[分享]竹结构——轻质高强

发表于2019-08-19    390人浏览    3人跟帖    复制链接  只看楼主

作者:彭超
竹子我们大家都很熟悉,轻质细长强度大,在大风中屹然不倒,在很多地方都将竹子(原竹)作为建筑材料使用,可见其构造是极其符合力学原理的。
 
竹结构——轻质高强_1
原竹
既然作为建筑结构材料,我们不妨先看一组对比数据,毛竹比一般的木材拉压强度提高约2倍,且竹子好“弯”,抗拉强度基本接近Q235钢材水平,关键是密度仅有钢材的1/10,混凝土的1/3。
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不同材料学性能对比
鉴于竹材优秀的抗拉能力,在南美洲,早在公元前300年前人们搭建房屋时便会在竹子外面糊上泥土形成“竹筋夯土墙”,缓解了土墙抗拉性能差的问题,有点类似早些年我国部分地区在土房中加稻草,便宜又见效。现代还保留竹子在土体加固中的应用。 
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竹筋土墙
也正是因为便宜又环保,在钢筋混凝土之后,1914年的麻省理工学院一名叫Chow的同学写了一篇名为“竹作为加固混凝土的材料”的论文,提出了“竹筋混凝土”的概念。
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Chow 论文
但竹筋混凝土的弊端也很明显,由于竹子的种类多,性质差异大,造成竹筋与钢筋比较起来,质量控制较难。浇筑时未经防水处理的竹筋会吸水,而随着混凝土干燥,竹筋的干缩更严重,从而导致竹筋和混凝土脱离,加上竹子与混凝土线膨胀系数相差较大,粘结性能差,一般的竹筋混凝土构件破坏时往往呈脆性破坏。
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竹筋混凝土
所以1957年,当时的国家建设委员会在“关于暂时停止采用竹筋混凝土的通知”中提出“暂时停止推广使用竹筋混凝土制作建筑物的承重构件”。
但对竹筋混凝土的研究还在进行,利用物理化学方法,使竹筋与混凝土能很好地共同工作并较大提高了竹筋混凝土的力学性能。有国外学者从竹子中提取纤维并与10%的有机树脂混合,制造一种复合材料,这种材料可替代钢筋做成新型的竹筋混凝土。
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复合竹筋混凝土

竹子生长周期短,成材只需3~5年,与之相比,木材成材一般需要20~50年。其次,相较于钢筋、混凝土和水泥等常规建筑材料,竹材的低碳建造实属绿色建材。相关调查表明:竹材的生产能耗仅占混凝土的1 /8,占钢材的1 /50。最后,竹材的保温隔热性好,在厚度相同的情况下,竹材的隔热值比混凝土高16 倍,比钢材高400 倍,能够大大减少居住时的使用能耗,提供一个舒适宜居的环境。
 
  竹节   
竹子的典型段包含竹节和节间,其中节间是空心的,所有的材料都集中在外侧,这样在减小了自重的同时也增大整个截面惯性矩,其微观特性也反映了同样的规律,越靠近边缘细胞越为致密,使得整个结构抗弯强度及刚度最大化。
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竹节微观断面
节点处内部有横膈,横膈避免了柱子由于过长而出现局部失稳破坏,类似于我们构件中的加劲肋。细心的朋友可能发现,竹节也不是均匀分布的,在底部和顶部分布更密,而在中间段分布较疏。
 
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竹节分布

有学者对原竹做径向受压测试,有竹节试件的承载力约为没有竹节试件的两倍。
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径向抗压试验

在做轴向受压试验时,当构件较短时,竹节处的木质素相较于竹体纤维更加容易破坏,反而强度较无竹节的原竹有所降低。竹节较节间材的抗弯强度、顺纹抗压和抗拉强度都有一定程度的降低,但抗劈强度和横纹抗拉强度有明显提高。
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短柱轴向抗压试验
SOM将竹子的这些特性应用到了中国国际贸易中心(China World Trade Center)的结构方案设计中。塔楼在高度方向被分成八段,底部受力最大,因此底部节间长度较小以增强塔楼稳定性。同时自下而上结构直径逐渐减小,以减小风荷载的作用。针对竹结构的特性回归了数学表达。
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中国国际贸易中心
结构采用外部巨型支撑+内部带伸臂桁架的框架核心筒双重结构体系,外部支撑结构和内部框筒结构都遵循同样的分布规律。外部巨型支撑结构相当于竹子的外壁纤维。内部结构的伸臂桁架就相当于竹节,桁架间距在中部最大,在上下两头最小。
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生成逻辑
由于竹纤维中富含蛋白质、糖等营养成分,使得竹材的防腐、防虫性不如木材,耐久性能差。原竹传统的防霉防腐方法是将竹子烘烤、曝晒、蒸煮,通过高温杀死霉菌,等含水率降到一定程度后方可成为工程用竹或者再精加工成为竹制用品。

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原竹加工工艺

  节点   
原竹结构的节点同木结构,基本都为铰接,最常用的就是绑扎连接,绑材大多为棕绳和铁丝,有些棕绳在使用前经过油浸以提高韧性。但绑扎连接容易松弛和腐烂,承载力较低。
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原竹绑扎节点
Panyaden国际学校
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室内体育场
此项目位于泰国 ,体育馆占地面积782平方米,包括篮球、排球、羽毛球馆和一个可以自动升降的舞台。舞台的背景墙后面是一个储藏运动和戏剧设备的储藏室。两侧的长看台为家长和其他参观者提供欣赏运动赛事和表演的空间。
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原竹绑扎
结构跨度超过17米,竹桁架在场地拼接好后再使用起重机安装。
 
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现场吊装

还有一类就是通过竹销或者铁钉连接,节点相贯,此种节点比较美观,传力比绑扎更为直接,但是加工工艺复杂,且开槽过程中对原竹进行了破坏,在横纹方向较为脆弱容易发生劈裂破坏。
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相贯节点

如果预算较多,钢竹节点也是一种选择,通过螺栓、钢筋挂钩、卡扣、金属箍等,将竹子连接成整体,为保证节点的刚度及稳定性,通常会在节点处灌混凝土或者塞入木条。
 
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钢竹节点
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节点加强

Luum Temple
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场地俯瞰
项目位于一处名为卢姆扎马(Luum Zama)的新住宅区,是一片原始丛林的中心地带,它提供了一个安静的自然环境。现场弯曲后的扁平的竹节,通过以螺纹或者捆绑的方式连接在一起,一个个单独的编织状竹元素一起组成了一个整体。
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编织网格
这个形态是不是看上去很眼熟?没错,设计团队致敬了坎德拉(Felix Candela)的霍奇米洛克餐厅(Los Manantiales)。
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霍奇米洛克餐厅
基本构成单元还是马鞍面,因为是直纹曲面,所以竹子也是合适的搭建材料。
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现场搭建
由于顶部主结构杆件很多,为连接方便采用钢套筒收边,简洁而美观,柱脚也同样采用钢套筒和基础连接。
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钢竹节点

 
   现代竹结构   
由于原竹的尺寸的随机性,各向异性造成节点复杂,合成竹材有着更广泛的适用性,虽然小i 觉得也同时失去了竹子本身的形态美感。

合成板材
通过一系列机械和化学加工工序将原竹形成各种不同几何形状的结构单元,再在一定的温度和压力下,利用化学黏结剂或材料自身的结合力,压制而成的板状材料。竹胶板在受火一段时间后,表面开始碳化,能有效阻止火焰的蔓延,使得材料的内部仍具有一定的强度和刚度,提供给内部人员逃生的可能。
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纤维排布
但不得否认的是,通过加工工艺控制纤维的排布以及材料的处理,材料利用率可达90%以上,最高强度可以达到400 Mpa 左右,是普通植物的10 倍。可谓是“竹钢”,“竹钢”的防腐、防虫性能很好。通过防白蚁实验,一年以后没有白蚁蛀蚀痕迹。竹钢经过阻燃处理以后,它的防火性能可以达到一级标准。
 
   其他案例   
限于篇幅,部分案例不具体展开。
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越南海湾休闲中心
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脉动馆/Thomas DaniellStudio
竹材与张拉膜
竹结构——轻质高强_30
Bamboo Dome
竹材与骨架膜
竹结构——轻质高强_31

The Millenium Bridge / IBUKU


参考资料
1. 肖岩, 李佳, XiaoYan, et al. 现代竹结构的研究现状和展望[J]. 工业建筑, 2015.
2. 新型原竹空间结构体系的找形分析_张沈斌
3.Follett P, Jayanetti D. Bamboo in construction// Modern Bamboo Structures. [M]London, LTK, 2008.
4. 维基百科.
5.本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站



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