一棟房子的重量

我們知道自己的體重幾公斤,也知道車子的重量約1~1.5噸,小貨車總重3.5噸,大貨車總重可達30噸。車子的重量比乘客體重總和多好幾倍,因為車子必須乘載人與貨物,以一定的速度運行,在這種受力的狀況下,車體要有強度才不至於在高速行駛中解體,還必須承受一定的衝擊力,以保護乘客安全。

房子也一樣,乘載人體、家具與設備等,還要承受風力、雨雪重量與地震,所以房屋像植物一樣是”種”在地上的,一般透天厝基礎深度約1.5~2公尺、公寓大廈約10公尺,當房屋蓋在地層不穩的地方,例如土壤液化區或順向坡,就會因為外力的影響而造成傾斜或位移。能抵抗七級地震的核電廠,先向下挖基礎,再將基樁打入基礎下方的岩盤,基礎結合基樁以確保建築結構最小的變形。

雖然房屋可以是鋼構、木造等,但是基礎一般以鋼筋混凝土(Reinforced concrete)建成,重量為每立方公尺2.4噸。一棟四層樓透天厝總共需要10台混凝土車左右,一台車10立方公尺容量,10*10=100立方公尺重量約240噸,加上其他材料,這棟透天厝約250~300噸。相較於水的重量每立方公尺1.0噸,鋼的重量每立方公尺7.85噸,木材每立方公尺0.5噸,而玻璃則是每立方公尺2.5噸。

鋼筋混凝土


水泥主要原料是石灰,與水混合後硬化。水泥與砂混合製成水泥砂漿,在五千年前的金字塔中也有它的蹤跡,從古代就是作為接著劑、填充劑來使用。水泥砂漿加入礫石稱為混凝土,羅馬時代經常使用,當時會在兩側堆積磚材做成模板,再以混凝土填充縫隙,做成厚重的牆壁,萬神殿的牆壁厚度可達1~2公尺,因為混凝土可以抗壓,卻無法抗拒拉力。直到法國人蘭伯特(Joseph-Louis Lambot)以加入鐵絲網的水泥砂漿試作了船隻,在1855年的巴黎萬國博覽會展出並獲得專利,這就是鋼筋混凝土(RC)的起源。

萬神殿 Pantheon in Rome

鋼與混凝土都是西元前就開始使用,但將兩者並用的劃時代發想,卻直到19世紀後半才出現,原來鋼與混凝土對於熱的膨脹率幾乎相同。1892年法國建築業者埃納比克(Francois Hennebique)提倡以鋼筋混凝土製作的柱樑系統,就是像桌子一樣的結構,柱子是桌腳、樑是底框,再放上桌面是樓板。柱樑系統進入20世紀後大量使用,因為不需要承重牆,一樓架空可對外開放,可打造水平窗室內較明亮,可做平屋頂,所以成為柯比意(Le Corbusier)倡導的現代新建築。

薩伏伊別墅,柯比意的代表作之一

鋼構


鋼的抗壓強度超過鋼筋混凝土10倍,抗拉強度更是超過百倍,因此使用較細的構材就能達到強度要求,所以大型建造物與超高建築大多是鋼構。世界上第一座鋼骨結構物為1779年在英國Coalbrookdale的鐵橋(The Iron Bridge),歷經240年的歲月依然屹立,當時作為運輸鐵礦石及煤炭使用,已登錄為世界遺產。在工業革命興起的英國,使用焦煤來提升高爐煉鋼的溫度,因此能夠大量生產鋼鐵。

鐵橋,英國 Coalbrookdale Bridge

鋼構能做成大跨距的建築物或橋梁,1889年巴黎萬國博覽會的機械館,就是以鋼製的三鉸拱(three-hinged arch)成功實現大空間設計,由三個可轉動的關節鉸接,靠著地面支撐力以及內力平衡的結構,跨距達115公尺。

巴黎萬國博覽會,機械館 Design by F. Dutert and Victor Contamin

三鉸拱也能用在RC結構,從1899年開始直到六十八歲生涯結束,馬亞爾(Robert Maillart)在瑞士設計了許多拱橋,其中大部分都是應用三鉸拱的形式,完成中央較薄的美麗拱橋。這些拱橋在世界美景瑞士溪谷上方,與周遭景致展現出十分和諧又完美的型態。他晚年為瑞士萬國博覽會設計的水泥館,實現了跨距16m、拱高16m且板厚僅6cm的拋物線拱。馬亞爾可說是將RC材料的可能性發揮得淋漓盡致的建築師與技術者。

賽金納特伯橋,瑞士 Salginatobel Bridge, Switzerland.

發表者:紛紛 FanFan

讀工程、喜歡藝術,目前在台灣南投經營民宿。

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