竹韵徐歇<br/>——竹质材料的空间与构造设计研究

竹韵徐歇
——竹质材料的空间与构造设计研究

2017-11-01袁梓钦

艺术生活-福州大学厦门工艺美术学院学报 2017年1期

关键词：竹材竹子螺栓

袁梓钦

（南京艺术学院设计学院，江苏南京 210000）

竹韵徐歇
——竹质材料的空间与构造设计研究

袁梓钦

（南京艺术学院设计学院，江苏南京 210000）

在如今提倡可持续发展的低碳时代,在建筑领域中对我国盛产的竹材料的应用引起了人们广泛的关注,并推动了竹建筑的形成与发展。本文以建筑和空间设计为依托,以构造理论为指导,从空间和构造两个方面对竹材料进行研究,深入探讨在现有建筑空间构造中竹材料的应用概况,分析在现有建筑空间建构中竹材料的优势与局限,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,从理论与实践两个层面分别对竹构建筑进行探索与研究。

竹材料；建筑空间；构造；节点

一、竹材料的现实利用状况

1.中国竹产业概况

世界的竹林面积有2100万公顷，种类有1200余种，其中毛竹的分布主要在中国。中国有竹林面积700公顷，纯竹林410万公顷，其中毛竹林300万公顷。

尽管中国的竹资源丰富,但目前作为经济的竹子种类,被用来开发和使用的只有20个物种,其余的大部分竹物种仍处于未开发的状态。我国的竹产业也主要反映在竹加工业发达的东部沿海。内陆省份,虽然在竹资源上有优势,但加工工业落后,所以竹产业经济实力相对较弱。竹地区之间经济发展不平衡,中西部地区的竹林资源的经济效益和优势远未发挥出来。目前,中国的竹子加工企业主要是小型企业,在某些地方甚至大多数是以家庭作坊的形式出现。这样的一种行业现状直接导致了低水平的企业技术和设备,新产品、新技术开发能力,高科技、高附加值的产品并不多。

2.竹材的设计运用

本文重点关注建筑中关于竹材料的构造设计的研究,而在本章节将简要概括竹质材料在设计中的应用；主要可以将其分为两个方面:一是竹材料作为建构本体的设计应用；二是竹材料作为衍生产品的设计应用。

（1）现有设计中竹材料作为构造体的应用案例:

直接用竹材料来做结构。比如竹构筑物和众多竹衍生产品等。这里的竹材料主要被用来阐释它的结构用途,以及材料与环境的关系等方面（图1、2）。

图1是用简单的竹材料搭建可供弯曲折叠的格架圆顶。该圆顶的节点是用螺丝钉进行简单连接而成。图2是用竹材料做的简单的Z字型弯曲板条表面框架。之前这种框架是应用在临时屋的楼板结构中的。

（2）现有设计中竹材料作为衍生产品的应用案例:

竹材料被用来起装饰或辅助作用的设计应用。如竹工艺品和建筑竹表皮装饰。它可以用来突出其自身的功能属性以及建筑表皮的装饰上（图3、4）。

以上例举的这些运用竹材料的案例是本文分析和研究的切入点。但就目前竹材料使用的这些方式和程度来讲，还处于相对较低的水平。其中存在着一些模棱两可、拷贝粘贴或替代材料的做法，这些并没有表达出竹材料真正的特点。

二、竹构建筑形态生成

1.竹材加工和竹构技术研究

竹材的加工利用方式可以总结如下：

原竹纵剖：竹节、竹隔、竹壁；横剖：竹肉、竹黄、竹青。

原竹——截取——利用圆竹的材料性质——建屋、组合家具、辅助建筑

原竹——劈篾——利用竹青的竹篾部分——竹编（圆面、穿篾、绞丝、穿丝、插筋）

原竹——截断——利用竹壁的整个厚度——竹片集成（胶合、高温展平、弧形竹片）

原竹——雕琢——利用竹根或竹黄部分——艺术加工（竹刻工艺品、竹雕、精致竹黄）

原竹——提炼——利用竹肉的各个成分——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）

（1）竹的连接

在想此次方案的时候，当初步概念设计完成，其建筑的整体结构形式已大体成型；然而进入深入设计阶段的时候，就要开始详细考虑其结构的细节；竹的连接方式便是首当其冲的问题。通过对其进行广泛的资料收集和案例的分析，了解归纳了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）竹结构

竹作为建筑材料时，构筑物结构形式大概可以分为直网架型、曲线型和编织型，他们各自运用了整竹的轴向力、弹性力以及竹篾编织的塑性张力。

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，建筑的结构柱、连廊建造和竹材墙体。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，规格是直径在15-22cm之间的竹竿，基本长度为3-5m。

方案中所运用到的竹的连接方式：

套筒型

套筒是用筒形预制件通过嵌套的做法来完成的，本方案中节点采用的就是嵌套的做法，将竹材的端部嵌入预制钢筒内，然后以螺栓固定。套筒这种连接方式可以解决各种角度连接的问题，然而要求竹选材方面直径尺寸要统一，然而在实际选材中往往有较大难度。

螺栓型

运用螺栓来固定是它的连接方式，在大多数的连接方式中都会用螺栓固定来作为辅助手段。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会有一个预制件。螺栓连接一般要先用钻枪在竹上打孔，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。

直网架型

这种构造类型主要是通过整竹的轴向力来实现。该连接的圆筒形截面会承受较强的垂直应力。一般直网架类型中会有很多构造的可能性。图8例子就是用直线条来连接曲面，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。

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角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。

图 1 可折叠圆顶模型

图3 竹子做的各种工艺品

图4 竹材料在“表皮”设计中的运用

图 7 套筒型

图5 套筒型和螺栓型

图 6 筒型和螺栓型

图2 Z型竹条简易空间结构模

图 8 直网架型

将构成建筑的内容进行分解来表现设计更推进一步；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（图10-14）。

4.建筑细节的处理

竹材料作为主要元素影响着整个空间关系的组织，空间与材料呈现要素式的匹配，用竹这种建造的实体材料介入构图，参与对内部空间的塑造。一般空间氛围的塑造主要依赖空间几何秩序及形状，人们对空间的感知大多依赖视觉。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，我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(图13)。

图 9 主体建筑的功能分区

图 10 主体建筑的形态演变过程

图 11 主体建筑的分体分析

图 12 设计灵感来源与建筑立面的生成过程

图 13 钢连接件和竹竿端部浇灌混凝土

图 14 建筑两端的屋顶结构

为了把竹子连接节点设计得更加先进、精密。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，尽管水和粘合剂的比率很低，但还是能够处理过程更高效，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。

家具设施配套设计中，也统一使用竹材原创家具设计，有展开式竹席、紧缩式颈枕、卷起式茶几和折叠式躺椅（图15），他们的造型灵感来源于古代的竹卷，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四种利用方式，随心随性。另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在书本上悬停并上下滑动（图16）。

三、作为建筑材料的耐久问题

除了思索自身的处理方式，竹材作为建筑材料的同时，在建构中也存在一些自身的优势，如:有弹性，抗轴向压力和拉力好；由于应力作用于管状截面中心轴线外围，所以竹的抗扭性能较好；不过也有其自身的局限性，比如其自身质量轻，导致对切线方向应力（如压力、膨胀力）耐受能力较差；竹材的结构同时存在含水量较高的弊端，需要干燥处理，否则可能引起开裂。同时竹材料受形状、尺寸、生长时间、含水量、强度等影响，单体差异较大；虽然竹节本身耐弯折，可以用止裂的方式进行结构加固，但仍需要轻化学来防腐，或防火处理方可使用；

针对竹材这些特有的优缺点，我总结出来了一系列关于竹材节点设计的基本法则：1.临近竹节端衔接杆件；2.在竹身打孔最小化；3.原材料“养生”（长时间放置以平衡内部应力和水份）；4.针对抗压的耐裂进行结构加强。

结语

目前,就竹材料本身的应用来看,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,就应用竹材料的范围来看,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等。竹材料作为自然材料,相对于木材来说更有生态的优势,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。中国的竹产业蓄势待发；加大对竹材料的研究才能发挥材料的生态效益。