生物質纏繞房屋將變革傳統住宅建造方式

葉 柃

(國家林業和草原局竹纏繞復合材料工程技術研究中心 杭州 310023)

人類住宅建筑多種多樣，主要采用樹木、石頭、磚頭、瓦片、鋼筋混凝土作為主要建筑材料。我國磚瓦結構住宅誕生于商周時期，成熟于唐宋年代，至今延綿3 000余年，為人類的住宅文明做出了極大功績。鋼筋混凝土房屋出現在19世紀80年代的歐洲，隨著人類社會的進步，這一住宅建造方式已成為首選，為社會特別是現代化城市建設做出了不可磨滅的貢獻。人類社會進入21世紀后，生態綠色發展已成為人們的主流意識，生物質纏繞房屋以其資源可再生、綠色低碳、舒適、經濟、壽命長、可循環利用等優點將登上歷史發展舞臺。

1 生物質纏繞復合材料及資源儲量

生物質材料是指主要含有纖維素、半纖維素和木素的可再生植物材料及其相關廢料，可以在大自然中自然降解成無害有機物質被土壤吸收利用的材料[1-2]。常見的生物質材料主要有木材、秸稈、竹材、蘆葦、草、藤等。采用生物質材料與其他生物質材料或非生物質材料的復合，優化生物質復合材料的結構形式，創新研發出滿足人民生活和國民經濟發展需求的高性能、多功能、高附加值的新型生物質復合材料已成為材料領域的重要研究方向[3-4]。

生物質纏繞復合材料是指采用竹、木、草、秸稈等植物，通過纏繞方式加工成的一種生物基復合材料，其典型特征為資源可再生、可生物降解且綠色低碳。我國擁有豐富的生物質原料，例如我國僅秸稈一項每年就有9億t之多，每年可砍伐的竹材有1.5億t。生物質纏繞復合材料技術是我國2007年發明的竹纏繞復合材料技術的延伸[5-6]，該技術的研發極大地拓展了原材料的來源，使得應用生物質纏繞復合材料全面替代傳統建筑住宅中使用的磚頭瓦片、鋼筋混凝土等高耗能、高污染材料成為可能。

2 生物質纏繞房屋及優勢

生物質纏繞房屋是指采用生物質纏繞復合材料技術，在車間生產好單間房屋，將其運到現場組合而成的住宅建筑。其創新點是將房屋建造工地轉移到生產車間，在車間里完成單間房屋結構制造及內部裝修工序。生物質纏繞房屋能完成這一加工方式，得益于植物莖稈的質輕高強特性。相對于傳統房屋，生物質纏繞房屋具有以下優勢：

1) 綠色低碳、資源可再生。植物生長期內有很強的固碳功能，將植物用到房屋建筑上可將碳儲存起來。植物可源源不斷的再生，特別是秸稈，伴隨著人類的生產活動，每年都有一茬以上的再生；且竹子等亦是速生植物，生長3年即可利用。

2) 資源可循環利用。生物質纏繞房屋可不斷循環利用。生物質纏繞房屋使用壽命應在150年以上(老化試驗還在繼續)，在房屋使用壽命終止時，可將生物質纏繞主體結構分解成碎片或粉，再加工成型材和生物質填料，并進行以上方式的無數次循環。都江堰竹籠、漢長城蘆葦、出土的魯國竹簡、良渚出土的竹籃充分證明了生物(植物)材料在2 000～5 000年的漫長歲月依然保持一定強度的客觀事實，為生物質纏繞材料循環利用提供了依據。

3) 物理結構和經濟的合理性。生物質纏繞房屋在結構上，四周呈外弧形，沒有直角(圖1)，這使得植物莖稈的軸向拉伸強度和橫向抗形變能力處于最佳狀態，最大限度地減少了材料的使用量。同時將竹子的高強性能與秸稈、草的保溫、隔音性能有機結合，使其制造成本具有很強的市場競爭力。

圖1 生物質纏繞房屋斷面示意圖Fig.1 The diagram of cross section for biomass winding composite house

4) 優化房屋建造方式。傳統房屋建造時，在建筑工地必然產生大量建筑垃圾，并伴有灰塵和噪聲，不僅影響人們的正常生活，也影響到周圍環境的美觀。生物質纏繞房屋將住宅建造從建筑工地轉移到工廠車間，在現場的組裝時間僅為傳統建房的幾十分之一，甚至更短，從而減少了90%以上建筑工地的影響因子，同時能大幅度地降低建造成本。

5) 舒適、保溫、隔音。由于生物固有的磁場、平衡干濕的特性，加上優良的保溫性能[導熱系數≤0.2 W/(m·k)]和隔聲性能(隔音效果≥34 dB)(表1)，生物質纏繞房屋令居住者更加舒適。

表1 生物質纏繞房屋主要參數Tab.1 The main parameters of biomass winding composite house

6) 安全、耐候性好。生物質纏繞房屋的每個房間結構都是整體的，能抵抗高等級的地震；在與基礎連接強度超過颶風扭力和升力時，也能經受颶風的襲擊。由于生物質纏繞材料的防火等級為B1級(難燃燒材料)，防火效果好。基于生物材料的穩定性，生物質纏繞房屋的使用壽命要遠大于鋼筋混凝土結構的房屋。

7) 能滿足人們居住習慣和運輸方式。目前一般住房的房間規格為：寬≥3.6 m、高≥3.0 m。生物質纏繞房屋單間凈寬為3.6～5.3 m，房間凈高為3.0～3.8 m，能滿足人們的居住習慣。同時，生物質纏繞的外形尺寸符合高速公路限寬、限高規定，方便運輸。

8) 變不動產為動產。一般概念上的人類住宅是不動產的典型標志，但在很多現實情況下，需要對原有建筑進行拆除，從而造成社會財富的大量浪費。生物質纏繞房屋理論上可向任何地方遷移，使得住宅變為動產，滿足人們搬家時對房間的依戀，因此可提高人們的幸福指數，并減少社會財富的浪費。

9) 充分利用大量閑置資源，增加農民收入。目前中國每年可砍伐的竹子有1.5億t，而被利用的竹子只有4 000萬t，每年都有1.1億t竹資源被閑置。如果將這些閑置竹資源采用生物質纏繞復合材料技術充分利用起來，竹子種植環節可為550萬戶農民戶均增收1.1萬元/年，竹原材料加工可解決農村250萬勞動力就業。目前中國每年產生秸稈9億t，利用率約為75%，有些是作為燃料燒掉，有些被加工成低附加值的肥料等。如將50%的秸稈4.5億t用于加工生物質纏繞房屋，價格按300元/t計算，每年可增加農村收入1 350億元，按每戶每年3 000元計，可普惠4 500萬農戶。

3 生物質纏繞房屋研發及現狀

生物質纏繞房屋的研發自2015年開始。2015年設計房屋纏繞工藝(圖2)，研發專門加工裝備。2017年10月世界上第1幢200 m2的2層樓生物質纏繞房屋樣品(包括內外裝修)試制成功，現場組合時間為74 min，如加上水電氣接通時間，即從現場組合建造到可入住不超過2 h[7](圖3、圖4)。精裝修成本價為2 500元/m2。此后，又開發了生物質纏繞單身公寓和廁所。生物質纏繞廁所已在四川宜賓和重慶北碚應用。

圖2 生物質纏繞房屋建造工藝流程Fig.2 The construction process of biomass winding composite house

圖3 生物質纏繞房屋及其組裝Fig.3 The biomass winding composite houses and their assembly

注：a：客廳；b：餐廳；c：書房；d：臥室。圖4 生物質纏繞房屋內部布置Fig.4 The interior layout of biomass winding composite house

2018年首次提出了生物質纏繞高層建筑的設計思想。高層生物質纏繞房屋要借助于鋼材作為承重骨架，生物質纏繞單體房間以抽屜方式嵌入架好的鋼結構中，安裝房屋之間的門套，接通水、電、氣等設施，再外掛太陽能玻璃幕墻或石材等立面，高層建筑就此建造完成(圖5)。目前，生物質纏繞房屋的關鍵技術已全部攻克，下一步要解決好整體結構生產效率和內外裝修部品化的問題，以及專業組裝工具和裝備的開發。

注：左：高層建筑效果圖；右：安裝示意圖。圖5 生物質纏繞房屋高層建筑Fig.5 The high-rise buildings with biomass winding composite

4 采用綠色低碳房屋已迫在眉睫

人類住房采用磚頭瓦片，特別是自鋼筋混凝土以來，已給地球大氣和土壤造成了很大影響，如今隨著社會經濟的發展，人們對房屋面積的要求也逐步提高，由于建筑引起對環境影響的危機已十分嚴峻。就城市鋼筋混凝土高樓而言，高標號的鋼筋混凝土使用壽命不超過100年，在大量城市高樓使用壽命終止后，除拆除難題外，巨量的混凝土廢渣如何處理(目前有被動利用)已成為人們不得不亟需考慮的問題。同時，磚頭、瓦片、鋼筋混凝土的生產取自不可再生的自然資源，在生產過程中還會產生大量的碳排放。所以，住房建筑必須找到一條低碳、資源可再生、可循環利用的建造方式，與人類社會可持續發展相適應。生物質纏繞房屋的研發正是迎合了這一時代需求。

作為生物質纏繞復合材料之一的竹纏繞復合材料，已成功開發出大口徑壓力管道、城市綜合管廊等產品，制定了國家標準和行業標準，目前被廣泛應用于水利、市政工程建設等領域。

5 生物質纏繞房屋的環境意義

2020年中國房地產銷售面積達17.6億m2，銷售額達17.36萬億元，房地產產業總規模超過35萬億元(不包括農村自建房)。2020年中國粗鋼產量達10億t，水泥產量達23.7億t。粗鋼按單位耗電470 KWh/t計算，全年耗電達4700億KWh；水泥按單位耗電85 KWh/t計算，全年耗電2015 億KWh。鋼材與水泥合計總耗能為6 715億KWh。據有關資料統計，鋼材水泥耗能總量的60%以上是用于房地產開發，如加上鋼筋加工和水泥澆筑用電，耗能總量則更大。以此計算，鋼筋混凝土建筑的耗能在300 KWh/m2以上。

生物質纏繞房屋建造能耗在200 KWh/m2以下，每年僅建造過程就可節能2 200億KWh，按每節約1 KWh電減排0.997 kg二氧化碳計算，僅節能1項，每年可減少二氧化碳排放2.19億t以上，加上生物質纏繞復合材料固碳、儲碳方面，減排量則更為可觀。

6 生物質纏繞房屋產業形成的基礎條件

鋼筋混凝土住宅建筑已有近130年的歷史，磚頭瓦片住宅建筑更是有著近3 000年的歷史，所以要改變人類的生產生活習慣是件很難的事。但社會的綠色可持續發展是人類的不二選擇，應用生物質纏繞房屋逐步替代磚頭瓦片、鋼筋混凝土傳統住房，需要滿足以下基礎條件：

1) 生物質纏繞房屋須具備品質和價格優勢。人們對于新產品的期望是質優價廉，生物質纏繞房屋必須有舒適、安全、衛生、使用壽命長、可便捷整體搬遷等明顯特點，且價格有競爭力。

2) 建立生物質纏繞房屋循環利用技術模型。循環利用是研發新產品不可缺失的內涵，生物質纏繞房屋的循環利用尚處于概念階段，在大批量應用前，要經過充分研究、試驗，建立起科學的生物質纏繞房屋循環利用技術模型，以此增加生物質纏繞房屋的生命力。

3) 建立生物質纏繞房屋技術系統理論。研究提出生物質纏繞房屋的基礎理論、設計方法、監測標準；研究生物質纏繞復合材料的微觀機理和物理力學性能；研究生物質纏繞房屋的材料選材、防霉、防蛀和防裂處理技術；研究生物質纏繞房屋的防災減災技術；研究生物質纏繞房屋生產工藝、施工工藝和工法，研發與生物質纏繞房屋相適應的生產設備、施工設備；建立起生物質纏繞房屋的安全性能、使用性能、耐久性能、舒適性能評價體系；建立適合建筑信息模型(BIM)技術應用的生物質纏繞房屋工程管理模式等。

4) 開展生物質纏繞房屋的全生命周期評價。采用生命周期分析方法，開展生物質纏繞房屋的原材料獲取、材料加工、產品制造與運輸、工程現場安裝建造、運營維護、回收再利用等全生命周期環境影響評價，建立起生物質纏繞房屋全生命周期能耗和碳排放計算模型、環境負荷數據庫、環境負荷評價體系等。

5) 生物質纏繞房屋產業的推廣須上升為國家意志。太陽能、風能發電、新能源汽車等新興產業開始都是在國家有關部門強制性推行下，才逐步得到推廣壯大。雖然生物質纏繞房屋有成本優勢，但來自傳統行業及人們習慣思維的阻力仍然巨大。只有在得到國家高度認可并主導推動下，生物質纏繞房屋技術才能實現真正的生產力，造福于社會。