1竹材的选材与测试
1.1原竹采集和预处理
采用浙江省新昌县毛竹作为主要材料，竹龄4～6年，胸径9～11cm。竹材采伐后对竹竿弯曲的部位进行局部高温校直，将烤直处理后的竹竿整齐码放在气干棚内进行气干干燥，直到达到平衡含水率。
1.2性能测试与特征值
根据标准进行抗弯、抗压、抗剪性能以及干缩率和抗拉性能的测试。因抗弯性能试件是长形竹筒没有设备进行调质处理外，其他测试用试件均在温度(20±2)℃、湿度(65±5)%条件下调质处理到质量稳定后测试，试件含水率约12%。所有性能测试试件数量均满足最小样本量要求。毛竹弦向全干干缩率平均4.57%，易开裂造成性能降低，用于连接设计需要考虑防裂措施。力学性能特征值经统计分析如表1所示，其中抗弯弹性模量特征值取平均值，其他性能取75%置信度下5%下限分位值。
1.3设计强度的计算
力学性能特征值除以安全系数、校正系数等可计算出设计强度。本研究对房屋的设计年限为50年，校正系数抗弯弹性模量取1.0，抗弯强度2.1，其他3种性能取2.25。
2建筑构件的连接设计
在实际应用中可发现，木结构设计中常用的胶合连接、钉连接、齿板连接对于原竹构件并不适用。常规原竹建筑搭建时，销、捆绑、榫卯等连接方式是长期经验积累认为较为合理的方式，但要在施工现场进行定位加工。在预制房屋建设时，则需要更合理的设计减少现场施工的连接。本研究以尽量不破坏竹竿整体性为总体思路，选用薄型钢带、螺栓和螺杆等材料，共设计出4种构件连接方法，实现了原竹的加宽、加长、交叉等连接需求。
2.1杆件加宽、加长的连接
设计正8字或双8字金属箍将2根或4根竹竿捆绑在一起，通过调节螺栓长度改变金属箍对竹竿的环抱程度进行竹竿的捆绑固定，达到建筑杆件加宽的目的(图1a)。加长同样可利用8字箍在竹材端头处紧固实现。
2.2原竹交叉构件的连接
采用2个半开单环相套，可实现垂直构件之间的交叉连接，如原竹桁架与檩条间的绑定。该连接件称之为异8字金属箍。
2.3杆件与围护结构板材的连接
当达到一定长细比时，竹柱受压易发生失稳现象。设计一种U型金属箍把竹竿与墙体板连接，可有效防止竹竿受力时的偏移。同时U型箍也可用于原竹檩条与屋面板间的连接。
2.4节点的防裂加固
利用市面上现有的单耳可调卡箍(防裂箍)，如美式透孔卡箍，在原竹各构件的端头、穿透节点附近进行紧固加固处理，可对竹材的变形进行一定的束缚，减少开裂后构件的局部破坏。通过以上4种连接件的设计与运用，可基本满足原竹预制构件的制备需求。
3建筑预制构件的设计与性能测试
为实现原竹建筑构件预制化，提高其产业化利用水平，本研究采用木结构建筑模式中的箱式结构进行设计，以墙体与屋面2大部分形成受力整体，其中屋面最重要的受力构件为屋架。
3.1预制屋架的设计与加工
考虑到加工的方便性，屋面使用最常用的三角屋架，间距1.22m。采用纵向双竹作弦杆，M16的钢筋作腹杆，结点用竹胶合板固定，如图2所示。屋架加工流程主要包括原竹弦杆加工、杆件节点加固以及杆件的结点连接。加工全部在工厂完成。
3.1.1弦杆的加工
选择竹径相当的2根毛竹按规定长度截断后将大小头平行组合，2根竹竿的竹节和竹间交错排列，每隔0.5～1m用正8字箍紧固，保证双竹的稳定性和力传递。3.1.2弦杆节点的加固上弦顶部和下弦2端采用木块加固方法，将圆形木块塞入竹筒灌入冷固化胶固化，上弦下端节点因是封闭竹筒则采用打孔灌浆方法增强。处理完毕后再进行下一步的钻孔等加工步骤，要求钻孔外5cm处使用防裂箍加固，钻孔位置距离端头不小于8cm，同竹竿2孔距离不小于10cm。3.1.3结点连接结点处采用25mm厚的竹胶板夹住弦杆，M10螺栓穿透弦杆和竹胶板固定，要求弦杆中心线控制在同一平面上。腹杆通过螺栓调节高度，保证力的传递。
3.2预制墙体的设计与加工
为方便加工和搬运，墙体设计成幅面1.22m×2.44m、厚度10cm的单元体，一侧有凸出的方柱用于墙体的连接，如图3所示。墙体的加工流程主要包括原料加工、墙骨的安装加固、墙体连接等，这些全部在工厂完成。
3.2.1原料加工
选择直径略小于10cm、尖削度较小的竹竿做墙骨，按照墙体设计高度截断，尽量保证竹节离端头位置小于5cm，两端用防裂箍保护。预制墙体的上下横档采用竹层积板，用钉固定在墙体板上。选用幅面1.22m×2.44m的高强度竹胶合板作墙体板。
3.2.2墙体的连接与安装
根据墙体设计方案，预先在墙体板定位打孔，采用U型金属箍和螺栓将竹竿与墙体板连接。高度方向的U型箍间距为0.5～1m。竹柱脚用2块竹胶板夹住，通过螺栓夹紧，再用L型钢连接件把柱脚固定在下横档，柱头与上横档无连接件连接。3.2.3墙体间的连接加固单元墙体通过侧向凸出柱连接形成整体墙，该柱为自制竹胶板框架方柱，厚度与墙体相同，插入相邻墙体后，用M12螺栓从上至下3组螺栓加固。墙体转角处采用L型钢将两面墙体连接。
3.3预制屋架和墙体的性能测试
预制屋架和墙体受载状态下的力学性能测试在建筑构件力学实验室进行，用以验证建筑结构的安全性。
3.3.1原竹屋架破坏试验
测试屋架跨度4.88m，按照GB/T50329—2002模拟施工和使用环境下屋架的变形、破坏以及其他可能发生的情况。用钢绞绳加吊篮垂直加载，上弦设置侧向支撑防止侧偏，加载位置如图4所示，按每级200kg逐级加载。在实际使用荷载下，屋架的下弦跨中挠度满足木结构设计规范中挠度小于L/250的要求，当载荷达到1800kg时屋架一侧上弦被钢丝绳压溃，达到了强度极限值，卸载后有一定残余挠度。试验结果表明:原竹屋架具有足够的安全性能，可以在本研究设计的建筑中作为屋架使用。
3.3.2墙体抗剪试验
测试了2个单元墙体框架连接后的抗剪性能，单元墙体面积1.22m×2.44m，墙体间的方柱用3组M12螺栓连接固定，测试装置如图5所示。按照ASTME2126—2009的规定，以墙体发生明显破坏时(如墙脚锚固构件破坏、墙体发生了超出正常使用要求的变形)作为其破坏的标志。最终墙体的抗侧承载力为0.78t，可以在1～2层住宅中替代木墙体或轻钢龙骨隔墙使用。
4预制原竹房屋的建造
在本研究试验基地按照建筑防火、节能、隔声等要求设计了一座建筑面积约50m2的单层房屋，房屋有宽1.3m的外廊，屋内净长8.54m，净宽4.88m，屋顶坡度24°，其结构和成品如图6所示。计算出房屋所需的原料后进行备料和加工，在工厂把原竹屋架和墙体制备完成后运到工地。做好地基后，将墙体下横档通过地脚螺栓固定直立，再将相邻墙体连接。4面墙体固定连接后，采用竹层积材做圈梁，用钉固定在墙体的上横档。屋架两侧对称使用L型钢与圈梁连接。原竹檩条采用异8字型箍与竹屋架固定，屋顶板用U型箍与竹檩条连接固定。房屋主体结构完成后，屋顶进行防水处理并铺瓦，外墙贴防潮纸后涂抹水泥砂浆。墙体内部钉木横档用以搁置保温材料，再用防火石膏板覆盖，最后进行找平和装饰。室内屋顶采用轻钢吊顶，吊顶上铺设保温材料。当房屋竣工后，原竹已被完全包覆，与外界隔离，有效延长了竹材的使用寿命。
5结论与讨论
竹材是一种历史悠久的传统建材，但其在建筑中采用预制化、模块化设计和应用尚属首创。本研究充分发挥了原竹轻质高强的优势，设计并建造出预制化程度高的现代原竹结构房屋。这种建造方式与传统竹建筑相比，具有建造速度快、房屋寿命长、居住舒适性好等优点，值得广泛推广和应用。通过屋架和墙体的性能测试，发现还需在结构部件的设计和成本等方面进行研究和改善，以便进行市场推广。总体来看，原竹预制构件房屋在全世界对低碳经济日益重视而木材资源供不应求的今天，是民用建筑的发展方向之一，它为环保建筑提供了一种新的建筑材料和建筑模式。
作者：高黎 王正 王戈 程海涛单位：中国林业科学研究院木材工业研究所 国际竹藤中心
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