南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2017NJFUSPITP129）欄桿，古代中國(guó)稱(chēng)闌干，也稱(chēng)勾闌，作為建筑附屬設(shè)施，除了具有安全圍護(hù)、分割導(dǎo)向功能外，還具備裝飾裝修功能。古往今來(lái)，欄桿是人們生活不可或缺的部分。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)物質(zhì)生活和精神世界提出了更高的要求。戶外的石制欄桿千篇一律，易造成人們的視覺(jué)疲勞，為了追求城市生活的發(fā)展和美好生活的新模式，消除人們的視覺(jué)疲勞，我們由此產(chǎn)生了研究戶外竹欄桿的想法。本文對(duì)竹欄桿的生產(chǎn)現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工工藝和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了介紹。 1 竹欄桿材質(zhì)性能研究 1.1 材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 竹類(lèi)植物是地球上生長(zhǎng)速度最快、繁殖最容易、成熟期最短的木本植物，是人類(lèi)的環(huán)境友好材料，它具有一次造林成功，就可年年擇伐、永續(xù)利用而不破壞生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)。竹材圓筒結(jié)構(gòu)是天然形成的奇妙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)符合材料力學(xué)中的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原理，竹子韌性好，強(qiáng)重比高，薄壁中空的管狀結(jié)構(gòu)，使其具有良好的力學(xué)性能。竹材是作為欄桿的優(yōu)選材料之一。 竹材是一種典型的單向長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的生物復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的演化形成了如今的“節(jié)間+節(jié)部”的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，其中節(jié)子的存在對(duì)于竹抵抗風(fēng)雪等引起的彎曲劈裂起著至關(guān)重要的作用。竹節(jié)由稈環(huán)、籜環(huán)、節(jié)隔、節(jié)隔上沿四部分組成，節(jié)間維管束通過(guò)竹節(jié)時(shí)都有不同程度的彎曲，大多數(shù)軸向主維管束直接穿過(guò)節(jié)部，而有一部分卻改變了方向。竹節(jié)的密度稍大于其相鄰節(jié)間材的密度。通過(guò)使用雙懸臂梁（DCB）法測(cè)試毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的型層間斷裂韌性，表明竹節(jié)的存在對(duì)阻礙竹材發(fā)生層間斷裂起很大貢獻(xiàn)作用 。 竹材最明顯的缺陷就是竹材既吸水，又易干裂，竹材吸水后，不僅引起形變，還會(huì)霉變和腐朽，使強(qiáng)度和使用壽命降低。除此之外，易劈裂也是竹材不可忽視的問(wèn)題。新鮮竹材在加工過(guò)程中，最易出現(xiàn)的問(wèn)題是劈裂。竹材的抗劈性是指竹材抗拒被具有楔作用的工具而劈開(kāi)的特性，抗劈力是由最初產(chǎn)生劈裂所需的外力及其后劈開(kāi)木材所需的外力來(lái)決定的。竹材的抗劈力從一定意義上講是衡量其內(nèi)部橫向抗拉應(yīng)力的指標(biāo)。由于防裂試劑的充脹作用，處理材的抗劈力小于未處理材的抗劈力，只有固化后的V-3、4兩酚醛樹(shù)脂處理材的抗劈力大于未處理材 。值得注意的是，抗劈力的大小對(duì)圓竹的干裂性影響較小，不能作為衡量圓竹是否易開(kāi)裂的指標(biāo)。 1.2 竹材的力學(xué)性能 竹材的抗彎強(qiáng)度相差較大，而抗壓和抗剪強(qiáng)度相差不大 。竹材具有優(yōu)良的順紋彎曲性，當(dāng)對(duì)竹材施加一定外力的時(shí)候，竹材會(huì)發(fā)生一定的彎曲變形，撤銷(xiāo)外力，竹材又會(huì)恢復(fù)原形?；谶@樣的特性，Pankaj R. Mali研究了竹材替代鋼筋對(duì)混凝土板抗彎性的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)變形方面有一定改進(jìn)作用 。冼克娟等對(duì)竹材做了微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維厚壁細(xì)胞沿軸向排列整齊，對(duì)竹材的力學(xué)性能貢獻(xiàn)最大，使竹材具有高強(qiáng)度和剛度 。R.F.Buson用化學(xué)藥劑對(duì)表面進(jìn)行處理，研究了竹纖維作為符合增強(qiáng)材料的輕量化和耐久性 。竹材的纖維組織細(xì)密、纖維層厚、纖維密度大，竹材具有良好的彈性，這是由其自身的組織結(jié)構(gòu)決定的。竹材的抗彎性能變化范圍較大，這是由于其外密內(nèi)疏的微觀結(jié)構(gòu)特征引起的。竹子從內(nèi)到外的纖維含量逐漸減少，導(dǎo)致力學(xué)性能呈梯度變化。同時(shí)，斷裂模式也相應(yīng)發(fā)生變化。竹片拉伸強(qiáng)度和彈性模量從外層到內(nèi)層呈降低趨勢(shì) 。 1.3 材質(zhì)的其它性能 1.3.1 蟲(chóng)蛀 竹子薄壁細(xì)胞里含有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易遭蟲(chóng)蛀，這將嚴(yán)重影響竹子的產(chǎn)量和質(zhì)量，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。竹欄桿在使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)被蟲(chóng)蛀的問(wèn)題，唯一的解決辦法是提前對(duì)其進(jìn)行處理。 1.3.2 腐朽與霉變 在潮濕條件下，竹制品還容易產(chǎn)生發(fā)黑、腐朽、霉變等一系列問(wèn)題 。圓竹的腐朽發(fā)黑主要是由于褐腐菌腐朽竹材所引起的。褐腐六周后，竹材細(xì)胞壁出現(xiàn)許多孔洞。十二周后竹材已經(jīng)喪失其原有結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)纖絲狀，稍用力便破碎。此時(shí)竹材薄壁細(xì)胞壁幾乎被降解殆盡，細(xì)胞橫隔壁也出現(xiàn)許多孔洞。 白腐菌對(duì)竹材侵蝕過(guò)程與褐腐菌基本相似，只是竹材對(duì)白腐菌的耐腐力強(qiáng)于褐腐菌。在白腐菌腐朽十二周后，薄壁細(xì)胞壁孔洞才會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大和增多，與導(dǎo)管相鄰近的篩管和旁管腐朽嚴(yán)重，細(xì)胞壁幾乎完全被破壞。此外，能夠生長(zhǎng)在竹材上的微生物還包括真菌和細(xì)菌，真菌的孢子和細(xì)菌的細(xì)胞相當(dāng)于高等植物的種子，可由風(fēng)、水、昆蟲(chóng)或人為因素等傳播到竹材上，孢子落到竹材上后，在適宜的條件下就會(huì)萌發(fā)形成菌絲或分裂繁殖，從而使木質(zhì)有機(jī)體分解或解體，此外，真菌類(lèi)還會(huì)使竹材出現(xiàn)長(zhǎng)蘑菇的現(xiàn)象。 2 竹欄桿材質(zhì)處理技術(shù)研究 竹材與木材比較，它含有糖類(lèi)、蛋白質(zhì)及淀粉等多種有機(jī)物質(zhì)，這給竹材的防腐、防蛀等措施帶來(lái)了很大的難度。從而使竹材的使用范圍受到一些限制。因此，為了妥善解決其帶來(lái)的問(wèn)題，現(xiàn)代竹欄桿的技術(shù)工藝要求比木材更高。其中，最重要的環(huán)節(jié)是對(duì)竹材進(jìn)行干燥。 為了使竹欄桿使用壽命更長(zhǎng)，在加工過(guò)程中可使用物理和化學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行處理，使其具有更好的防腐性能 。 2.1 常見(jiàn)處理方法 2.1.1 浸漬 將竹材浸沒(méi)于清水中，溶出部分水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并使細(xì)胞充滿自由水，造成缺氧環(huán)境，以預(yù)防和消除蟲(chóng)菌危害。 2.1.2 干燥 將竹材烘干或曬干。經(jīng)烘曬過(guò)程，一方面可因加熱殺死蟲(chóng)菌，另一方面又可因水分減少致蟲(chóng)菌難以生存。 2.1.3 電磁波輻射 用遠(yuǎn)紅外線、微波照射，可引起竹材內(nèi)部進(jìn)行共振吸收，使蟲(chóng)菌致死。 2.1.4 氣調(diào) 調(diào)節(jié)竹材貯存環(huán)境的氣體組成，降低氧氣含量，造成缺氧狀態(tài)，使真菌不能生長(zhǎng)，蛀蟲(chóng)窒息而死。 2.1.5 蒸煮 將竹材加熱蒸煮，除去部分可溶性物質(zhì)，殺死蟲(chóng)菌。 2.1.6 表面涂刷和加壓浸漬處理 所用防腐劑為有機(jī)溶劑防腐劑和水溶性防腐劑。適用于較小標(biāo)準(zhǔn)材的處理，在涂刷前要充分干燥，涂刷次數(shù)越多，防腐效果越好，但必須要待前一次涂刷干燥后再進(jìn)行下一次涂刷，才能達(dá)到較好的效果。涂刷只能在表層浸漬一部分的防腐劑，如果要求處理效果好的話，需進(jìn)行加壓浸漬處理或先抽真空后加壓的高效處理。 3 竹欄桿的分類(lèi)調(diào)查 3.1 按使用場(chǎng)合分類(lèi) 3.1.1 戶內(nèi)竹欄桿戶內(nèi)欄桿主要承擔(dān)安全保護(hù)及裝飾的作用，由于居住者講究室內(nèi)美學(xué)性，所以對(duì)欄桿的裝飾要求會(huì)更高。不同風(fēng)格的裝修對(duì)竹欄桿的材質(zhì)樣式要求不同。 3.1.2 戶外竹欄桿戶外竹欄桿，一般用于旅游景區(qū)、城市公園、住宅小區(qū)、廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、菜園等地方，或者出現(xiàn)在道路旁起隔離作用。 3.2 按材料形式分類(lèi) 3.2.1 竹片形式竹欄桿竹片形式竹欄桿，傳統(tǒng)方法主要采用鐵絲或棕繩將把每塊竹片纏繞連接而成豎直竹排，將竹片與地面形成45°～60°傾角，再交叉固定形成竹編，綁扎是原竹建筑最原始、最基本的結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)連接方式。這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的基本受力原理為利用節(jié)點(diǎn)處的摩擦力抵抗各種外力。傳統(tǒng)的竹片沒(méi)有經(jīng)過(guò)工藝處理，只能起到臨時(shí)支撐作用。竹片直接插于地面，由于易腐朽大大縮短了欄桿的使用壽命 （如圖1）。 圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿3.2.2 全竹體形式竹欄桿全竹體形式欄桿，整體強(qiáng)調(diào)秩序性，采用平行排列的方式，多數(shù)借助輔助物將單一圓竹連接成整體，原始做法中，采用榫接+綁扎方式，在竹柱的端部采用竹釘連接，再利用鐵絲或棕繩，將單體整體串聯(lián)起來(lái)。構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處采用鋼材、螺栓、混凝土、金屬預(yù)制件等輔助連接件。竹片形式與全竹體形式竹欄桿，二者的排列方式有平行排列和交叉排列（如圖2）。 圖 圖2 2 全竹體形式竹欄桿圖 圖2 2