竹子在草本植物高大化方向上发展到了极致，做到生长快速的同时又有很高硬度。其演化出了哪些特异化的结构，使其优秀的力学性能部分接近铝合金和硬质塑料？为什么有这些结构？为此我将您的问题分解为三个问题，逐项解答。

1、竹子是草还是树？

2、竹子为什么又长得快又那么硬？草不是都比较软吗？

3、既然竹子这么强，那么竹子如何用于建筑领域。有哪些限制？

问题 1、竹子是草还是树？

我先介绍最传统的形态学判别竹子分类的依据。然后介绍近年分子生物学对竹子分类的更科学的分类确认。

一、形态学分类依据：竹子 "草本" 身份的传统分类方式1. 茎的结构特征：最关键的形态学证据

• 维管束排列：竹子茎的维管束呈散生状，无形成层，不具备持续增粗能力（典型草本特征）。竹笋长出地面多粗，成竹就多粗。与木本植物的环状排列维管束 + 形成层结构逐年扩增不同。
• 中空茎：多数竹种茎干中空，这是禾本科植物的标志性特征，与木本植物实心茎中的髓心形成鲜明对比。
• 木质化特点：虽有较高木质化程度（部分可达 50% 以上），但这只是 "次生适应"，并非本质特征。竹子的木质化是薄壁细胞增厚而非木本植物的次生生长（表现为大多数树木的年轮）。

2. 其他重要形态学特征

• 单子叶植物特征：叶片平行叶脉、须根系，与禾本科其他成员（水稻、小麦等）一致，与双子叶木本植物的网状叶脉和直根系明显不同。
• 生长方式：由地下横走的竹鞭（根状茎）发育而来，与草本植物的分蘖方式相似，而非木本植物的直立主根。（这一生长方式下一个子问题会进一步讲解）
• 开花结果特性：多数竹种一生仅开花一次，花后死亡（单次结实性），这与多年生木本植物持续开花结果的特性差异显著。

下面，我放几个竹子的结构图片，最后放一个树的结构图片，方便大家对比理解。

下图是四年生椴树茎横切标本，可以和前面竹茎秆标本对比。

树干结构进一步介绍，有兴趣可以看我另一个回答 为什么树木会生长年轮？ - 知乎

二、分子生物学证据：现代分类学的科学验证 （这部分内容，主要来源于参考资料 3、4）1. DNA 序列分析确定亲缘关系

• 全基因组比对：竹类植物是竹亚科 (Bambusoideae) 植物的统称，与早熟禾亚科 (Poideae) (如小麦) 以及稻亚科 (Oryzoideae) (如水稻) 共同构成“BOP 分支”。证实竹子是禾本科大家庭的一员
• 系统发育树构建：基于叶绿体基因组和核基因序列（如 matK、rbcL、ITS 等）的分析表明，竹亚科与其他禾本科植物在进化树上紧密相连，且不与任何木本植物类群形成姐妹群中国科学院昆明植物研究所

2. 竹亚科内部分类的分子依据

• 分子标记技术：在竹种、竹属鉴别中，DNA 条形码（如 matK 基因）能有效区分形态相似的物种，解决传统分类中因开花周期长（有些竹种 60-120 年才开花）导致的鉴定困难 PMC
• 多基因联合分析：研究发现竹亚科分为三个主要类群：分别为代表草本竹类的莪利竹族(Olyreae)，代表温带木本竹类的青篱竹族(Arundinarieae) 和代表热带木本竹类的箣竹族(Bambuseae)，其中箣竹族分为旧世界热带木本竹类(Paleotropical woody bamboos，PWB) 和新世界热带木本竹类(Neotropical woody bamboos，NWB) 两个分支。证实 "木本竹" 只是竹亚科内部的一个分支，整体仍属禾本科草本植物范畴。

知道了竹子属于禾本科竹亚科，是最高的草。那么下一个子问题。

问题 2、竹子为什么又长得快又那么硬？

为什么竹子生长速度远超树木。核心原因是草本植物为了实现与树木竞争地表以上多年生的生态位，对阳光、土壤、水源全方位竞争，而演化的独特生长策略、匹配的独特的生长结构与机制，与树木的木本生长模式形成本质差异。

一、竹子面临的生长压力和对应的生长策略

竹子的生长策略是更快更高，才能抢到阳光。

最早的陆生植物没有分化出真根和枝叶，身高也只有 15 厘米左右。在适应陆地环境后，植物形成了维管束这种结构，大大增强了植物的强度。这样，植物开始迅速长高。

普通的草只确保利用种子复生或地下的根部再生。地表以上组织则是一岁一枯荣。自然无需对地表以上组织做过多加强投入。所以草类，整体比树柔软，硬度、刚性低很多。

竹类大都喜温暖湿润的气候盛产于热带、亚热带和温带地区。尤其以亚太、非洲、南美洲为三大主生长区。这些地区植物生长茂盛，种类多，竞争对手多。

竹子和树都选择了保留地表以上多年生组织。在与其它草类竞争中，竹子和树一样都要靠长高抢阳光。为了保持长高以后的植株的稳定，发展了地下发达的根系抓牢土壤；而地上则是除了维管束还形成其它增加强度的结构，确保强度的同时保证一定的韧性，更好的抗横向风的推力。

不过，竹子虽然已经是草类高大化的极致，但在高大化方向上还是被后劲充足的树打败。竹子一般 20-40 米高，而树可以轻易超过这个高度，最高甚至超过 90 米。所以竹子只能选择生长在森林下层或稀疏林地。

地表以上，为了竞争阳光，竹子的竞争策略是快速完成 “高度竞争”。破土即一次性爆发式生长（竹笋→成竹 1-3 个月达最终 30 米左右的高度）。

在地表以下的土壤中，竹子的根系（须根系）分布浅但密集，可快速吸收地表水分与养分；而树木的直根系深入地下，吸收效率高但生长缓慢。，竹子的 “浅根系竹鞭横向速生” 策略更具优势。

除此以外，竹子还会释放毒素，化学清扫周围环境。不过这个机制和提问内容关系不大，暂不展开。

扩展知识：

很多藤类草本植物大大削弱了维管束，放弃高强度的肢体，柔软身段，将所有能量全部转到攀附和长身体，能横向生长的更快更长。例如，比较著名有在美国造成绿色沙漠的葛藤。而竹类中也有类似的另类。和在国内常见的竹子不同，“藤本”竹类 Dinochloa Buse 和 Sokinochloa S. Dransf.生长在热带雨林，能够缠绕并攀爬上林中的大树。

为了更好的生存，演化是没有特定方向的全面乱发展，一条路走到极致还不行，就另选一条路。

二、竹子的特色生长机制（确保快速长高的同时，有足够强度支撑植株）长快机制 1：地下竹鞭的 “预储备与快启动”赢在起跑线上

竹子的快速生长并非 “从零开始”，而是依赖地下根状茎（竹鞭）的长期能量积累，相当于 “地下育苗 + 能量仓库”：

1. 竹鞭的预分化特性：竹鞭在地下横向生长（每年可延伸 3-5 米），其上的芽（笋芽）会提前 1-3 年完成细胞分化，形成竹笋的 “雏形”—— 节间、维管束、分生组织已基本成型，仅需等待适宜环境（温度 15-25℃、湿度 80%+）即可快速出土。
2. 能量与养分储备：竹鞭通过根系吸收土壤中的氮、磷、钾及水分，转化为淀粉、蔗糖等储能物质，储存在芽体和竹鞭组织中。竹笋出土时，无需依赖自身光合作用，直接消耗地下储备的能量，实现 “零光合快速生长”（前 2-3 周竹笋几乎无叶片，完全依赖储备养分）。
3. 对比树木：树木的芽体仅在春季萌发时开始分化，且生长所需能量完全依赖当年叶片的光合作用，前期 “能量积累不足”，生长速度自然受限。

长快机制 2：茎的结构设计 ——“无形成层 + 节间同步伸长”，优化核心 KPI+ 并发成长

竹子的茎（竹竿）结构与树木的木质茎存在本质差异，直接决定了生长速度：

无形成层，放弃 “长粗” 换 “长高”：

• 树木的茎有形成层（木质部与韧皮部之间的分生组织），每年需消耗大量能量合成木质部（木材），实现直径增粗（即 “次生生长”），导致高度生长速度被稀释（如杨树每年长高 2-3 米，同时直径增粗 2-3 厘米）。
• 竹子作为草本植物，无形成层，茎的直径在竹笋出土时已固定（出土直径 = 成熟直径），无需进行次生生长，所有能量集中于 “纵向伸长”—— 在猛长期 “只盖高度，不砌厚度”，效率呈几何级提升。等长到够高后再慢慢增加木质化。

节间分生组织的 “同时并发爆长”：

• 竹子的茎由多个节间组成，每个节间基部都有独立的 “居间分生组织”（特殊的生长细胞）。竹笋出土后，这些分生组织同时启动细胞分裂与伸长，相当于 “多台发动机同时驱动”。玉兰片，也就是剖开的竹笋可以看到一排间隔，将来这就是各个竹节。
• 以毛竹为例：成竹有 30-40 个节间，每个节间每天可伸长 1-2 厘米，叠加后每天总高度增长达 30-40 厘米（最快记录 50 厘米 / 天），1-2 个月即可长至 10-20 米的最终高度。
• 竹节之间的竹隔和秆环、箨（tuò）环，在竹节快速垂直生长的同时，通过环装管箍形态增加横向强度，避免竹节开裂。同时将竹节打断的维管束微观重新连接（不是上下一一对应）。

细胞伸长的 “高效机制”：

• 竹子节间细胞都是轴向紧密排列，没有径向扩增，而是 “伸长倍数” 可达原长度的 10-20 倍（普通植物细胞仅 2-3 倍），且细胞伸长时通过 “吸水膨胀” 辅助（细胞内渗透压升高，快速吸收水分支撑细胞壁伸展），进一步加速生长。

如果说前两个机制解释了如何尽快长高，那么下一套机制就是如何最高效的变强。

变强机制：合理布局维管束 + 表层竹青硅化 + 髓体木质化 + 竹节横向增强

竹子每节（节间）的结构从内到外依次为髓腔→髓环→基本组织→散生维管束→竹青（表皮系统），竹节横隔（隔膜）贯穿其中。

其中，竹子空管（髓腔）结构却能达到甚至超越一些实心树木的强度，且表面硬度更高，核心是结构设计的工程优化 + 材料自身的双重强化。配合木质化 + 硅化的材料强化，最终实现“轻量化高强度”的力学效果。

1、空心竹管完美实现“空心轴原理”

竹子的空管（髓腔）从结构上进行了极端优化。完美实践材料力学中的 “空心轴原理”：

构件受力（如弯曲、压缩）时，应力集中在远离中性轴的外侧区域。弯曲时离中性轴越远的材料“杠杆臂”越长、贡献越大（I 对半径的四次方敏感）。而核心区域应力极小（接近零）。

抗弯能力由截面惯性矩 I 和和抗弯截面系数 w 决定。

实心圆柱(半径 R):

，

圆管(外半径 R_o, 内半径 R_i):

,

当把材料从靠近中性轴处移到外缘，几乎不减重量，却显著提升 I 与 W。因此在同面积（即同重量）条件下，圆管分配更优。

但有两点要注意：

1) 同外径（R_o 相同）：圆管把内部材料去掉，I 和 W 都会变小，故实心更强。这也是实心的树干、木材，和同直径的竹子比更强的原因。

2) 同截面积 / 同重量（A 固定）：截面惯性矩的界面不是外径包络面积，圆管的截面积是圆环。圆管可用更大的外径、更薄的壁厚，把材料“抛”到外缘，I 与 W 显著增大。同截面积同重量下，截面系数提升约两倍，弯曲强度与刚度（EI）均显著改善。

绝大部分竹子都是空心圆管的。经济用竹例如毛竹基本直径在 40mm 到 100mm。竹子可以破土而出后不到一年就长成，可以用和树木同样的能量构成更大截面积的稳定结构。提前几年就成材并占据生长空间。反之，实心的竹子只有十种左右，而且都不太粗，高度也明显低于空心竹。

竹子直接去掉核心无效区域，将材料集中在管壁（远离中性轴）。这样竹管在相同材料用量下，空心结构的抗弯、抗扭强度远高于实心结构，这是竹子 “轻而强” 的核心原因。实现了多快好省。

2、竹节横向加强筋 + 管箍：

竹子受自然风雪横向力的时候，如果空管结构无支撑，易发生 “局部屈曲”（管壁凹陷）。而竹节处的横隔每隔 20-50cm（毛竹）分布，将长空心管分割为 “分段空心柱”，相当于在空管中增加了 “内置加强筋”。这一局部加强结构，大大增强了横向强度，完美解决了竹子生长环境应当外界风雪横推的问题。

3、合理布局维管束的”钢筋水泥“提升管壁刚度：

比较细的竹子会形成比较完整的一圈维管束，较粗的竹子则是比较散列的形成一圈维管束，越靠近外侧竹青维管束越多，靠近内测则逐渐减少。而且禾本科的维管束比木本的维管束结构更复杂，维管束外还有维管束鞘对几条维管束包络增强。这些维管束和木质部一起形成类似钢筋水泥的加强结构，这样的维管束微观结构比木本的维管束强度明显增强，代替了树木形成层，轻量化的同时满足了强度和刚性。

4. 局部强化：硅化（集中于竹青，提升耐磨性与防腐性）

硅化是指竹青表层（表皮及下表皮）沉积二氧化硅（SiO₂），形成 “硅质保护层”，仅发生在竹材最外层，不影响内部组织的力学结构。最终成竹，表皮硅含量达 3%-5%（干重），形成 0.1-0.2mm 厚的硅质层。硅质与蜡质层融合，形成致密的 “硅 - 蜡复合防护层”。谁能想到，地球碳基生命氛围下，竹子部分使用硅化生长。

5. 木质化：（贯穿所有组织，坚硬如木）

木质化是指细胞壁沉积木质素（芳香族聚合物），使细胞壁增厚、硬度提升，是竹材从 “嫩竹” 到 “成竹” 的关键转变。如果说表层的竹青追求极致硬度，那么木质化结合维管束，达到甚至超过比较松软的木材例如杨树、松树的抗压强度。

木质化的时间进程：1-2 年生是木质化快速期（木质素含量年均增长 5%-8%），3 年生后增速放缓，4-5 年生达到峰值并稳定，此时竹材强度、刚度均达建筑用材标准（顺纹抗弯强度≥120MPa，弹性模量≥12GPa）。

引发提问者兴趣的竹刷就是成熟竹子的竹节间的一段竹壁，一般会去掉又硬又滑的竹青和最内侧蓬松的竹黄，留下含有大量维管束的木质部。因为体积小，对日常以竹代塑的硬度、强度都完全可以满足。而原竹用于建筑为了强度更高，是不清除竹青的。

竹子达到力学性能稳定的成熟速度远超一般树木。所以，建筑等经济用途选竹子要选 4-5 年的成竹。

机制 4、光合作用的 “快速启动与高效循环”综合机制

无论长高还是变强，营养和能量都要跟上。竹子在生长初期即可快速建立 “光合产能系统”，形成 “生长 - 光合” 的正向循环：

1. 叶片快速展开：竹笋出土后，顶部的芽会快速分化出叶片（仅需 1-2 周），且叶片呈 “平行叶脉 + 大表面积” 结构（禾本科特征），光合作用效率达 15-20 μmol CO₂/(m²・s)（树木新叶光合作用效率仅 8-12 μmol CO₂/(m²・s)）。
2. 无木质化负担：竹子的茎虽有木质化（纤维素含量 50%-55%），但木质化过程与生长同步完成，且仅发生在细胞壁增厚（不影响细胞伸长），而树木的木质化需单独消耗能量合成木质素（占木材干重 25%-30%），显著拖慢生长速度。
3. 群体协同生长：竹子多为丛生或散生群体，竹笋集中出土时，叶片快速覆盖形成 “密集冠层”，群体光合作用效率远超单株树木，进一步为生长提供能量支持。

引起提问者兴趣的竹板刷，只是竹节间的一段竹壁，为了穿孔固定毛刷方便，一般去掉了最外层的竹青和最内侧松散的竹黄，只保留了木质部。这种局部材料轻盈的同时硬度强度又很强。做工具得心应手，物美价廉。那么引入提问者最后的问题。

问题 3、竹子是否可以用于建筑。

竹子是传统建筑材料。中国西南地区、南亚、东南亚、美洲都有用竹子建造房屋、桥梁的传统。傣族的竹楼是传统建筑的典范，非常适应当地环境。

我国主要用毛竹等几种直径、强度、长度都比较合适的竹材。

下面几张表可以看到，竹子的好几项力学性能接近混凝土，但密度、重量、成本却远低于其它建材。

但优秀的力学性能不等于工程能力强。

竹子是极端演化，适应自身生长面临的风雪推力和自身重量压力。但竹材作为一种建筑材料，在建构中也存在一些自身的局限。

• 各向异性极强 + 性能不均，结构风险高：竹材具有质量轻、有弹性以及抗顺纹压力强的优点，但对横纹方向耐受能力较差；见上图的数据。
• 由于应力作用于管状截面中心轴线外围，抗扭性能较好，但材料受形状、尺寸、生长时间、含水量、强度等影响，单体差异较大；
• 竹材不是均质材料，外侧竹青硬度最大，外层＞中层＞内层，外层通常比内层高约 30–70%。而且靠近竹节处结构复杂，可能出现±20%波动。导致设计如果涉及较重负载要注意。
• 竹材管状结构，竹节间抗压能力强。但超过一定压力值，断裂破损程度远超木材。一旦破损会顺着轴向纵向延伸，甚至势如破竹大区段破裂。
• 管壁外围由粗纤维包裹，受力强度较大，但单体由底部到顶部，强度、直径及竹节间距不平均；
• 竹节可作为耐弯折和止裂的天然“结构加固”，但化学防腐、防火处理竹材时，会阻碍药剂、填充物灌入；
• 竹材直径有限，尤其是建筑领域采用的毛竹和类似的竹子，需要组合才能支撑多层高楼。多根组合时突起的竹节不平，让捆扎不够牢固。
• 竹材空心和表面硅化过硬，而直接钉钉子会导致竹材开裂。所以，当代竹的连接方式主要有绑扎型、榫卯型、螺栓型、套筒型和槽口型。除了捆扎，其它连接做建筑构件需要打孔、锯口后再配置金属管箍和内部的衬套等局部金属构件。否则无法承担重载也无法良好稳定的连接。
• 竹材空心，管壁厚度有限，无法做高浮雕等木材常见装饰工艺。
• 天然原竹含水量较高，一般需要干燥处理，以避免引起开裂。含水率过低又会导致强度下降。
• 竹材除了防腐防虫，还需要防火。原竹一般只能达到 B1 级别。

其中，防火的问题，在 2025 年 11 月香港大火中，虽然竹脚手架并不是用于建筑结构施工，仅仅是外围临时构件。但令竹材的防火性引起很多关注。

就我个人来说，邵长专为村民建的 4 座“一心桥”最让人感动。其中 2018 年建设的 1 座获了英国皇家建造师学会（RICS）奖。竹桥跨度 21 米，由 716 根毛竹做成。成本低廉、性能完全满足村民日常出行。当地村民非常喜欢这座竹桥，还自发在桥上建了一个小神龛。竹桥成了村民初一、十五来活动的桥庙，完全融入村民的生活。而不是像很多竹构景观，其高大上的异质文化造型，突兀的闯入当地环境。

在建设这些桥的过程中，邵长专也带领团队，对竹桥防火措施、固定结构进行了一定的试验。

不过，直到现在，国内目前关于竹子在建筑方面的标准还不够完善。就目前的标准规定，受限于结构极限和耐火耐潮的问题，一般不能构建高于三层也就是 15 米以下的建筑。

主要用的经济竹可以长到 30 米高，经过精心设计的一些公用竹建筑还是有接近这个高度的。近年还有竹子加工后制作的竹钢，更能方便构建一些体量大一些的建筑。

知乎上可以找到 @上海境道原竹 专业设计建造竹建筑。下图，就来源其一篇文章

正是因为原竹的种种问题，现在国际上普遍不允许原竹直接用于建筑施工，而是要进行防火、防腐结构优化后才能使用。更进一步则是进行竹材的重组，变为材质力学性能稳定、均匀、防火耐腐防虫的材料，比如竹钢。

上图来源 2025 年日本大阪世博会中国馆 “中华书简”隐藏细节_哔哩哔哩_bilibili 这个建筑的主材就是竹钢。

下图是 2025 年日本大阪世博会日本馆”蓝色海洋“，因为不允许使用原竹施工，日本的设计施工人员，对原竹用了与中国馆不同的重构工艺，使用了新的竹原料的复合竹材。

总结：

竹材是优秀的各向异性轻质天然材料。

• 竹青表面硅化和内部众多微观复合维管束广泛分布在木质化间质中，使竹壁硬度接近混凝土比常用经济木材高一倍。
• 优化的空管结构和同直径的木材比抗压抗弯能力更好。
• 利用竹节并发、预生长等机制和结构实现极快的生长。
• 成本低廉，成材快、绿色环保，重量轻，综合性能接近硬塑、铝合金。是以竹代塑的优质用料，也是轻量化建筑、户外景观、便桥的优秀建材。

竹材还有一系列弱点在小件器物上不明显，但用于建筑就有很多限制。包括：非均质、和木材及现代材料比没有大料，重载需要组合才能形成大结构构件。抗裂能力差。握钉能力差，竹节不平，需要增加配件才能有效组合、连接竹材。防腐、防虫、防火处理受竹节影响，比较麻烦。这些导致竹构建筑体量高度有限，无法建造高层大体量建筑。

对原竹进行重组形成竹钢等新复合材料，克服了原竹的很多弊端，大大增强了防火、防腐、防虫、横向抗压性能，可以构建大尺度构件。但还是存在表面硬度过高，连接麻烦等问题。未来可以完善标准、探索前行。

参考资料：

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2. 冯燕妮,李和平 《植物显微图解》（2020 年第 2 版）科学技术出版社
3. 郭振华和李德铢研究组采用全基因组范围的 RAD 测序数据深度解析温带本竹属分支的系统发育关系 ---- 中国科学院昆明植物研究所
4. 昆明植物研究所在旧世界热带木本竹类起源和形态性状演化研究中取得新进展 - 知乎
5. 科普 | 竹类形态特征 - 学习园地 - 阙泽利教授木结构工作室
6. 《原竹结构设计指南》2022 年 9 月第 1 版 重庆大学出版社
7. 《竹材的建构》2014 年 11 月第 1 版 东南大学出版社
8. 《植物材料（木、竹）断裂力学》2012 年 4 月第 1 版 科学出版社
9. 《植物学》 王丽、刘朝辉 2023 年 2 月第 3 版 高等教育出版社
10. 85 后博士，为重庆人修了一座桥：为平民阶层做事，所学才有价值 - 知乎
11. Blue Ocean Dome / 坂茂 - 建筑学院官方网站
12. 看似木，用如钢，实为竹 | 这种可持续的新材料，了解一下 - 知乎
13. 10 岁小朋友想向知乎的大朋友提问「为什么竹子是空心的」？ - 知乎
14. 【江苏省】《DB32/T 5080-2025 工程竹结构建筑技术规程》- 搜索兔
15. 由四川竹元科技有限公司参与编写的工程用竹材、重组竹标准 参编标准 - 四川竹元科技有限公司