竹建筑生態(tài)環(huán)保使用研究.doc

最生態(tài)環(huán)保材料竹子建筑使用研究1、引言鋼材、水泥、玻璃、砂石、粘土磚及其它金屬、化工材料，其原料都是不可再生的礦物資源。我國在建筑材料制造過程中，約消耗近百億t的礦物資源，造成嚴重的資源短缺和環(huán)境破壞。同時，建筑材料的制造過程，還要消耗占全國總能耗15的能源并造成驚人的環(huán)境污染。建筑材料的全球性緊缺是十分令人擔憂的問題：特別在發(fā)展中國家。木材及其它傳統(tǒng)建筑材料的短缺及相應的價格上漲迫使人們必須去尋找一種價格低廉又能滿足建造要求的建筑材料。竹子因其屬于草科植物，所以常被稱作高大的“草”，與塑料、木材和石頭等材料建造的房屋相比，廉價的竹子建筑不但經(jīng)濟，耐久性和安全性也很好。許多竹子房屋用處理過或天然的竹材來建造，必要時輔以木材、泥漿、磚塊及混凝土等其它材料，可增加耐用性并豐富造型。竹子在我國的產(chǎn)量非常豐富，中國人對竹子的使用有幾千年的歷史，但是，一直都局限在傳統(tǒng)的用法上，作為生態(tài)建筑材料的巨大價值卻被忽視了。本文從建筑學的角度對竹子進行分析和說明，旨在揭示我國開發(fā)竹子這種生態(tài)建筑材料所具有的深遠意義。2、竹子的性質(zhì)2.1分布世界上有超過l 600種竹子，主要分布在亞非拉的一些國家（見圖1）。歐洲沒有天然分布的竹種，北美原產(chǎn)的竹子也只有幾種。近百年來，一些歐洲國家和美國、加拿大等從亞非拉的一些產(chǎn)竹國家引種了大量的竹種。例如，美國從中國引種的剛竹屬竹種就有35種。亞太竹區(qū)是世界最大的竹區(qū)，該區(qū)竹子約50多屬，900多種，其中有經(jīng)濟價值的有100多種。主要產(chǎn)竹國家有中國、印度、緬甸、泰國、孟加拉、柬埔寨、越南、日本、印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓等。美洲竹區(qū)南至南緯470的阿根廷南部，北至北緯40。的美國東部，共有18個屬，270多種。在北美，除大青籬竹及其2個亞種外，沒有鄉(xiāng)土竹種。在拉丁美洲，南北回歸線之間的墨西哥、危地馬拉、哥斯達尼加、尼加拉瓜、洪都拉斯、哥倫比亞、委內(nèi)瑞拉和巴西的亞馬遜流是竹子分布的中心。非洲竹區(qū)竹子分布范圍較小，南起莫桑比克南部，北至蘇丹東部。在非洲北部蘇丹境內(nèi)的尼羅河上游河谷地帶和埃塞俄比亞的溫帶山地森林地區(qū)都有成片的竹林分布。然而非洲大陸的竹類區(qū)系很貧乏，引種的也不過十幾種。圖1世界竹區(qū)分布目前，世界上絕大多數(shù)竹林仍處于荒蕪狀態(tài)，濫砍濫伐嚴重，經(jīng)營管理水平低，產(chǎn)量不高。本世紀80年代以來，一些熱帶、亞熱帶國家都重視發(fā)展竹業(yè)生產(chǎn)。其中，經(jīng)營歷史較久、經(jīng)營管理水平較高的要算中國和日本。2.2自然屬性竹子是屬于禾本科竹亞科（Ba，Ilbusadea）的一類植物，已知全球約有150屬，l 225種；竹林面積達l 400萬hm2。竹子的生長速度非常快，在理想的條件下，一種生長在哥倫比亞的叫Guadua的窄葉竹，直徑為2224 cm左右，它的莖稈只要34個月就可以完全長成。竹子的產(chǎn)量也很驚人，在哥倫比亞，每ho土地可以產(chǎn)出7 00010 000萬株Guadua；在巴西，Guadua的一些品種每ho可以產(chǎn)出60 000株。我國江西的毛竹具有生長快、成材早、產(chǎn)量高、用途廣的特點，一株毛竹從出筍到成竹只需2個月左右，當年即可砍作造紙原料，若作竹材原料，也只需36年的加固生長就可砍伐利用。0.067 hm2（1畝）可年產(chǎn)竹材l 5002 000 kg。毛竹是多年生常綠樹種，要求溫暖濕潤的氣候條件，年平均溫度1520cc，年降水量為l 200。1 800 mm。對土壤的要求高于一般樹種，既需要充裕的水濕條件，又不耐積水淹浸。2.3物理性質(zhì)竹材有一般木材所不及的優(yōu)點：收縮量小，高度的割裂性、彈性和韌性，很好的順紋抗壓力和抗拉力。竹材在外力作用下的抵抗力稱為竹材的力學強度，單位為MPa。竹材的抗拉強度約為木材的225倍，抗壓強度為木材的1.52倍。表l列出了竹材的各種力學強度，竹子的抗壓和抗拉性能都很好。而且生長在斜坡的竹子比生長在山谷的竹子結實，在貧瘠干旱的土地上生長的竹子比在肥沃的土壤中生長的竹子結實。這些在選用竹子時也要作為考慮因素。2.4竹子在建筑方面的優(yōu)勢1）經(jīng)濟性：竹子建筑最重要的優(yōu)點是成本低廉但不降低建筑質(zhì)量，而且經(jīng)久耐用，占用空間少。根據(jù)哥斯達黎加PNB的統(tǒng)計，竹房屋比普通材料住宅的成本便宜20H1。2）靈活性：竹子建筑的設計和建造更具靈活性，優(yōu)點之一就是能夠通過更換損壞部分得到經(jīng)常性的維護。3）低技術：竹建筑的技術要求不高。大多數(shù)竹房屋的建造基于當?shù)氐募夹g水平，無需高技術的指導，另外，竹建筑比較容易與先進技術結合使用。4）安全性：由于質(zhì)量輕、彈性好，竹子的抗震功能非常突出。據(jù)報道（Gutierez，1998），在哥斯達黎加的7.6級地震中，位于震中的30座竹房屋保存完好，而周邊許多混凝土房屋和旅館全部倒塌。5）舒適性：熱帶農(nóng)區(qū)夏季氣溫很高，中國云南南部地區(qū)，人們至今仍然喜歡建造竹樓來避暑，享受竹樓的涼爽。6）耐用性：經(jīng)過適當處理的竹材使用壽命可達30年之久，而且，竹材種類的精心選擇、防腐處理、輔助材料的使用以及老化或損壞部分的定期更換等等都能增加竹房屋的耐用性。7）可持續(xù)性：社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)性是當前發(fā)展領域中日益重要的問題。竹子本身所具備的特點符合可持續(xù)性發(fā)展的所有指標。竹子在23年即可成材，而木材至少需要25年。竹子是世界上生長最快的植物，只需利用當?shù)氐闹饕牧虾凸ぞ呔妥阋越ㄔ旌唵谓?jīng)濟的竹房屋。3、竹子的應用3.1傳統(tǒng)用法1）利用其割裂性編織用具、竹簾、竹席、竹籬、傘骨、燈籠等；2）利用其負荷力制作曬竿、擔架、腳手架、梁柱、門窗、地板、竹橋、竹筏及其它家具、用具3）利用其彈力制作弓、弩、釣竿等；4）利用其抵抗力制作手杖、傘柄、撐竿、竹釘、竹箍等；5）利用其中空特性制作水車、水桶、水管、煙筒及各種樂器；6）利用其外觀特性制作竹索、蔑欖、工藝品、玩具等。3.2現(xiàn)代用法隨著科學技術的進步，除了在傳統(tǒng)的基礎上提高產(chǎn)品質(zhì)量外，竹子還被開發(fā)出了更多新的用途（見圖4）。主要是以竹代木，將竹材制成各種建筑用板材，比如膠合板、纖維板、裝飾板等代替各類木質(zhì)板材。竹質(zhì)人造板材質(zhì)細密，不易開裂、變形，具有抗壓、抗拉、抗彎等優(yōu)點，各項性能指標均高于常用木材。4、竹子建筑4.1概況竹子在食品、房屋、家具等許多領域的應用歷史悠久。在許多國家，竹子以多種方式得以巧妙利用，一生都可為人類服務。竹子是房屋建造最古老的建筑材料之一，作為品質(zhì)優(yōu)良的建筑材料，竹子比較便宜，且容易加工。近年來，竹子作為房屋建筑材料的重要性逐漸得到人們的關注。在亞洲，許多低收入家庭利用竹子搭建房屋構架，即便使用其它材料，竹子也是建筑單元的主要組成部分。其可以制成房屋的屋頂桁架、檁子、椽子、柱子、地板、墻體、門窗等各種部分，有時為了隔聲的需要可以結合水泥、石膏等材料。竹子建筑除了環(huán)保外，還具有造價低、便于安裝的優(yōu)點（見圖5、6）。在中國和日本的文化中，竹子具有重要的地位。竹子剛勁、清新、生機盎然、蓬勃向上的特點被看作是做人的重要品質(zhì)，因此，竹子在建筑、家具及日用品中更多的體現(xiàn)其文化涵義。在東南亞，竹子幾乎覆蓋了泰國、印尼的鄉(xiāng)間和很多太平洋小島，孟加拉國90的農(nóng)村房屋都是用竹子建造的；在南美洲，本土適合建造用的竹子Guadua建成的房屋很受歡迎，在哥倫比亞的安第斯山地區(qū)，竹子被用來建造結構柱或者劈裂制成板條，用來覆蓋在墻體表面、天花板和地板上，大多數(shù)的竹子還被用作腳手架或者混凝土的模板j。4.2我國的傳統(tǒng)竹子建筑我國在2 000多年前，竹子就已用于民間房屋的建造，迄今南方各省仍多采用竹子建造一些半永久性或臨時性的房屋、棚舍等。竹子在江南民居建筑中一般做夯土墻的骨料使用，可以使夯土墻更加堅固耐用，也可以把竹子剖成長條編成竹笆作為圍墻、外墻，竹子還可以編織成窗間墻的防護網(wǎng)、護墻板或者做成框釘竹條用作護窗板b。在云南，傣家竹樓屬熱帶雨林竹樓形式，包括德宏、景頗、西雙版納一帶。傣族民居以木柱承重，四周圍竹墻，為了通風和防潮，房屋整個架空。竹構架歇山頂，坡度很大，屋面覆以小平瓦或排草。濕熱帶的太陽眩光很強，所以墻體不能開窗，但又要保證通風。竹編的墻透光柔和，既排除了眩光又可以通風Mj。景頗族的竹樓是長脊短檐、架空低矮的干欄式建筑，竹樓的架空高度很低，一般距地面約50cm，高的也不超過l m，竹屋兩側的竹編墻體上部略向外傾，覆蓋脊長而檐短的倒梯形雙坡屋頂o。從結構上看，景頗民居采用的是縱向承重構架。三列縱向設立的竹子可依家庭大小延長擴展，柱與柱之間無橫向的聯(lián)系構件。另外，承重的柱子與架空層、居住層、圍護的墻體三者之間也是相互獨立、自成一體的，4.3現(xiàn)代竹子建筑現(xiàn)代竹子建筑根據(jù)不同的需求，主要分為3類。一是廉價的實用房屋，主要針對解決貧困地區(qū)的居住問題，這類住宅建筑以低造價為前提，對技術的要求低對竹材的需求量很大。如東南亞的大部分地區(qū)以及南美的一些國家，目前仍然有大量竹制房屋。二是臨時性建筑，如用于臨時展覽或休憩用的竹屋，這類建筑要求建造快捷、拆裝方便、且造型精美。具有代表性的例子就是由哥倫比亞建筑師西蒙韋雷（Simon velez）為漢諾威世博會主持設計的zERI廳，以及建于哥倫比亞，由Jorg sta姍設計的跨度約為45 m的竹橋（見圖9）。在我國的臺灣南部，使用竹子也有很悠久的歷史，隨著時代的發(fā)展，又把竹子靈活地應用于現(xiàn)代房屋中，例如竹子建造的公廁、辦公室等。三是比較奢侈的別墅、茶室等。這類建筑追求的是竹子所體現(xiàn)的頎長挺拔以及樸素內(nèi)斂之美，建筑構件精致考究，造價較高，但隨著技術的發(fā)展和人們對精神美的更高追求，這類高品質(zhì)的竹子建筑的發(fā)展空間也是很大的。典型例子是隈研吾設計的位于長城腳下的公社竹屋。隈研吾之所以選擇竹子為材料，如他自己所說，“既然它在中國與日本文化中具有獨特涵養(yǎng)，我們盡可能使用竹子”。這充分體現(xiàn)了竹子在中國和日本文化中的重要地位。竹子排布的密度與直徑，提供了各種不同的空間分割，利用這些特性，隈研吾設計了一面竹墻，就像長城一樣沿著基地斜面的一層竹子，將長城的特質(zhì)運用到居住行為上。這樣一來房子被稱作“墻”而非“房屋”（4.4竹構件的連接竹子自身具有很多優(yōu)點，如前面已經(jīng)提到的，它是一種便宜，生長迅速的植物，其優(yōu)越的物理性能使圖10外掛竹墻公廁圖11隈研吾設計的竹屋之成為很好的建筑材料。但是在竹子建筑中，連接部分是竹結構的一個難點。因為竹子本身是圓筒形的，圓形的交接在節(jié)點處比較困難；另外竹纖維是縱向生長的，這樣竹子很容易在縱向破裂；竹子表面很光滑而且堅硬，捆綁材料很難固定住。目前常用的一些連接竹結構的方法可以比較好的解決這一難題。1）捆綁連接法捆綁連接法是最常見的連接方法，用傳統(tǒng)的自然植物連接，如椰子的纖維、棕櫚葉、樹的內(nèi)皮和竹藤等。捆綁之前將藤條在水中浸泡一下，藤條在干燥后會收縮變緊，從而捆綁的更牢固。橫梁末端和綁帶起到了傳遞受力的作用，如果捆綁得不夠緊，橫梁很可能會在孔洞里裂開。2）榫卯（螺栓）連接法具有次級連接元素的構件經(jīng)常用于與繩索的上下連接。在這種連接方法中，作為螺栓的構件負責傳遞拉力與壓力。在木構件中，這種連接由榫卯來完成。金屬螺釘是穿孔材料，如果竹材不夠新鮮，竹子就很容易被楔形的螺釘劈裂，因此要選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，否則竹子會很容易裂開4.5實例分析zE砒廳1）背景哥倫比亞的建筑師西蒙韋雷致力于竹建筑的研究已經(jīng)很多年，是這方面的專家。他設計了大量優(yōu)秀的竹子建筑，這些作品包括住宅、觀光塔、鄉(xiāng)村俱樂部甚至馬廄。zERI廳是西蒙韋雷為了2000年漢諾威世博會而設計的，它代表了（Zem Ernissions ResearchInitiatives，zERI）的宗旨可持續(xù)發(fā)展，另一個目的是為了推動竹子在南美洲作為建筑材料的應用。2）方案zERI廳為圓形架構建筑，主要靜力結構的構成單元由2個斜柱及其支撐的2個懸臂梁組成。在這個圓形放射狀平面上每個軸線上有2個支撐橫梁，橫梁在最高處形成1個圓環(huán)。lO對上述的基本結構單元按照圓形規(guī)律布置，構架上還有一些為了減少跨度而設置的支撐結構。支撐結構不把荷載直接圖14 zElu廳外觀圖15框架示意圖16受力示意傳遞到斜柱上，而是將荷載轉(zhuǎn)化成柱與柱之間的相互擠壓。為了避免斜柱折斷，減少斜柱的長度，在整個建筑的中間高度位置加入了旋轉(zhuǎn)展廳。該建筑屋頂呈lO邊形，向外懸挑7 m。屋頂平面的直徑為40 m，屋脊處高度為14.5 m，屋面排水槽處高度為7 m。屋面材料為9 mm厚的瓷磚貼面，由竹子加固，下鋪3 cm的水泥砂漿。砂漿和下面鋪的金屬卷材一起將屋頂?shù)暮奢d傳遞到椽子上，椽子之間的距離較近，由它們將荷載向下傳遞給梁和柱（見圖17、18）。外圈的斜柱由6根圓木綁成，里圈的由4根綁成，它們是由紐紋條和扁鋼連接的。不論里圈還是外圈，斜柱只有2棵圓木直接與基礎接觸，其它的圓木都是用來增加硬度和彈性的。里圈的斜柱下部是圓型基座，外圈的斜柱下接單個的基座，由基礎梁相互連接。3）連接方法A型水泥砂漿埋螺紋桿從內(nèi)部打穿豎向竹子23個柱子節(jié)兒，插入螺紋桿，再從外注入水泥砂漿將其固定。橫向竹子在垂直方向打一個穿孑L，串在螺紋桿上。螺紋桿伸出來的末端，至少要有一個螺母和圈墊擰在上面，最后在向橫向竹子注入水泥砂漿。B型鋼條螺栓，水泥固定首先把橫向放置的竹子豎向打孔，螺紋桿從這些孔中拉出來。第2根垂直放置的竹子外側固定了鋼條，鋼條繞過橫向竹子，擰在剛才拉出來垂直螺紋桿上。鋼條像根皮帶將2根竹子拉在一起。橫向竹子上被鋼條搭上的那節(jié)必須灌入水泥砂漿，否則鋼條一緊，竹子就會被勒劈。2種連接方式的評估根據(jù)FMPA斯圖加特（一家專門測試材料的機構）的實驗，A型連接基本沒有什么錯位，在螺紋桿連接處連接竹子的時候，曾出現(xiàn)竹子破裂。最大的荷載為70 kN。B型連接有1.5 mm的錯位，不過可以承受140 kN，是上一種的2倍之多。竹子的破裂發(fā)生在給鋼條鑿孔和對竹子進行切割的時候。4.6局限及解決辦法1）壽命有些竹子的淀粉含量比較高，在收割后很快就會被昆蟲和霉菌侵蝕，破壞了竹子的強度和聯(lián)接。在熱帶雨林中，沒有經(jīng)過防腐處理的竹子建筑的預期壽命是3.5年，很少有壽命超過15年的，因此整個建筑每隔一定時間就要重建。解決辦法：一種傳統(tǒng)的辦法是將竹子烘烤晾干后，快速的用煙熏一下，利用煙里面的木餾油在竹子表面形成一層保護膜，這樣就可以起到很好的防蛀作用。還有一種方法是在竹子外表面涂上一層熟石灰，這樣可以防止?jié)駳鉂B入，也可以防止霉菌的腐蝕。在印度尼西亞還有一種傳統(tǒng)的辦法就是在竹子涂上焦油后再包一層沙子，待晾干后再刷石灰。2）連接盡管一些傳統(tǒng)的方法，諸如榫卯和捆扎技術已經(jīng)使用了上千年。但是這種固定方法的效率并不高，在一定范圍內(nèi)會有移動。由于竹子會隨季節(jié)性的濕氣變化而膨脹，膨脹率達到直徑的6，長度也會相應縮小，從而使連接處變松弛。解決辦法：西蒙韋雷設計了一種連接法，即上面提到的螺栓水泥連接法。由于螺栓是一種力量集中型的連接構件，所以定在竹片容易引起竹子的開裂，這種方法是在螺栓節(jié)點之間填充固化水泥。有了這種連接法，可以增大竹子建筑的跨度。3）缺乏設計指導和規(guī)范社會上存在一種普遍的觀念，就是竹子是窮人的建筑材料，竹子建筑被看作是臨時的避難所。這種觀念導致竹子這種生態(tài)建筑材料的價值長期被忽視了。除了傳統(tǒng)的建造方法外，現(xiàn)代只有極少數(shù)建筑師致力于竹子的研究和開發(fā)。因而在竹建筑的設計方面缺乏相應的指導和規(guī)范，在通常情況下，專業(yè)建筑師在選材時就很少考慮竹材。5、結語通過以上對竹子的介紹可知，竹子在我國作為建筑材料被開發(fā)是切實可行的。目前國內(nèi)發(fā)展迅速，大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設消耗了大量能源，也給環(huán)境帶來了破壞。以可持續(xù)發(fā)展為方針，針對我國國情、建設采用“就地