基于預制竹材結構實驗設計的可持續性建筑研究

王爽

（哈爾濱華德學院，黑龍江 哈爾濱150000）

當今，我們正面對著威脅建筑業的一些主要可持續發展挑戰，包括具有全球和地方重要性的問題：如資源枯竭、保護生物多樣性和氣候變化。那么，對于這些問題，我們首要應該想到什么呢：“對于傳統污染型建筑材料有哪些替代品？”“這些替代品是如何起作用的?”“如何能保證替代品的穩定來源?”。本文提供了在應對可持續建設和發展的挑戰中起關鍵作用的構件的實用信息。它的基礎是一個簡單的概念，也就是確保每個人現在的生活質量的同時，又保證不損害今后幾代人的生活質量。[3]可持續發展要求設計者在建筑生命周期的每個階段都有生態意識的思考，從建造的決定開始。讓我們了解為實現能源和水效率目標、實現成本節約和最大限度地減少對環境的總體影響所采取的關鍵決策和步驟，探索每個項目階段的機會，以創建更多可持續的項目。我們需要涵蓋建筑工程專業，包括建筑或設計服務、土木工程、機電工程、結構工程等其他相關工程專業。首先從一種目前利用率較低但是受力性能較好的材料開始介紹。

竹子是一種多功能、結實、可再生、環保的材料。它是禾本科植物，也是地球上生長最快的木本植物。大多數竹子品種在播種后3-4 年就能長出成熟的纖維，比大多數木材生長周期短出數倍。有些竹子一天能長到1 米，很多能長到25 米甚至更多。竹子可以在3-5 年的周期內快速、輕松、可持續地生長。它可以生長在邊緣和退化的土地上，也可以在高地以及河岸生長。竹材適應大多數氣候條件和土壤類型，作為一種土壤穩定劑和有效的碳匯設施，有助于對抗溫室效應。盡管在過去，特別是在中國南部地區，它僅被用于農村建筑，但對于這種高強度材料，我們應該投入更多的關注。此外，還要盡早推廣基于現代鋼筋混凝土設計基礎上的科學設計方法，才能使竹材以最經濟的方式用于廣泛的現代城市和農村建設。本人從這幾方面，通過相應研究，取得了一定結論。本文從材料特性、科學設計方法的發展和預制中、高容量模塊化組件的發展三個方面進行簡要介紹。

1 竹材的力學特性

本文通過相應實驗，對生長在中國的兩個品種——剛竹和毛竹進行了完整的力學特性分析。以混凝土行業的測試標準，分別測定了兩種竹材的抗拉壓強度。[4]根據實驗組綜合結果，測得剛竹和毛竹的典型特征抗壓強度分別為63MPa 和44MPa。抗拉強度分別為76MPa 和62MPa。除此之外，關于竹齡選擇以及竹材加工選取竹材的不同部位也是需要考慮的因素。筆者通過借鑒相關文獻，了解到，不同竹齡的竹材，竹壁厚薄不均, 產生的收縮應力更大, 更易開裂。毛竹根部的竹筒部位由于含水率較高也較易開裂。就竹齡而言,4 年以下竹齡的毛竹較易開裂。所以，對于不同部位以及竹齡的相關性能實驗，還有待進一步研究完善。

2 可持續發展建筑的竹材梁柱組合結構研究

在闡述了竹材的力學性能之后，筆者將進一步對竹材梁柱結構的組合形式進行分析。在這一過程中，我發現了一種新型的由竹材組成的梁柱組合形式：利用專用的鋼構連接件將半裂主板條連接在一起。通過相應的結構功能試驗，測試得到一種可以有效提高竹材梁柱整體性的鋼材連接件，并且這種連接件能夠以焊接及螺栓的形式進行補強，如圖1 所示。[1]首先將連接件連接到柱，通過擰緊兩個半分裂管件使用螺栓擰緊，使其到達到一個特定的扭矩水平。夾具通過將柱底底板固定，使得立柱很容易連接到地基上，從而使得整個門式剛架的安裝更加容易。該結構針對工業廠房等大跨結構有著較好的推廣性，也可以被用于在大學學校校舍或者商業活動中心。上述開發項目是竹材作為一種綠色工程材料，在建筑結構中用于可持續經濟增長的研發項目的一部分。

圖1 竹材連接件

3 大跨度抗彎構件的研究

上述的結構適用于中等跨度的構件，如板條梁或柱。然而，針對與多高曾建筑，這樣的結構體系的安全性還有待研究。針對與需要承擔大量水平荷載的建筑結構，需要采用新的竹材材料形式——新型纖維增強復合竹（FRCB）構件。[2]根據竹纖維的制備工藝，一般需要對竹纖維進行預處理。預處理的目的是提高竹材的塑性，保持足夠的強度。生產實踐表明，竹纖維的質量與其生產條件密切相關，堿處理竹纖維的主要影響因素是濕度。在以往的研究中，纖維飽和點以上的竹材力學性能基本不變。堿處理后竹材的力學性能與含水率之間的關系尚未確定。天然竹材可作為單向纖維增強復合材料，宏觀上呈各向異性。在竹纖維的加工過程中，以軋制法和精梳法加工的竹纖維大多處于與晶粒平行的拉伸狀態。實驗中，通過對竹材的縱向拉伸性能進行了研究。得到了相應結論：（1）原竹為脆性材料，堿處理后NaOH（2.5%）浸泡24h 可制得塑性材料（含水率18%）。（2）經NaOH（2.5%）浸泡24h 后，竹材縱向力學性能與含水率密切相關。抗拉強度隨含水率和擬合線的減小而增大。在含水量為40%～90%時，竹子的伸長可達10%以上。因此，在機械加工粗竹纖維時，竹材含水率應控制在40%～90%之間。（3）堿處理后竹材的縱向抗拉強度取決于單根纖維的粘結強度，竹材的塑性伸長取決于單根纖維間的滑移變形。

將竹材以復合纖維的形式組合在一起，形成一個剛性框架，為了達到整體通效果，使其輔以鋼筋及混凝土材料進行整體性澆筑，其預制示意如圖2 所示。通過對所屬結構的水平、豎直雙向荷載實驗，得到了較好的實驗效果，試驗清楚地證明了這種大跨度剛架在現代多、高層建筑中應用的可行性。[4]

圖2 預制復合竹材應用示意圖

4 結論

本文介紹了筆者為實現現代可持續建設的預制竹結構所做的最新研究工作。根據結構工程原理和力學性能，包括對常見的中國竹材的嚴格測試所獲得的強度和剛度，開發了一種科學的設計方法。已開發出合適的鋼性連接裝置，使受力構件具有可連接性，補充以焊接及螺栓等補強方式。通過該種結構實驗，使大面積建筑結構預制成為現實，這項技術對于像中國這樣擁有大片荒地和適宜氣候的國家來說具有巨大的潛力。