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木結構建築使用木桁架系統的優點

在台灣建造木造房屋一般都採用椽條或是人字樑作為屋頂結構,當居住空間寬廣或是有大跨距空間彈性運用的需求時,椽條必須使用較大斷面尺寸的結構材,隨著大徑原木供應減少及價格提高之趨勢,以木桁架系統作為屋頂架構則成為選項。木桁架結構對外力之傳遞是採用拉伸力或壓縮力形式,木材對此種軸向力的承載效果甚佳,進一步可以採用較小尺寸木材,不若抗彎承載需要大斷面木材。

木桁架系統對木材加工業者而言,其優點:第一是可利用中小徑人造林木以取代大徑原木降低成本。第二是使用小尺寸木材可經過乾燥控制含水率,品質穩定,減少大斷面木材難以乾燥而發生劈裂扭曲之缺點。第三是可提高利用率,取得小尺寸製材品之原木直徑限制低,製材時之製品利用率也較大尺寸製材品為高。第四是有效利用木材,木桁架在承載外力時,不同部位構材受力大小不一,可以分別運用不同強度等級之木材組合成木材,減少低品質木材之浪費。第五是可以透過客製化工廠預組生產製造,經結構分析後進行生產,提供設計者所需之木桁架尺寸、形式及數量,此種專業生產可降低成本。

對木造房屋業者而言,使用木桁架系統可以減少木材使用量,可以加大住宅單一空間跨距至7~12 m,可以有剛性較佳之屋頂系統,屋頂空間管線配置作業方便,桁架施工安裝迅速有效率,室內空間規劃具運用彈性,採用工廠預組桁架品質穩定等諸多優點,在北美地區由於工地工資昂貴,以及大空間之需求加大之趨勢,超過90%的住宅屋頂構架均已採用桁架系統。

一般木造房屋所採用的木桁架系統有兩種,一是應用於斜屋頂的桁架系統,最常見的是哈威式桁架及芬克式桁架,用作屋頂主體結構,在加大天花板下方空間時亦有採用剪刀式桁架。在端牆或門廊屋頂端牆則採用山形桁架或中柱式桁架。另一是應用於平屋頂或是樓板的平行木桁架系統,常採用華倫式桁架,平行桁架除了上下弦桿材採用小尺寸木材外,中間斜桿亦常見採用金屬桿件複合的系統。

在日式房屋住宅中,其屋頂可區分成和小屋及洋小屋兩種,後者即為桁架型式之屋頂。除了在住宅結構外,木桁架系統更廣泛應用在廠房、辦公廳、體育館、商業空間等大型空間的屋頂,用以避免過多支撐木柱的空間設計限制,除了上述常見的木桁架型式,大型木構造亦常採用造型美觀的弓型或是派克式弧型桁架。為簡化大型桁架的施工,常有複合以鋼纜作為拉伸構件之各式組合桁架系統設計。

大型木桁架亦常可見於道路橋梁之設計,如石岡情人橋則是長40 m之弓型木桁架,以花旗松結構用集成材作為桿件組合而成,其下弦桿材之斷面只需273×457 mm。在挪威的富里莎以弓型桁架建造之182 m木桁架橋,其最大跨距達83 m。在日本宮崎西米良木橋,可通行25噸卡車,其全長140 m,最大橋墩跨距為48.5 m,即是採用簡單三角形之桁架結構。一般木桁架系統是採用平面桁架,具有設計簡單及施工快速之優點,在德國慕尼黑所建造之汽車、行人兩用木造橋則是採用空間桁架系統支承橋面,透過七座橋墩之跨距橫越河川,桁架的各個節點則可接合多達8支的木桿件。

文章提供:葉民權教授

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