我在國之東境打造綠能家園六


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文章aphouse » 2010 6月 12 (週六) 7:34 am



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雅朋住宅創新構造系統

鑑於既有鋼骨混凝土構造或鋼筋混凝土構造系統,均過於笨重、施作繁瑣且不具環保,冷軋鋼架系統則運用範圍受材料特性而侷限,此外一般中低層住宅構造受限於經費一般並未處理減隔震措施,而鋼筋混凝土施式構造工期長工種多,不能以工業化方式生產營建成本高品質管理不易,因而就鋼構構架如何以較佳的組合方式,使其可廣泛運用於中低層住宅建築構造,因而提出了創新整合的觀念。

針對中低層住宅建築構造,如何能具有完善的空間、造型,且兼具經濟、安全、環保、舒適的構造系統,本創作藉由具體的減震抗風基座、輕量隔震裝置,熱軋型鋼及方鋼管、角鋼組成建築樑柱框架,再搭組負責抵抗水平橫力的冷軋鋼架壁版體及補強鋼板斜撐構件,構成整體構造具二元構造系統特性,再運用PS硅化版PSB版及隔震墊構成輕質壁板體,具有減重、防火、高斷熱、防潮、抗菌、隔音的空間品質,達成具高度競爭力及取代傳統中低層建築構造方式的目的。

一般住宅建築的下部構造大都未處理減振、隔震措施,在主構造未減重下,基礎一般以硬碰硬的概念來設計,這樣的基礎耗材龐大,對上部構造也不好。
而在上部的一般建築構造中,如果是鋼筋混凝土或是鋼骨混凝土構造系統,除了過於笨重浪費資源外,結露、反潮、壁癌還有斷熱差有相當多的缺點。

就目前主要的鋼構系統來說,區分為熱軋鋼構系統及冷軋鋼構系統,主要係以主構材的屬性來區分,在台灣熱軋鋼構系統一般係以300*250以上的斷面組成,因為相較於以冷軋鋼版的鋼構系統來說,其構造構材重量增加很多,故稱謂為重鋼構系統,而冷軋鋼版則稱謂為輕鋼構系統,因為此二種構造系統各有其特性,不論在結構特性、結構設計、分析及運用範圍都不盡相同。

大致而言重鋼構系統構造較為穩重,可產生較大的跨距,在台灣運用在廠辦大樓已相當普遍,但是在空間裝修及造價上,運用在中低層住宅相較於鋼筋混凝土昂貴也較為呆板,所以較不理想。

輕鋼構系統隨著冷軋鋼版的強度提高,自動化生產及經濟的造價,在全球中低層住宅構造所占的比例近年來逐漸提高。然而在台灣因為地震、颱風的結構設計分析規範尚未完備,在保險、貸款方面也未能完成配套,還有完全由冷軋鋼構來組裝,其設計及施工在軟體與及執行人力方面,目前都有實際作業上的困難。

就目前住宅構造的牆板系統來說,區分為鋼筋混凝土或是磚造水泥砂漿打底的濕式工法,或是輕鋼架隔間以水泥板外版材及矽酸鈣板組成的乾式工法,其中濕式工法除了笨重外水泥漿打底品質不容易掌控,而輕鋼架隔間則在隔音及防風、防水方面較為不足。

這個創作主要是以結合震抗風基座、輕量隔震裝置,熱軋型鋼及方鋼管、角鋼組成建築樑柱框架,再搭組負責抵抗水平橫力的冷軋鋼架壁版體及補強鋼板斜撐構件,構成整體構造具二元構造系統特性,再運用PS硅化版PSB版及隔震墊構成輕質壁板體,具有減重、防火、高斷熱、防潮、抗菌、隔音的空間品質,達成具高度競爭力及取代傳統中低層住宅建築構造方式的目的。

在減震抗風基座部分,我們在建築物減重及基礎點數量增加時,基礎的荷重會大量減少,這樣我們可以重新思考基礎的設計方式,因為構造物輕,防風會變成抗震以外的另一個重點,我們可以經由詳實的結構分析,來設計出減振抗風的基座,這樣的基座規模跟費用,還有工期、品質,因為得以以預鑄的方式來進行,都會有重大的突破。

在輕量隔震裝置部分,我們建築物減重及基礎點數量增加時,基礎點的荷重小,可以以1-24噸不等的輕量隔震裝置以絞接的方式將減振抗風基座及尚不二元籠形鋼架系統連結,這樣隔震裝置非常經濟而有效率。

在鋼架系統方面,我們結合重鋼構與輕鋼構的優點而去除缺點的方式,來思考提出理論與實際可及的組構方式。住宅建築通常具有隔間,在結構處理上可以配置較為均佈的樑柱,尤其在基礎結構部分經減震、隔震處理後,住宅構造的活載重大都在200kg/m2以內,且除少數跨距較大外,一般居住空間跨距約在三到六公尺之間,這樣在鋼構樑柱系統的設計分析中,工整而適度的構架系統,一般六層樓以下的住宅樑柱斷面在100*100到300*300之間就足夠,而使用這樣的斷面,其鋼構重量介於重鋼構跟輕鋼構之間。

二元構造系統係建築技術規則構造篇第五節耐震設計中,抵抗地震力之結構系統的一種型態,「二元系統:具有左列特性者:完整立體構架以承受垂直載重。以剪力牆、斜撐構架及韌性抗彎矩構架或混凝土部分韌性抗彎矩構架抵禦地震水平力,其中抗彎矩構架應設計能單獨抵禦百分之二十五以上的總橫力。抗彎矩構架與剪力牆或抗彎矩構架與斜撐構架應設計使其能抵禦依相對勁度所分配之地震力。」

運用熱軋鋼強度高,同時具螺栓與焊接組合的特性,其與角鋼槽鋼方鋼等鋼材組成主體結構的樑柱系統,這在台灣及全球各地區均得以通用既有的結構系統軟體來進行設計及分析,也符合法規方面的要求,在住宅保險及貸款方面也得以鋼構系統來分類,而仲構架一方面節省相當比例的鋼材,經濟而環保,並且得以與壁板體做整合,使空間更具效益。

雖然樑柱框架構成如上述得以成立,但是鋼構屬於韌性,由較小斷面熱軋鋼所組成的鋼架系統,如果沒有配置斜撐或拉桿構件則容易晃動,在構造整體剛性方面需要再處理,但是若在樑柱間配置斜撐或拉桿,又往往會影響到室內空間跟隔間,還有住宅構造除了樑柱外,版牆的組合亦須有整體的配套。

這時我們將冷軋鋼架系統導入,傳統冷軋鋼架大都做為輕隔間骨架來運用,這種以冷軋鋼版藉由螺絲或鉚接以桁架系統組合的方式,可以以最節省的鋼料來組構版牆及建築空間,在機械設備的進化下,以冷軋鋼版所組成的版體已經具有一定的剛性特性。

在此我們將前述的熱軋鋼架完成組裝及處理焊接防鏽後,後續經由非焊接的方式與冷軋鋼架所組成的剛性壁板體結合,一方面構成住宅空間的壁板體框架外,同時也作為分攤抵抗水平橫力的構材。經由上述運用較小斷面的熱軋鋼架樑柱,與冷軋鋼架板體的整合配套,將可達成理論與實際可及的組構方式。

在壁板體部分,我們運用質輕而荷重大防蟲斷熱高的PSB版作為牆版體的構造內襯版,運用防火抗菌高斷熱吸水率平整變形量低的中空水泥板、EPS硅化版來作為牆板體的外壁板,而在樓板部分則於中空水泥板及EPS硅化版之間處理隔震墊以降低樓板固體傳導音,這樣的組合可以改善濕式工法過重的淨載重也可以提高輕隔間系統在隔音及抗風的強度,尤其是乾式施工得以進入工業化的特性管理使得構造具有經濟施工快速品質穩定的有點並且具有防火、高斷熱、防潮、抗菌、隔音的空間品質。

就此雅朋住宅構造系統之具體組合規格提出如下:
一、減振抗風基座部分
以直徑30-50㎝長度200-600㎝5000psi預鑄基樁或是高度60-150㎝底盤30*30㎝-90*90㎝鋼骨混凝土預鑄基座方式。
二、輕量隔震裝置部分
以1-24噸級RB或LRB隔震器以絞接方式連結基座及上部構造。
三、二元籠體鋼構部分
主骨架系統
1.在低層建築可以200*150mm、150*100mm、100*100mm之H型鋼所構成的梁柱框架,並按版牆情形搭組角鋼、槽鋼或方鋼管並配置小型斜撐鋼版構件。
2.在中層構造則以300*200mm、200*200mm、200*150mm之H型鋼所構成的梁柱框架,並按版牆情形搭組角鋼、槽鋼或方鋼管並配置小型斜撐鋼版構件。
次骨架系統壁板體構架部分
以0.6-2.0鋁鋅鋼板以螺絲或鉚接組成具有剛性之壁板體構架。
四、輕質壁板體部分
以中空水泥板作為牆版體的構造內襯版,2cm中空水泥板來作為牆板體的外壁板,在樓板部分則於PSB版及EPS硅化版之間處理隔震墊。

本創作特性:
本創作具有下列特性:
一、在輕質減重下,以降低主體結構建材的使用,達到環保的目的,符合全球構造減重之綠建築發展的趨勢。
二、在使用既有構材的規格加以整合,使其在空間造型、工程施工大幅提高運用的效能。
三、既有鋼構程式即可設計分析、既有鋼構工程人員即可參予施作、現有機械設備經調整即可生產。
四、牆版體與鋼架的組合效能,可進一步經由實測再提升運用的效能,若就其設定分析製成規範,並可辦理建築新技術、新工法、新設備及新材料認證。
五、牆版體與鋼架的組合,具備預組備料的特性,就施工精確度、工程管理及工期都具備相當良好的條件。
重要圖示說明:
1. 減震抗風基座及隔震裝置。
2. 熱軋型鋼及方鋼管、角鋼組成建築樑柱框架,再搭組負責抵抗水平橫力的冷軋鋼架壁版體及補強鋼板斜撐構件,構架整合圖示。
3. 樑柱牆板組合大樣示意。

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