设计师必知：竹子作为建筑材料的力学原理与应用

亲爱的设计师们

大家好！

我们都熟悉竹子。

它轻巧、纤薄、坚固

在强风中屹立不倒

竹子（原竹）在许多地方被用作建筑材料

可见，它的结构极其符合力学原理。

△原竹材质

既然是作为建筑结构材料，我们不妨先看一组对比数据，竹子的抗拉、抗压强度比普通木材高出2倍左右，而且竹子容易“弯曲”，抗拉强度基本接近Q235钢材的水平，关键是密度只有钢材的1/10、混凝土的1/3。

△不同材料性能对比

01.竹子钢筋混凝土

鉴于竹子抗拉强度优良，在南美洲，早在公元前300年，人们在建造房屋时，就会在竹子外面糊上泥土，形成“竹筋夯土墙”，缓解了土墙抗拉强度差的问题。有点类似于早年我国部分地区在土房中添加稻草，既便宜又有效。竹子在土体加固中的运用，在近代仍然保留。

△ 竹筋土墙

正是因为它廉价又环保，继钢筋混凝土之后，1914年麻省理工学院一位名叫周姓的同学写了一篇题为《竹子作为钢筋混凝土材料》的论文，提出了“竹子钢筋混凝土”的概念。

△周氏纸业

但竹钢筋混凝土的缺点也很明显。

由于竹子品种繁多，性质各异，竹筋在质量控制方面比钢筋更难。浇筑时未做防水处理的竹筋会吸水，随着混凝土干燥，竹筋收缩更加严重，导致竹筋与混凝土分离。另外，竹子与混凝土的线膨胀系数相差较大，导致粘结性能差。普通竹筋混凝土构件破坏时，往往以脆性破坏。

△ 竹子钢筋混凝土

因此，1957年，当时的国家建设委员会在《关于暂时停止使用竹子混凝土的通知》中提出“暂时停止推广使用竹子混凝土制作建筑承重构件”。

但竹筋混凝土的研究仍在进行中，利用物理、化学的方法，使竹筋与混凝土能很好地协同工作，大大提高竹筋混凝土的力学性能。国外学者从竹子中提取纤维，与10%的有机树脂混合，制成可替代钢筋的复合材料，制成新型竹筋混凝土。

△ 复合竹筋混凝土

竹子的生长周期短，只需要3至5年就可以成熟为木材。相比之下，木材通常需要20至50年才能成熟。

其次，与钢材、混凝土、水泥等传统建筑材料相比，竹子属于低碳建筑，属于绿色建筑材料。有关调查显示，竹子生产能耗仅为混凝土的1/8、钢材的1/50。

最后，竹子具有良好的保温性能，在同等厚度下，竹子的保温值比混凝土高16倍，比钢材高400倍，可大大降低居住过程中的能源消耗，提供舒适的宜居环境。

02.竹子

竹子的典型节段由节和节间组成，其中节间是中空的，所有材料都集中在外部。这减少了自重，同时也增加了整个节段的惯性矩。其微观特征也反映了同样的规律。越靠近边缘，细胞越密集，这最大限度地提高了整个结构的弯曲强度和刚度。

△竹子微切片

节点内部有隔板，防止柱子因过长而局部失稳，类似我们构件中的加劲肋。细心的朋友可能会发现，竹子节点并不是均匀分布的，而是底部和顶部分布比较密集，中间段分布比较稀疏。

△竹节分布

有学者对原竹进行径向压缩试验发现，有竹节的试件承载力约为无竹节试件的2倍。

△径向压缩试验

在轴向压缩试验中，当构件较短时，竹节处的木质素比竹纤维更容易被损伤，强度比无竹节的原竹要低；竹节处的弯曲强度、压缩强度和顺纹拉伸强度均低于节间材料，但劈裂强度和横纹拉伸强度有明显提高。

△短柱轴压试验

SOM将竹子的这些特性运用到国贸中心的结构设计中，塔楼在高度上分为8段，底部受力最大，因此底部段长度较小，以增强塔楼的稳定性；同时，结构直径由下向上逐渐减小，以减弱风荷载的影响，回归竹结构特性的数学表达。

△中国国际贸易中心

结构采用外部巨支撑+内部框架核心筒加伸臂桁架的二元结构体系，外部支撑结构与内部框架核心筒结构遵循相同的分布规律，外部巨支撑结构相当于竹子的外壁纤维，内部结构的伸臂桁架相当于竹子的节点，桁架间距中部最大，顶部和底部最小。

△生成逻辑

由于竹纤维含有丰富的蛋白质、糖类等营养成分，竹子的防腐、防虫性能不如木材，耐久性较差。传统的防止生竹发霉的方法，是采用高温烘烤、暴晒、蒸煮等方法杀灭霉菌，待含水率降到一定程度后，才能用于工程或加工成竹制品。

△ 原竹加工工艺

03.节点

原有竹结构的节点基本与木结构一样采用铰接连接，最常见的连接方式是绑扎，绑扎材料多为棕绳、铁丝等，有的棕绳在使用前会浸油，以提高韧性，但绑扎连接易出现松动、腐烂现象，承载力较低。

△原竹绑扎节点

绑定连接案例

帕尼亚登国际学校

△室内体育馆

该项目位于泰国，体育馆占地面积782平方米，包括篮球、排球、羽毛球馆和自动升降舞台。舞台背景墙后面是体育和戏剧器材储藏室。两侧的长看台为家长和其他游客提供了欣赏体育赛事和表演的空间。

△ 帕尼亚登国际学校鸟瞰图

△原竹装订

△ 竹子天花板

△楼梯

该结构跨度超过 17 米，竹桁架在现场组装，然后用起重机安装。

△ 现场吊装

另一类是用竹销或铁钉连接，节点相交。这种节点形式比捆扎更美观，力的传递也更直接，但加工工艺复杂，且在开槽过程中会损伤原竹，横向比较脆弱，容易发生劈裂损坏。

△路口节点

如果预算充足，也可以选择钢竹节点，通过螺栓、钢钩、卡子、金属箍等将竹子连接成整体，为保证节点的刚度和稳定性，一般在节点处浇筑混凝土或嵌入木条。

△钢竹节点

△节点加强

钢竹节点案例

「卢姆神殿」

△会场俯瞰

项目位于 Luum Zama 的新住宅区，地处原始丛林中心，自然环境幽静。现场弯曲的扁平竹节通过线或绑带连接在一起，单个编织的竹元素共同构成一个整体。

△ 编织网

这个造型是不是看起来很熟悉？没错，设计团队向 Felix Candela 的 Los Manantiales 餐厅致敬。

△Hochmilux餐厅

基本结构单元仍为马鞍面，由于是直纹曲面，竹子也是适合的建筑材料。

△ 现场施工

由于顶部主要结构构件较多，所以采用钢套筒修边，方便连接，简洁美观。柱脚也采用钢套筒与基础连接。

△钢竹节点

04.现代竹结构

由于原始竹子尺寸的随机性，以及各向异性造成的复杂节点，合成竹子拥有更广泛的适用性，尽管小i觉得它也失去了竹子本身的形态之美。

△合成板

通过一系列的机械和化学加工工序，将原竹制成各种几何形状的结构单元，再利用化学胶粘剂或材料自身的结合力，在一定的温度和压力下压制成板状材料。竹胶合板在火中暴露一段时间后，表面开始碳化，可以有效地阻止火焰的蔓延，使得材料内部仍具有一定的强度和刚度，为内部人员的逃生提供了可能。

△光纤排列

但不可否认的是，通过加工工艺控制纤维的排列、材料的加工，材料利用率可达90%以上，强度最高可达400Mpa左右，是普通植物的10倍，堪称“竹钢”。“竹钢”具有良好的防腐、防虫性能，经过防白蚁实验，一年后没有发现白蚁侵袭的痕迹。经过阻燃处理后，竹钢的耐火性能可达到一级标准。

05. 其他情况

山罗圆顶礼堂设计：Vo Trong Nghia 建筑事务所

Son La Ceremony穹顶项目位于越南高地，综合体内的餐厅以竹子为主要材料，纯竹结构的设计灵感来源于传统的竹篓。穹顶为双层结构，屋顶采用茅草屋顶。每个穹顶顶部的天窗可实现自然采光和自然通风。受山体轮廓的启发，不同高度的穹顶改变了天际线，与周围的景观和环境相协调。

“越南湾竹结构休闲中心” 设计方：VTN建筑事务所

这个休闲场所位于越南小岛的私人海滩上，占地3000平方米，建筑结构采用越南传统竹捆扎技术，棚顶铺以茅草，形成自然、生态、富有韵律的美感。

“越南 Roc Von 餐厅” 设计：Vo Trong Nghia 建筑事务所

项目位于越南河内，设计师利用竹子的自然特性，打造可持续的建筑。竹结构以12根竹柱作为屋顶的支撑，形成半室外的就餐环境。弧形的中央舞台用于举办各类表演和活动，同时也营造出亲密而温馨的氛围。

北京林业大学《云在亭》 设计：素普建筑工作室

“云在亭”位于北京林业大学校园内的一片小树林中，竹亭结合校园主干道的走向以及树木、篱笆、纪念石的位置，设计出多个高低弯曲的开口，方便人们从各个方向自由通行。顶部被抬高束起，形成圆形采光口，将风、阳光、绿植引入室内，打破了顶棚的沉闷感，形成云雾飞舞的概念性平面图。

参考

1.肖燕,李佳,肖燕,等.现代竹结构研究现状与展望[J].工业建筑,2015.

2. 新型竹空间结构体系的形态分析_张申斌

3.Follett P, Jayanetti D. 竹子在建筑中的应用//现代竹结构。[M]伦敦，LTK，2008年。

4.维基百科。

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