竹韵徐歇——竹质材料的空间与构造设计研究

■袁梓钦

■南京工业大学建筑学院

摘要　在倡导可持续发展的低碳时代，我国盛产的竹子在建筑领域的应用引起了人们的广泛关注，并推动了竹构建筑的形成与发展。本文以建筑空间为依托，以构造理论为指导，从空间与构造两个方面对竹材进行研究，考察竹材在现有建筑空间构造中的应用概况，分析竹材在现有建筑空间建构中的优势与局限，进而针对局限引出解决方法，以大学生文化中心作为主要的思考性设计，分别从理论与实践两个层面对竹构建筑进行探索与研究。

关键词　竹材料　建筑空间　构造　节点

1　设计概念中的竹材

1.1　中国竹产业概况

世界的竹林面积为2200万公顷，竹种有1200余种，其中毛竹主要分布在中国。中国的竹林面积为720公顷，其中，纯竹林420万公顷，毛竹林300万公顷。

虽然我国竹类资源丰富，但目前作为经济竹种被广泛开发利用的只有近20种，其余大多数竹种尚处于野生状态。竹业经济在东部沿海省份表现为竹加工业发达、经济实力雄厚，内陆省份虽然竹资源优势明显，但加工业发展滞后，竹业经济实力相对较弱。各地区之间竹业经济发展不平衡，一些地方特别是中西部地区竹林资源的经济效益和经济优势远未发挥出来。目前我国的竹加工企业主要是小企业，有些地方甚至是家庭作坊占多数，这种产业现状导致企业技术装备水平低，新产品、新技术开发能力弱，高技术含量、高附加值产品不多。

1.2　竹材的设计运用

本文重点关注建筑中关于竹材的构造设计的研究，而在这一部分将简要地概括竹材在设计中的应用。以竹材为设计对象的设计应用，主要可以分为两种：一是作为建构本体的设计应用：二是作为装饰的设计应用。

1.2.1　设计中竹材作为建构本体的应用案例

竹材直接用作建构的结构和其他主要构件，如竹建筑以及众多竹材衍生产品等。竹材被用来强调它的结构特点，以及材料与环境协调融合的特点。如图1、图2所示。

图1是用简单的竹材制作可折叠的格架圆顶。圆顶用螺丝钉简单连接而成。图2是Z形竹条制作的简单的表面框架。之前将其应用在应急房屋的楼板结构中。此外，住宅的接头也可以在小规模的工厂用压缩的编织竹材制作。

1.2.2　设计中竹材作为装饰的应用案例

竹材被用作装饰或起辅助作用的设计引用，如竹的工艺品和众多竹装饰手段。竹材用来强调其本身自然的属性以及用作各种方式的装饰。如图3、图4所示。

以上列举了一些运用竹材的案例，这些是本文分析和研究的对象。但就目前竹材使用的方式和程度来看，还处于较低的水平，存在表意不清、复制或替代材料的做法，并没有表现出竹材料的特点。

2　竹构建筑

竹构建筑形态生成。

2.1.1　竹材加工和竹构技术研究

竹材的加工与使用可以总结如下：

原竹（圆竹）纵剖，可分为竹壁、竹节、竹隔；横剖，可分为竹青、竹肉、竹黄。

原竹截取：以圆竹的材料性质，用于建屋、组合家具、辅助建筑。

原竹劈篾：竹青的竹篾部分，可进行竹编（圆面、穿篾、绞丝、穿丝、插筋）。

原竹截断：竹壁的整个厚度，可做竹片集成（胶合、高温展平、弧形竹片）。

原竹雕琢：竹根或竹黄部分，可进行艺术加工（竹刻工艺品、竹雕、精致竹黄）。

原竹提炼：竹肉的各个成分，可进行元素分离（精炼竹纤维、提取竹盐）。

原竹焚烧：利用竹梢的纤维素，烧制竹炭（精炼竹油、生产竹炭）。

2.1.1.1　竹的连接

在构想本方案的时候，当概念设计结束时，整体结构形式已生成，然而进入深入设计阶段，就要开始详细考虑结构细节。竹的连接就是具体的构造环节。通过进行广泛的资料收集和案例的分析，了解归纳当代竹的连接方式主要有绑扎型、榫卯型、螺栓型、套筒型和槽口型。

2.1.1.2　竹构建筑

竹子作为建筑材料时，其结构形式大概可以分为直网架型、曲线型和编织型，它们分别运用了整竹的轴向力、弹性力以及竹篾编织的塑性张力。

2.1.2　建构理念

建筑设计的切入点有两个方面，即竹材作为建筑的主要材料而存在，如建筑的结构柱、连廊建造，或者作为竹材墙体。通过竹材的直网架型连接、竹节点的套筒连接、螺栓连接、钢结构套管连接方式来完成结构柱建造，其规格是直径为15～22cm的竹竿，基本长度为3～5m。

2.1.2.1　方案中所运用到的竹的连接方式

（1）套筒型。套筒是用筒型预制件来嵌套的做法，本方案中采用的是内嵌套的做法，将预制钢筒嵌入竹腔内，然后以螺栓固定。套筒连接方式可以解决各种角度连接的问题，然而要求竹的直径尺寸统一，这在实际选材中有较大难度。如图5～图7所示。

（2）螺栓型。螺栓固定是最基本的方式，几乎在所有连接方式中都有螺栓固定作为辅助手段。本方案显示的是竹垂直连接时的螺栓固定方式，这里的螺栓交叉连接处有一预制件。螺栓连接一般要先用钻枪打孔，如果荷载较大时，还需要在螺栓部位的竹腔内灌注水泥，以加强节点，防止竹崩裂。如图5、图6所示。

2.1.2.2　方案中所运用到的竹结构

方案中运用到的竹结构为直网架型，这种类型主要是利用整竹的轴向力。竹的圆筒形截面可以承受较强的垂直应力，这一点与木和钢的材料特性类似。不同的是，竹的质量更轻，而抗弯矩能力有所不及，当整竹受垂直荷载的时候。容易劈裂。直网架类型中有很多可能性。图8是用直线条表现曲面，用折线渐变来构造曲线型空间。它们的受力杆件都是直竹，故称之为直网架型。由于竹材本身的特性，圆竹在构造节点时，竹节处不齐整，容易变形，使作品细部比例失调，而竹节极易受损，要避免在竹节处进行节点构造。实践中始终坚持尊重自然材料和材料规律的原则，结合建筑新建构理念，反复推敲柱梁形态、立面形态和细部结构的合理性，使竹构设计得到升华，追求表现竹构建筑的自然、纯朴、亲和的特性。

2.1.3　建筑的生成

竹构建筑的基本构成包括横向的阅览室、咖啡区、办公空间；纵向的舞蹈房、健身房、混合文化交流区、报告厅。横向的阅览室与办公空间是用三脚架结构作为其空间的支撑，顶部用竹子编制的主板作为透气层，上面再用白色的PVC材料做顶。空间四周用玻璃作为与外界的隔断。而咖啡区是用酒杯状的由细的竹子编制成的结构作为其空间的支撑，在由其组合形成的空间作为其内部空间的使用。在纵向是由两个连廊形成的空间，连廊是由竹子的直网架型组合成的。主体建筑横向与纵向形成主次分明、疏密有致、错落有序的有机体。在连廊的细部处理上，运用套筒型与螺栓型作为其节点的连接方式。主体建筑的功能分区如图9所示。

将构成建筑的内容进行分解，以更进一步表现其设计；建筑从CAD平面图开始起步，然后生成板块，进而变成体块，接下来加入建筑各个部分的结构，最后整合为一个完整的建筑。如图10～图12所示。

2.1.4　建筑细节的处理

竹材作为主导元素影响着对空间关系的组织，空间与材质呈现要素式的匹配，用于建造的实体材料介入了构图，参与对空间的塑造。空间氛围的塑造主要依赖空间几何秩序及形状，人们对空间的感知也主要依赖视觉。而当材质摆脱了抽象构件身份时，材质就不再仅仅是一种视觉图像，它们获得重量、温度、光泽、粗糙或者细腻的表面，甚至是气味。

两边的阅览区和办公区选用竹子作为主要的承重构件，主要承重构件是直径在15～22cm之间的竹竿，为了更好地满足建筑设计、承受能力、功能要求、安装和调整的便利性等方面的不同要求，设计出了一种用于连接竹构件的钢连接件。为了将从底部倾斜上升的竹构件和顶部位的竹构件连接起来，笔者特地研究出一种板状的钢连接件。而其自身与竹竿的连接则是通过竹竿端部灌注混凝土，然后将连接件埋置于混凝土中的方式实现的。因为底部竹构件的支座高度是可以调节的，所以在组装的过程中能够随时调节施工组装时产生的误差。如图13所示。

为了把竹子连接节点设计得更加先进、精密，要考虑两方面因素：一方面，该项目要运用一种新型配合比的混凝土（HVFA混凝土），使其易于浇筑，也就是让混凝土能更容易地灌入竹筒中，而不会在灌入混凝土后由于含水量过高而使竹子发生破裂。另一方面，为满足承载要求及安装钢连接件，这种新型混凝土要让安装更高效方便。为此，运用这种创新的混凝土，尽管水和黏合剂的比率很低，但还是能够使处理过程更高效，也能满足在竹子里注入混凝土的同时很方便地安装连接件。而主体建筑两端的屋顶结构通过沿相反方向盖的三角形膜材以及一个主要的钢结构支座组成，再用次杆加以连接。如图14所示。

家具设施配套设计中，也统一使用竹材料原创家具设计，有展开式竹席、紧缩式颈枕、卷起式茶几和折叠式躺椅，如图15所示。它们的造型的灵感来源于古代竹书卷，是用编制的竹条将竹节串联起来，接口处设计扣钮，利用每根竹节间的距离和竹条的韧性来设计家具。真正做到了一卷竹条4种利用方式，随心随性（图16）。此外，在阅览区和办公区也设计了创意书架，是将麻绳作为主体吊架，在麻绳上缠绕一段红绳，红线上的黑色旋塞可悬停书本并上下滑动。如图17所示。

3　作为建筑材料的耐久问题

除了处理方式，竹材作为一种建筑材料，在建构中也存在一些自身的优点和局限，例如，竹材具有质量轻、有弹性以及抗轴向压力和拉力的优点，但对切线方向应力（如压力、膨胀力）耐受能力较差；由于应力作用于管状截面中心轴线外围，抗扭性能较好，但材料受形状、尺寸、生长时间、含水量、强度等影响，单体差异较大；管壁外围由粗纤维包裹，受力强度较大，但单体由底部到顶部，强度、直径及竹节间距不平均；竹节可作为耐弯折和止裂的天然“结构加固”，但需要经化学防腐、防火处理方可使用；竹材的弊端是含水量较高，一般需要干燥处理，以避免引起开裂。

针对竹材这些特有的优缺点，笔者总结出一系列竹材节点设计的基本原则：①临近竹节端衔接；②打孔最小化；③原材料“养生”（长时间放置以平衡内部应力和水分）；④针对抗压的耐裂进行结构加强。

结语

目前，就竹材的设计应用来看，普遍将其作为装饰材料，或是模仿和取代别的材料，这些做法不能体现竹材料真正的属性。就应用竹材的范围来看，它包括了所有的设计领域，如，建筑设计、景观设计、室内设计、视觉传达设计和产品设计等。竹材作为自然材料，相对于木材来说更有生态方面的优势，同时经济性强，更为突出的一点就是，通过不同的设计方式能创造出让人耳目一新的作品。竹材是一种性能优异的生态材料，中国的竹产业蓄势待发，只有加大对竹材的研究才能发挥材料的生态效益。

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