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大跨度圓竹拱形結構建造技術
發布時間：2021/8/10   來源：湖州獵神竹竹制品有限公司  閱讀：1348次
        圓竹具有輕質高強、易于彎曲定型的特性，常用于建筑結構中，尤其是大跨度拱形結構這種具有曲線美感的建筑形式。

        該研究以2019年北京世界園藝博覽會竹藤館為案例，通過實地考察和文獻調研的方法，從原材料制備、建筑設計、節點構造、結構應力分散、拉結強化、裝配式以及建筑健康監測等方面，綜述了國內外較為經典的大跨度圓竹拱橋梁和建筑建造關鍵技術，分析了拱形建筑的受力特性以及圓竹材用于大跨度拱形建筑的材料適用性，提出標準圓竹材的應用在很大程度上延長了圓竹拱結構的壽命；構件預制化不僅降低了工程難度，還在一定程度上推動了竹建筑裝配式進程；巧妙的節點構造和結構設計以及拉結強化均大大提高了竹建筑安全性；而后期健康監測和安全維護則進一步保證了大跨度圓竹拱建筑的安全性。



        而且，該研究對圓竹標準材研究、圓竹拱形大跨度建筑技術體系建設、圓竹結構推廣應用具有重要的學術參考價值，此外還具有重要的經濟效益、社會效益。


        竹類植物是地球上生長最快的禾本科植物，一次種植永續利用，資源豐富。竹材具有較高的抗壓、抗拉和抗彎性能以及優良的韌性，輕質高強，與木材相比優勢明顯。圓竹具有中空、壁薄、有節的結構形態，從物理力學角度看，是一種很好的筒體結構，比等直徑的實心桿具有更大的抗彎強度和慣性矩，用于建筑材料時具有優良的抗彎性能和穩定性。

        此外，竹材天然可降解的屬性使得竹建筑在整個建造過程中所產生的能耗、污染也遠遠小于磚石、混凝土類型的建筑，并且竹材在整個建筑生命周期內具有碳匯的功能，屬于可持續建筑材料。目前，竹材由于其優良的材料性能、獨特的文化屬性和可持續發展的潛力，得到越來越多的國內外當代建筑師的關注。

一、圓竹在拱形結構中的適用性

        竹材由于其壁薄中空的屬性，易直易彎，易剛易柔，在用于建筑結構材時可以創造多種結構類型，常見的如梁架結構、編制結構、拱結構、穹頂結構、空間結構以及拉索結構等，其中拱結構和穹頂結構較易創造出完整的大跨度空間。

        拱是在自身平面內的豎向載荷作用下產生水平推力的曲桿，拱與其支座或拉桿構成拱結構，拱結構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件，在外載荷作用下，拱主要承受壓力，拱結構支座即拱腳承受水平推力，跨度越大，推力越大。

        拱桿件主要受沿弧形的壓力，拱內基本無剪切力，以2019年北京世界園藝博覽會竹藤館（以下簡稱“竹藤館”）竹拱為例分析拱結構的受力特點，如圖1所示。圓竹材具有較大的軸向抗壓強度和韌性，并且圓竹易于彎曲定型和連接的特點，在用于拱結構時能夠很好地發揮其優良的抗壓性能和韌性，創造出較大的空間尺寸和結構美感。

二、國內外竹拱結構橋梁與建筑

竹材作為建材的歷史十分悠久，在宋朝《營造法式》中對竹材的建造方式及用料均作出了詳細的注解。

竹拱結構是竹結構在近現代不斷演變的過程，從最初中國南方穿斗式結構竹構形式到20世紀80年代小作坊，廠房和生產區的大量興起，對大尺度空間的迫切需求，促進了拱形竹棚的誕生；20世紀90年代以后，拱形竹棚在全國推廣；21世紀初，隨著現代竹結構建造技術的發展以及相關組織的支持和推動，越來越多的初具規模的拱形竹結構在全國各地落成，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，橋身為竹拱結構，跨度為20 m，每榀竹拱由7根立柱支撐。


a:橋身；b:側面；c:內廊。圖2 茅以升公益橋——重慶觀音橋

國外的竹建筑也主要集中在竹資源豐富的地區，如東南亞一些國家。越南建筑師武重義擅長利用各種形式竹拱結構創造大空間竹建筑，在其很多竹建筑作品中均有竹拱結構的應用。2009年建筑作品《竹之翼》（Bamboo Wing）（圖3），就是合理地利用了半拱結構營造出“竹之翼”的意境；2010年上海世博會的《越南館》（圖4）內部空間是利用傳統綁扎方式形成的連續竹拱構架，使人仿佛置身于竹林之中，被譽為“竹子宮殿”；2015年的作品《納曼海灘酒吧》（Naman Beach Bar）（圖5）主體結構是由8個竹框架構成的，每個竹框架則利用多種不同類型的竹拱交織而成。


a:側翼；b:內部竹拱結構。圖3 武重義作品《竹之翼》


a:外部；b:內部竹拱結構。圖4 武重義作品《越南館》


a:整體結構；b:內部竹拱結構。圖5 武重義作品《納曼海灘酒吧》

而印度尼西亞艾卜庫建筑團隊致力于利用巴厘島資源豐富的馬來甜龍竹（Dendrocalamus asper）（又稱“巨型竹”）建造房屋、酒店、學校和活動場所，其中巴厘島的綠色學校（Green School）大量運用了竹拱結構表現竹建筑之美。

梅潘提根禮堂（Mepantigan Auditorium）（圖6）是綠色學校的多功能活動空間，由2個橫跨15 m的巨大拱門支撐，每個竹拱僅由2根巴厘島當地巨型竹子制成；千年橋（Millennium Bridge）（圖7）是竹子力量的證明，在當時是亞洲最大的竹橋，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）是綠色學校最受歡迎的教室，由多個竹拱交錯而成的橢圓形結構使得整個空間具有一種膨脹感，充滿活力，教室可以容納30名學生。


a:圓竹禮堂實物圖；b:禮堂結構設計圖 圖6 綠色學校的梅潘提根禮堂


a:圓竹橋全貌；b:內部竹拱結構 圖7 綠色學校的千年橋


a:外部全貌；b:內部竹拱結構 圖8 綠色學校的海歸教室

三、竹藤館建造關鍵技術

以2019年北京世界園藝博覽會竹藤館為案例，對拱形大跨度圓竹建筑的關鍵技術進行解析。竹藤館由意大利卡德納斯設計工作室負責建筑設計，香港中文大學建筑學院、清華大學土木工程研究團隊負責工程設計，國際竹藤中心負責圓竹建筑無支點結構設計和原材料處理技術支持而建成。

竹藤館是國際竹藤中心主持的“十三五”國家重點研發計劃項目“竹資源全產業鏈增值增效技術集成與示范”的成果之一，完全使用圓竹結構，在原材料制備、基礎結構、圓竹連接、力學設計和后期維護等方面，獲得多項技術創新。

竹藤館為圓竹竹拱建筑體系，整個建筑采用5000多根毛竹建成，其主要受力結構為圓竹竹拱結構，竹拱跨度達到32 m，中間無任何支點，是目前中國北方跨度最大的無支點拱形圓竹建筑，圖9所示為竹藤館效果圖和建成后實拍圖。


a:效果圖；b:建成后館頂；c:建成后側門。 圖9 竹藤館

1、竹藤館的組成部分

1）基礎。地基：鋼框架+混凝土；側墩：混凝土。

2）結構。竹拱結構（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，增強結構穩定性）；檁條：圓竹檁條和鋼檁條。

3）圍護。支撐：黑色方鋼管框架；面層：透明玻璃。

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

5）天花。中國傳統特色竹編（圖11）。


a:竹拱結構；b和c：搭建中的竹拱 圖10 竹藤館竹拱結構


a:裝飾前；b:裝飾后 圖11 竹編裝飾

2、圓竹原材料制備

1）標準化圓竹選取和處理

竹材是一種天然材料，各種自然因素致使竹竿粗細、尖削度以及力學性能等不均一，大大降低了圓竹結構材質量的可控性，因此在利用圓竹時，特別是作為建筑結構材時必須對其進行標準化處理。竹藤館主要結構用圓竹全部選取4~6年生、胸徑在8~10 cm的毛竹，標準竹竿長度為600±3 cm，尖削度控制在2 cm之內，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裂現象。

2）圓竹防護處理

竹材在迅速生長過程中形成大量的糖分、淀粉和蛋白質等營養物質，易發生蟲蛀、霉變、腐爛等現象，導致原竹結構材使用壽命縮短，因此在圓竹利用時必須對其進行防護處理，起到防蟲、防霉、防腐以及防火的效果，增強圓竹的性能穩定性和使用耐久性。竹藤館所采用的圓竹是利用天然防腐劑+高溫熱油聯合處理技術進行處理，其原理是利用天然防腐劑除去竹材內部的淀粉和糖分等營養物質，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，從而達到長效防護的效果。

3）圓竹調直、調彎處理

圓竹在生長過程中由于地勢、風向或遺傳等因素導致其竹竿通直度不均勻，在使用過程中根據圓竹所使用場合的不同需要對其進行調直和調彎處理。在竹藤館竹拱結構中圓竹需要進行調彎處理，調制一定的弧度；而當圓竹用于館頂竹檁條時則需要通直的形態，以將館頂壓力均勻分布、傳遞在竹拱結構上，這時則需要將圓竹材料進行調直處理。竹藤館所用圓竹是利用高溫火烤加熱法使圓竹軟化，進行調直或者利用弧度儀進行調彎處理。

4）圓竹防開裂處理

圓竹由于其中空壁薄的構造以及其竹青至竹黃層維管束存在梯度分布的特征，導致圓竹材在受外力或生物內力時竹青、竹黃的應力分布不均勻而產生開裂的現象。這種現象與很多因素相關，如竹材含水率變化、外力形式等，因此對圓竹防開裂處理主要做了2個方面的工作：

①調節竹材含水率。竹材在砍伐至使用的過程中利用干燥窯將竹材進行均勻干燥，并在北京施工現場進行平衡含水率調節，使其平衡含水率與北京當地含水率保持動態平衡。

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



3、節點構造

德國學者波拜恩認為“建構是一種連接的藝術”，表明了節點的構造對于建筑設計的重要性，節點構造是建筑品質的基本保障，也是創造好的形式與空間效果的根本所在。圓竹作為建筑材料，其節點構造也是建筑品質的關鍵。

1）竹竿之間的連接

①竹竿長度方向的連接。將大竹筒兩端竹隔打通，鑲套與大竹筒內徑一致的小竹筒，連接兩根竹竿，并輔以氣釘加固，實現竹竿長度方向的加長，如圖13所示。由于小竹筒連接件與大竹筒材質相同、性能相近，采用大竹筒鑲套小竹筒的連接形式使得節點在受力時能夠發生同步變形，而且圓竹調彎過程中較易調至相似的弧度。


a：接長的檁條；b：竹筒接口

②竹竿徑向連接。圓竹在作為建筑結構體時多以成束的形式存在，以增強竹結構的強度，傳統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，節點容易松動；而榫接屬于傳統木結構典型連接方式，但由于竹材中空的特點，榫接對竹材的切削使竹材在節點處容易產生劈裂現象。

竹藤館采用現代五金件的連接方式，竹竿徑向之間通過螺栓螺母進行連接，端部采用金屬喉箍件進行加固，


a:螺栓螺母徑向連接；b:金屬喉箍端部緊固。

2）基礎與竹拱結構之間的連接

竹拱拱腳處是竹拱受力較為集中的點，易發生開裂或斷裂，因此基礎與竹拱之間的連接尤為重要。竹藤館兩側均有混凝土側墩，側墩上有凸出的與圓竹內徑相似的鋼管（圖15a），將鋼管插入竹拱拱腳內（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）加固拱腳強度。


3）結構與屋頂、圍護之間的連接

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


a:彩鋼壓型板；b:竹檁條。

4、結構應力分散-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墩，因此，拱腳處是應力最為集中的地方，最易開裂。為分散拱腳處應力集中現象，竹拱采用變截面桁架拱，如圖18a和b所示。該結構兼具拱結構和桁架結構的雙重優勢，在竹拱中部將竹拱分為4個分拱，截面從中部位置至拱腳逐漸增大，大大降低了拱腳處的應力集中現象；此外桁架式的竹拱結構，本身也分散了竹拱拱身的壓力。


a:竹拱；b:變截面桁架拱；c:變截面桁架。 

5、拉結強化構件——斜拉索

斜拉索是橋梁中常用的受拉構件，竹藤館在2個竹拱拱腳處對角拉結斜拉索，如圖19a和b所示。在竹拱結構中設置斜拉索是為了增加各個拱之間的約束，以及拱與拱腳之間的約束，避免拱結構在風力等作用下發生平面外傾側現象。


6、圓竹構件預制化

隨著現代工業技術的發展，裝配式建筑的技術也愈加成熟，這種在工廠預制構件，在工地進行構件組裝的建造形式不僅能夠大大縮短工期，而且生產成本低，甚至在后期維護的過程中可以進行預制構件的替換，從而提高建筑的使用壽命。

現代圓竹建筑也逐漸采用裝配式的建造形式，其發展基礎是竹構件的預制化。竹藤館的圓竹預制構件主要為單榀竹拱和竹檁條，如圖20所示。在圓竹加工工廠，利用標準圓竹按照竹材軸向和徑向連接技術將其預制成所需的單榀竹拱預制構件和竹檁條構件，在施工現場進行組裝加固，大大縮短了竹藤館的施工工期。

7、竹拱結構健康監測

在建成的竹拱上安裝了位移力學測試裝置，在每榀拱上自拱腳至最拱頂處安裝了5個測試點，實現實時監測竹拱豎向位移、拱面內水平位移和拱面外水平位移。一方面實時有效了解竹拱結構的工作狀況，為竹拱結構在特殊氣候條件下或運營狀況嚴重異常時觸發預警信號；另一方對竹拱結構的損傷發展進行智能評估和預測，對竹拱結構的加固和修繕具有重大的參考價值。圖21為技術人員正在測量竹藤館竹拱的位移。

四、總結

拱形大跨度圓竹建筑，充分發揮了圓竹優良的抗壓性能，是一種結構合理并且富有曲線美感的建筑形態。竹藤館作為目前中國北方跨度最大、無支點的竹拱建筑，摒棄了傳統的圓竹材料現伐、現用的做法，采用標準圓竹加工和處理的方法，降低了圓竹材在使用過程中的質量不可控性，并在很大程度上延長了竹材的使用壽命；此外，竹構件的預制化大大降低了施工難度并縮短了工期，一定程度上推動了竹建筑裝配化進程。

巧妙的節點構造、結構設計以及斜拉索的合理運用均提高了竹拱建筑在北方較大風壓的情況下的穩定性，延長了竹拱建筑的使用壽命，此外建筑健康監測技術也進一步保證了大跨度竹拱建筑的安全性。竹藤館的建造技術已凸顯現代化拱形大跨度圓竹建筑的形態，是現代化拱形大跨度圓竹建筑的典范。
 
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