《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advancing engineered bamboo materials for sustainable construction
快速城市化，特别是在发展中国家，需要能够减少对高碳混凝土、钢材以及日益稀缺的木材依赖的可再生建筑材料。竹材作为一种丰富、快速生长且高产的资源，为低碳建筑提供了巨大潜力；然而，其在加工技术、材料一致性及规范审批方面的差距限制了其推广应用。本综述系统整合了竹材生物学与秆体结构的现有知识，并评估了影响其工程产品适用性的材料、环境和社会经济属性。研究人员总结了制造与结构应用方面的最新进展及尚存挑战，重点阐述了秆体变异性及加工选择如何影响产品性能。研究提出了一份发展路线图以指导未来进展，强调可靠的秆体供应、提升制造效率、增强耐久性、认证途径以及循环性报废策略。经适当加工的工程竹材在结构性能与可再生性方面可优于商品软木材，使其成为可持续建筑中一种可行且具互补性的材料。
1. 竹材作为建筑材料的理据与关键特性
建筑（含材料、施工与运营）在2021年约占全球CO?排放量的37%。仅建筑材料生产（即混凝土、钢材、铝材、玻璃和砌体）的年均全球CO?排放量估计为36亿吨CO?当量，占温室气体排放的10%。全球预计到2025年需要约10亿套新增住房单元，集中在非洲、亚洲及中南美洲等欠发达和新兴经济体。全球原材料消费量预计到2060年将几乎翻倍，包括建筑材料和金属，尤其在快速增长的发展中经济体。木材是高层建筑材料可持续未来的一部分，但天然森林无法在当前森林面积、管理实践及森林生物圈保护需求下可持续满足急剧增长的全球木材需求。
本综述旨在为竹材在现代住房基础设施建筑材料供应中的作用提供全面、最新的视角。由于某些竹材在强度和韧性方面可与木材媲美甚至超越，且 certainly 生物质生产率更高，竹材的种植和转化有望大幅缓解全球木材供应压力。然而，其小型、中空形态及独特的组织结构带来了物流和加工挑战。竹建筑产品不断演进，但缺乏使工程木产品成功进入现代建筑的标准化和认证历史。
1.1 生长与生物学机制
竹材表现出植物界最快的生物质积累速率之一；在适当的人工林经营条件下，部分合轴丛生竹种可达30-40吨/公顷/年，高于松树人工林，并可与速生桉树生产相媲美。毛竹（Phyllostachys edulis）是一种单轴散生竹或"跑竹"，常用于工程竹产品，约40天内即可达到最大高度（8.5-13米）和直径（6.5-12厘米）。秆体在此后数年内通过纤维组织巩固保持该尺寸，通常在4-5年达到采伐年龄。相比之下，南方松（Pinus属）约15年才生长至8.5-10米高，达到可采伐年龄需20-30年。
与树木仅由顶端分生组织驱动高度生长不同，竹秆的所有节和节间在地下笋中6个月内即已形成。出笋后，竹材通过每个节间基部的多个居间分生组织从底部开始累积伸长。新笋由长寿命的地下根茎和较老的"姐妹"秆供应碳水化合物和养分。秆体达到最大高度后，进入持续约5年的次生"成熟"生长阶段，进行干质量积累和秆体强化。
1.2 碳封存与生物质生产
竹类分布遍及亚洲、非洲和美洲约3500万公顷土地，因此在适当采伐和管理下可在碳封存和储存方面发挥重要作用。全球竹生长被公认为应对气候变化的重要基于自然的解决方案（NBS），主要通过三种方式贡献：生物质碳循环与碳汇、竹产品中的碳储存，以及碳信用额。虽然竹材生物质因纬度和当地环境因素差异很大，但同一地区竹材与树木的直接比较显示竹材具有更快的CO?封存速率。例如，管理良好的毛竹林CO?封存量为24.3 tCO?/公顷/年，约为杉木（Cunninghamia lanceolata）的两倍，马尾松（Pinus massoniana）的四倍。单轴散生竹如毛竹特有的长寿命根茎可储存竹林总碳量的70%。管理良好的毛竹林每公顷含有2500-4000根秆，其中每年仅可采伐20-25%以维持生产力，即每年可采伐500-1000根/公顷用于竹材生产。
热带地区的竹材种植具有更高的生物质生产力。巨龙竹（Dendrocalamus asper）和瓜多竹（Guadua angustifolia）的生物质生产力是巴西速生桉树和松树的3-4倍，约为柚木硬木的20倍。与加拿大沿海道格拉斯冷杉（Pseudotsuga menziesii，一种典型的建筑用软木材）相比，材用竹的生物质生产力高出10-20倍。
从摇篮到门的生命周期评估（LCA）研究表明，多种竹建筑产品的全球变暖潜能值（GWP）大多低于钢、混凝土等基准材料。 standout 的结果是竹材与钢脚手架的对比，竹材可将脚手架的GWP降低371%。协调数据显示，在单层住宅中使用层压竹材（LBL）和竹板可使其GWP相比砖或空心混凝土砌块降低100-110%，相比木材产品降低35-75%。竹产品GWP主要受加工中电力用量和类型的影响，可通过可再生能源大幅缓解。
1.3 环境与社会经济影响
竹材广泛的、长寿命的地下活根茎、快速出笋以及广泛的形态和尺寸范围使其成为稳定和恢复退化土地或保护河岸带免受侵蚀的适宜先锋植物，但需经谨慎选择和管理。竹材可作为多文化土地恢复系统的组成部分，帮助吸收污染土壤中的重金属。与大多数涉及皆伐和重新种植的商业木材生产作业不同，竹林在其寿命期间保持原地，每年仅移除约四分之一的秆，基于4-5年的成熟周期。
然而，建筑材料的规模经济生产需要大量质量一致的竹材，涉及大规模工业竹单一种植，可能导致低生物多样性和需密集场地管理的病害问题。侵入性、本土植物置换和加工化学品也是重要的环境关切。竹材在全球范围内具有巨大的社会经济重要性，被公认为世界上最重要的非木材林产品，提供食物、燃料、建筑材料、艺术/工艺品及多种副产品。全球竹产业市场估计接近700亿美元，中国目前是世界领先的竹产品生产和出口国，占全球产量的一半以上和总出口量的67%。
1.4 结构与材料特性
竹秆组织的独特分级结构和特性包括：自然优化的垂直取向壳体结构，具有不均匀但受控的节间间隔，赋予薄壁中空秆独特的柔性和低重量。节部为坚韧的木状隔板，其中秆壁增强纤维呈随机取向和交织，作为沿长度方向更具延展性的节点，有助于阻止纵向裂纹扩展和压缩下的屈曲。
木质竹组织是一种致密、多尺度和功能梯度化的复合材料，由长的轴向排列且极强韧的纤维束组成，机械支撑输水导管，嵌入"海绵状"的薄壁parenchyma细胞基质中。这种微观结构导致与木材相比独特的变形能力和弹性。例如，毛竹的弯曲变形能力估计为相似密度的柚木或山毛榉硬木的3-3.5倍，尽管其抗弯强度（MOR）和弹性模量（MOE）分别为柚木的1.7倍和0.8倍。
竹材通常比普通建筑木材种具有更高的比拉伸强度和比弯曲强度（MOR）。比模量（MOE）虽然变异较大，但与许多软木材相当。最常用的工业竹种毛竹在比MOE方面劣于大多数商品软木及经干燥的瓜多竹和巨龙竹。力学性能在节部局部较低，因该处结构改变和纤维随机取向。在径向和周向（即垂直于纤维的方向），竹材性能通常相当差且行为脆性。
作为功能梯度材料，竹纤维密度从秆壁内侧向外侧增加。毛竹典型纤维密度从秆壁内侧约10%变化到外侧约65%。因此，密度在450-950 kg/m
3范围内变化，材料性能也类似变化。例如，弯曲韧性从内侧到外侧随纤维含量增加而从2.3到5.4×10
6 J/m
2，是杨木和桦木报道值的2-4倍。
竹细胞壁含有与木材相同比例的碳水化合物聚合物：纤维素、木质素和半纤维素，但木质素和多糖化学存在差异。纤维和薄壁细胞壁与木材细胞壁相比是复杂的多层压结构。竹纤维平均微纤丝角为11.1°，而桦木和杨木分别为13.6°和14.8°。长竹纤维可被分离、化学改性（部分脱木质素）并致密化成新材料，这些材料是所有已知木质纤维素材料中最硬最强的之一，非常适合结构应用。
2. 当前工程竹产品及其特性
尽管竹材生长快、强度高，但 paradoxically 全球竹产品市场中仅有2-3%为结构（即承重）建筑材料。需区分"竹工程"（涵盖广泛的民间竹材转化和建筑，如剪力墙、bahareque等）和"工程竹"（涵盖本文重点的日益广泛的加工竹复合产品）。虽然圆秆或轻度改性秆在民间建筑中具有历史延续性和当前地位，但现代建筑需要质量控制的均质构件制造，工程竹通过多种加工路径实现。
2.1 材料转化
桑基图展示了毛竹林（约占采伐量的65%）货币化秆的大致比例、当前投向建筑部门的工程竹市场份额，以及每种产品的材料利用率。超过80%的商品化秆被转化为工程竹，包括：1）竹混凝土模板和集装箱地板用竹胶合板（BP，占市场45%）；2）层压竹材（LBL）（30%）；及3）竹木束板（BS）/竹层积材（BLVL）（20%）。工程竹产品市场中更小的细分市场包括：展平竹板（FBP）（5%）和Glubam（目前可忽略）。
LBL消耗近50%的竹资源，但利用率最低（仅30%），大部分秆体进入废物流，且生产成本最高。第二大份额（28%）的商品化秆进入竹"胶合板"面板，其回收率更高（达90%），生产比LBL更简单、成本更低。竹胶合板的大市场份额源于资源利用效率高、相对简单和成本低，不到LBL成本的一半。
currently 大多数干加工废料如刨花和锯末在现场作为锅炉燃料燃烧，尽管高附加值副产品如 incense 棒或牙签可从外层或"青层"（占加工秆质量的多达10%）回收。湿法废料通常用于 charcoal 或颗粒生产。其他重要副产品包括非商品化秆梢制成的筷子和纸浆。
2.2 传统产品及其特性
层压竹材（LBL）由干燥、铣削的矩形条片平面或侧边胶合（或两者结合）成更大截面的规格材。虽然主要用于室内住宅用途（家具、砧板、台面等），LBL也是目前唯一定期用于结构建筑框架的工程竹类型。该材料性能变异大，取决于竹种和加工工艺。LBL也是目前唯一由结构复合木材标准ASTM D5456-2194规定的工程竹产品。
竹木束板（BS）复合材料[97]为地板和户外甲板开发，具有高硬度和韧性及优越的耐久性。秆段被切向切成薄片，然后通过 incisor 辊压扁成"束"或"scrim"，以便浸渍时树脂渗入。产品已从原始的冷压和热隧道固化坯块发展到受控叠层垫板热压。在某些情况下，条片预先沿边缘缝合在一起以消除产生纵向缺陷和密度不均匀的边缘间隙和重叠。
竹胶合板主要用毛竹径切条片、编织竹条垫和杨木单板胶合热压制成，表面为耐磨酚醛（PF）树脂浸渍纸或坚韧塑料层。这些产品在替代用于混凝土模板和集装箱地板的热带硬木胶合板市场需求方面发挥了重要作用。
最常用的工程竹结构材料是LBL，其具有比层压木更高的比弯曲强度，但比刚度较低（LSL除外）。虽然工程竹生产目前使用的竹种有限（主要是毛竹），但竹种对复合性能的影响相对于其密度而言很大。过度加工和高温处理（高达185°C；通常用于 decay 缓解和美观）也会降低工程竹产品的力学性能并增加隐含能耗。
2.3 新兴材料与应用
高性能竹材是当前依赖竹材固有密度、强度和柔韧性的日益扩大的新兴新型产品的 umbrella 术语。这些目前包括用耐久树脂缠绕模具生产的竹纤维帘，形成用于管道、模块房屋和运输车厢的圆形构件。其他新型工程竹应用包括风电叶片、生物基连接件和汽车车身部件。薄型轻量化3D热成型产品如波纹屋顶板和热成型空心框架也利用了竹材的高韧性、拉伸强度和变形能力。
竹材组织致密化，如通过热-湿-机械（THM）压缩，可提高其绝对强度，但致密化组织由于热和机械诱导的劣化而具有较低的比强度。性能高得多的改性竹复合材料和结构可通过部分脱木质素和致密化的竹秆和单板生产，以及分离的纤维束或"技术纤维"来制造。不完全化学制浆成短造纸纤维，而是部分降解和去除竹纤维细胞壁中的 bulk 聚合物，保持原始形状、尺寸和内部纤维素结构完整，可进行受控致密化，或用于自粘结和线性振动焊接竹复合材料。
3. 工程竹当前挑战
竹材独特的结构和组织特性，以及其他结构因素，产生了众多加工和技术挑战，推高了生产成本，目前使竹建筑材料缺乏竞争力。
3.1 与木产品相比的固有制造障碍
首先，竹材培育和采伐复杂且劳动密集。在竹林中，秆必须按年龄监测并在正确时间手工砍伐，给资源供应链增加了重大成本和劳动力约束。其次，竹材薄壁、中空、锥形的形态与实心原木相比降低了运输效率。材料回收率对某些LBL产品而言可低至30%，因为在矩形条片铣削过程中会失去强硬的富含纤维的外秆壁。
处理和制造效率远低于木材生产，因为要产生相同最终尺寸需要更多更小的构件。假设干燥木材体积回收率为50%，胶合木的生产速度比LBL快35倍。制造1 m
3的LBL需要20多个基本手动的加工阶段来生产约4000条条片（6.5×22×2050 mm），而窑干木材不到五个基本自动化阶段，此外还有胶粘剂使用的额外成本。
竹薄壁细胞含有淀粉，使其容易发霉和快速生物劣化。细胞网络侧向连接差（即无径向组织），且含有微小、常部分或完全闭塞的 pit 连接细胞，使其干燥缓慢且困难，不发生细胞塌陷和其他劣化。木材干燥中不典型的加热（或焦糖化）和化学处理给工程竹加工增加了额外成本和环境负荷。化学处理还限制了报废选择，如燃烧或生物降解。
此外，节部和皮层的高二氧化硅含量增加了切削和砂光工具的磨损。竹材组织比商品软木材和其他复合材料致密坚硬得多，影响多种应用。竹材需要更多加热时间和压实能量来压缩成工程复合材料。
3.2 碳足迹
尽管竹材具有卓越的生物碳封存潜力，但工程竹建筑材料的可持续性和市场可行性最终取决于其工业加工路线、相关能源需求和 resulting 经济成本。一根毛竹秆通常含有8公斤快速封存的碳，转化为建筑环境中的持久产品可增强竹材生长地区建筑的可持续性。然而，加工程度、能源来源和运输距离都显著影响竹建筑材料的碳足迹。
建筑用干燥秆每立方米排放不到15 kg CO?当量，干燥条片约200 kg CO?当量，而加拿大东部软木和硬木材生产分别为89和148 kg CO?当量/立方米。工程竹能耗和工艺密集得多，1立方米焦糖化三层LBL估计排放约550 kg CO?当量，竹木束板约1460 kg CO?当量，而工程木刨花板和木材产品为56 kg CO?当量。
3.3 成本因素
成本也是工程竹在主流建筑中广泛应用的障碍。中国竹材与木材结构建筑产品价格概览显示，层压竹材（2000美元/立方米）和竹木束板（3000美元/立方米）的市场成本是软木胶合木（850美元/立方米）和正交胶合木（1000美元/立方米）的两倍多，尽管竹子是国内种植的而CLT用木材是进口的。竹胶合板（800美元/立方米）是目前唯一具有价格竞争力的工程竹产品。
LBL的高成本主要来自原材料或加工竹条（约45%）。获取4000根正确尺寸（6.5×22×2000 mm）的干燥条片生产1立方米LBL约需8000元人民币（1150美元），需要20多个基本手动的加工阶段，而生产相同体积胶合木的窑干木材不到5个基本自动化阶段。
3.4 建筑应用中的其他障碍
从全球资源角度看，材料综合和比较性能数据的缺乏历来阻碍了西方木结构建筑中竹材的标准化和认可。要使竹材被指定为可靠的传统建筑材料，必须为设计人员建立可纳入实践的力学性能值和范围。
4. 路线图：从竹林到工程竹建筑
近年来，旨在将部分或全部由竹材生产的"木材"建筑材料推向主流的标准化程序一直在推进。路线图直接回应了第3.1-3.3节概述的关键障碍，将每个战略步骤与材料供应、制造效率、成本和碳足迹、产品性能以及监管接受度方面的相应挑战联系起来。
4.1 稳定的竹资源供应
如第3.1节所述，手工采伐和秆质量变异性限制了可扩展供应；此处提出的策略侧重于建立人工林管理、机械化采伐和近源加工以克服这些限制。竹秆必须在成熟期手工砍伐，需要密集且昂贵的管理。开发大规模竹材种植以确保稳定、可靠的资源供应需要将现代组织培养与适当的竹种选择相结合，以及适用于种植区域的管理和采伐方法。
4.2 经济高效的制造
鉴于第3.1节详述的制造效率低下和低材料回收率，以下关于分等、构件设计和工艺创新的策略旨在提高回收率同时降低成本和碳足迹。天然竹材变异性很高，对于现代建筑应用，工程竹制造必须发展规模经济，重点关注材料分等（秆、构件）和质量控制，以确保建筑材料具有可靠和可预测的性能。
提高回收率和均质化竹材用于高性能层压复合材料的策略包括：遵循秆壁自然曲率的弧形截面条片，以及横截面同时包含内侧和外侧壁组织的薄径切条片；这些可将回收率提高到80-90%。渐变致密化可用于在层压前沿条片长度提供均匀的截面和密度，也可改善锥形秆壁竹种的回收率。
更高回收率和保留富含纤维的外秆壁也通过圆秆扁化如"esterilla"、竹束以及程度较轻的无裂纹展平竹实现。用于竹木束板的 splinter 竹束可回收高达90%的秆材，展平秆单板约55%。
当前小竹条的干燥技术耗时，需要更好的干燥和/处理工艺理解和创新。用于竹木束板的 splinter 束干燥快得多，但由于高比表面积和与内外秆壁表面化学、疏水性和性能变化相关的粘结困难，导致更大且经济的树脂使用。
除结构木材胶粘剂外，可从成熟的木材加工技术中借鉴很多。竹构件分等（如有）、组装和垫板成型仍基本上是手动过程，需要优化和自动化。竹加工特别需要这样，因为较弱的节部和不同的粘结表面必须在结构工程产品如LBL中均匀分布。
深度学习正迅速被开发和应用于竹加工工业以帮助提高加工效率。例子包括：用于自动化和优化秆分选和劈裂过程的机器学习秆直径扫描和反馈系统；自动化条片分等、处理和定尺系统；以及产品测试中粘结线脱层的自动检测。
工程竹的压制可能需要每块面板一个多小时，而工程木产品不到15分钟，因为竹材密度高但变异大且难以压缩。例如，竹木束板需要高压实比和产品密度>1000 kg/m
3。需要对垫加热和固结物理、树脂固化现象、垫板结构控制和竹垫定制热压时间表的基本理解来改进效率。
4.3 创新产品
为应对第3.2节的高成本和隐含碳顾虑以及第3.3节的性能变异性，本节提出了最大化竹材强度同时最小化材料使用和变异性的 hybrid 和选择性增强产品。本文涵盖的成熟产品（LBL、竹木束板）需要进一步改进以可靠用于结构应用。
降低成本和密度的一个更可行的商业化竹建筑材料途径是与木材或单板的混合产品。它利用木材较低的密度、较高的比刚度和更大的可压缩性，以及竹材的较高强度、韧性和纤维排列，实现更平衡的重量和性能。商业化产品包括用间歇层杨木单板制造的集装箱地板。
某些高强度竹种和铣削竹木束板产品非常适合表面层压到木产品上（木材、胶合板、胶合木或CLT），以生产性能优于可比木材产品的竹-木混合建筑材料。已开发并测试了使用展平毛竹作为壳层或芯层的竹-木混合正交胶合木（CLBT）原型，以及使用铣削毛竹竹木束板的原型，但由于支撑研究数据空白、缺乏生产和产品性能标准以及成本问题，尚未推进到建筑接受或使用阶段。
北美商业化的竹-木建筑产品包括用于轻型框架木结构住宅建筑的竹胶合板芯墙系统，该系统将竹条覆盖在软木或桉树胶合板上以创建 modular 面板，通过 ship-lap 连接形成双面墙壳，可适应服务管道、布线和绝缘，无需热桥墙骨框架。
为帮助竹材成为主流建筑材料，正在开发和应用竹-钢复合材料于轻型住宅建筑、大跨度商业结构、应急结构和地震易损历史建筑的外骨骼加固。竹材的高强度、柔韧性和减震性可用于补充钢材，减少轻型钢构件中的钢材量和成本，产生在地震中更能抵抗灾难性破坏的混合结构。
由于一阶产品的高成本和低材料回收率，竹产业必要地通常具有"闭环"循环价值链，其中植物的所有部分都用于高附加值产品和副产品如特种木炭和燃料，从而产生最小废物。竹颗粒作为生物质燃料资源在欧洲和印度用于发电具有重大潜力。
4.4 标准发展与认证
由于第3.3节强调了竹材设计值和正式认可的缺乏，此处重点是开发标准、认证途径和等效代码条款以促进采用。建筑产品必须按照行业标准制造和认证。例如，ANSI/APA-PRG 320规定了结构胶合木允许使用的木材种类、构件尺寸和等级、结构木材胶粘剂和粘结耐久性资格以及防火性能。
主流建筑中的竹材仍缺乏结构竹产品的行业标准或认证，无论是中国还是非竹材种植区如欧洲和北美。FSC竹产品出口到欧洲和北美市场的认证对大多数中小竹加工商而言成本高昂。尽管如此，有一套新兴和即将出台的ISO标准旨在解决竹秆和竹产品的材料测试和规格问题。
商业建筑产品含有竹材需要第三方性能测试和认证；在北美通过保险商实验室（UL）或国际规范与认证-评估服务（ICC-ES）。建筑产品的性能与其在建筑中的使用方式及其遵守适用的国家和管辖建筑、消防、管道和能源规范的合规性相关，这在施用点而非销售或进口点进行监管。
ISO 22156:2021指导全秆竹、工程竹或竹面板的结构设计，基于ISO 22157:2019给出的圆竹综合力学和几何表征测试。ISO 23478:2022提供了确定胶合层压和竹木束板工程竹产品性能的测试方法。即将出台的测试方法标准（ISO/DIS 5257）将提供"小尺寸试样"的测试方法，以补充ISO 23478规定的全构件测试。
尽管存在认证新产品和将其纳入建筑规范环境的挑战，大多数现代标准都有"等效系统"条款，旨在允许标准中未明确包括的替代结构或建筑系统。这些是根本上的"基于性能"的条款，通常采用（实验）证据验证的形式。美国2024年国家设计标准第1.1.1.5条代表了接受途径的初始路径，尽管它们需要开明的AEC社区来实施。
4.5 建筑性能与设计
现代结构竹建筑已经建成，竹-木混合面板在国际建筑规范系列（IBC和IRC）背景下被接受。建筑研究表明，工程竹面板（竹胶合板和Glubam）在剪力墙系统中仅比使用工程木面板（胶合板和OSB）或木材组合略具更高的导热性，但仍满足中国建筑规范对国家所有热工地区的要求。
过去20年的标准化机械性能测试、产品开发和商业化一直在为竹材补充和可能增强现代木材基建筑材料奠定基础。全秆和工程竹的最新设计指南补充了日益增多的标准和规范组合。
4.6 竹材耐久性与保护
第3.1节和3.3节已识别自然耐 decay 性、害虫和环境劣化易感性作为障碍；此处通过保护设计、处理和基于性能的耐久性标准来解决。经正确干燥和处理后，竹材的高强度和其他材料特性使其成为木框架建筑的可行替代品或补充品。
烘干期间的加热处理用于层压竹材制造，涉及作为条片窑干计划一部分的能源密集型"焦糖化"或加压蒸煮阶段。这些将竹条暴露于高达185°C的温度长达2小时，以尺寸稳定材料、改善耐 decay 性并产生吸引人的深色。
减少天然竹材霉菌和霉变易感性的基本、经济且环保的方法还包括用过氧化氢漂白和浸泡在钠（盐水）或硼砂盐中。这些方法在物理上溶解和去除组织中的糖和淀粉。
在热带地区使用竹材建造需要独特的建筑和结构设计，优先考虑"通过设计保护"原则，保护竹材料免受地面接触、水分、 decay 、白蚁攻击、火灾以及蠕变影响。较新的竹材设计规范预期热带地区竹建筑的使用寿命为30至50年。
存在热带竹材的"环境惩罚"，即产生高竹生物质生产力的条件（温暖温度、高降雨量和湿度、高太阳辐射）也有利于其生物劣化剂：真菌和昆虫。大多数材用竹生长并用于传统/民间建筑的是在热带和亚热带，竹结构可能在数月内劣化，除非经处理，否则会失去大量强度和承载力。
4.7 报废管理
为缓解第3.2节突出的加工成本和碳惩罚，本节强调再利用、回收和碳信用策略的循环报废管理。虽然建筑寿命是优先考虑的，但设计和建造应允许竹材和其他材料在报废时回收用于再利用或回收或能源回收。竹材自然可生物降解，但旨在延长其寿命的加热或化学处理会影响材料的可生物降解性，并可能影响其能源回收适用性。
许多竹产品，特别是传统的、加工较少的建筑材料，与循环经济具有极好的兼容性。这些要求：i）具有足够长的寿命使资源能够重新生长；ii）能够替代非生物材料；iii）具有100%生物基含量；iv）可在多个产品周期中重复使用；以及v）在使用寿命结束时，可生物降解或安全燃烧以产生能源。后一概念被更新的碳货币化政策、举措和融资（如Aureus Earth）所更新，旨在确保大块木材或竹材料中的碳在寿命结束时不会再次流失到大气中，以便有资格获得碳信用。
5. 研究需求与未来展望
将工程竹从小众用途推进到大规模部署，需要在采伐、制造、产品设计、耐久性、标准化和生命周期整合方面取得协调进展。近期，研究应优先开发可匹配或超越既定工程木产品结构性能和耐久性的工程竹产品。并行努力应聚焦于利用现有木结构标准框架内使用竹材或竹-木混合系统的设计、施工和示范建筑。
在这些近期进展的基础上，以下长期研究领域应针对可扩展性、整合和系统优化：
智能采伐、物流和资源效率——未来研究应优先发展考虑竹生长行为、选择性采伐策略和高效运输的智能化和自动化竹材采伐系统。鉴于竹材短保质期、中空秆结构和显著变异性，需要优化的供应链物流和加工模型以减少材料损失、稳定原料质量并降低整个价值链的能源和劳动投入。
可靠结构性能的工程竹产品——核心挑战在于开发具有可预测和可重复结构性能的工程竹产品，能够克服与几何、水分敏感性和变异性相关的固有材料限制。除传统线性构件外，未来产品开发应探索利用竹材固有柔韧性的设计，实现与新兴资源高效建筑趋势一致的曲线和三维结构及建筑系统。
同时，竹-木混合复合材料代表了将竹材快速可再生性和高拉伸效率与木材尺寸稳定性、成熟制造技术和成熟设计标准相结合的有前景途径。
制造规模扩大、自动化和效率——工程竹的大规模采用将取决于高度自动化、能源高效和可扩展的制造系统。优先研究方向包括：类木材单板干燥的自动化竹干燥和热处理工艺；替代手动操作和减少变异性的智能处理、分等和分级系统；受现有木基复合材料制造启发的可扩展自动垫板成型技术；微波辅助或混合加热技术以缩短条片基竹复合材料的压制周期；用于实时监控和控制产品质量的在线应力分级和传感系统。这些进展对于提高制造效率、实现过程控制和降低单位生产成本至关重要。
可持续粘结剂、处理和长期耐久性——为进一步降低环境影响，未来研究应强调生物基或替代粘结剂系统，在保持结构性能的同时最小化对合成胶粘剂的依赖。同样重要的是开发经济有效、基于性能的处理技术，以确保在多样气候和使用条件下的长期耐湿性、生物劣化性和耐火性。
循环性、副产品利用和报废策略——工程竹系统应在循环建筑框架内设计。需要研究从采伐和制造残渣开发高附加值产品，以及使竹基材料能够再利用、回收或级联应用的报废策略，从而最大化碳储存和资源效率。
规范、标准和可持续性评估——广泛认可的产品标准、设计方法论和建筑规范的缺失仍是市场采用的主要障碍。未来努力应聚焦于基于性能的规范发展、认证途径和与现有木材设计框架的对齐。同时，需要全面的生命周期评估（LCA）研究来量化工程竹产品全生命周期的能源使用、温室气体排放和环境影响，实现与木材、钢材和混凝土建筑系统的透明比较。
6. 结语
竹材是地球上生长最快的生物质资源之一，为碳封存和低碳建筑提供了卓越潜力。作为自然优化的纤维复合材料，其圆秆长期以来支撑着低层建筑。然而，现代建筑材料需要可预测的力学性能、耐久性和标准化可靠性——这些要求驱动着工程竹产品的持续发展。
尽管取得了显著进展，当前系统必须克服制造效率、成本竞争力、变异控制以及缺乏协调建筑规范和长期性能数据方面的限制。解决这些障碍需要植物科学、材料工程、结构设计和先进制造技术的更深度整合，以增强一致性、耐久性和可扩展性。
展望未来，战略性地将竹材和木材结合的混合结构系统提供了更广泛应用的有前景途径。通过利用其互补的材料特性并与 established 木材供应链和设计标准对齐，此类系统可以加速规范接受和市场整合，同时改善整体结构效率。
材料利用。最终，实现可持续工程竹建筑需要研究人员、工业界、建筑师和政策制定者之间的协调创新和协作。有了这种协调，竹材单独以及混合系统都可以成为全球可扩展的气候适应型和低碳建成环境的贡献者。
