淺談竹子與土木工程
竹與“松”、“梅”并稱“歲寒三友”，向來是堅勁高潔的君子的象征。我國國畫家李苦禪在他畫的竹子畫上題詞說：“木出土?xí)r先有節(jié)，長到凌云還虛心”，“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，由于竹子本身具有質(zhì)輕、高強、韌性好等多種優(yōu)點，自古就用于建筑及受力結(jié)構(gòu)。而近年來隨著科學(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：1)強度高、韌性好、耐磨性佳、不易開裂；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)過程中竹材利用率高，對環(huán)境影響小。而且成本不高。因而是良好的天然材料。
我國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性的房屋、棚舍和倉庫等。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)計院和昆明建筑公司曾設(shè)計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，是我國傳統(tǒng)竹工藝的處理手法和現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1988年．他們又在德國巴登符騰堡州第九屆花園博覽會上用竹子建造了一座高7.7m，全長55m的兩跨竹橋．再一次引起轟動，被稱為"歐洲第一竹橋"。2007年，由湖南大學(xué)土木工程學(xué)院研究建成的耒陽的潯江河上在竹橋正式通車，成為世界第一座可行車竹橋。
在國外一些盛產(chǎn)竹材的國家．如孟加拉國農(nóng)村房屋90％用竹材建造。國外有關(guān)竹材在這方面應(yīng)用的文獻頗多，如美國學(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，聯(lián)合國社會節(jié)務(wù)和經(jīng)濟部于1972年出版了《竹子和蘆葦在建筑上的應(yīng)用》。一直以來人們關(guān)于竹材的理論研究為其在建筑等行業(yè)在應(yīng)用打下了堅實的理論基礎(chǔ)。
竹材在土建工程中用途很多，大致可分為以下幾類：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。
竹地板相對傳統(tǒng)的木地板有明顯的優(yōu)點。竹地板收縮和膨脹要比實木地板小，所以其穩(wěn)定性比木地板好很多。
竹子導(dǎo)熱系數(shù)低，讓人無論在什么季節(jié)都可以舒適地赤腳在上面行走，可以說是冬暖夏涼。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，加玻璃纖維增強復(fù)合材料、添加劑和填充材料等，經(jīng)特殊工藝過程復(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、強化結(jié)點、保溫隔熱、降噪等功能。該結(jié)構(gòu)具有三維增強作用，良好的組合、分支和補強功能，達到以竹代木、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，使中國森林資源得以保護，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)。在中國南方盛產(chǎn)竹材的地方，用竹材建造房屋（見彩圖）由來已久。利用竹蔑編成的竹索做成能跨越20～30米的吊橋，稱為竹索橋，這種橋梁在中國的應(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)計建造的第一座可行車竹橋，利用的也是竹結(jié)構(gòu)。此橋得到國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士的一致好評。
總之，竹材具有資源豐富、成長周期短、能耗低、材料性能良好等特點,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、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，每隔一段就會長有竹節(jié)。從力學(xué)角度考慮，每個竹節(jié)相當(dāng)于一個橫向抗扭箱，抵抗水平方向上的扭矩，同時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“等強度桿”。而其下粗上細的特點也剛好適應(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。這種結(jié)構(gòu)的高層建筑穩(wěn)定性強，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)計中人們遇到了各種各樣的問題。其中主要一點就是高空強風(fēng)引起建筑物的搖晃，特別是強臺風(fēng)地區(qū)，更為嚴(yán)重。如“臺北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452m，是一個典型的“仿竹”杰作。它底部寬大，到一定的高度就變細一節(jié)，是一種階梯狀等強度管狀結(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多臺風(fēng)的海邊城市。
竹子多生長在河邊，河邊多為砂性土。那么竹子為何能完好地在那里成長，而不會被河邊的大風(fēng)吹倒，甚至洪水沖走呢？其實它的根系也很特別，仔細觀察，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。這樣就使得其根部更牢固。我們可以把這點利用仿生學(xué)原理，應(yīng)用到建筑基礎(chǔ)的設(shè)計和處理中。
雖然如此，對于竹的研究依然有尚未解決的許多問題。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，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.
