蘇 娜 費(fèi)本華 邵長(zhǎng)專 周 慧 王曉歡 方長(zhǎng)華 馬欣欣 劉煥榮

(1 國(guó)際竹藤中心北京 100102；2 香港中文大學(xué)建筑學(xué)院香港 999077；3 清華大學(xué)土木水利學(xué)院北京 100084；4 國(guó)家林業(yè)與草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所北京 100029)

竹類植物是地球上生長(zhǎng)最快的禾本科植物，一次種植永續(xù)利用，資源豐富[1]。竹材具有較高的抗壓、抗拉和抗彎性能以及優(yōu)良的韌性，輕質(zhì)高強(qiáng)，與木材相比優(yōu)點(diǎn)明顯[2-3]。圓竹具有中空、壁薄、有節(jié)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從物理力學(xué)角度看，是一種很好的筒體結(jié)構(gòu)，比等直徑的實(shí)心桿具有更大的抗彎強(qiáng)度和慣性矩[4]，用于建筑材料時(shí)具有優(yōu)良的抗彎性能和穩(wěn)定性。此外，竹材天然可降解的屬性使得竹建筑在整個(gè)建造過(guò)程中所產(chǎn)生的能耗、污染也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磚石、混凝土類型的建筑[5]，并且竹材在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)具有碳匯的功能[3，6]，屬于可持續(xù)建筑材料。目前，竹材由于其優(yōu)良的材料性能、獨(dú)特的文化屬性和可持續(xù)發(fā)展的潛力，得到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外當(dāng)代建筑師的關(guān)注。

1 圓竹在拱形結(jié)構(gòu)中的適用性

竹材由于其壁薄中空的屬性，易直易彎，易剛易柔，在用于建筑結(jié)構(gòu)材時(shí)可以創(chuàng)造多種結(jié)構(gòu)類型，常見(jiàn)的如梁架結(jié)構(gòu)、編制結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)以及拉索結(jié)構(gòu)等[6]，其中拱結(jié)構(gòu)和穹頂結(jié)構(gòu)較易創(chuàng)造出完整的大跨度空間[7]。

拱是在自身平面內(nèi)的豎向載荷作用下產(chǎn)生水平推力的曲桿[8]，拱與其支座或拉桿構(gòu)成拱結(jié)構(gòu)，拱結(jié)構(gòu)是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構(gòu)件，在外載荷作用下，拱主要承受壓力，拱結(jié)構(gòu)支座即拱腳承受水平推力，跨度越大，推力越大[9]。拱桿件主要受沿弧形的壓力，拱內(nèi)基本無(wú)剪切力，以2019 年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館(以下簡(jiǎn)稱“竹藤館”) 竹拱為例分析拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，如圖1 所示。圓竹材具有較大的軸向抗壓強(qiáng)度和韌性，并且圓竹易于彎曲定型和連接的特點(diǎn)，在用于拱結(jié)構(gòu)時(shí)能夠很好地發(fā)揮其優(yōu)良的抗壓性能和韌性，創(chuàng)造出較大的空間尺寸和結(jié)構(gòu)美感。

圖1 竹藤館竹拱受力特征示意圖

2 國(guó)內(nèi)外竹拱結(jié)構(gòu)橋梁與建筑

竹材作為建材的歷史十分悠久，在宋朝《營(yíng)造法式》 中對(duì)竹材的建造方式及用料均作出了詳細(xì)的注解[10]。竹拱結(jié)構(gòu)是竹結(jié)構(gòu)在近現(xiàn)代不斷演變的過(guò)程，從最初中國(guó)南方穿斗式結(jié)構(gòu)竹構(gòu)形式到20 世紀(jì)80 年代小作坊，廠房和生產(chǎn)區(qū)的大量興起，對(duì)大尺度空間的迫切需求，促進(jìn)了拱形竹棚的誕生；20 世紀(jì)90 年代以后，拱形竹棚在全國(guó)推廣[7]；21 世紀(jì)初，隨著現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)組織的支持和推動(dòng)[11]，越來(lái)越多的初具規(guī)模的拱形竹結(jié)構(gòu)在全國(guó)各地落成，多為竹橋和展館等公共建筑，具有代表性的為茅以升公益橋和2019 年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館。其中茅以升公益橋—重慶觀音橋(圖2) 為2017 年建成，橋身為竹拱結(jié)構(gòu)，跨度為20 m，每榀竹拱由7 根立柱支撐。

國(guó)外的竹建筑也主要集中在竹資源豐富的地區(qū)，如東南亞一些國(guó)家。越南建筑師武重義擅長(zhǎng)利用各種形式竹拱結(jié)構(gòu)創(chuàng)造大空間竹建筑[12-14]，在其很多竹建筑作品中均有竹拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2009 年建筑作品《竹之翼》 (Bamboo Wing) (圖3)，就是合理地利用了半拱結(jié)構(gòu)營(yíng)造出“竹之翼” 的意境；2010 年上海世博會(huì)的《越南館》 (圖4) 內(nèi)部空間是利用傳統(tǒng)綁扎方式形成的連續(xù)竹拱構(gòu)架，使人仿佛置身于竹林之中，被譽(yù)為 “竹子宮殿”；2015 年的作品《納曼海灘酒吧》 (Naman Beach Bar) (圖5) 主體結(jié)構(gòu)是由8 個(gè)竹框架構(gòu)成的，每個(gè)竹框架則利用多種不同類型的竹拱交織而成。

圖2 茅以升公益橋——重慶觀音橋

圖3 武重義作品《竹之翼》

圖4 武重義作品《越南館》

而印度尼西亞艾卜庫(kù)建筑團(tuán)隊(duì)致力于利用巴厘島資源豐富的馬來(lái)甜龍竹(Dendrocalamus asper) (又稱“巨型竹”) 建造房屋、酒店、學(xué)校和活動(dòng)場(chǎng)所，其中巴厘島的綠色學(xué)校(Green School) 大量運(yùn)用了竹拱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)竹建筑之美[15-16]。梅潘提根禮堂(Mepantigan Auditorium) (圖6) 是綠色學(xué)校的多功能活動(dòng)空間，由2 個(gè)橫跨15 m 的巨大拱門支撐，每個(gè)竹拱僅由2 根巴厘島當(dāng)?shù)鼐扌椭褡又瞥?；千年?Millennium Bridge) (圖7) 是竹子力量的證明，在當(dāng)時(shí)是亞洲最大的竹橋，跨度23 m，屋頂以米南卡堡為靈感，令人印象深刻；海龜教室(Turtle Classroom)(圖8) 是綠色學(xué)校最受歡迎的教室，由多個(gè)竹拱交錯(cuò)而成的橢圓形結(jié)構(gòu)使得整個(gè)空間具有一種膨脹感，充滿活力，教室可以容納30 名學(xué)生。

圖6 綠色學(xué)校的梅潘提根禮堂

圖7 綠色學(xué)校的千年橋

圖8 綠色學(xué)校的海歸教室

3 竹藤館建造關(guān)鍵技術(shù)

以2019年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館為案例，對(duì)拱形大跨度圓竹建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解析。竹藤館由意大利卡德納斯設(shè)計(jì)工作室負(fù)責(zé)建筑設(shè)計(jì)，香港中文大學(xué)建筑學(xué)院、清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)，國(guó)際竹藤中心負(fù)責(zé)圓竹建筑無(wú)支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原材料處理技術(shù)支持而建成。竹藤館是國(guó)際竹藤中心主持的“十三五” 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“竹資源全產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)集成與示范” 的成果之一，完全使用圓竹結(jié)構(gòu)，在原材料制備、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、圓竹連接、力學(xué)設(shè)計(jì)和后期維護(hù)等方面，獲得多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

竹藤館為圓竹竹拱建筑體系，整個(gè)建筑采用5 000多根毛竹(Phyllostachys heterocycla) 建成，其主要受力結(jié)構(gòu)為圓竹竹拱結(jié)構(gòu)，竹拱跨度達(dá)到32 m，中間無(wú)任何支點(diǎn)，是目前中國(guó)北方跨度最大的無(wú)支點(diǎn)拱形圓竹建筑，圖9 所示為竹藤館效果圖和建成后實(shí)拍圖。

圖9 竹藤館

3.1 竹藤館的組成部分

1) 基礎(chǔ)。地基： 鋼框架+混凝土；側(cè)墩： 混凝土。

2) 結(jié)構(gòu)。竹拱結(jié)構(gòu) (圖10)： 以圓竹材為主(直徑8～10 cm)，木材、五金輔助(作為連接件)，拉索(直徑1.5 cm) (起連接作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性)；檁條： 圓竹檁條和鋼檁條。

3) 圍護(hù)。支撐：黑色方鋼管框架；面層：透明玻璃。

4) 屋頂。彩鋼壓型板、瓦型陽(yáng)光板/屋面采光板(用于采集陽(yáng)光，減少電力使用)、多肉綠植(屋頂綠化)。

5) 天花。中國(guó)傳統(tǒng)特色竹編(圖11)。

3.2 圓竹原材料制備

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化圓竹選取和處理

圖10 竹藤館竹拱結(jié)構(gòu)

圖11 竹編裝飾

竹材是一種天然材料，各種自然因素致使竹竿粗細(xì)、尖削度以及力學(xué)性能等不均一，大大降低了圓竹結(jié)構(gòu)材質(zhì)量的可控性，因此在利用圓竹時(shí)，特別是作為建筑結(jié)構(gòu)材時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。竹藤館主要結(jié)構(gòu)用圓竹全部選取4～6 年生、胸徑在8～10 cm 的毛竹，標(biāo)準(zhǔn)竹竿長(zhǎng)度為600±3 cm，尖削度控制在2 cm 之內(nèi)，含水率為8%～12%，與北京的年平均平衡含水率相近，以減少因干縮濕脹引起的開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.2.2 圓竹防護(hù)處理

竹材在迅速生長(zhǎng)過(guò)程中形成大量的糖分、淀粉和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易發(fā)生蟲(chóng)蛀、霉變、腐爛等現(xiàn)象，導(dǎo)致原竹結(jié)構(gòu)材使用壽命縮短[17]，因此在圓竹利用時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行防護(hù)處理，起到防蟲(chóng)、防霉、防腐以及防火的效果，增強(qiáng)圓竹的性能穩(wěn)定性和使用耐久性。竹藤館所采用的圓竹是利用天然防腐劑+高溫?zé)嵊吐?lián)合處理技術(shù)進(jìn)行處理，其原理是利用天然防腐劑除去竹材內(nèi)部的淀粉和糖分等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，再利用熱油處理在竹材表面形成油膜，阻止水分浸入和微生物侵襲，從而達(dá)到長(zhǎng)效防護(hù)的效果。

3.2.3 圓竹調(diào)直、調(diào)彎處理

圓竹在生長(zhǎng)過(guò)程中由于地勢(shì)、風(fēng)向或遺傳等因素導(dǎo)致其竹竿通直度不均勻[17]，在使用過(guò)程中根據(jù)圓竹所使用場(chǎng)合的不同需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)直和調(diào)彎處理。在竹藤館竹拱結(jié)構(gòu)中圓竹需要進(jìn)行調(diào)彎處理，調(diào)制一定的弧度；而當(dāng)圓竹用于館頂竹檁條時(shí)則需要通直的形態(tài)，以將館頂壓力均勻分布、傳遞在竹拱結(jié)構(gòu)上，這時(shí)則需要將圓竹材料進(jìn)行調(diào)直處理。竹藤館所用圓竹是利用高溫火烤加熱法使圓竹軟化，進(jìn)行調(diào)直或者利用弧度儀進(jìn)行調(diào)彎處理。

3.2.4 圓竹防開(kāi)裂處理

圓竹由于其中空壁薄的構(gòu)造以及其竹青至竹黃層維管束存在梯度分布的特征，導(dǎo)致圓竹材在受外力或生物內(nèi)力時(shí)竹青、竹黃的應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象[18]。這種現(xiàn)象與很多因素相關(guān)，如竹材含水率變化、外力形式等，因此對(duì)圓竹防開(kāi)裂處理主要做了2 個(gè)方面的工作：

1) 調(diào)節(jié)竹材含水率。竹材在砍伐至使用的過(guò)程中利用干燥窯將竹材進(jìn)行均勻干燥，并在北京施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平衡含水率調(diào)節(jié)，使其平衡含水率與北京當(dāng)?shù)睾时３謩?dòng)態(tài)平衡。

2) 通過(guò)緊固件進(jìn)行加固。圓竹材的開(kāi)裂一般是從兩端開(kāi)始，逐漸蔓延至中間。因此，在實(shí)際使用圓竹時(shí)，利用緊固件將其兩端進(jìn)行加固，竹藤館使用的加固件是金屬喉箍件，如圖12a 和b 所示。

圖12 金屬喉箍緊固件

3.3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

德國(guó)學(xué)者波拜恩認(rèn)為 “建構(gòu)是一種連接的藝術(shù)”，表明了節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的重要性，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是建筑品質(zhì)的基本保障，也是創(chuàng)造好的形式與空間效果的根本所在[4]。圓竹作為建筑材料，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也是建筑品質(zhì)的關(guān)鍵。

3.3.1 竹竿之間的連接

1) 竹竿長(zhǎng)度方向的連接。將大竹筒兩端竹隔打通，鑲套與大竹筒內(nèi)徑一致的小竹筒，連接兩根竹竿，并輔以氣釘加固，實(shí)現(xiàn)竹竿長(zhǎng)度方向的加長(zhǎng)，如圖13 所示。由于小竹筒連接件與大竹筒材質(zhì)相同、性能相近，采用大竹筒鑲套小竹筒的連接形式使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠發(fā)生同步變形，而且圓竹調(diào)彎過(guò)程中較易調(diào)至相似的弧度。

圖13 竹筒鑲套接長(zhǎng)工藝

2) 竹竿徑向連接。圓竹在作為建筑結(jié)構(gòu)體時(shí)多以成束的形式存在，以增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，傳統(tǒng)的連接形式為綁扎和榫接。綁扎多利用棕繩或鐵絲等將多根圓竹連接在一起，屬于柔性連接，節(jié)點(diǎn)容易松動(dòng)；而榫接屬于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)典型連接方式，但由于竹材中空的特點(diǎn)，榫接對(duì)竹材的切削使竹材在節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象。竹藤館采用現(xiàn)代五金件的連接方式，竹竿徑向之間通過(guò)螺栓螺母進(jìn)行連接，端部采用金屬喉箍件進(jìn)行加固，如圖14a 和b 所示。圓竹檁條便是通過(guò)4 根竹竿徑向連接而形成。

圖14 徑向連接

3.3.2 基礎(chǔ)與竹拱結(jié)構(gòu)之間的連接

竹拱拱腳處是竹拱受力較為集中的點(diǎn)，易發(fā)生開(kāi)裂或斷裂，因此基礎(chǔ)與竹拱之間的連接尤為重要。竹藤館兩側(cè)均有混凝土側(cè)墩，側(cè)墩上有凸出的與圓竹內(nèi)徑相似的鋼管(圖15a)，將鋼管插入竹拱拱腳內(nèi)(圖15b)，在拱腳外包覆鋼板(圖15c)，鋼板與拱腳之間的孔隙填充混凝土(圖15d) 加固拱腳強(qiáng)度。

圖15 側(cè)墩與拱腳的連接

3.3.3 結(jié)構(gòu)與屋頂、圍護(hù)之間的連接

竹藤館的屋頂與圍護(hù)均不承受力，僅作為圍護(hù)使得建筑成為一個(gè)較為完整的空間。屋頂采用瓦型陽(yáng)光板和彩鋼壓型板，直接通過(guò)螺栓、螺母連接在竹檁條和鋼檁條之上，如圖16 所示；圍護(hù)結(jié)構(gòu)則是將黑色方形鋼管通過(guò)螺栓、螺母連接在最外側(cè)的竹拱上，再鑲嵌玻璃而成，如圖17 所示。

圖17 竹藤館圍護(hù)

3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分散-變截面桁架竹拱

大跨度竹拱在竹藤館作為主要承壓構(gòu)件，竹拱主要受沿弧形的壓力，最終壓力集中到拱腳并傳遞給側(cè)墩，因此，拱腳處是應(yīng)力最為集中的地方，最易開(kāi)裂。為分散拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象，竹拱采用變截面桁架拱，如圖18a 和b 所示。該結(jié)構(gòu)兼具拱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，在竹拱中部將竹拱分為4 個(gè)分拱，截面從中部位置至拱腳逐漸增大，大大降低了拱腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；此外桁架式的竹拱結(jié)構(gòu)，本身也分散了竹拱拱身的壓力[19]。

圖18 變截面桁架竹拱

3.5 拉結(jié)強(qiáng)化構(gòu)件——斜拉索

斜拉索是橋梁中常用的受拉構(gòu)件，竹藤館在2個(gè)竹拱拱腳處對(duì)角拉結(jié)斜拉索，如圖19a 和b 所示。在竹拱結(jié)構(gòu)中設(shè)置斜拉索是為了增加各個(gè)拱之間的約束，以及拱與拱腳之間的約束，避免拱結(jié)構(gòu)在風(fēng)力等作用下發(fā)生平面外傾側(cè)現(xiàn)象。

圖19 對(duì)角斜拉索

3.6 圓竹構(gòu)件預(yù)制化

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，裝配式建筑的技術(shù)也愈加成熟，這種在工廠預(yù)制構(gòu)件，在工地進(jìn)行構(gòu)件組裝的建造形式不僅能夠大大縮短工期，而且生產(chǎn)成本低，甚至在后期維護(hù)的過(guò)程中可以進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的替換，從而提高建筑的使用壽命?，F(xiàn)代圓竹建筑也逐漸采用裝配式的建造形式，其發(fā)展基礎(chǔ)是竹構(gòu)件的預(yù)制化。竹藤館的圓竹預(yù)制構(gòu)件主要為單榀竹拱和竹檁條，如圖20 所示。在圓竹加工工廠，利用標(biāo)準(zhǔn)圓竹按照竹材軸向和徑向連接技術(shù)將其預(yù)制成所需的單榀竹拱預(yù)制構(gòu)件和竹檁條構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝加固，大大縮短了竹藤館的施工工期。

3.7 竹拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

圖20 可預(yù)制竹拱和檁條

在建成的竹拱上安裝了位移力學(xué)測(cè)試裝置，在每榀拱上自拱腳至最拱頂處安裝了5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)竹拱豎向位移、拱面內(nèi)水平位移和拱面外水平位移。一方面實(shí)時(shí)有效了解竹拱結(jié)構(gòu)的工作狀況，為竹拱結(jié)構(gòu)在特殊氣候條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)；另一方對(duì)竹拱結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展進(jìn)行智能評(píng)估和預(yù)測(cè)，對(duì)竹拱結(jié)構(gòu)的加固和修繕具有重大的參考價(jià)值。圖21 為技術(shù)人員正在測(cè)量竹藤館竹拱的位移。

圖21 監(jiān)測(cè)竹拱位移

4 小結(jié)

拱形大跨度圓竹建筑，充分發(fā)揮了圓竹優(yōu)良的抗壓性能，是一種結(jié)構(gòu)合理并且富有曲線美感的建筑形態(tài)。竹藤館作為目前中國(guó)北方跨度最大、無(wú)支點(diǎn)的竹拱建筑，摒棄了傳統(tǒng)的圓竹材料現(xiàn)伐、現(xiàn)用的做法，采用標(biāo)準(zhǔn)圓竹加工和處理的方法，降低了圓竹材在使用過(guò)程中的質(zhì)量不可控性，并在很大程度上延長(zhǎng)了竹材的使用壽命；此外，竹構(gòu)件的預(yù)制化大大降低了施工難度并縮短了工期，一定程度上推動(dòng)了竹建筑裝配化進(jìn)程。巧妙的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及斜拉索的合理運(yùn)用均提高了竹拱建筑在北方較大風(fēng)壓的情況下的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了竹拱建筑的使用壽命，此外建筑健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也進(jìn)一步保證了大跨度竹拱建筑的安全性。竹藤館的建造技術(shù)已凸顯現(xiàn)代化拱形大跨度圓竹建筑的形態(tài)，是現(xiàn)代化拱形大跨度圓竹建筑的典范。