原竹建筑耐候性影响因素分析研究

文/ 钟冠球、柏芦苇

近年来，越来越多的原竹建筑作品出现在行业视野，无论是东南亚国家还是中国，原竹建筑优美的形态都能迅速吸引人的视线。这里说的原竹建筑，是指以原始竹材（非工业加工材料）为主要建造材料的建筑。原竹除了具有优秀的物理性能之外，还具有产量高、生长周期短、分布广等优点，一片竹林可在不破坏生态环境的情况下循环收割。另外，原竹建筑的快速成型、生产工艺简便等特点，使得其产生的建筑废料和建设能源消耗远远低于其他建筑形式，因此原竹建筑在如今可持续的大背景下值得推广建造。

然而，原竹建筑也存在一个在决策选择时被问得最多的问题——使用年限。自然中的阳光直射与水汽侵蚀以及原竹本身具有的水分和糖分均是其耐候性能低的主要原因，有研究表明未经处理的原竹在露天环境中使用年限仅为一年，在缺乏耐候性设计的情况下，原竹建筑内部竹结构随着时间推移易出现明显的变色以及开裂问题（图1）。未经耐候性设计的原竹建筑寿命低、经济效益低，与可持续设计理念相悖。通过案例分析和实地考察发现，通过竹材处理和建筑的耐候性设计，能极大增长原竹建筑的使用寿命，因此本文将探索原竹建筑耐候性的影响因素。

▲图1  顺德花海竹亭之花亭受侵蚀严重的柱础部分作者自摄

通过对绩溪、安吉、丽水，广州、顺德、惠州、深圳7个地区的23个原竹建筑进行同角度建成时与现状对比、现状含水率测定，及设计层面的分析，以及对包括中国、印度尼西亚、泰国等7个不同国家或地区的44个原竹建筑的案例分析，结合作者多个原竹建筑设计实践及建成后评价的经验，总结出设计层面影响原竹建筑耐候性的主要因素，为原竹建筑耐候性设计提供参考。

NO.1 原竹建筑设计层面的影响因素分析

关于原竹建筑设计层面的影响因素分析主要从屋顶位置及屋顶完全覆盖两种情况来考虑，其中屋顶位置分为屋顶构造以及屋顶过低两种情况，而完全覆盖情况下主要分为：1）建筑高度；2）建筑屋檐结构挑檐以及覆盖材料外挑距离；3）柱础与屋檐的水平相对距离；4）柱础暴露位置的抬高高度；5）屋面坡度以及屋檐起翘程度。

1.1 屋顶位置对原竹建筑耐候性影响因素分析

1.1.1 屋顶构造对于原竹建筑耐候性影响因素分析

屋顶覆盖即屋顶构造是影响原竹建筑的最重要因素，屋顶结构的防日晒雨淋的能力会直接影响到整个原竹建筑的耐候性能。屋顶覆盖分三种情况：无屋顶覆盖、仅有透明防水层覆盖以及完全覆盖。

首先，无屋顶覆盖时屋顶结构耐候性能最差。以浙江安吉潴口溪村竹桥点水为例，该项目建于2017年，无屋顶覆盖，大部分原竹均直接暴露，2022年竹材整体颜色呈深褐色，开裂严重，且伴随着严重的霉斑侵蚀迹象（图2）。其完全变色部分的含水率低于7.30%，未完全变色部分的含水率低于9.30%。

▲图2  竹桥点水现状（2022 年 8 月）作者自摄

其次是仅有透明防水层覆盖的屋顶结构，这种屋顶形式能够防雨，但未能有效隔绝阳光直射，容易使内部原竹结构发生变色开裂等问题。例如佛山长岐球场竹廊由于屋顶未做遮光层，部分原竹结构在经过2~3年的阳光侵蚀后折断倒塌（图3）。

▲图3  佛山长岐球场竹廊 2019 年建成时（上）与2022 年现状（下）© 广州市竖梁社建筑设计有限公司

而完全覆盖的屋顶结构，由于有效隔绝了日晒雨淋，耐候性最好。以建于2017年的尚村村民服务中心为例，整个原竹建筑被沥青瓦加防水层屋面覆盖，整体保存状况良好（图4），其柱身部分含水量平均值为10.33%，柱础部分为11.20%。

▲图4-a  尚村村民活动中心2017年建成时© 素朴建筑工作室▲图4-b  尚村村民活动中心2022 年现状作者自摄

1.1.2 屋顶过低情况下的原竹建筑耐候性分析

虽然屋顶完全覆盖能保护原竹结构，但过低的屋顶会直接影响原竹建筑的通风能力，从而弱化其排出内部水汽的能力。通过调研分析可以看出，不具备良好通风条件的原竹建筑容易产生阴暗潮湿的角落，无法排出的水汽会不断侵蚀原竹建筑内部结构，从而导致内部原竹结构含水率过高，生长霉菌。以安吉YU舍为例，其屋顶结构距离地面最低处仅有500mm，且四周封闭，建筑内部湿度较大，柱础等结构受潮明显，有明显的霉菌生长现象（图5），含水率达到14.80%。

▲图5  安吉 YU 舍内部阴暗潮湿的角落作者自摄

1.2 屋顶完全覆盖情况下的影响因素分析

1.2.1 建筑高度

在其余因素不变的情况下，建筑高度高的原竹建筑更容易受自然因素的侵蚀，其阳光雨水入射角度与侵蚀范围更大，耐候性能更低（图6）。

▲图6  不同建筑高度情况下的自然因素侵蚀示意图作者自绘

如表1所示，竹博汇印尼馆的整体高度达到了局部4层，有着近5m高的防护薄弱区域。在这样的建筑高度下，尽管其屋顶覆盖情况良好，其柱础部分依然出现了明显的变色与开裂现象。相比较而言，处于其附近的南沙水鸟世界旅游公厕则把整体高度压到近3m，其屋面覆盖程度很高，整个原竹结构均保持了良好的状态。另外从表1可以看出，大部分原竹建筑处理建筑高度问题时会选择将建筑高度相对压低，或者在保持较高建筑高度的同时压低屋檐高度，从而提高屋顶对内部原竹结构的保护能力。

▲表1  关于建筑高度影响因素的案例分析  作者自绘

1.2.2 建筑屋檐结构挑檐以及覆盖材料外挑距离

同样的条件下，不论是结构还是屋顶覆盖层的深挑檐都会有效降低自然因素的侵蚀范围，降低其入射角度，原竹建筑耐候性能也会增强（图7）。

▲图7  有无结构挑檐情况下的自然因素侵蚀示意图作者自绘

通过表2中的分析可以看出，几乎所有耐候性能良好的原竹建筑都会有一定的挑檐设计，其中结构挑檐更稳固，长度一般都会控制在400mm左右，而覆盖层挑檐则需要考虑覆盖材料本身的稳定性，只有扁平竹瓦、半竹筒、竹梢等能够自支撑的材料比较适合直接进行挑檐。扁平竹瓦和棕榈皮的可塑性较强，还可以对屋檐结构进行包裹处理，以达到与挑檐相同的保护效果。

▲表2  关于屋檐挑檐影响因素的案例分析作者自绘

1.2.3 柱础与屋檐的水平相对距离

原竹建筑的檐柱柱础距离其屋檐的水平距离越近，自然因素侵蚀的范围越大，其柱础等原竹结构受损也会更严重，原竹建筑的耐候性能越低（图8）。

▲图8  不同柱础与屋檐水平相对距离情况下的自然因素侵蚀示意图作者自绘

从表3所示的案例来看，水平相对距离的长度对原竹建筑的柱础以及柱身下半部分影响最大。位于浙江安吉县的浒溪草堂以及大竹村旅游公厕由于柱础距离屋檐太近，导致柱础和柱身出现了比较明显的开裂和颜色变白的现象。浒溪草堂外檐柱的平均含水率已低至8.28%，大竹村旅游公厕外檐柱平均含水率则是9.57%，均远低于内部原竹的含水率。绩溪尚村村民活动中心则因柱础与屋檐的水平相对距离较远，柱础的含水率稳定在11.2%，整体耐候性能也更好。

▲表3  关于柱础距离屋檐水平相对距离影响因素的案例分析作者自绘

1.2.4 柱础暴露位置的抬高高度

柱础暴露位置的抬高程度越大，在同样情况下的自然因素侵蚀范围越小，内部原竹结构保护得越好，耐候性能也会更好（图9）。

▲图9  不同柱础抬高程度情况下的自然因素侵蚀示意图作者自绘

从表4所示内容可以看出，大部分的原竹建筑都会对柱础进行抬高处理，未抬高的柱础含水率普遍偏高，常见的抬高形式有钢构件抬高、石头等天然材料抬高，以及混凝土柱础抬高等。

▲表4  关于柱础抬高影响因素的案例分析作者自绘

1.2.5 屋面坡度或屋檐起翘程度

屋面坡度或者屋檐起翘程度对于原竹建筑耐候性能的影响非常大。在其余条件不变的情况下，屋面倾斜角度越小（向上倾斜视为负角度）或者屋檐起翘程度越高，阳光雨水入射角度越大，自然因素侵蚀覆盖范围越大，且随着屋面向上倾斜，自然因素的侵蚀范围会逐步由柱础部分变成全部内部原竹结构（图10）。

▲图10  不同屋面倾斜度情况下的自然因素侵蚀示意图作者自绘

以浙江安吉的竹里别馆（旅游公厕）与漂浮茶吧为例，两者的屋檐都有起翘且整体屋面倾斜度较低，这也导致这两个原竹建筑从屋檐到柱身和柱础都有不同程度的变色与开裂现象，耐候性能较差，含水率较低。除此之外，屋面斜度和屋檐起翘还会影响屋顶的排水效率，两者均可能会导致屋顶出现雨水汇积的现象（图11）。

▲图11  竹里别馆屋顶上严重的积水现状作者自摄

如表5所示，屋面坡度越小，原竹结构受侵蚀程度越严重，且都会发生变色开裂等问题，含水率也会显著降低。而BambooU的研究表明，不论用哪种屋面覆盖材料，屋面有效坡度均需要达到35°~45°左右，以具备良好的遮阳排水功能，特别是类似茅草屋顶这种排水能力一般的屋面形式，坡度则需要达到45°。

▲表5  关于屋面坡度以及屋檐起翘程度影响因素的案例分析作者自摄

1.3 自然因素侵蚀角

由上文分析可知，尽管每个影响因素都可以独立影响原竹建筑的耐候性能，但在实际项目中，这五个因素之间存在此消彼长的关系，例如一个原竹建筑在未挑檐的情况下可以通过加大屋面斜度来提高整体耐候性能，单独考虑某一种影响因素不够全面。而通过对自然因素侵蚀范围的分析可以看出，不同情况下的自然因素对于内部原竹结构的侵蚀范围与其入射角α息息相关。相同环境下，α角越大，自然因素的侵蚀范围越大，原竹建筑的耐候性能也就越差，故本文提出原竹建筑自然因素侵蚀角（α角，后文统称“侵蚀角”）这一概念来统合以上五种影响因素。

侵蚀角需要在屋顶完全覆盖情况下讨论，它指的是屋檐最低点到最近的柱础最低暴露位置所形成的角，代表着自然因素侵蚀内部竹材所需的最小角度，直接影响了原竹建筑的耐候性能。在同样的情况下，侵蚀角越小，侧面阳光与雨水入射覆盖范围越小，原竹建筑侧面防护能力越强，耐候性能越强，反之则越差（图12）。在侵蚀角的概念下，上文所提到的五种影响因素都可以理解为通过影响侵蚀角的大小从而影响原竹建筑侧面的防侵蚀能力，侵蚀角的概念可以让各个因素之间的关联性变得更加紧密，从而有效简化原竹建筑耐候性设计过程。

▲图12  不同侵蚀角大小情况下受自然因素侵蚀范围示意图作者自绘

根据对五种影响因素的分析可知，建筑高度相对越低、屋檐挑檐越深、柱础与屋檐的水平相对距离越长、柱础暴露位置的抬高程度越高、屋面坡度越大，侵蚀角越小，原竹建筑耐候性能越强，其中屋面坡度及屋檐起翘程度影响最大。理论上来说侵蚀角越小原竹建筑耐候性能越好，但实际上由于侵蚀角对于其耐候性能的影响与当地的太阳高度角和雨水年平均入射角度有关，同一种侵蚀角在不同地区所呈现的情况也截然不同。所以，各地区的原竹建筑都会有一个最佳侵蚀角设计范围，该范围应该结合上文所提五个因素、原竹本身的耐候能力以及该地区太阳高度角和雨水年平均入射角度来确定，一味降低侵蚀角会造成内部光线不足、使用不便以及结构不稳定等问题，且并不会继续增强其耐候能力。

NO.2

原竹建筑耐候性设计

以顺德花海竹亭之回亭（花海回亭）为例（图13），该原竹建筑整体是向四周散开的单坡屋顶形式，在对其进行设计搭建的过程中，进行了如下耐候性设计考量。

▲图13  顺德花海竹亭之回亭  © 吴嗣铭

首先，由于其两侧是向上起翘的单坡屋顶形式，屋面倾斜角度为负数，自然因素极易侵蚀内部原竹结构，所以将其两边屋面进行曲面化处理，降低屋檐起翘程度，从而减少倾斜角度过低造成的问题。除此之外，还将其柱础距离屋檐水平相对距离最大处扩大到13m，减小向上起翘单坡屋面带来的影响。其次，该原竹建筑由于形式特殊，不存在挑檐设计，所以设计了一种可替换竹材结合棕榈皮包裹的屋檐形式去保护内部原竹结构。

通过耐候性设计手法处理后的花海回亭可以保证内部原竹结构在45°阳光雨水直射的情况下不受到侵蚀（图14）。且通过2022年10月份的调研结果显示（图15），在使用两年后原竹建筑状况良好，整体竹结构无变色、开裂、霉变等问题，柱础部位原竹结构含水率控制在11.29％。
▲图14  顺德花海竹亭之回亭自然因素侵蚀分析图作者自绘▲图15-a  顺德花海竹亭之回亭（上）2020 年建成时  © 吴嗣铭▲图15-b  顺德花海竹亭之回亭2022年现状  作者自摄

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