新型竹质装配式房屋的研发与示范

新型竹质装配式房屋的研发与示范

陈复明1, 魏 鑫1, 王 戈1, 刘可为2, 孙 涛3, 李德月1,

程海涛1, 俞先禄4, 陈林碧5

(1 国际竹藤中心，北京100102；2 国际竹藤组织，北京100102；3 佛山市创意公元家居科技 有限公司，佛山528000；4 福建和其昌竹业集团股份有限公司，三明366000；5 福建省

有竹科技有限公司，三明366000)

[摘要] 介绍了一种新型竹质装配式房屋的研发过程及示范工程，旨在通过模数化设计、标准化制造、功能化预制和模块化装配等创新技术的应用和集成，研发一种新型竹质装配式竹质房屋的设计建造方法。该房屋以轻钢为框架结构、竹束单板层积复合材料（BLVL）为围护结构，配备太阳辅助供电系统与开合墙体户外拓展平台。BLVL在工厂预制、现场快速组装加工成墙体、地面、屋顶等标准构件，并通过金属连接件合理连接，建成可重复拆装的框架式房屋；房屋空间单元包括：门厅模块、展厅模块、会议主模块、茶水间模块与办公休息模块等，并且各模块单元之间可自由组合；该技术具有建造速度快、施工能耗低、灵活装配、功能化设置等特点。整栋竹质装配式房屋具有良好的舒适性、美观性与功能性，能满足日常办公、会议、展示与休闲的需要，可作为非永久性的景区住房、野外作业用房、营房等，符合国家可持续绿色发展与低碳循环经济的产业。 [关键词] 竹束单板层积复合材；装配式房屋；模块化；组装连接；乡村振兴

中图分类号：S795.9，TS653 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2019)S2-0504-06

Development and application of a new pre-fabricated engineered bamboo house Chen Fuming1, Wei Xin1, Wang Ge1, Liu Kewei2, Sun Tao3, Li Deyue 1, Cheng Haitao 1,

Yu Xianlu4, Chen Linbi 5

(1 International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China; 2 International Bamboo and Rattan Organization, Beijing 100102, China; 3 Guangdong Chuangyigongyuan Co., Ltd., Foshan 528000, China; 4 Fujian Heqichang Bamboo Industry Co., Ltd., Sanming 366000, China; 5 Fujian Youzhu Science & Technology Co., Ltd., Sanming 366000, China) Abstract: The development of a new prefabricated engineered bamboo house with its applications was introduced. By using a series of combined innovative technologies like modular design, standardized manufacturing, functional precast and modular assembly technology, it aims to develop a technology route for the development of prefabricated engineered bamboo houses as well as a methodology for its design and construction. The prefabricated house consists a light-steel frame structure with all the enclosure components made of Bamboo Laminated Veneer Lumber (BLVL) materials. It is equipped with an electric solar power supply system and an outdoor activity platform using the hydraulic controlled open-close wall. Through the prefabrication in the factory, BLVL is processed into standard parts such as walls, roof slabs and floors. The connection components and steel frames designed by standardization are assembled quickly on site, which has the characteristics of fast construction speed and low construction energy consumption. The house is comfort, good-looking and functional. The room spaces of this new type of bamboo assemble house is designed into different modules according to different requirements for function. Meanwhile, different modules can be freely assembled and disassembled. It can be customized according to different architectural styles and functions according to the needs of customers. It can be used not only as permanent houses for home or office, but also as temporary houses in scenic area, field operation housing and military housing. Because of the low-carbon environmental protection characteristics of bamboo itself and the construction method of repeated disassembly and assembly, the research and development of the new bamboo house conforms to the national industrial policy of sustainable green development and low-carbon circular economy, and it is worthy to promote it in those areas suitable for the use of bamboo buildings.

Keywords: BLVL; pre-fabricated engineered house; modularization; assembly connection; rural vitalization

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引言

装配式建筑是指将工厂生产的预制部品部件

势[1-2]。1装配式建筑最主要的特点是可将大量的现场施工和质量控制流程转移到标准化的工厂中完 作者简介：陈复明，博士，国际竹藤中心副研究员，Email：fuming@icbr.ac.cn。

在工地现场装配而成的建筑，具有加工精度高、质量稳定、利用率高、施工速度快和人工成本低等优

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成，如采用计算机智能辅助设计制造（如BIM），完成房屋的模块化设计[3-4]。

装配式建筑建造技术在欧美等发达国家已相当成熟，但在我国还属于起步阶段。在美国、德国、瑞典和丹麦等国家和地区，装配式建筑的比例一般在50%~70%以上。而现阶段我国新建建筑中的装配式建筑比例仅为5%~7%[5]。竹木质材料是优良的绿色建筑材料，适合应用于装配式建筑中。在欧美等木材资源丰富的国家和地区，木结构建筑占装配式建筑的比例为50%以上。当前。木结构建筑在工厂的预制方式主要包括构件预制、板式组件预制和单元模块预制等三种形式。其中，木构件预制主要包括胶合木构件、正交胶合木（CLT）板和工字木搁栅等[6-7]。

针对当前我国竹质工程材及构件性能稳定性差、变异性大、结构形式单一、规格化不足、产品附加值低、应用领域窄等制约产业发展的技术难题[8-9]，利用我国丰富的可再生竹材资源以及竹子本身强度高、韧性好的特性[10-11]，开发性能稳定、耐久性好的新型竹质复合材料、构件及其部品，并通过模块化装配连接技术应用于绿色、健康和节能建筑是未来竹质工程材料和建筑产业重要的发展方向之一[12-13]。以上竹质新材料及其在装配式建筑中应用的创新研究将有利于全面提升全领域、全过程的绿色化水平，促进高质量发展，具有重大的社会、生态价值和市场前景。 1

竹质新材料装配式房屋研发原则 利用我国丰富的竹材资源，以整张化竹束单板为原料，通过与速生人工林木质板层积复合，开发出的结构可设计、性能可控制的新型竹质工程材料——竹束单板层积复合材（BLVL）；并利用BLVL作外墙板、SPF规格材为龙骨、竹集成材为内墙板，三者通过异氰酸酯树脂冷压连接成为轻型竹/木复合保温墙体、地面、屋顶等标准构件；设计并开发绿色、低成本竹质快速装配式房屋连接组装模块，实现竹木质装配式房屋连接构件的标准化制造、功能单元的模块化预制、预制品模块快速装配技术的突破；最终满足从材料-构件-部品-装配到功能需求全过程的绿色、高效、节能和安全。竹质装配式房屋的总体开发技术路线和目标，如图1所示。 2

竹质装配式房屋模块化单元设计 根据人体工效学原理，将竹质装配式房屋空间进行模块化设计，主要分为固定式主空间模块与变换式子模块两类，如图2所示。各空间模块的外形尺寸依据人体工程学所需功能空间尺寸为参考，空间长度与宽度模数尺寸为300 mm，即以300 mm

的倍数进行设定。

图1 竹质装配式房屋研发技术路线图

图2 竹质装配式房屋模块化设计示意图

竹质装配式房屋模块框架结构设计图和模块单元多样化灵活自组装示意图，如图3（a），（b）所示。固定式主模块：由客厅大模块与卧室中模块组成，模块的对接处设定有变换式子模块的对接端口。变换式子模块包括：餐厅、厨房、门厅、洗手间等空间模块。模块统一尺寸模数，变换式子空间模块可围绕固定式主模块各端口自由变换对接。组合模式包括：横向组合、竖向组合和散点状组合等。模块间组合形式与建筑形态方案，可根据建造当地地形地貌及顾客需要来定制设计。

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(a) 模块框架设计图

(b) 模块单元多样化组合示意图

图3 竹质装配式房屋

3

竹质装配式房屋功能化设置 按照简约舒适的原则，竹质装配式房屋在空间

和功能进行整体设计，见图4。结构和功能上，采用轻钢为框架结构、竹束单板复合材料为围护结构，并配有太阳能辅助供电系统与开合墙体液压控制系统。利用展厅模块的墙面上2块上下开敞/闭合墙板，绕梁做旋转圆周运动，将展厅空间拓展到室外，保持空间通透；上下开敞/闭合墙板由4个油液压杆装置控制调节启闭角度。

以上竹质房屋空间与功能布置，可节能能源、拓展室内空间的同时有利于空气流通，具有良好的舒适性、美观性与功能性。整栋房子内部空间分为5大基本模块：门厅模块、展厅模块、会议模块、

茶水间模块与办公休息模块，平均造价在1800~ 2 500元/m2，较木结构房屋要便宜12%~30%；建造投影面积63m2，室内实际使用面积约45m2，可满足日常办公、会议、展示与休闲的需要。

4 竹质装配式房屋组装连接关键技术

竹房屋各模块之间的组装连接流程包括：地框

与方柱安装固定—顶部墙梁与方柱安装固定—顶

框架与方柱安装固定—主模块与子模块框架连接

(a) 立面图

(b) 平面布置图

图4 竹质装配式房屋功能化设置

固定—安装集成墙板—安装顶板及地板—安装门

窗。组装连接关键技术列举如下：

4.1 地框设计及其与立柱的连接

如图5所示，地框按1.2m×2.4m统一模数尺寸设计加工，四边折弯成凹凸卡槽，方便地框之间相互连接，在连接处采用10mm直径，长度120mm的螺栓固定。为减轻框架整体重量，地框横梁上采用分布式冲孔设计，孔直径6mm，孔间距8mm。地框四周角部位可插入立柱，并在X，Y方向上用螺栓锁定，在Z方向上用8mm直径的膨胀螺丝固定到地桩上。为了防止雨水进入地框，利用折弯机将地框上部折弯，定边凹入10mm；墙体的外墙板与龙骨立于地框上缘边，形成凹凸榫卯卡位形式的紧密配合。

4.2 墙体之间及其与钢框连接设计

如图6所示，在墙体龙骨上开有凹凸卡槽，槽的边缘和内部设置有橡胶垫，墙体之间可紧密对

接。墙体四周设有限位槽，钢框在高度方向对墙体压紧，立柱在左右方向上起到限位作用。组装连接过程中保持外墙板与主框架的外延在一直线上，内墙体插入立柱内部，起到防水保温作用；并让钢框架不直接接触到室内空间，起到断开冷桥的作用。

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(a) 墙体与框架连接

(a) 地框设计 (b) 地框与立柱连接 (b) 墙体之间连接

图5 地框与立柱设计及连接组装图 图6 墙体连接图

4.3 梁与立柱的连接设计

如图7所示，首先通过在肩梁内壁上预先焊接一个C型钢块，并在C型钢块上焊接有2~4个10mm内径的螺母。然后，采用直径10mm、长度40 mm螺栓从立柱内部紧固C形钢块，即可实现立柱与肩梁的固定连接。

4.4 外防护板连接设计

为提高房屋的耐久性、方便拆换外防护材料，在竹房屋的外立面设置外挂板。利用表芯层竹束异量施胶技术、表层含水率陈放技术，加工出表面光洁度高、耐候耐磨性好的户外用竹束/木单板层积复合材（BLVL），并开发出卡扣式、层叠式外挂板形式在竹质装配式房屋中应用，如图8所示。

5 竹质装配式房屋示范与应用 5.1 技术依托

本项目来源于国际竹藤中心完成主持承担的国家林业和草原局专利产业化推进项目“竹束单板层积材制造轻质墙体技术产业化（2015-03）”、林业科技成果国家级推广项目“竹束单板复合板在集装箱式房屋中的应用（2015-12）”以及发明专利 “一种整张化竹束单板和超长竹束单板层积材的制作方法”（ZL 201310080506.3）、“一种模块化集成石竹复合新型墙体构件的制造方法（CN105863156A）”和“一种竹质绿色装配式房屋及其建造方法（CN108590025A）”等技术储备，属于竹木材人造板加工、竹基复合材料构件设计制造与

竹质装配式建筑领域最新科研成果，材料制造和组装

工艺成熟，为推广与应用提供了有力的技术支撑。

图7 肩梁与立柱的连接设计

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5.3 市场发展潜力

近年来，国家发布多项鼓励推动装配式建筑发展，特别是绿色材料和建筑的发展。2016年《发布关于大力发展装配式建筑的指

图8 竹质装配式房屋防护外挂板

5.2 示范与应用

2015年冬季，竹质集装箱房屋在内蒙古鄂尔多斯乌审旗嘎鲁图镇防砂治沙实验站建成示范。在此技术基础上，2016年“十三五”国家重点研发计划“竹材高值化加工关键技术创新研究”项目组开展一体化实施，牵头组织了设计-结构-防护-加工-装配等方面的专家技术力量，开展竹质装配式组装连接技术的深入研发。通过模数化设计、标准化制造、功能化预制，模块化装配等技术的集成与创新，2017年6月在福建永安建成可重复拆装的竹质绿色装配式房屋。竹房屋的空间与功能设置，如图9和图10所示。2019年1月，中国林学会在北京组织专家完成科技成果评估，“竹束单板层积复合材料制造及在装配式建筑中应用关键技术[2019]-第02号”被评为国际先进水平。

(a) 整体效果 (b) 会议室

(c) 休闲区 (d) 办公区

图9 竹质装配式房屋应用示范

(a) 太阳能辅助供电系统 (b)可开合墙体空间拓展平台

图10 竹质装配式房屋功能化设置

导意见》提出：“力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%，积极倡导发展现代木结构建筑，鼓励投资的学校、幼托、敬老院、园林景观等新建低层公共建筑采用木结构”。2017年发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》、《“十三五”装配式建筑行动方案》等系列文件指出：装配式木结构建筑应符合建筑全寿命期的可持续性的原则，应满足装配式建筑对设计标准化、制作工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化和应用智能化的要求；并明确2020年前全国装配式建筑占新建建筑比例达15%以上，重点推进地区需达到20%。2018年住房城乡建设部节能与科技司印发通知：积极推进建筑信息模型（BIM）技术在装配式建筑中的全过程应用，开展装配式超低能耗高品质绿色建筑示范。2019年1月，全面深化改革委员会第六次会议审议通过了《关于构建市场导向的绿色技术创新体系的指导意见》，意见强调：绿色技术创新是绿色发展的重要动力，是打好污染防治攻坚战、推进生态文明建设、促进高质量发展的重要支撑。

国家相近颁布了《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T51231—2016）、《装配式钢结构建筑技术标准》（GB/T51232—2016）、《装配式木结构建筑技术标准》（GB/T51233—2016）、《多高层木结构建筑技术标准》（GB/T51226—2017）、《装配式建筑评价标准》（GB/T51129—2017）等，为竹质装配式房屋的推广和应用提供了保障，满足相关设计规范和原则是进入建筑领域市场的保证。

在生态文明和绿色发展理念的助推下，居民和建造规范对居住、休闲用建筑的舒适性、安全性、美观度的需求不断提升，装配式建筑特别是绿色材料建筑的市场需求巨大。同时，高品质绿色建材的缺口也逐年增加。天然林禁伐、“中美贸易战”等因素导致市场上优质的大径级木材越来越少，例如：用于高层木结构的CLT原料需从北美等国家进口，这严重了木结构产业的健康发展。我国是竹材资源的“王国”和竹材加工与利用的强国，

在资源条件、产业水平、技术力量、市场需求等方面具有显著的优势。因此，竹质装配式绿色建筑将有巨大的市场空间和发展潜力。

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未来应用领域展望

根据建筑领域新的发展形式需要，发挥竹质装

配式房屋的技术优势和特点，不断完善和提高竹质装配式房屋的预制率、装配式率和能耗率，开发绿色宜居健康建筑，推进绿色材料—结构—施工一体化、建筑方式与环境协调发展，拓展竹材的应用领域。在“国家乡村振兴战略”的东风下，未来竹木质装配式建筑将大有作为：

（1）特色小镇：开发功能可变、部品可换、维护便捷的乡村住宅、民宿客栈、生态园区和景区度假用的中底层装配式房屋长寿命设计与建造技术。

（2）临时快装房：开发低成本、超低能耗、集约型、高效快装式野外临时营房、汽车房车露营地用房、短期野外作业用房以及抗震救灾等应急临时用房高效建造技术。

（3）公共绿色建筑：基于轻量化地理信息系统（GIS）和建筑信息模型系统（BIM）开发大空间、大跨度、信息化和智能化的绿色公共建筑建造技术。

参 考 文 献

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