木構技術

撰文者:許浩銘建築師

里山主義

日本里山(satoyama)的智慧,目的要創造循環型社會

石部棚田 | 松崎町

里山主義三大基準

  • 具備多樣且優良的人為衍生自然環境
  • 當地特有的多樣化野生動植物在此生息/生育
  • 對於生態系網絡的形成有所貢獻

日本約2000年前進入農耕時代,不同於狩獵時代,稻作必須煮熟才能食用,於是在鄰近山區的平原出現許多農村聚落,以便進入山區砍取材薪生火,日文稱這樣的聚落為「里山」(satoyama)。

簡單而言,里山主義代表環繞在村落周遭的山、林、川和草原,經由人類適當的耕耘,提供動、植物多樣性的棲地,達到社會面、環境面以及生產面三贏的局面。

岡山縣真庭市永續餐廳

全球森林面積佔比為30%,資源量十分豐富。

WCMC online database 2014

關於森林以及木材的迷思

Common Myths About Forests And Lumber – National Wooden Pallet and Container Association

木材產業會摧毀森林以及土壤? 木材相較於其他建築材料 塑膠 水泥 磚 是否更為對於環境不友善?

其實樹木有一定的壽命,並非每棵樹皆可成為神木。一定年齡以上的樹木,其光合作用的效率也會降低。所以現代人工林的經營策略,從樹苗、除草、去雜枝、疏伐、主伐,各階段都經過精心規劃,而讓森林得以生生不息,經過新陳代謝的樹木可以行最好的光合作用,持續吸收大氣中的二氧化碳。

此外比較日本東京都表參道與人造林地約1平方公里面積的木材蘊藏。會發現都市木造建築物的材積量遠大於人造林地。而這代表都市中木造建築物的固碳量優於人造林地。

其實樹木有一定的壽命,並非每棵樹皆可成為神木。一定年齡以上的樹木,其光合作用的效率也會降低。所以現代人工林的經營策略,從樹苗、除草、去雜枝、疏伐、主伐,各階段都經過精心規劃,而讓森林得以生生不息,經過新陳代謝的樹木可以行最好的光合作用,持續吸收大氣中的二氧化碳。

此外比較日本東京都表參道與人造林地約1平方公里面積的木材蘊藏。會發現都市木造建築物的材積量遠大於人造林地。而這代表都市中木造建築物的固碳量優於人造林地。


合法木材來源 FSC為例

1.法規:締約者應遵從當地國法律及所有FSC原則及經營準則。

2.使用權應被尊重:長期的土地及森林資源的租約及使用權,應清楚界定、紀錄及合法保障。

3.原住民權利:原住民擁有及使用其土地的法律及習慣上權利,應予承認及尊重。

4.社區關係及工作者權利:森林工作者及地方之經濟福祉,森林經營應予保持並加強。

正昌林業人工林地 (照片由本文作者拍攝)

5.森林收益:森林經營應鼓勵有效使用森林多元化產出,以確保經濟活力及更大範圍的環境及社會利益。

6.經營計畫:明訂長期經營目標及達成的方法(策略)。

7.監控及評估:適當的監控,應配合森林經營的範圍及密集程度。

8.天然林維護:良好的原始林或次生林及主要的環境或特殊文化地區,應予保存,不應被人工造林或其他土地利用方式所取代。

9.造林地:造林地的規劃及管理,應與FSC的原則及經營準則一致。

正昌林業(照片由本文作者拍攝)

木材分類

硬木(hardwood),或稱硬質木,即為闊葉樹材,指由被子植物門的樹所生成的木材。硬木與又稱做軟木的針葉樹材剛好成一對比。硬木一般密度較高及較硬實。

軟木(softwood),或稱軟質木,即指針葉樹材由松柏植物門的樹所生成的木材。因其質地與闊葉樹材相對而言比較軟,故又名softwood。常用於建築的結構組件。

常見的樹種有松 、落葉松、 雲衫、 冷杉、 柏 花旗松 、南方松、 落葉松、 日檜、 唐松(日本落葉松)、 日本柳杉、 歐洲赤松、 雲杉


木材與水

科學之家:水含量和蠕變變形

當木材所含水分的重量等於此木材全乾燥時的重量,則稱為含水率100%

「乾燥が大事」な木材の「含水率」の話

0% 全乾狀態 體積最小

15% 平衡含水率 體積小幅度膨脹

30% 纖維飽和 體積微幅膨脹

30%以上 飽和含水 水分滿溢出細胞壁稱為自由水 體積會劇烈增加


製材過程

人造林 > 疏伐 > 製材 > 乾燥 > (防腐) > 加工 > 組立 > 維護 > 回收 > 再製

Glulam and the environment – Swedish Wood


工程木材

何謂工程木材?有別於傳統木構造,現代木構造採用工程木材作為設計的材料。工程木材的優勢在於更準確的強度數值、更大跨距、一致性、可靠度、小徑木的使用

同一林地中同一種類每棵樹的強度各有不同。任一林地的木材強度都會呈現常態分佈,結構計算是以強度前百分之五作為依據。所以是極為保守的標準。

紅色常態分佈與藍色常態分佈所代表的意義

紅色相較於藍色,其品質更趨於一致,所以其容許應力值大於藍色範圍。這意味著相同強度峰值的材料,會因為標準差的不同,而得到更強的數值。

甚至綠色常態分佈的最大強度小於藍色常態分佈的最大強度。

但是由於其品質更為穩定,所以容許應力值還是比藍色常態分佈好。

工程木材所謂的更好的強度,代表可以被接受的設計數值


MSR Machined Stress Rated 機械分等木材

Taxonomy of Wood Products Engineered Wood Products – ppt video online download


如何減少自然界的變異性?

雖然採取保守的容許應力值作為設計標準,但是強度的常態分佈依然存在。

如何組成更一致性的工業產品?先以機械將木材辨識區分各等級強度。

依靠策略性的安排組成,依照結構需求配置。

將各強度等級木材均衡組合


接合方式


工程木材種類

GLT

膠合樑(集成材)是由一段段的木料膠合而成,每一段材料的尾端切成鋸齒狀,以指接方式膠合而成,來達到所需要的長度,而且所有的層積材的紋理方向都和膠合樑的長度平行。這樣的結構,使森林中所砍伐的較小徑木,也能製成大樑。因此在木材的選擇上,不需依賴成年老樹卻依然可以有大跨距、高強度的建築設計。(益材木業)

CLT

直交式集成板材(Cross-laminated timber, CLT)乃是一種板狀型態之工程木材集成品,集成元於側向拼接後(亦可不膠合拼接),於厚度方向做木理直交式之集成堆疊而成。木材為具有異向性(Anisotropic properties),各方向之物理與機械性質均不相同,若利用直交式技術進行集成品之製造,可協調不同方向的特性,使集成品品質穩定與提高其性能。

CLT為近年來新興工程材料之一,相較於其他板類工程產品,CLT不僅是結構牆體之構成元素,更可直接作為承重牆(Load bearing wall)、剪力牆(Shear wall)與樓板(Floor)等結構用途。

LVL

LVL是Laminated Veneer Lumber的英文簡稱,中文名為單板層積材,是以原木為原料旋切成單板,經高溫乾燥,再將單板以同像順紋的組合進行塗膠熱壓後,膠合而成的板材。在旋切為單板的製程中,已將原木的疤節裂痕等缺陷分散錯開,大大降低木頭天然的缺陷對板材穩定度的影響。

LVL單板層積材品質更穩定、更耐用的秘訣

OSB

又稱定向粒片板、定向纖維板,是一種特殊的工程用木質面板產品,用途非常廣泛OSB定向粒片板可應用於室內與室外,常見用途:木結構、包裝材、室內裝潢材料、家具桌板等。


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PLYWOOD

合板主要係以旋切(Rotary cutting;Peeling)或平切(Slicing)單板為原料(中層心板可以小角材構成),將各層單板以纖維方向相互直交並經膠合及熱壓後所得之多層結構板材。其中,內層單板與面底板纖維走向垂直者稱為直交單板(Crossband)或副心板;而與之平行者稱為內層平行單板(Center)。此外,從合板兩邊目視可見之中央層組(一般較外側層組為厚),則稱為中板或心板(Core)。

普通合板(Plywood) – 國家林產技術平臺


法規檢討

木構造建築的防火檢討。木材燃燒之後會碳化,一定時間累積的碳化厚度,稱為碳化層。各種木材燃燒一小時之後形成的碳化層厚度不全然相同。結構技師必須先計算木構件斷面的抗張、抗壓、抗彎、抗剪、撓度等需求之後,把斷面數據扣除依防火時效所規定的碳化層厚度。檢視剩餘斷面的強度,是否可符合垂直載重的需求。


混合構造

東京大學生產技術研究所教授 腰原幹雄提出木構造的混成可分為下列四類

材料的混構造

構材的混構造

立面垂直的混構造

平面水平的混構造


混構造的優勢

預算分配,降低總預算。木構造在台灣建築單價略高於混凝土構造,約與鋼構造相當。只有局部使用木構造,整體預算金額更容易被接受。

不追求全木構造,適材適用增加業主接受度。尤其一般業主對於在地面層或室外採用木構造的抗性比較高。相對設計木構造在室內、地上二層以上甚至屋架,就不會有太多的疑慮。
配置木構造於視覺焦點,有效提升建築空間品質。大跨距空間的屋頂結構系統、建築立面的構材,採用木構造系統都可謂是立竿見影且事半功倍。

保養維護

  • 降低木材含水率
  • 合理的構造方式可以避免潮濕的環境、避免熱橋發生、防止白蟻入侵。物理性的防水勝於化學性的防水
  • 房屋四周適當距離將木材誘餌埋入土中,定期檢視有無白蟻蹤跡,如果發現白蟻就可以將藥劑放入,白蟻就會將藥劑帶回蟻窩達到徹底消滅的目的。
  • 室外木構造每隔一定時間可重新塗裝護木漆