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              竹,21世紀的建筑材料——訪中國林科院木材工業研究所副所長、研究員王正
              發布日期: 2010-09-24 閱讀次數: 2738

              我們已經習慣了在建筑、裝飾上使用木材,近幾年也“習慣”了木材價格的上漲,因為我們已經熟知了森林資源的貧乏導致木材供應的短缺的事實,所以,如何解決建筑領域中的可持續發展,同時面對全球范圍綠色生態的潮流,這些都引發了眾多有識之士的思索。

                其實,在建筑界和材料學界,“竹”正成為全球關注的一個熱點,竹材資源的開發利用愈來愈引起人們的廣泛關注。那么,竹子能替代木材嗎?能成為21世紀最重要的建筑材料嗎?如果答案是肯定的話,那么具有得天獨厚的竹材資源的中國,在這方面是否應該有所作為呢?是否應該利用新型竹材、“竹化建筑”來創造一種新型的、健康的、富于生氣的生態建筑環境呢?答案也是肯定的。

                現代技術使竹子煥發青春,各種新型竹材在建筑中廣泛應用

                記者:提到竹建筑,許多人就會想到我國南方居民修建的竹樓、竹屋--直接把原竹進行簡單加工用于建筑業,從這點來看,竹子是房屋建造最古老的建筑材料之一,但是也不得不看到這種原始的竹樓、竹屋對竹子的利用是簡單和少量的。那么,在現代科技發展的今天,我們對竹子、對竹材料的建筑應用是否比過去要廣得多?

                王正:竹材具有非常廣泛的用途,例如各種竹制家具、樂器、手工藝品、竹席等日用品,各種包裝材料、制漿造紙以及建筑材料等。利用竹材建造房屋在我國已有2000多年的歷史。但由于竹稈形狀為圓形,尺寸誤差大,竹稈的力學強度有限等問題,只能用于結構簡單、承重力小、低層低檔民宅和臨時性房屋。對于高檔房屋或對材料尺寸、性能要求嚴格的房屋和房屋構件,直接用竹稈、竹稈束或竹片搭建是不能滿足其要求的。如今,隨著各種先進的竹材加工技術的發展,竹材在建筑行業的利用也從簡單的單一原竹搭建方式向復合化、高強度、高性能、高附加值的方向發展,具體來說就是以竹材為原料制成的各種新型建筑材料已經和正在進入我們的建筑、裝飾行業,比如在房屋建造過程中使用的竹材建筑腳手架、竹建筑用水泥模板和直接用作房屋本身的竹建筑材料等,這也是目前竹材在建筑業應用的三大領域。

                記者:竹材建筑腳手架、竹建筑用水泥模板不難理解、應用也比較廣泛,竹材建筑腳手架主要用的是大型單竹如毛竹的竹稈,有較強的抗風能力,但搭建和拆卸不如鋼材料腳手架方便、快捷。竹建筑水泥模板以鋼制材料為外框,內鑲竹材層積板,重量輕、價格低、安裝容易、耐熱,已成為一種非常理想的建筑用水泥模板。而直接用作房屋本身的竹建筑材料我們還很陌生,主要是指哪些材料?

                王正:直接用作房屋本身的竹建筑材料是我們研究和重點發展的對象,這種建筑材料以竹材為原料,采用新型的復合、重組技術制成,其產品可以根據建筑材料的性能要求制成各種梁、檁、椽、柱、天花板、屋頂、墻體、門窗、地板及各種建筑裝飾用板材、方材和型材,其中應用最廣泛的是竹材板材,已經開發成功的工業化產品有竹材膠合板、竹編膠合板、竹地板、竹材碎料板、裝飾用竹材旋切單板、覆塑竹材水泥模板等,近5年還成功開發出竹材中密度纖維板、重組竹、竹木復合板等新技術新產品。這些利用先進的竹材復合技術將原竹制成各種高強度板材、方材和型材,可以滿足高檔竹結構房屋的材料尺寸、強度和性能要求,具有較高的利用價值。

                記者:眾所周知,我國竹子生長廣泛,如果從產量上來說可以說是生產大國,那么,從竹子利用方面來看是否也已經成為“竹產業大國”?

                王正:竹子不僅僅只有南方幾個省才有,我國除了新疆、內蒙、黑龍江等少數省份外,27個省、直轄市、自治區都有竹子分布。剛才已經提到,我國在原竹利用方面歷史悠久,而我國竹材工業化利用卻是在上世紀80年代才開始起步。即使這樣,我國在世界上也是率先開展竹材工業化利用研發的國家,同時,在短短的“九五”、“十五”等十幾年的時間里,開發出竹材膠合板、竹篾簾復合板、竹簾人造板竹材水泥模板和竹地板等數十種竹質型材的新產品。如經過“十五”攻關項目“竹藤資源培育及其高效綜合利用產業化關鍵技術與示范”、“863”計劃項目“竹木復合新型結構材料制造技術”,“948”項目“國外優良竹類植物種質資源技術創新與示范”等課題的研究,在竹種質資源培育、可持續經營和高效綜合利用方面取得了豐碩的成果,特別是在竹質工程材料的制造和應用技術方面取得了重大突破,填補了國內外空白;應用竹質建筑結構材成功地建造了國內第一座以竹材為主體的現代建筑--云南屏邊小學教學樓;在產業化方面,全國竹業年產值達50多億美元,利用集成創新技術所生產的竹裝飾板材產品主要出口歐美,年出口創匯額8億多美元,竹質人造板年產量超過100萬立方米,產品的品種、加工技術水平和工業化規模均居世界首位,竹產業已成為我國為數不多的在國際上具有較強競爭力的優勢產業?梢哉f,我國竹加工利用在集約經營、新品種培育和新產品開發方面處于國際領先地位。

                優良的性能使竹材、竹建筑在國際上受到廣泛青睞

                記者:您剛才說新型竹材大量出口,是否說明國外很“認”這種竹質材料?主要出口哪些國家?

                王正:隨著全球環境的惡化,、森林資源的銳減和竹子工業化利用的發展,竹子身價倍增,竹業的發展越來越受重視,竹材資源的開發利用愈來愈引起人們的廣泛關注。從世界范圍來說,東南亞各產竹國都投入了很大的財力和物力進行竹材深加工領域的研究,歐美等發達國家也在不斷加強竹子資源利用研究。歐盟已經連續資助德、法、意等國進行“竹子可持續經營和竹材質量改進”和“歐洲竹子行動計劃”等重大項目。在建筑師心中,竹材深受青睞,美國建筑師達雷爾·德博爾曾感慨地說:“沒有比竹子更好的建筑材料了。”并隨之將其應用到建筑和裝飾中。比如,隨著歐洲、美國首先提倡使用竹地板以來,日本、韓國、澳大利亞、新西蘭緊隨其后相繼大量使用竹地板.最近更有別出心裁的建筑師將竹材應用到了體育場館,使室內體育館木地板一統天下的局面被打破,德國的奧林匹克體育中心等已使用了中國的竹地板;而在西班牙馬德里國際機場候機樓,其頂棚是中國出品的薄型竹天花板搭建而成;在大量產竹的非洲、美洲的熱帶、亞熱帶發展中國家,由于竹子作為原材料低價而信手而得,所以他們也在密切關注竹質建筑材料的發展,努力學習、研制掌握竹材的利用,以建造牢固而低價的“竹”房屋,解決人口特別是貧困居民的居住問題。目前不斷有這些國家的建筑研究人員和學生來我國學習竹建筑技術。

                記者:作為北方人,我們對竹子了解得不多,一般只知道竹材較硬又比較涼,于是許多人會產生這樣的疑問,與木材相比,竹材到底有什么特點和優勢?哪些“性能”會超過木材?

                王正:竹子“硬”,說明它的力學性能特點是強度高,彈性好,硬度大。研究表明:竹子強度與木材不相上下,有的竹種強度甚至超過木材。竹子的抗拉強度為1000-4000千克/平方厘米,抗壓強度為250-1000千克/平方厘米,彎曲強度是700-3000千克/平方厘米;值得注意的是:竹子在彎曲強度方面的不足在一定程度上也是一種優點。由于竹子纖維的強度較高,如果超過彎曲強度,第一次開裂時并不會像木材一樣徹底折斷。這種特性為維修或更換竹建筑的損壞部分提供了可能性;而且相對于木材,竹子的彈性能夠抗震竹建筑中得以更好的體現。另外,如一些竹層積材的耐水性好,尺寸穩定性高。飽和吸水試驗證明:各級竹層積材的飽和吸水率均遠低于木材和木單板層積材,可用作抗濕高強材。當然,竹材也有一定的缺點,主要反映在徑級小、出材率低、不易加工等。從竹子作為原材料本身來看,竹材是我國重要的速生、可再生森林資源之一,具有生長快,成材早,產量高,可年年擇伐、永續利用而不破壞生態環境,具有一次造林只要合理經營可以長期使用的特點,這是一般樹木所不具備的。

                記者:您剛才提到云南屏邊小學教學樓是國內第一座以竹材為主體的現代建筑,那么,它的哪些地方用到了現代新型竹材?是一個怎樣的構建過程?

                王正:屏邊小學教學樓的屋架用的是竹質積層材,這是最重要的創新,也就是說以竹材為原料制造高檔房屋用的承重結構材包括不同尺寸的梁、檁、椽、柱材料首次在實際的建造高檔房屋中得以實現,其中最重要的是總跨度10.2米的全竹膠合屋架(結構梁)和竹覆蓋望板的研制。竹質積層材結構梁屋架在現場由金屬構件連接后,整體吊裝到設計預定位置,屋頂的支撐由若干個三角形結構梁共同完成,相鄰的三角形結構梁的各邊由一些條形的竹集成材做聯系構件,屋架斜邊上的竹集成材聯系構件上鋪竹膠合板做屋面圍護結構。教學樓的墻板也使用了竹集成材和竹膠合板。這座以竹集成材為主要材料的建筑不僅造型美觀而且工程造價較低,是一座值得推廣的示范性可持續建筑。

                記者:安全性如何?做這方面的測試了嗎?

                王正:建筑結構及墻體用竹材板材和型材制造技術,用于建筑結構梁制造的竹層積材,其性能達到和超過日本JAS“構造用木單板層積材”性能指標;外墻板用竹碎料板性能達到木材OSB板標準,為國內外首創。

                在竹結構材與木材節點的對比試驗中發現,相對木節點,用竹集成材制成的竹結構梁除了具有良好的強度性能外,還具有很好的延展性。當荷載達到極限時,竹節點不會發生劈裂,竹材梁構件不易發生瞬間破壞。由此可見,用竹集成材加工而成的竹結構梁,有著優良的力學性能,可以使建筑物在承受地震等強自然災害時具有較高的安全性能。再舉個例子,1991年,哥斯達黎加發生了一次里氏7.6級地震,大批磚瓦和鋼筋混凝土建筑倒塌了,但20多座用竹子搭建的建筑卻安然無恙,說明由于質量輕、彈性好,竹子的抗震功能非常突出。

                竹材和竹建筑有利于保護環境、節約資源,促進經濟發展

                記者:由于建筑的專業性和復雜性,對我們一般人來說,是否可以這樣認為,由竹子經過精、深加工技術得到的不同類型的竹質板材、建筑材料可以滿足建筑的各種結構用材?

                王正:利用現代復合、重組技術,竹材可以制成各種高檔建筑材料,滿足各種不同房屋及其結構組件的性能要求。大體來說,主要包括高檔房屋建造中承重結構材、竹材制造的天花板及墻體材料、竹材門窗材料及竹材建筑裝修、裝飾材料。目前全竹結構材可應用與竹質工字梁、箱形梁、間隔柱,可組成建筑的樓板擱柵、屋頂人字架及擱柵、承載柱,以及墻面、樓板面和屋蓋覆蓋面材,在這方面我國處于國際領先水平,已經產業化,前景廣闊。用于天花板及墻體材料的竹板材主要有竹編膠合板、竹簾膠合板以及竹編(紙)--竹簾復合膠合板,還可以是竹材刨花板、竹材纖維板、竹刨花-水泥復合板、竹刨花-石膏復合板以及將竹單板、竹編席與竹刨花等復合板。在眾多的建筑裝修裝飾材料中,各種以竹材為原料的裝修裝飾產品越來越多的受到人們的重視。竹材紋理清晰、細密,是一種極好的天然裝飾材料。利用先進的竹材人造板生產工藝可以加工出各種不同的裝飾裝修材料,如墻裙板、各種裝飾墻板、屏風、樓梯扶手、各種裝修木線等等,比如利用旋切竹單板或刨切微薄竹,制造出柔性大幅面無紡布強化竹材裝飾單板,可以用作家具、裝飾墻板及屏風等的覆面材料,是一種性能優良的覆面裝飾材料,其生產技術也已在我國開發成功,為人們的室內裝修提供更多的選擇,部分替代進口珍貴闊葉材。

                記者:竹子和木材各有優點,能否把二者結合起來揚長避短共同用于建筑或者直接做出一種集兩者優點于一體的材料,實現人工林、木材增值利用的目的?

                王正:可以。在一項建筑工程中,竹材和木材可以用在不同的部分,如竹材用于承重,木材用于門窗等。同時也可以把兩者從“質”上結合在一起,那就是制造竹木復合材料。竹材具有強度大,韌性好,生長快等特點,但其易于腐朽,難加工,而我國木材資源嚴重短缺,人工速生林木材正逐步走向市場,但強度低,材質變異大,幼齡材含量高等缺點嚴重影響到木材的利用。將竹材與木材尤其是人工林速生材復合,既增加了板材的強度又符合我國國情。近幾年,我國對竹木復合材料進行了大量研究,開發了一系列竹木復合板材,其主要制造技術是采用水溶性低分子量酚醛樹脂為主劑,加入一定量的助劑和添加劑,浸漬處理楊木、杉木單板、竹簾,經過低溫干燥,縱向組坯、熱壓、定型成型技術制得竹木復合強單板層積材,它克服了竹材與木材內應力不同,干縮濕漲不一致帶來的弱點。

                記者:環境效益是近年來研制各種新材料都要考慮的因素--生長中的竹子是有益的,這一點毫無疑問,但是如果把竹子加工成各種竹材,這個過程中會用到膠等化學物質,那么,這樣做成的竹材是否還是環保的?另外,目前新型竹材的成本是否低于木材?

                王正:與樹木相比,竹子生長迅速,吸收二氧化碳量是普通樹木的4倍。研究還表明:相同面積的建筑,竹材與混凝土的能耗比為1:8,與鋼材鐵相比,相同過程中竹子的能耗僅為鋼材的1/50。竹材人造板導熱系數低,保溫、隔熱性能好,建筑熱損失減少,保證竹結構建筑具有較高的節能效益。至于竹材在生產加工過程中的環保問題,我國已經成功開發出無甲醛竹材集成材膠合工藝技術,生產的竹材集成材具有無游離甲醛釋放、膠層耐水性好、膠合強度高的特點,并且施膠量只有傳統膠粘劑施膠量的1/5~1/7,膠合成本與脲醛膠粘劑相近,為國內外首創,是環保型家具和室內裝飾裝修用理想的新型環境材料。原竹的價格比木材便宜的多,但目前由于竹材加工領域高度機械化和連續化的設備和工藝尚未普及,有的

                企業機械和手工相結合,使生產效率較低,導致竹質板材的價格要略高與木板材,但隨著技術的不斷進步、成熟,竹質板材的價格會不斷降低。

                記者:竹材人造板及竹制房屋在北方地區適用嗎?

                王正:新型竹材建筑材料可以在各地區的建筑得到廣泛中使用。比如預制板(快裝式)房屋是近幾十年發展起來的一種新型建筑方式,它具有房屋部件模數化、標準化,房屋建造速度快,成本低、建筑式樣多變產生廢料少等特點,是當前建筑的發展方向之一,有良好的發展前景,而用竹層積材制成的預制房屋在這方面可以大顯身手。通過竹材層積板的墻體及屋頂板的預制以及現場組裝等技術過程最終形成完整的竹結構房屋建筑。其中柱、梁均為竹構件或竹木組合構件,竹木結構的墻體還具有保溫功能。整個活動房采用模塊化設計和制作,房屋可快速拆、建,施工效率高,既適用于建筑工地的臨時用房,也可作為農村永久住宅使用,其建筑形式和使用功能又與歐洲和北美等非竹產區的木結構別墅一致。這種竹結構活動房可以在北方廣泛使用。

                記者:您覺得竹子及建筑竹材會成為21世紀最重要的建筑材料之一嗎?

                王正:隨著我國天然林保護工程的實施,木材資源緊缺的問題將在21世紀日益突出,在這種形勢下,竹材作為一種速生的森林資源,其高性能、高附加值的加工利用問題將會越來越引起人們的關注。將竹材制成各種不同性能的新型建筑材料在中高檔房屋建造,建筑裝修裝飾材料制造以及其他如包裝、家具等方面的應用具有十分重要的意義。竹材是我國南方各省重要的自然資源之一,提高竹子的利用率和竹產品的經濟附加值、提升竹產業的整體水平對帶動廣大低收入竹產區經濟的發展,增加竹農收益、保持少數民族竹民居特色、在全社會推廣使用節約型建材等均具有重要意義。對于整個國家來講,這種以竹代木、減少木材資源的利用將會對我國的生態環境起著重要的保護作用?梢哉f,隨著竹加工技術的深入,竹子及建筑竹材會成為21世紀最重要的建筑材料,竹建筑會越來越普遍。鏈 接竹材層積材的制造過程

                無論是制造何種人造板,都是將竹材加工成纖維、刨花、竹條等幾何形狀,形成新的表面,然后根據最終產品的要求使用樹脂將其膠合在一起,制成新的材料。以竹材層積材為例,其選用大直徑厚壁單竹竹種,將其劈切成厚的竹條,然后經過軟化、展平、干燥、施膠、組合、熱壓等方式制成竹條層積方材。具體工藝路線為。

                厚壁竹稈 長竹條除去表皮和竹節 軟化處理

                壓平 除去內節 干燥 刨平 浸膠

                組坯 熱壓 裁邊人 物 檔 案

                王正,博士。中國林科院木材工業研究所副所長,研究員,博士生導師;國務院政府特殊津貼獲得者,國家級“跨世紀百千萬人才工程”人才。

                主要研究領域:新型木塑復合材料技術;竹材結構材制造技術;木纖維(刨花)復合材料模壓技術;以及木材工業廢水治理及其綜合利用等。

                主要成果:主持過十多項省部級、國家級研究課題,發表研究報告和論文60余篇,獲得國家發明和實用新型專利12項,獲得10項科技成果認證,和兩個國家級重點新產品證書。

                獲得國家科技進步一等獎(排名第4)一項,林業部科技進步三等獎(排名第1)一項,國家發明專利優秀獎(排名第2)一項。

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