几天前,记者获悉,四川省建筑设计研究院有限公司(简称SADI)牵头的四川省重点研发项目“新型装配式重组竹建筑结构关键技术研究”顺利通过验收。

据项目负责人、SADI总工程师赵仕兴介绍,该项目按照“材料-构件-节点-结构体系-数字化建造-耐久性”的层级思路,以重组竹框架结构体系、轻型剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系以及大跨度空间网格结构体系为研发重点,通过试验研究、数值模拟、理论分析与工程实践相结合的方式,对新型装配式重组竹建筑结构体系开展了系统研究,形成了具有自主知识产权的重组竹建筑结构成套关键技术。

竹材资源利用前景广阔

我国是世界竹资源最丰富的国家,约占全世界竹种的一半,竹种资源、竹林面积、竹种蓄积和产量均居世界首位,素有“竹子王国”之称。其中四川、浙江、福建、江西、湖南、湖北、重庆等众多省市竹资源分布广泛,以四川省为例,竹林面积便高达1812万亩,极具开发潜力。

竹材是具有优良力学性能的天然生物质材料,同时,相对于木材,生长周期短,一般3-5年即可成材,特别适合可持续开发利用。通过原竹改性加工而成的工程竹,不仅保留了原竹轻质高强、生态环保等优点,而且摒弃掉其原态性能不稳定、耐久性差、防火性能差等缺点,是一种理想的绿色高强材料,引入现代结构工程中具有显著优势,符合国家大力发展绿色建筑建材的政策方针,应用前景广阔。

同时,科学、充分地利用我国丰富的竹资源,进一步发展竹产业,有利于带动农村就业、增加农民收入,推动美丽乡村建设,助力乡村振兴的实现。

开展竹材这一新型绿色建筑材料的研发,推动建筑业转型升级,实现其又好又快高质量健康发展,符合国家对建筑行业的发展要求,是对新形势下的国家经济、社会发展需求的积极响应。同时,提高竹产品附加值,实现“以竹代木”到“以竹胜木”的目标,也是竹产业发展新趋势。

赵仕兴告诉记者,他们基于四川省科技计划重点研发计划、四川省住房城乡建设领域科技创新课题等项目,由四川省建筑设计研究院有限公司牵头,联合四川大学、西南交通大学、四川农业大学、四川竹元科技有限公司以及四川能投建工集团有限公司组成“产-学-研-用”竹结构研发创新联合体,共同完成了新型装配式重组竹建筑结构体系关键技术的研究与工程应用。

五大研究突破技术瓶颈

赵仕兴说,联合研发团队从材料性能、结构性能、分析设计方法、耐久性能等方面,系统开展了装配式竹结构建筑结构体系关键技术研究,主要研究包含五大方面:

重组竹材基本力学性能研究。通过力学试验研究,获得了重组竹材三向力学性能指标与典型失效模式,确定了可用于工程设计的重组竹强度指标、抗力分项系数及其强度设计值计算公式,建立了慈竹重组竹材单调受压应力-应变模型;通过慈竹基重组竹材物理力学性质研究,确定了密度、面层纤维化单板热处理、浸胶量、成型后热处理等对重组竹材性能的影响规律。

重组竹构件力学性能研究。开展了重组竹梁构件、柱构件试验研究和重组竹剪力墙墙板抗震性能研究,明确了各类构件的变形机制与破坏机理,探明了不同参数和构造措施对构件受力性能的影响规律,建立了承载力与变形计算公式。

重组竹结构连接技术研究。开展了新型梁柱节点拟静力试验研究与抗震性能数值模拟、剪力墙连接节点试验研究与理论分析和重组竹节点理论分析,获得了节点破坏模式、滞回曲线、刚度退化与耗能能力,探究了关键参数对节点力学性能的影响规律,提出了螺栓-钢夹板连接节点节点连接承载力和刚度计算理论。

重组竹建筑结构体系性能研究。开展世界首例重组竹单层球面网壳试验研究与稳定性分析,明确了其力学响应,建立了网壳稳定承载力计算公式;通过重组竹框架结构体系拟静力试验研究与轻型重组竹剪力墙体系整体性能研究,建立了重组竹框架结构和剪力墙体系设计方法;通过开展世界首例重组竹框架-剪力墙结构振动台试验,探明了该结构体系在地震作用下的力学响应及耗能能力,获得结构在地震作用下的工作机理和失效模式,提出该结构体系的抗震设计方法。

重组竹建筑结构霉变防护技术研究。基于竹材表面养分剥离、面层纤维化单板防霉处理、防霉剂筛选、防霉剂涂饰等多方面探究了重组竹防霉技术提升,探明了重组竹材的有效霉变防护措施,提出了重组竹建筑结构耐久性提升工艺。

四大亮点填补标准空白

赵仕兴团队牵头编制的《四川省装配式竹结构建筑技术标准》为国内首个装配式竹结构建筑技术标准,不仅填补了国内装配式竹结构建筑领域相关空白,其中的四大亮点还特别引人瞩目。

亮点一:国内首个完整技术标准,从材料到验收“一条龙”标准。《标准》首次系统性地对装配式竹结构建筑的各个环节进行了规定,涵盖了材料、建筑设计、结构设计、机电设计、防火、防护、施工、验收与维护等全过程技术内容,为装配式竹结构建筑的规范化发展提供了技术支撑。

亮点二:重组竹强度等级细化,提高材料利用率,降低建筑成本。基于大量科学研究、实测数据与工程实践,《标准》首次将重组竹的设计指标由有关标准中规定的3个强度等级,拓展为5个强度等级,大幅提高了重组竹材料利用率,减少材料消耗,降低建筑成本,有利于重组竹的推广应用。

亮点三:科学认证,装配式竹结构设计方法获得标准支撑。《标准》编制过程中开展了世界首例重组竹框架-剪力墙振动台试验、世界首例重组竹-钢夹板-螺栓连接单层网壳结构静力稳定性试验、重组竹框架结构拟静力试验等开创性研究,验证了竹结构的结构性能和设计指标。在此基础上,《标准》对装配式竹结构建筑的结构体系进行了全面规定,首次明确了各结构体系的结构布置原则与设计指标,为装配式竹结构的设计提供了科学依据和技术指导。

亮点四:破解行业争议,竹框架结构获科学“身份证”。针对当前学术界关于工程竹框架结构形式的争议,《标准》通过试验证明工程竹框架结构是可行的。基于此,《标准》对框架结构体系布置原则进行了规定,并科学界定了节点半刚性特征。该规定有利于推动工程竹框架结构的应用,为竹结构建筑形式多样化发展提供了新的技术路径。

最后,赵仕兴告诉记者,他们的项目已开展了包括世界首例钢-重组竹组合桁架、世界跨度最大的悬挑平面桁架结构——宜宾站“马门溪龙”、四川省首例重组竹平面桁架结构——宜宾站前广场商业中心、2024年成都世界园艺博览会香港馆等10余项工程示范应用,有力地推动了我国工程竹结构行业的发展,“未来竹材替代传统建材,必将有力促进我国城乡建设绿色转型和高质量发展。”