淺談竹子與土木工程
竹與“松”、“梅”并稱(chēng)“歲寒三友”，向來(lái)是堅(jiān)勁高潔的君子的象征。我國(guó)國(guó)畫(huà)家李苦禪在他畫(huà)的竹子畫(huà)上題詞說(shuō)：“木出土?xí)r先有節(jié)，長(zhǎng)到凌云還虛心”，“節(jié)”、“虛心”、四季常青這幾種品質(zhì)，使其成為天然的合理力學(xué)結(jié)構(gòu)。一直以來(lái)，由于竹子本身具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、韌性好等多種優(yōu)點(diǎn)，自古就用于建筑及受力結(jié)構(gòu)。而近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不但將竹材廣泛用于土建行業(yè)，對(duì)竹子的仿生結(jié)構(gòu)也有了新的研究，許多竹子仿生建筑應(yīng)運(yùn)而生。
顯然竹子在土木工程有著重要的作用。
一．竹材在土木工程中的應(yīng)用。
竹子是良好的天然建筑材料，有以下優(yōu)點(diǎn)：1)強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性佳、不易開(kāi)裂；2)光澤淡而柔和、亮而均勻、外型美觀、格調(diào)清新高雅；3)防腐防潮性能好，不發(fā)霉，不易生蟲(chóng)和變形；4)結(jié)構(gòu)別致新穎，外觀美觀大方精致、經(jīng)久耐用、裝飾效果好；5)生產(chǎn)過(guò)程中竹材利用率高，對(duì)環(huán)境影響小。而且成本不高。因而是良好的天然材料。
我國(guó)2000多年前，即已廣用于民間房屋和橋梁的建造。迄今南方各省仍多采用竹子蓋一些半永久性或臨時(shí)性的房屋、棚舍和倉(cāng)庫(kù)等。在庭園中以竹建亭謝和走廊相聯(lián)，更有東方別致之感。
竹材還被人們巧的用于現(xiàn)代大型高層建筑，和高荷載的橋梁建設(shè)。如昆明市建筑設(shè)計(jì)院和昆明建筑公司曾設(shè)計(jì)了油竹材建成的大型竹樓，并于1984年在瑞士蘇黎世舉行的"自然奇觀"展覽會(huì)上展出，為各方面所注目。1985年又重建在荷蘭鹿特丹，該樓高22.5m，分為五層，慰為壯觀，是我國(guó)傳統(tǒng)竹工藝的處理手法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1988年．他們又在德國(guó)巴登符騰堡州第九屆花園博覽會(huì)上用竹子建造了一座高7.7m，全長(zhǎng)55m的兩跨竹橋．再一次引起轟動(dòng)，被稱(chēng)為"歐洲第一竹橋"。2007年，由湖南大學(xué)土木工程學(xué)院研究建成的耒陽(yáng)的潯江河上在竹橋正式通車(chē)，成為世界第一座可行車(chē)竹橋。
在國(guó)外一些盛產(chǎn)竹材的國(guó)家．如孟加拉國(guó)農(nóng)村房屋90％用竹材建造。國(guó)外有關(guān)竹材在這方面應(yīng)用的文獻(xiàn)頗多，如美國(guó)學(xué)者F.A.McClure曾把中南美竹建材建房的基本方法加以總結(jié)，于1953年出版了《竹子建材》（Bamboo as a Building Material）一書(shū)，聯(lián)合國(guó)社會(huì)節(jié)務(wù)和經(jīng)濟(jì)部于1972年出版了《竹子和蘆葦在建筑上的應(yīng)用》。一直以來(lái)人們關(guān)于竹材的理論研究為其在建筑等行業(yè)在應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
竹材在土建工程中用途很多，大致可分為以下幾類(lèi)：基柱、建筑推架、腳手架、地面材料（地板）。屋面材料（竹瓦）、墻壁（竹板墻、籬笆墻）、桁架、土竹結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝飾、竹水管、竹筋混泥土竹橋等。下具體介紹幾種竹材料的應(yīng)用。
(一) 竹地板
隨著森林資源的不斷減少，竹子作為一種可以在較短期間內(nèi)再生的資源在日常生活中得以廣泛應(yīng)用，其中在家庭裝修方面也被嘗試用于制作地板。竹地板一般用速生雜木作為基層，面層用竹子，都鋸成小塊黏合而成。
竹地板相對(duì)傳統(tǒng)的木地板有明顯的優(yōu)點(diǎn)。竹地板收縮和膨脹要比實(shí)木地板小，所以其穩(wěn)定性比木地板好很多。
竹子導(dǎo)熱系數(shù)低，讓人無(wú)論在什么季節(jié)都可以舒適地赤腳在上面行走，可以說(shuō)是冬暖夏涼。比一般的地板磚要舒適。
(二) 竹/玻璃鋼復(fù)合建筑材料結(jié)構(gòu)
竹/玻璃鋼復(fù)合建筑材料結(jié)構(gòu)是一種超混合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)以天然竹子為主要承力構(gòu)件，加玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、添加劑和填充材料等，經(jīng)特殊工藝過(guò)程復(fù)合而成的一種新型三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在各種結(jié)構(gòu)中竹子為主要承力構(gòu)件，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料起到美觀、裝飾、防主成型等作用，填充材料起到粘接、強(qiáng)化結(jié)點(diǎn)、保溫隔熱、降噪等功能。該結(jié)構(gòu)具有三維增強(qiáng)作用，良好的組合、分支和補(bǔ)強(qiáng)功能，達(dá)到以竹代木、以竹代鋼，替代其它材料的目的，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
由于該材料結(jié)構(gòu)可替代部分鋼材和木材及其它材料，減少木材的砍伐，使中國(guó)森林資源得以保護(hù)，有利于維持生態(tài)平衡，減少水土流失，降低自然災(zāi)害的發(fā)生，所以其社會(huì)效益更為顯著。
(三) 土建中的竹結(jié)構(gòu)
用竹材制成的結(jié)構(gòu)。在中國(guó)南方盛產(chǎn)竹材的地方，用竹材建造房屋（見(jiàn)彩圖）由來(lái)已久。利用竹蔑編成的竹索做成能跨越20～30米的吊橋，稱(chēng)為竹索橋，這種橋梁在中國(guó)的應(yīng)用也有悠久的歷史。
2007年由湖南大學(xué)土木工程學(xué)院設(shè)計(jì)建造的第一座可行車(chē)竹橋，利用的也是竹結(jié)構(gòu)。此橋得到國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士的一致好評(píng)。
總之，竹材具有資源豐富、成長(zhǎng)周期短、能耗低、材料性能良好等特點(diǎn),將其應(yīng)用于中小型土木工程的建筑或橋梁建設(shè),不僅經(jīng)濟(jì)、減少消耗,且符合生態(tài)環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展要求,將具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景.
二．竹子仿生結(jié)構(gòu)在土木中的應(yīng)用
竹子不僅本身可以作為建筑材料用于土木工程，其形態(tài)結(jié)構(gòu)更是天然的合理力學(xué)結(jié)構(gòu)，在建筑仿生學(xué)中也有著重要的作用。
竹子的莖桿很特別，每隔一段就會(huì)長(zhǎng)有竹節(jié)。從力學(xué)角度考慮，每個(gè)竹節(jié)相當(dāng)于一個(gè)橫向抗扭箱，抵抗水平方向上的扭矩，同時(shí)能大大提高竹子橫向抗擠壓和抗剪切的能力。竹子在風(fēng)載作用下各段抵抗彎曲變形能力基本相同，相當(dāng)于一種階梯狀變截面桿，是一種近似的“等強(qiáng)度桿”。而其下粗上細(xì)的特點(diǎn)也剛好適應(yīng)于下部彎矩大、上部彎矩小的需要。所以其在風(fēng)雨中也不會(huì)折斷受損。
我們可以這樣想象，竹的纖維相當(dāng)于混泥土中的鋼筋，其他木質(zhì)部相當(dāng)于混泥土。這樣可以將竹子的結(jié)構(gòu)仿生到建筑混泥土結(jié)構(gòu)。
竹子的這種結(jié)構(gòu)是良好的力學(xué)模型，人們引用仿生學(xué)原理，將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的高層建筑穩(wěn)定性強(qiáng)，抗風(fēng)能力和抵抗地震橫波的沖擊能力較好。
隨著現(xiàn)代建設(shè)的飛速發(fā)展，建設(shè)用地越來(lái)越緊張。為了在較小的土地范圍內(nèi)建造更多的建筑面積，建筑物不得不向高層發(fā)展。但是在高層建筑，特別是超高層建筑的設(shè)計(jì)中人們遇到了各種各樣的問(wèn)題。其中主要一點(diǎn)就是高空強(qiáng)風(fēng)引起建筑物的搖晃，特別是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)，更為嚴(yán)重。如“臺(tái)北101”，其采用的就是設(shè)置“協(xié)調(diào)質(zhì)塊阻尼器”的方法。
又如馬來(lái)西亞檳城88層的云頂大廈，當(dāng)今世界有名的高層建筑之一，高達(dá)452m，是一個(gè)典型的“仿竹”杰作。它底部寬大，到一定的高度就變細(xì)一節(jié)，是一種階梯狀等強(qiáng)度管狀結(jié)構(gòu)。正由于它具有合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，才被大膽地建在一個(gè)多臺(tái)風(fēng)的海邊城市。
竹子多生長(zhǎng)在河邊，河邊多為砂性土。那么竹子為何能完好地在那里成長(zhǎng)，而不會(huì)被河邊的大風(fēng)吹倒，甚至洪水沖走呢？其實(shí)它的根系也很特別，仔細(xì)觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)其根有的在土中，有的露在上面。和莖桿一樣，竹的根也有分節(jié)（原因和作用現(xiàn)在還不清楚）它的須根系分布很有特點(diǎn)。這樣就使得其根部更牢固。我們可以把這點(diǎn)利用仿生學(xué)原理，應(yīng)用到建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和處理中。
雖然如此，對(duì)于竹的研究依然有尚未解決的許多問(wèn)題。如果能更好地分析其潛在的力學(xué)特性，則更能有助于“仿竹”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，特別是在高層建筑中的應(yīng)用。這既能緩解土地緊缺的壓力，同時(shí)更有助于提高建筑物抵抗風(fēng)載、地震等不良因素的能力，具有深遠(yuǎn)的意義。
總之竹子在土木工程中重要的應(yīng)用。其潛在利用價(jià)值非常之大，值得我們?nèi)ド钊胙芯俊?/p>
土木工程發(fā)展史上的每次革命性的突破都是建立在新型土建材料的發(fā)展基礎(chǔ)上。而結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是解決如何將這些材料更有效更合理地利用到土木工程中。
竹正具備這樣的特點(diǎn)，良好的天然綠色材料，良好的力學(xué)結(jié)構(gòu)等都是可以好好利用的。也許竹子還有潛在的價(jià)值可以挖掘，我們都可以將其合理地用于土木工程。土木的廣闊的發(fā)展前景是不可估量的.
