竹栏杆的发展现状

竹栏杆的发展现状

杨 维等

南京林业大学大学生实践创新训练计划项目（2017NJFUSPITP129）

栏杆，古代中国称阑干，也称勾阑，作为建筑附属设施，除了具有安全围护、分割导向功能外，还具备装饰装修功能。古往今来，栏杆是人们生活不可或缺的部分。随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对物质生活和精神世界提出了更高的要求。户外的石制栏杆千篇一律，易造成人们的视觉疲劳，为了追求城市生活的发展和美好生活的新模式，消除人们的视觉疲劳，我们由此产生了研究户外竹栏杆的想法。本文对竹栏杆的生产现状、结构、材质、加工工艺和未来的发展方向进行了介绍。

1 竹栏杆材质性能研究

1.1 材质的优点与缺点

竹类植物是地球上生长速度最快、繁殖最容易、成熟期最短的木本植物，是人类的环境友好材料，它具有一次造林成功，就可年年择伐、永续利用而不破坏生态环境的特点。竹材圆筒结构是天然形成的奇妙结构，这种结构符合材料力学中的等强度设计原理，竹子韧性好，强重比高，薄壁中空的管状结构，使其具有良好的力学性能。竹材是作为栏杆的优选材料之一。

竹材是一种典型的单向长纤维增强的生物复合材料，经过亿万年的演化形成了如今的“节间+节部”的优良结构，其中节子的存在对于竹抵抗风雪等引起的弯曲劈裂起着至关重要的作用。竹节由秆环、箨环、节隔、节隔上沿四部分组成，节间维管束通过竹节时都有不同程度的弯曲，大多数轴向主维管束直接穿过节部，而有一部分却改变了方向。竹节的密度稍大于其相邻节间材的密度。通过使用双悬臂梁（DCB）法测试毛竹材节间材与含节材的型层间断裂韧性，表明竹节的存在对阻碍竹材发生层间断裂起很大贡献作用 。

竹材最明显的缺陷就是竹材既吸水，又易干裂，竹材吸水后，不仅引起形变，还会霉变和腐朽，使强度和使用寿命降低。除此之外，易劈裂也是竹材不可忽视的问题。新鲜竹材在加工过程中，最易出现的问题是劈裂。竹材的抗劈性是指竹材抗拒被具有楔作用的工具而劈开的特性，抗劈力是由最初产生劈裂所需的外力及其后劈开木材所需的外力来决定的。竹材的抗劈力从一定意义上讲是衡量其内部横向抗拉应力的指标。由于防裂试剂的充胀作用，处理材的抗劈力小于未处理材的抗劈力，只有固化后的V-3、4两酚醛树脂处理材的抗劈力大于未处理材 。值得注意的是，抗劈力的大小对圆竹的干裂性影响较小，不能作为衡量圆竹是否易开裂的指标。

1.2 竹材的力学性能

竹材的抗弯强度相差较大，而抗压和抗剪强度相差不大 。竹材具有优良的顺纹弯曲性，当对竹材施加一定外力的时候，竹材会发生一定的弯曲变形，撤销外力，竹材又会恢复原形。基于这样的特性，Pankaj R. Mali研究了竹材替代钢筋对混凝土板抗弯性的影响，发现对变形方面有一定改进作用 。冼克娟等对竹材做了微观结构与力学性能的关系研究，结果发现，纤维厚壁细胞沿轴向排列整齐，对竹材的力学性能贡献最大，使竹材具有高强度和刚度 。R.F.Buson用化学药剂对表面进行处理，研究了竹纤维作为符合增强材料的轻量化和耐久性 。竹材的纤维组织细密、纤维层厚、纤维密度大，竹材具有良好的弹性，这是由其自身的组织结构决定的。竹材的抗弯性能变化范围较大，这是由于其外密内疏的微观结构特征引起的。竹子从内到外的纤维含量逐渐减少，导致力学性能呈梯度变化。同时，断裂模式也相应发生变化。竹片拉伸强度和弹性模量从外层到内层呈降低趋势 。

1.3 材质的其它性能

1.3.1 虫蛀

竹子薄壁细胞里含有多种营养物质，易遭虫蛀，这将严重影响竹子的产量和质量，造成重大的经济损失。竹栏杆在使用过程中，不可避免地会出现被虫蛀的问题，唯一的解决办法是提前对其进行处理。

1.3.2 腐朽与霉变

在潮湿条件下，竹制品还容易产生发黑、腐朽、霉变等一系列问题 。圆竹的腐朽发黑主要是由于褐腐菌腐朽竹材所引起的。褐腐六周后，竹材细胞壁出现许多孔洞。十二周后竹材已经丧失其原有结构，出现纤丝状，稍用力便破碎。此时竹材薄壁细胞壁几乎被降解殆尽，细胞横隔壁也出现许多孔洞。

白腐菌对竹材侵蚀过程与褐腐菌基本相似，只是竹材对白腐菌的耐腐力强于褐腐菌。在白腐菌腐朽十二周后，薄壁细胞壁孔洞才会进一步扩大和增多，与导管相邻近的筛管和旁管腐朽严重，细胞壁几乎完全被破坏。此外，能够生长在竹材上的微生物还包括真菌和细菌，真菌的孢子和细菌的细胞相当于高等植物的种子，可由风、水、昆虫或人为因素等传播到竹材上，孢子落到竹材上后，在适宜的条件下就会萌发形成菌丝或分裂繁殖，从而使木质有机体分解或解体，此外，真菌类还会使竹材出现长蘑菇的现象。

2 竹栏杆材质处理技术研究

竹材与木材比较，它含有糖类、蛋白质及淀粉等多种有机物质，这给竹材的防腐、防蛀等措施带来了很大的难度。从而使竹材的使用范围受到一些限制。因此，为了妥善解决其带来的问题，现代竹栏杆的技术工艺要求比木材更高。其中，最重要的环节是对竹材进行干燥。

为了使竹栏杆使用寿命更长，在加工过程中可使用物理和化学的方法对其进行处理，使其具有更好的防腐性能 。

2.1 常见处理方法

2.1.1 浸渍

将竹材浸没于清水中，溶出部分水溶性营养物质，并使细胞充满自由水，造成缺氧环境，以预防和消除虫菌危害。

2.1.2 干燥

将竹材烘干或晒干。经烘晒过程，一方面可因加热杀死虫菌，另一方面又可因水分减少致虫菌难以生存。

2.1.3 电磁波辐射

用远红外线、微波照射，可引起竹材内部进行共振吸收，使虫菌致死。

2.1.4 气调

调节竹材贮存环境的气体组成，降低氧气含量，造成缺氧状态，使真菌不能生长，蛀虫窒息而死。

2.1.5 蒸煮

将竹材加热蒸煮，除去部分可溶性物质，杀死虫菌。

2.1.6 表面涂刷和加压浸渍处理

所用防腐剂为有机溶剂防腐剂和水溶性防腐剂。适用于较小标准材的处理，在涂刷前要充分干燥，涂刷次数越多，防腐效果越好，但必须要待前一次涂刷干燥后再进行下一次涂刷，才能达到较好的效果。涂刷只能在表层浸渍一部分的防腐剂，如果要求处理效果好的话，需进行加压浸渍处理或先抽真空后加压的高效处理。

3 竹栏杆的分类调查

3.1 按使用场合分类

3.1.1 户内竹栏杆

户内栏杆主要承担安全保护及装饰的作用，由于居住者讲究室内美学性，所以对栏杆的装饰要求会更高。不同风格的装修对竹栏杆的材质样式要求不同。

3.1.2 户外竹栏杆

户外竹栏杆，一般用于旅游景区、城市公园、住宅小区、广场、停车场、菜园等地方，或者出现在道路旁起隔离作用。

3.2 按材料形式分类

3.2.1 竹片形式竹栏杆

竹片形式竹栏杆，传统方法主要采用铁丝或棕绳将把每块竹片缠绕连接而成竖直竹排，将竹片与地面形成45°～60°倾角，再交叉固定形成竹编，绑扎是原竹建筑最原始、最基本的结构性节点连接方式。这种节点构造的基本受力原理为利用节点处的摩擦力抵抗各种外力。传统的竹片没有经过工艺处理，只能起到临时支撑作用。竹片直接插于地面，由于易腐朽大大缩短了栏杆的使用寿命 （如图1）。

图 图1 1 竹片形式竹栏杆

图 图1 1 竹片形式竹栏杆

图 图1 1 竹片形式竹栏杆

3.2.2 全竹体形式竹栏杆

全竹体形式栏杆，整体强调秩序性，采用平行排列的方式，多数借助辅助物将单一圆竹连接成整体，原始做法中，采用榫接+绑扎方式，在竹柱的端部采用竹钉连接，再利用铁丝或棕绳，将单体整体串联起来。构件节点处采用钢材、螺栓、混凝土、金属预制件等辅助连接件。竹片形式与全竹体形式竹栏杆，二者的排列方式有平行排列和交叉排列（如图2）。

图 图2 2 全竹体形式竹栏杆

图 图2 2 全竹体形式竹栏杆

图 图2 2 全竹体形式竹栏杆

3.3 按组合形式分类

从组合形式分类，竹栏杆分为规则型和不规则型。规则型竹栏杆有统一生产标准，为了美观，立面上一般有花纹图案。不规则型竹栏杆讲究原生态，形状多为藤蔓环绕、原木或圆竹的组合。此外，竹材的杆高 、杆径、壁厚均不相同，且具有一定尖削度。竹栏杆在设计的时候，若采用零部件连接，则需重点考虑每根竹材的杆径、壁厚、尖削度、圆度等问题。

4 竹栏杆的连接研究

4.1 棕绳捆绑节点的固定方式

棕绳只能承受拉力，不存在压力和剪切力，一般也无需考虑棕绳的重量，因此只适用于一般的节点连接，在实际生产中棕绳一般会在使用前用油浸法将其浸泡一段时间，加强其韧性和力度，更好地运用于竹材连接上。

棕绳捆绑较为简单易行，但其也有着诸多的弊端。其一，在使用过程中，棕绳因日晒雨淋及温湿度的变化，经常会出现松散、断股甚至腐烂的现象，会使竹栏杆的连接不稳定、变形，最严重可能散架；其二，棕绳荷载能力是有限的，并且在捆绑时，若棕绳内部的受力不均匀，会导致竹栏杆节点的荷载能力整体下降，甚至会突然出现散架、断裂等破坏现象（如图3）。

图3 棕绳捆绑形式

4.2 竹材榫卯连接

榫卯结构是在两个构件上采用凹凸部位结合的连接方式，是古代中国建筑、家具及其它器械的主要结构方式。凸出为榫（或榫头）；凹进为卯（或榫槽）。竹栏杆可以借用其榫卯结构，将其合理运用。

榫卯结构运用于竹结构也有稍许不利，木材的纹理、大小体积与竹材大不相同，很多木结构榫卯不适合竹材，可用的也不多，且不易加工（如图4）。

图 图4 4 榫卯连接形式

4.3 钢构件节点连接

钢构件装配式通过螺栓、金属箍、钢筋结构卡扣等将竹材连接成整体，并通过钢构件节点把荷载传递给基础。在节点范围所在的原竹空腔内部灌注填充水泥砂浆等加固，再以钢筋结构卡扣、金属箍、螺栓等与其他物件连接。

钢构件装配式节点可以分为三种：平接节点，各根竹子的轴线位于同一平面上，锚栓、螺帽、金属垫圈、橡胶垫片等配合加固，同时在节点处添加金属箍以加固竹子；搭接节点，各根竹子的轴线不在同一平面内，螺帽、锚栓、塑料或合金垫圈等配合紧固，在两节点之间设置拉杆；原竹与混凝土柱节点，锚栓一端固定在混凝土柱上，另一端通过支撑原竹一端的金属杯口直插竹子空腔内并用水泥砂浆灌注。

钢构件装配式节点连接牢固，装拆较为方便，部分构件可循环使用，同时能防虫、抗水、抗劈裂。

4.4 竹栏杆的安装过程

作为建筑构件，竹栏杆的加工除了工厂定制再现场组装以外，还有一种是手工制造。二者相比，工厂制造更加系统，根据具体需求量身定制、批量化生产。手工制造常用于追求自然风格或临时使用的场合。

4.5 竹栏杆的现状

4.5.1 竹栏杆生产的竹材处理现状

随着人们生活水平的提高，特色小镇的建设，竹栏杆的加工成本低，制作方便，现在的产竹区已出现很多竹栏杆的加工企业，主要的生产方式为将刚砍伐的新鲜毛竹加工成一定尺寸的栏杆，圆竹作为框架，通过挖孔穿插，竹片或小竹竿中间编排，然后通过燃气烧灼其表面。这样的制作方式由于圆竹未干燥，存在着连接处易松动、易发霉和开裂，用不了多久表层就发灰变黑的问题。

在我国，业界中有名气的护栏品牌屈指可数。我们缺少自主品牌，大多数都是在为国外护栏制造商采购或贴牌。中国的护栏产业在逐渐成长，在生产力上，中国算得上是世界之最，但在品牌、核心技术上，我们的差距甚远。现在最大的护栏市场不在中国，而在经济实力更发达的欧美国家，他们的市场经过了上百年的洗礼，有着完善的生产技术、销售渠道和品牌。他们的市场更加规范，标准更加完善，产业成熟度更高。

4.5.2 竹栏杆生产的设备

竹材薄壁中空，且有锥度，竹壁材质从外到内均匀，圆竹打孔和加工的工具均采用木材加工工具，存在着使用不方便、加工时精度低、机械化程度不高的问题，这些都影响着竹栏杆的生产和推广。

4.5.3 竹材高效环保处理工艺的现状

南京林业大学竹材工程研究中心的许斌副研究员采用了一种新型竹材处理工艺，先将新鲜竹材通过160～184℃高温饱和蒸汽热处理10～120分钟，使其中的半纤维素、木素等发生水解和热解反应。竹材（圆竹或片材）短时间内高温热处理，可达到类似炭化木的防霉和防腐性能，尺寸稳定性好，还可以使处理后的圆竹在干燥窑内高温快速无裂缝干燥 。该先进工艺的应用为竹材作为竹栏杆

等户外用材提供了较佳技术工艺。

4.6 竹栏杆的发展趋势

竹材作为可持续的绿色材料，被运用于生活中的方方面面。现代科学技术的发展，大大提高了竹材的利用率和延长了使用寿命，做到了资源的合理利用。因竹材生长的环境在边远的山区，竹材加工提高了农村人口就业率，推动了偏远地区的经济发展。近几年盛行的民宿风，也将绿色生态建筑推向高潮。现代社会也提倡采用高新技术为绿色生态建筑提供更加完善、亲民化的服务。尽管国内的市场发展速度迅猛，但与之相比，我国的竹护栏市场还很稚嫩。随着美丽乡村、市政园林、水利工程等项目的不断发展，这将为我国竹护栏产业提供巨大的市场。

5 结论

5.1 现在市场生产的竹栏杆大都未经过干燥、防蛀、防霉等处理，使用效果不佳。

5.2 现在的竹材处理新技术，已可以满足户外栏杆的使用要求。

5.3 竹栏杆的加工设备跟不上产业的发展，机械设备的研发应加快发展，并使竹栏杆的加工向规模化、标准化和预制装配化迈进。

5.4 竹栏杆在提倡绿色环保、低碳经济的今天，结合竹材处理新技术，无论耐久性还是美观度，均可替代一部分其他材料的栏杆，将具有良好的市场前景。

竹木材料在家居设计中的运用

来源：青钱柳