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6.3 关键前沿技术与发展趋势

6.3.1 技术体系和全球技术清单

在iSS中建立了中国竹建筑工程技术体系,如图6-9所示。其中包含6个一级体系,分别是竹资源和建筑用竹种、建筑用竹材、施工工艺、胶合材料、技术标准、政策执行和能力建设。每个一级体系又包含若干二级体系和三级体系,例如,胶合材料一级体系包含有机胶和无机胶两个二级体系,无机胶二级体系包含高性能无机胶的研发、无机胶与竹材的黏结性能及其评价,以及无机胶对竹材防火性能和耐久性能提升技术3个三级体系。完整的技术体系包括竹建筑工程相关的主要技术清单。

表6-2为iSS所提供的与竹建筑相关的全球技术清单,呈现主要国家政府部门和研究机构所资助的与竹建筑有关的科研方向及其技术清单。从表6-2中可以看出,与竹建筑有关的大部分研究在中国开展,资助方主要包括中国科学院、中国工程院、科技部和国家自然科学基金委员会,技术清单主要集中在绿色建材、再生材料、生态建筑、村镇建筑、绿色建筑、低碳和节能特点、工业化建筑部件等方面。此外,英国和泰国对该方向的研究也有较大支撑。

图6-9 中国竹建筑工程技术体系

表6-2 与竹建筑相关的全球技术清单

6.3.2 中国竹建筑工程关键前沿技术

根据文献量化分析并结合技术体系和技术清单,面向2035年的中国竹建筑工程关键前沿技术如下:

1.可持续竹林资源管理和建筑用竹材产品开发

全球竹林资源分布广泛,竹材种类超过1600种,不同竹种其力学性能各不相同。一方面,需要针对竹林进行可持续资源管理以保证竹材原材料的性能质量;另一方面,需要发掘不同的建筑用竹种并开发多样的建筑用竹材产品。按照建筑材料功能的不同,可分成结构材料、围护和装饰材料以及其他功能材料。其中,结构材料可以采用圆竹和工程竹材。圆竹的定义是保留竹子原本的植物性状将其直接作为建筑用材,而工程竹材则是利用胶合工艺将开片或疏解后的竹子进行集成或重组,如胶合竹、竹集成材和重组竹等。围护和装饰用竹材多为工程竹材,在竹建材市场的占有率超过90%,包括室内外地板、非结构墙体材料、吊顶材料等。目前,针对材料的研究主要集中在力学性能、耐久性能、防火性能和长期性能等方面。尽快掌握各种材料的各项性能指标,有助于竹建材的工业化生产和竹建筑工程实践的开展。

2.工程竹材用绿色环保、耐久性能和防火性能优异胶黏剂的研发

在工程竹材使用胶黏剂方面,目前使用的主要为脲醛、酚醛树脂等有机胶黏剂。有机胶与竹材之间的黏结性能良好,但是在生产和使用过程中,会造成环境污染,并且防火性能和耐久性能比较差。因此,需要研发高耐候性能的有机胶,并对其有害物质释放量、耐老化性能和耐火性能展开系统研究。此外,迫切需要开展竹建筑用绿色环保、耐久性能和防火性能优异的无机胶黏剂的研究和开发。在无机胶黏剂的研究方面,由于无机胶与竹材之间的浸润性和亲和性较差,因此实现无机胶与竹材之间的良好黏结是最核心的问题,无机胶对竹材纹理的覆盖遮挡也是要解决的关键问题。此外,还需要系统研究采用无机胶所生产的工程竹材的制备工艺,及其相应的力学性能、耐久性能和防火性能。

3.创新结构体系和装配式施工工艺

对于圆竹结构,需利用圆竹等本身优良的结构特性,在成束使用、关键节点、弯曲成型等方面实现技术突破,包括成束圆竹共同工作的基础理论、金属节点连接件和高性能内填物的研发。工程竹材因其材料性能的稳定性,更能满足现代建筑对可靠性方面的要求。工程竹结构的创新利用属于前沿技术,包括高性能的节点连接形式、高效能的组合截面构件(箱形、工字形、桁架、竹-木或竹-钢复合材料构件等),以及多样化的结构设计体系。可以同时借鉴工程木结构和钢结构的研究和应用经验,开创工程竹材特有结构体系,以及竹-木、竹-钢或竹-混凝土组合结构体系,充分利用工程竹材的力学性能和节能特点,实现工程竹材在未来多高层、大跨和空间结构方向的创新利用。提升竹建筑全产业的工业化程度,探索提升装配式建筑的关键技术,包括构件和部品制作的工厂化、装修材料的集成化、现场施工的拼装化,减少竹建筑工程的人力和成本,全面提升竹结构建筑的优势。

4.基于性能化的竹建筑防火设计研究

在圆竹材料的防火、耐火性能方面的研究几乎是空白的,对工程竹材的研究也较少。目前针对竹材耐火性能的研究主要集中在两个方面,一是竹材及竹结构构件在高温下的力学性能研究,二是对阻燃剂及阻燃措施的研究。将竹材作为一种建筑结构材料,必须满足消防安全的要求:当建筑发生火灾时,主要受力构件的承载力需要在所要求的极限耐火时间内不发生变化,保证结构在坍塌前人员有足够的逃生时间。因此,基于性能化的竹建筑防火研究显得尤为重要,包括竹材在高温下的力学性能、如何通过阻燃剂提高竹材的阻燃性能、如何合理规划竹建筑的防火分区,以及自动喷淋系统等主动措施的布置和使用等。

5.完善的竹建筑技术标准体系建设

目前,现代竹建筑的工程实践还相对较少,并且多是临时性建筑,很大程度上是因为缺少完善的竹建筑技术标准体系。而实践的不足又反过来制约了技术标准的完善和发展。目前的竹结构建筑技术标准多是参考木结构建筑的规范和技术标准。虽然竹材和木材在性能上具有相似性,但不完全相同。需要系统地建立完善的竹结构标准体系,包括竹材力学性能试验标准,竹结构产品标准,竹结构设计标准,竹结构建筑施工、验收和评价标准等。通过大量工程实践,检验和完善各项技术标准,形成理论指导实践、实践再提升理论的良性循环。 tDqAiSkMscv9a13LEQPvWOU1r36iW10fhkLSpK/7Lk5QDLRtzWnAs0EY+IuC3P2c

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