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建築研究簡訊第109期

  • 日期:109-09-26
主題報導李其忠
赴美國參訪考察木結構建築法規及實例

一、前言

美國在台協會農業貿易辦事處(以下簡稱AIT/ATO) 為促進木構造技術交流,邀請本所及營建署與台灣木結構工程協會等相關單位,參訪美國工程木材實驗中心、木構造建築法規制定單位及參觀木構造建築實務設計案例,以瞭解美國有關木結構設計規範應用實際情況。本所近年因應減少碳排放節能永續政策展開木構造之工法、技術及法規規範相關研究,其中包括木構造防火實驗及木構造設計施工技術研發,藉由本次參訪可蒐集有關美國木構造建築之設計技術、規範發展近況,對於推動木構造及提升技術及建築法規有關木構造部分條文之研擬將有所助益。並透過參訪美國木構造相關實驗室,就木構造建築防火與耐震之研究成果,進行相關之技術交流及經驗分享。

二、過程

本次出國時間為108年8月10日至8月19日奉派由李其忠副研究員及黃國倫助理研究員參加,主要的參訪機構為美國緬因州大學先進結構與複合材料中心(University of Maine – Advanced Structures and Composites Center (ASCC))、美國農業部林產實驗室FPL (Forest Products Laboratory)及美國工程木材協會APA (The Engineered Wood Association )等三個單位,前者為學術研究單位專注在木構造材料與技術研發與應用,而後兩者為技術導向的機構,此外拜會麻薩諸塞大學阿默斯特分校John Olver Design Building,參觀建案—New Land Enterprises公司及木構造建築實例參訪,對於美國在工程木材的品質認證制度、試驗方法及安全性能(結構、耐震、防火及防腐等)以及相關建管法規,有相當認識。就參訪機構與木構造建築實例簡要說明如下:

(一)美國緬因州大學先進結構與複合材料中心(ASCC)

緬因州大學先進結構與複合材料中心(University of Maine – Advanced Structures and Composites Center (ASCC)) 成立於1996年,提供林產、土木及機械等領域合作,涵蓋材料科學、製造、複合材料與結構工程,已為超過500家公司和政府部門提供服務。產學合作部分,除美國農業部派員在該中心執行接受農業部經費的研究計畫,其他聯邦政府部門補助的計畫,如國防部耐爆炸和颶風的木結構建築的塗層木技術的發展,NASA委託之複合材料(木材加其他纖維)應用於太空研究。目前直交集成板(Cross Laminated Timber,CLT)研究為複合CLT,即規格材加定向木片集成材(LSL),利用兩者抗彎與抗剪強度予以組合,提升CLT抗彎與抗剪強度。

 

(二)美國農業部林產實驗室Forest Product Laboratory (FPL)

FPL於1910年成立,為美國木材技術研究中心,80至90%經費由美國農業部編列,其餘由美國聯邦政其他部門、各州政府、產業協會和民間公司支應,經費支出用在實驗室研究計畫和與其他大學、協會合作研究計畫。直交集成板(CLT)現為該實驗室重要研究項目,與各大學合作研究CLT 的耐震設計R值研究,2014年先進行小型構件的耐震性能實驗,如牆體,2020年將在加州大學聖地亞哥分校(UCSD)利用其全球獨特之戶外振動台,展開10層樓全尺寸CLT建築物耐震性能實驗,並不含火害實驗,目前正進行其相關數值模擬分析,2018年曾進行2層樓的CLT全尺寸火災實驗。

 

(三)美國工程木材協會(APA)

APA為一非營利國際性的組織,1933年成立,總部設於華盛頓州的塔可馬市(Tacoma),目前有175家會員工廠,生產北美製造的結構木板產品,及工程木材產品,其中包括集成材,直交集成板(CLT),木材工字樑和結構複合木材(SCL)。也是全球最大的結構工程木材產品的品質認證機構,同時被美國、加拿大、日本以及歐盟的建築法規或產品標準組織所認證,並參與ISO等國際標準委員會。另APA發布結構用合板(PS1、PS2)及7本美國國家標準(包含直交集成板、集成材及緣板等),參與建築法規制定,如IBC、IRC、IECC及加拿大建築法規。

 

(四)麻薩諸塞大學阿默斯特分校John Olver Design Building

John Olver Design Building於2017年1月完工,興建總經費為5,200萬美元,樓地板面積為87,500平方英尺,4層樓,採用CLT結構,減少碳足跡, LEED金牌認證。該建築物是50%以上的木製品來自可持續採伐的森林,並經過森林管理委員會(FSC)認證,包括直交集成板(CLT),集成材柱梁框架和集成材支撐框架、CLT剪力牆,CLT複合地板系統。與傳統鋼構和RC建築相比,節省超過2,300公噸二氧化碳。此外,中庭以木材和鋼複合zipper桁架支撐屋頂和屋頂花園及雪載重,桁架跨度大約40英尺,無需中間結構柱。

 

(五)參觀New Land Enterprises公司之木構造住宅建案

New Land Enterprises公司位於威斯康辛州密爾瓦基(Milwaukee),在密爾瓦基推出第1個採用輕鋼構及大型木構(Mass Timber)的建案, 2020年興建23層樓木構建築物,其中底部6層樓為鋼筋混凝土造,7至23層樓為大型木構(Mass Timber)造,預計2022年初完工。並現地參觀位於Bay View的木構住宅建案,本建案有140間公寓,16,500平方英尺的商業空間,184個停車位,建築總面積為226,000平方英尺。

 

(六)木構造建築實例參訪

1.Patrons Oxford Insurance Offices:全國綠色環保建築獎,採用集成材樑和柱的大型木構(Mass Timber)造及部分鋼結構。

2.波特蘭國際機場(Portland International Jetport):波特蘭國際機場位於緬因州(Maine) Cumberland波特蘭市以西3公里,佔地293公頃,是該州最繁忙的機場,機場的特色是採用南方松的集成材大、小樑,桁條及由大型金屬支樹柱支撐的舌榫式木板屋頂平台,LEED金牌認證。

3.瓦爾登湖遊客中心(Walden Pond Visitor Center):瓦爾登湖位於麻薩諸塞州東部的康科德鎮,佔地25公頃。零耗能建築,全木構造, LEED金牌認證。

4.布里特中心(Bullitt Center):位於西雅圖, 2013年完工,全世界第1棟零耗能建築。6層樓建築物、52,000平方英尺,採用集成材樑 與柱、2 × 6木材樓地板,2 × 4木材屋頂,獲得“居住建築挑戰(Living Building Challenge,LBC)”認證。

三、心得與建議

(一)心得

本次考察為透過美國在台協會(AIT)農業貿易辦事處及APA的規劃,瞭解近年來國際上對Mass Timber積極推展不遺餘力,其中又以直交集成板(CLT)為最大宗,CLT優點為強度高、預製化程度高、耐火性能佳及結構性能好,相對於混凝土可縮短施工時間及建築物重量輕。此外,木材為可再生資源且能降低碳足跡,藉由木構造可將木材的自然美表現的一覽無遺,還有讓人有鎮靜的效果。是故對於木構造之工法、技術及法規規範的研究與修訂,應有創新與前瞻的作法。

(二)建議

1.規劃直交集成板(CLT)相關研究(防火、抗風及耐震):直交集成板(CLT)為新世代的建築材料,如同特斯拉電動汽車,目前為國際積極發展新領域,還有許多可以進行研究的課題,如直交集成板(CLT) 的耐火性能受到材種、板材厚度、層數、黏著劑、載重條件及升溫曲線等影響, 數值模擬建立。

2.引進木構造防腐、防潮及防蟲技術:美國木構造技術對木材保護,如防腐、防潮及防蟲已趨完善,應能符合國內建造及維護木構造建築之各項需求,若能將相關技術適時引進,可對國內木構造建築發展帶來可觀之優良影響。

3.木構造採用混合式構造:考量木構造建築防火安全,可採用混合式構造方式,例如鋼構與木構或鋼筋混凝土與木構等,本所108年協辦案「木構造建築物高度、樓層數相關設計規定檢討研究」業已提出其相關建議規定。

4.建置全尺寸木構造屋進行真實火災實驗:木構造建築防火性能為一般人所疑慮,建議可與國內產官學研及APA等單位合作,在防火實驗中心的戶外實驗場進行,邀請國內相關產官學研及銀行保險業者參觀,藉以增進對木構造建築防火性能的知識與了解。

圖1. 與美國緬因州大學ASCC及AIT/ATO人員合影

圖1. 與美國緬因州大學ASCC及AIT/ATO人員合影

圖2. FPL的 Zhiyong Cai博士介紹複合材料實驗室儀器設備

圖2. FPL的 Zhiyong Cai博士介紹複合材料實驗室儀器設備

圖3. 與美國APA及AIT/ATO人員於APA總部合影

圖3. 與美國APA及AIT/ATO人員於APA總部合影

圖4. John Olver Design Building之集成材柱梁框架、集成材支撐框架和zipper桁架圖4. John Olver Design Building之集成材柱梁框架、集成材支撐框架和zipper桁架圖4. John Olver Design Building之集成材柱梁框架、集成材支撐框架和zipper桁架圖4. John Olver Design Building之集成材柱梁框架、集成材支撐框架和zipper桁架

圖4. John Olver Design Building之集成材柱梁框架、集成材支撐框架和zipper桁架

圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形

圖5. New Land Enterprises公司人員介紹木構住宅建案及施工情形

圖6. Patrons Oxford Insurance Offices外觀與內部圖6. Patrons Oxford Insurance Offices外觀與內部

圖6. Patrons Oxford Insurance Offices外觀與內部

圖7. 與美國Portland國際機場人員合影與機場內屋頂梁及桁條結構圖7. 與美國Portland國際機場人員合影與機場內屋頂梁及桁條結構

圖7. 與美國Portland國際機場人員合影與機場內屋頂梁及桁條結構

圖8. 瓦爾登湖遊客中心(Walden Pond Visitor Center)外觀與內部圖8. 瓦爾登湖遊客中心(Walden Pond Visitor Center)外觀與內部

圖8. 瓦爾登湖遊客中心(Walden Pond Visitor Center)外觀與內部

圖9. 布里特中心(Bullitt Center)外觀與內部圖9. 布里特中心(Bullitt Center)外觀與內部

圖9. 布里特中心(Bullitt Center)外觀與內部