竹還是國(guó)人偏愛(ài)的藝術(shù)題材，在國(guó)人心目中有著重要的地位，竹構(gòu)建筑不僅僅可供人們使用，還可和文化以及地域性關(guān)聯(lián)起來(lái)。

5 總結(jié)

竹建構(gòu)體系研究的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)竹材的選擇、優(yōu)化到結(jié)構(gòu)選型、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及形式創(chuàng)新表達(dá)表現(xiàn)研究，建立一個(gè)完整的竹構(gòu)建筑知識(shí)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠提供一個(gè)參照系，讓更多的人可以掌握竹構(gòu)建筑，特別是在建筑學(xué)教育中，研究和學(xué)習(xí)能夠很好地結(jié)合起來(lái)（圖11-12），為設(shè)計(jì)實(shí)踐的推廣奠定基礎(chǔ)。

竹構(gòu)建筑特色鮮明，受到人們的喜愛(ài)，是蘊(yùn)含著巨大發(fā)展?jié)摿Φ男骂?lèi)型。當(dāng)代竹建筑的研究多從建筑的可持續(xù)角度以及對(duì)社會(huì)對(duì)綠色建筑的倡導(dǎo)出發(fā)，關(guān)注竹建筑的生態(tài)環(huán)保意義，而對(duì)竹構(gòu)建筑的本體缺乏關(guān)照。研究正是在此方面凸顯了自身的特色。

圖11 建筑教育中的竹建構(gòu)探索圖

圖12 建筑教育中的竹建構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造實(shí)驗(yàn)圖

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