原態重組竹材在園林建筑中的應用探究

閆 薇，史田田，于蘭芳，曹春紅，張 彬，周建波，傅萬四*

(1.衡水職業技術學院 生物工程系，河北 衡水 053000； 2.中國林業科學研究院 木材工業研究所，北京 100091； 3.國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

木材資源日益緊張，竹材是木材的優異替代材料。實現碳達峰碳中和是當前經濟社會廣泛而深刻的系統性變革，竹材屬于天然的儲碳材料，竹材及其主要制品只要處于使用狀態就會作為碳儲存庫而一直存在[1]?，F代園林的發展在社會經濟建設中處于蓬勃發展時期，我國城市園林綠地不僅數量迅猛增長，質量也在快速提升，更注重人居環境的改善，人與自然的和諧共生。與鋼筋混凝土結構、輕鋼結構、磚混結構等常見建筑類型相比，竹材在園林建筑中的應用具有節能減排、綠色環保等顯著優勢。

創建園林城市和森林城市的活動備受關注，人們在園林、公園的設計和建造過程中也越來越重視竹材的應用，這是人們追求自然美與生活美的具體反映。建筑、地形、水體、植物是構成園林的四要素，園林建筑是園林環境中重要的組成部分，具有使用功能和觀賞價值雙重屬性。

竹材是園林建筑常用材料，但目前創新應用不夠，筆者在綜合分析竹材在園林建筑中應用現狀的基礎上，結合原態重組竹材這一新型材料，探討研究其在園林建筑中的應用，以期為竹材在園林建筑中的設計創意和造型表現提供參考。

1 竹材在園林建筑應用的現狀

園林建筑是以優質的外部環境為依托，具有一定的使用功能，又能與環境和諧共融、供觀賞游覽使用的各類建筑物和構筑物的總稱，包含建筑和小品。園林建筑不僅僅需要滿足一般建筑的使用功能，還要具有非常強的美學價值。

竹材不僅僅是設計材料，更是一種文化的痕跡。自古以來，人們用竹材或者木材建造房屋等是一種選擇，這種自然天成的材料更受到人們的歡迎。在我國戰國時期的《考工記》中最早提到了材質美，“天有時，地有氣，材有美，工有巧，合此四者，然后可以為良”，認為“材有美”是藝術作品成功的關鍵之一，優秀的設計離不開適當的選材與合理的工藝[2]。

越來越多的人們向往回歸自然、綠色生態的生活方式。竹材是人們生活不可或缺的重要部分，越來越多的竹材身影出現在人們的生活環境和景觀建筑中，例如休憩乘涼用的竹亭、組織交通的竹橋、日常用的竹凳、行走時的竹廊、居住的竹屋等[3]。竹材在園林建筑的發展前景非常廣闊，園林中的許多大型建筑、景觀小品等都采用竹材，然而受竹材產品類型和加工工藝的影響，目前在園林建筑當中應用的主要是竹集成材，部分采用竹層積材，極大地限制了竹材在園林建筑當中的應用。而原竹在建筑中的應用主要是通過鋼構件連接、節點部位填充連接、穿斗式連接、槽齒連接、銷連接、綁扎結合等節點連接方式實現的[4]，在園林建筑設計的造型和創新上尚未推陳出新。因此創新型的竹材產品將有助于打破竹材在園林建筑中的應用瓶頸，為園林建筑設計和材料應用實現新的突破。

2 原態重組竹材的理念及產品

原竹具有強度大、質量輕的特點，中空、具有竹節，如圖1所示，竹壁徑向維管束分布從竹青到竹黃排列由密集到稀疏，這體現了竹材天然的密度梯度[5]。竹材具有良好的力學特性，建筑師稱之為“植物鋼筋”，在建筑領域的應用已有上千年的歷史。隨著科學技術的發展和進步，原竹的生物學結構和特性受到越來越多科研人員的關注，竹材的原態重組技術作為新時代科學與技術的產物應運而生，并體現了較廣闊的應用前景。

圖1 竹材原態特征(a)和竹壁徑向的維管束分布(b)[6]Fig.1 Features of bamboo in original status(a); Vascular bundles distribution on bamboo culm wall in radial direction(b)

2006年，傅萬四研究員在國際上首次提出“竹材弧形原態重組”[6]，次年，提出“竹材原態重組(Bamboo Recombining in Original Status, BROS)”這一創新理念[7-8]。2006年以來，以傅萬四研究員為課題組長的團隊對竹材弧形重組材料制造技術及相關設備進行了系統性研究，并開展了工業生產，主要包括國家林業局北京林業機械研究所、東北林業大學、中國林科院木工所、湖南省林科院等科研單位及高校。竹材原態重組技術保留了竹子原有的組織結構，使竹子空腔、竹隔等獨特的結構得以充分利用，從而可以實現竹竿抗彎、抗壓和抗剪能力強等力學性能優點較大限度地保留，充分體現了竹材的原生態優勢，屬于首創技術[9-13]。竹材原態重組技術的誕生以及該材料的加工利用提高了竹材的利用率，實現了竹材的更高效利用，是更好實現“以竹代木，以竹勝木”的新途徑。

原態重組竹材具有質量輕、強度高等優點，可廣泛應用在建筑領域，不僅拓展了竹材的應用領域，提高了竹材的利用率，其膠黏劑用量遠少于傳統重組竹，還大大提高了竹材的經濟附加值[14]。以竹材弧形原態重組板材為例，生產1 m3的成品板材約需要70根竹材，現已進行了中試生產，產品售價按4 500元·m-3計算，可產生直接經濟效益。此外，原態重組竹材成套設備可實現銷售收入2 000～8 000萬元，推動了竹材加工機械行業的發展。

經歷了十幾年的研究與開發，原態重組竹材呈現出豐富的產品，圖2所示為弧形重組竹材(a)、仿生重組竹材(又稱多方重組竹材)(b)、梯形重組竹材(c)[14-17]。

圖2 豐富多樣的原態重組竹材[6-7]Fig.2 Varied products of Bamboo Recombining in Original Status (BROS)

原態重組竹材前期需要進行防腐處理就可應用于戶外建筑及景觀小品。防腐處理可提高竹材的天然耐久性，對提升竹材戶外應用價值具有重要意義，竹材原態重組材料可采取多種方法進行防腐處理[18]。本著對自然的尊重和環境的保護，更加生態環保的防腐劑正在走進竹材防腐的一線。原態重組竹材的防腐處理優選對環境友好的技術方法，如可采用環保型的防腐劑、乙?；凹{米材料處理技術等，提高竹材的耐腐性，提升經濟價值。竹材的防腐處理會對其力學性能產生一定影響，例如防腐處理對竹材的抗拉強度影響表現為：碳化竹材抗拉強度最優，未碳化竹材次之，最差為加壓浸注方法處理的竹片[19]。

著名建筑師密斯的經典言論指出，所有的材料，不論是人工的還是自然的，都有其自身的性格。我們在選用這些材料之前，必須知道其性格[20]。竹材原態重組材料既保留了竹子的原態組織結構，又使得竹子的文化內涵得以展現，滿足現代人們對安寧、賦有生命力的心理需求。竹集成材和原竹的可塑性對建筑構造樣式具有較大影響，相比之下，原態重組竹材在可塑性方面具有絕對優勢，可以滿足竹建筑造型藝術的發展需要。竹材原態重組的應用詮釋了人與自然的完美融合、可促進園林建筑的可持續發展，是自然美與技術美的有機結合。同時，竹材具有調節環境溫濕度的作用，可以和園林植物一起“呼吸”，通過溫度和濕度的相互影響實現園林建筑與園林植物的互動聯通，形成園林獨特的有機生態系統。原態重組竹材在園林中的應用可以產生獨特審美價值的構造方式，創造出更多藝術表現形式的園林建筑。

3 原態重組竹材在園林建筑中的應用

3.1 園林建筑小品裝飾材料

竹材材質肌理賦有細膩的觸感，其天然斑駁的色彩，呈現出深淺不一的效果，可讓游人感受到其視覺、觸覺的碰撞，稍作休息便可嗅到竹子的韻味，仿佛置身于竹林之中，享受著安靜、自由的氣息[21]。將我國優秀燦爛的傳統文化與原態重組竹材相結合，通過現代的設計手法融合具有時代信息的裝飾元素，可創造出獨特意境的園林空間。竹材原態重組材料具有優異的環境學特性，加之其原態特性，是很好的裝飾材料。竹材原態重組材料在園林建筑小品的運用包括地面鋪設材料、墻面鋪裝材料、結構裝飾材料、裝飾陳設材料等[22]。

園路、廣場、棧道等交通系統具有組織引導游覽路線的作用，是園林建筑中非常重要的組成部分。其中，鋪地的設計非常重要，包括鋪地的材料、質感、色彩、花紋等。竹材經過防腐處理可以成為一種很好的鋪地材料，在現代園林中被作為高檔用材廣泛使用，也常用于水邊作木棧道。

竹材的構造決定了竹材具有優異的視覺特性，例如可測量表征的竹材顏色、光澤度、紋理等給人們帶來舒適的視覺感受[23]。竹材弧形重組材料進行拼接之后還可以出現不同的肌理，可以組成特殊的圖案(圖3)[24]，可作為園路、廣場、平臺等鋪地材料，提升觀賞價值，別具一格，如圖4所示。竹材表面呈現出特殊的紋理和質感，原態重組竹材肌理紋樣備受游客及消費者喜愛。

圖3 弧形重組竹材的拼接肌理[25]Fig.3 Splicing texture of arc recombining bamboo

圖4 弧形重組竹材鋪地效果圖Fig.4 Visual presentation of arc recombining bamboo in paving

不僅如此，因弧形竹片的原態特點，弧形重組竹材表現出優異的力學性能[14]，可滿足木棧道、橋面等材料的使用。竹制梁橋和拱橋等可以聯系園林中的水陸交通、組織游覽路線、變換觀賞視線，還可以與水面倒影相映成趣自成一景，兼有交通和觀賞的雙重價值，然而園橋的觀賞價值往往超過其交通功能。相比木材和重組竹等傳統材料，原態重組竹材更好地保留了竹材原有的組織結構和高硬度[25]，耐磨性能好，經過防腐、表面涂飾處理可以具有較高的耐久性，更適合于作為鋪地材料。采用仿生重組竹材與傳統磚石墻體相結合設計虛實結合的景墻、漏窗以及建筑小品等，可以營造獨特的景觀效果。以空透形態為主的景墻，可以與仿生重組竹材相結合，如圖5所示，通過竹腔形成的天然孔洞看到對面景色，空間隔而不斷，實現人與景色的隔空對話，而竹材橫斷面維管束密集到稀疏的環狀排列也是一種天然的觀賞景點，從而達到自然裝飾、美化環境、點綴風景的目的。

圖5 仿生重組竹材在景墻的應用效果圖Fig.5 Visual presentation of bionic recombining bamboo in landscape wall

3.2 休憩設施材料

作為城市景觀的重要節點元素，休憩設施小品是環境的點睛之筆，其視覺形象應當與所處周圍環境相契合、相呼應，符合特定區域環境的文化特色[26]。創建園林城市的過程中，無論是建設口袋公園還是大型的文化園林，園桌、園凳、園椅等都是必不可少的休憩設施。

竹材原態重組更多地保留了大自然賦予的竹材獨特的結構，而且膠黏劑用量比竹集成材更少[14]，因此更適合用來作為休憩設施用材，安全性能更高，自然程度更大，更貼近人們對健康生活的追求。有研究表明，采用竹質材料可以很好地滿足幼兒對于設施安全性能的需求，原態重組竹材的色彩飽和度較低，具有舒緩情緒的作用，可以安撫并降低陌生環境給幼兒帶來的不安情緒[27]。由此可見，竹材深受人們喜愛不僅僅是人們的回歸自然之舉更是人們內心的精神需求。

弧形竹片膠合而成的弧形重組竹材巧妙地契合了樹木的年輪紋理，既保留了竹子的質感，又體現了木材的美感。竹材肌理是自然界獻給人類的美麗圖案，維管束在端面的分布呈現點的疏密、大小變化；在徑切面上，致密通直紋理是一種天然的線形表面裝飾，表現出竹絲筆直的紋理效果；而在橫切面上，是曲線美的弧形紋理的完美體現，與木材的肌理形態相似?；⌒沃亟M竹材的利用，無論是加工成為薄竹進行表面裝飾還是直接加工成工藝品都是極具特殊表現力的新型材料。例如，可通過調整切削角度等加工方法獲得諸如年輪、山形紋路等特殊圖案的薄竹，裝飾效果非同一般。

園桌、園凳等是園林中必不可少的設施，是為游人提供就坐休息的主要場所，優美的桌凳造型、獨特的選材會給園林景觀增添不少風采。傳統竹椅以圓竹為主，現代竹椅多采用竹集成材，以竹集成材為主的現代休憩設施所體現的竹材肌理十分單一，基本是直線肌理的表現，有失活潑。以弧形重組竹材為主設計的茶藝園桌，最大程度地詮釋了弧形竹材的形態、色彩表現力和獨特肌理[24]，如圖6所示，更增添了幾分活潑、自然與禪意。

圖6 弧形重組竹材制備的園桌[24]Fig.6 Garden table made of arc recombining bamboo

在園林建筑小品當中，我們可以采用弧形重組竹材設計制作具有特殊肌理和構造的園椅、園桌、園凳等，如圖7所示，弧形曲線柔和優雅，拉近了人與自然的距離，更是園林小品中別具風格的景點。

圖7 弧形重組竹材應用于園桌、園凳效果圖Fig.7 Visual presentation of arc recombining bamboo in garden table and stool

圖8為弧形重組竹材加工制作的竹椅，從不同的角度可以看到不同的肌理，筆直的線形給人剛毅的印象，彎曲的弧線給人柔美的感覺，豐富了竹制座椅的外形表現。竹材原態重組可同時滿足竹制休憩設施在結構形態創新、技術創新和設計材料創新方面的需要。

圖8 弧形重組竹材制作的竹椅Fig.8 Chair made of arc recombining bamboo

仿生重組竹材制備的竹凳別具風格，巧妙利用了竹材的空腔結構，虛實結合，同時降低了竹凳的重量，充分體現了竹材的自然之美，見圖9(a)。該竹凳與獲得德國紅點獎的“竹細胞”坐凳作品[28](見圖9(b))具有異曲同工之妙。相信仿生重組竹材在不久的將來還會給設計師們帶來更具靈感和創意的設計作品。

圖9 竹材仿生重組竹凳效果圖(a)和德國紅點獎獲獎作品“竹細胞”(b)Fig.9 Visual presentation of bionic recombining bamboo in garden stool (a); Bamboo cell (b)

原態重組竹材可謂結合了原竹和竹集成材兩者的優點，既有大自然賦予的竹材獨特的結構肌理又可以大規模生產加工，較原竹結構具有更好的結構強度、制作工藝、較高的機械化生產程度，具有廣闊的應用和發展空間。

3.3 建筑結構承重材料

以竹質型材為建筑材料的當代竹建筑傾向于發展裝配式竹建筑、輕型竹結構以及大空間的框架結構建筑[29]。大型竹建筑在結構材料方面多集中使用重組竹，然而重組竹密度大、自重大，單位質量力學性能不高，原竹所具有的獨特的組織結構和物理特性在傳統的竹材重組技術中并沒有很好地體現出來，傳統的重組竹不能滿足長范圍、大跨度重組的要求，因此不能用作對力學強度要求高、長度和跨度較大的建筑結構材料[30]。

竹材原態重組材料實現了指接接長來降低尖削度，通過重組實現了強度的增加，前期預處理可實現竹材的防腐防蛀，相比原竹更適合作為建筑構件使用。竹材原態重組材料集合了原竹和重組竹材兩者的優點，彌補了缺點，不僅更多地保留了竹材的原態特性，具有優異的力學性能，還符合現代工業發展需要可以大規模機械加工生產，竹材原態重組材料是竹材用于建筑結構材料領域的高效利用方式，對提升竹材的利用價值具有重要意義。

弧形重組竹材充分發揮了原態竹片拱形結構的優點[14]，具有優異的力學性能，完全可以替代傳統重組竹在園林竹建筑結構方面的應用，例如承受建筑主要荷載的梁柱系統等。亦可以參考相關的設計規范進行竹質人行橋的構件設計[31]，竹橋具有自然、古樸、典雅的特點，通常是點綴水景的優選設計，營造小橋流水的意境。

仿生重組竹材在結構方面受啟發于蜂巢結構，利用仿生學原理，將正六邊形化的單根竹材有機結合成為一個整體，不僅使竹材的不均勻性得到降低，提升了原竹的承受軸向荷載的能力，還充分發揮了仿生重組竹材的中空構造優勢，使其強重比優于同體積其它建筑材料[17,32]。仿生重組竹材主要作為軸向承重結構在建筑領域應用，可用于園林當中亭子、廊、花架等園林建筑、小品，既具有文化氣息又親近自然、別致新穎。此外，原態重組竹材還具有較強的抗震性，即使發生強烈地震，其主體結構不會發生劇烈形變，仍能完整無損，非常適宜園林等公共場所的建筑設計使用。

現代竹建筑所表現出來的形式和空間是建筑本質的回歸，在推進生態文明建設和彰顯文化內涵的今天，竹材憑借獨特的力學、美學、文化以及生態價值在現代園林建筑中依然備受青睞。相信在不久的將來，竹材原態重組材料在建筑結構和承重方面的應用會帶給我們更多與眾不同的建筑表現。

4 結語及展望

竹材原態重組技術的誕生給竹材的應用打開了新天地，為竹制產品注入了新鮮血液。材料作為園林建筑的本質語言，在極大程度上擔任了地域、文化屬性的載體，竹材是深受人們喜愛的天然材料，原態重組竹材承載著更多的自然屬性、文化意義和新時代科學技術，不僅具有優異的力學性能，更是高環保、低成本的綠色低碳材料，具有獨特的肌理和表現力。原態重組竹材不會限于園林建筑中裝飾、休憩設施、結構承重等方面的應用，還可進一步推廣應用在休閑旅游度假區以及養老院、幼托、學校等公共建筑。未來原態重組竹材將在連續化、多功能化和智能化方面進一步發展，融入更多科技元素，原態重組竹材在園林建筑當中的應用將為園林的發展帶來新機遇。