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從結構到構造
指導老師：楊裕富 學生：曾羿華 一、前言 “建築”以什麼方式來滿足我們的需要呢？當然結構是建築中最基本的構件(component)。若沒有結構就無法保持材料的形態，若無法保持形態也就無法發揮內部組織的機能。一棟建築物必須能抵抗風雨、雷電、地震…等災害，它可以沒有裝修或設備系統的存在，但沒有結構的話，建築就不能夠存在。本文試圖從歷史發展去瞭解結構與構造的基本原理與種類。 二、結構與構造的歷史發展 人類基本需求是用以遮風避雨和防止野獸侵襲的構築物。人類最初用樹枝、獸皮、泥土、石塊搭建最簡單的棚舍，古埃及人在石塊開採之前，很少有適宜的建築材料，他們只能用棕櫚樹幹和蘆葦束建造房屋，外面塗上河泥。 約西元前2500~前1500年在歐洲已經有用劈開的樹幹或木板作牆，並用木柱支撐房頂，平面為長方形的房子。木框架建築是在木柱間作泥笆牆，使用木料較少。古希臘人在磚石建築上顯示了他們卓越的才能，無論在技術或藝術方面都達到極高的水準。 十二到十六世紀中葉在歐洲盛行的哥德式建築，主要是在大教堂中採用磚石肋拱結構，並創造了飛扶垛以抵消拱頂的側推力，不但在技術方面有著輝煌的成就，同時形成絢麗多采的風格。西元120~124年建造的萬神廟，磚石結構的穹窿頂其直徑達38米，是古羅馬建築的一項重要成就，解決了在方形平面上建造穹窿頂的問題。 十八世紀產業革命後，鋼鐵在建築結構中嶄露頭角，出現了金屬結構，開始了現代結構材料和方法的發展。大型城市建築的新形式和新技術大部分創始發展於美國芝加哥。 現代混凝土結構始於1871年，當時美國人D.塞勒申請了一種矽酸鹽水泥的專利權，建立了生產中心，並系統地研究了它的物理和結構性能第一座鋼筋混凝土建築是1871~1876年建於紐約的一幢住宅。第一座鋼筋混凝土摩天樓是1902~1903年建於美國俄亥俄州辛辛那提的16層的英戈爾斯大廈。鋼筋混凝土無梁樓板結構使豎向空間中完全免掉梁、柱頭或其他結構細部，達到了最大的簡化，從而敞朗明快。 第二次世界大戰後在歐洲出現的建築體系，即成批生產的預製裝配房屋是近年來建築業最重大的革新。從構件來說，建築體系可分為構件可與其他體系互換使用的通用體系和構件只適用於本體系的專用體系。從構造來說，可分為以牆、頂和地板的某種組合為單元，常在工廠預製的箱形體系，使用承重外牆、承重橫牆或承重內外牆結合的大板體系和幾乎包括任何使用幕牆的建築的框架體系。  對建築設計者來說結構的知識是最基本的，也是相當需要的，而結構的正確性更有助於建築之美。 木構造 磚石構造 鋼鐵構造 三、結構的基本原理與種類 結構本身必需是方向的衝突，這種衝突須加以解決，期能為人類的生活及工作製作所需的空間。若衝突不在將使結構系統成為多餘，然而大地的引力是建築結構的主要要素，若沒有地心引力，那地球上有形的各種結構與技術就失去意義亦不可能存在。然而，地面上的建築物均有重量，且不論物體與大地的連接或物體與物體的連接，均成為結構的問題。所以，結構系統跨越空間的因素，不單是為了重量問題，還有人類活動與地球引力間存在的基本衝突問題。 結構設計是“一種以智慧去策劃如何抗衡複合力量的力學系統”的策略。其所應具有的知識，包括： a.瞭解促使各種力量改變其方向的有關知識； b.瞭解結構上跨越空間與抵抗變形的知識。 循著這種途徑，不但可以增進結構方面的有限知識，亦可確立一個簡單並令人信服的建築結構系統組織，可將其分為平面與空間結構系統兩大類： （一）平面結構系統： (1) 剛構架結構系統──結合壓力構材、拉力構材、彎曲構材利用剛接方式形成一體，以承受自重及抵抗外力。 (2) 外殼式結構系統──又稱管式結構。利用建築物外周密集配置之柱組成排面構架，形成一種高勁度之外殼以抵抗橫力作用之水平變形。 (3) 桁架結構系統──以水平構材、垂直構材及斜材利用鉸接組成三角形單元，並將該單元形狀連續成平面構架，各部構材基本上僅承受軸力，所以可達成最小之經濟斷面，構架亦可輕量化。 (4) 拱結構系統──利用“∩”之幾何形態承載外力及自重，因構件以承受軸向壓力為主，其力學性向與“∪”形懸吊纜索之學理相同，形狀凹凸恰好相反，兩者均以承受軸力為主。 (5) 核心式結構系統──將貫通建築物上下部分之電梯間、樓梯間、配管空間或各樓共通之廚廁空間等，在平面加以集中，並利用承重牆配置成合理之平面核心以利抵抗水平橫力作用。 (6) 壁式結構──利用牆壁材作為主要構造要素，代柱梁等線材之結構方式。 (7) 版式結構系統──利用ＲＣ版厚度加以變化，使其能支承版自重之一種節約式構造。 （二）空間結構系統： (1) 空間構架系統──包含立體桁架與立體構架兩大類。可分為雙重格子式空間桁架系統、斜撐式圓頂及筒形系統、應力膜系統建築物。 (2) 懸吊式結構系統──利用繩索兩端固定所產生之懸垂線，繩索自重沿此曲線傳至固定支援端。依傳遞機能可分為單向懸吊屋頂系統、只向懸吊屋頂系統、放射狀懸吊屋頂系統、複合式懸吊屋頂系統、懸吊樓板系統等五種。 (3) 折板結構系統──利用折紙之原理，將板構材作成傾斜屏風狀或金字塔狀之連接體，使其具有剛性抵禦外力及載重之構造方式，其主要以ＲＣ構造居多。依版之形狀及力學特性可分為角筒折版系統、角錐及三角形折版系統建築物兩種。 (4) 薄殼結構系統──利用貝殼或蛋殼之被覆原理，以薄膜狀殼物作成曲面狀，利用其立體剛性承擔自重並抵抗外力之構造方式。依其形狀狀、適用範圍及力學特性可分為長筒薄殼系統建築物、短筒薄殼系統建築物、球形回轉面薄殼系統建築物及Ｈ.Ｐ線織面薄殼建築物四種。 (5) 帳篷結構系統──利用具面擴性膜材料，配合膜曲線面剛性確保方法組成之構造方式。依膜的支承方式可分為膜方式帳篷系統與線網方式帳篷系統。 (6) 氣囊結構系統──在氣囊內注入較外氣壓力稍高之內壓，使氣囊膜表面產生拉力作用，膜面呈剛性現象而能自立。一般可分為空氣支承式系統與空氣膨脹式系統兩種。 薄殼結構系統 薄膜結構系統 四、構造的基本原理與種類 “試著走進建造現代建築物的機具和工法中，或者停留在簡單的構造過程裏，直到你可以很自然地開始著手建築為止－－設計出構造的本質。”……Frank Lloyd Wright，1931 建築設計者可以採用無限多種材料和許多不同的結構系統，來創造想要的建築造型和質感，亦可避免受到特定物質限制所約束。參與營建工作的人，必須要對人、氣候、建築材料的行為和原則、建築技術、法令限制以及施工順序…等有一廣泛認識，才能建造出一棟建築物。所以，建築的構造是在談建造材料的技術，包括材料的種類、特性及運用在建築上的方法。以下將依建築構造的種類及構成單元分別說明。 建築構造的種類，依構材分： 1.木構造(wood concrete)──建築物的主要構造如柱、梁、樓板、牆等以木材構築者。 2.磚構造(brick concrete)──建築物以磚、空心磚等迭砌而成。 3.石構造(stone concrete)──以石材為主所堆砌而成的構造物。一般施工將磚造與石造合稱為圬工構造。 4.鋼筋混凝土構造(reinforced concrete)──簡稱Ｒ.Ｃ構造，以鋼筋與混凝土所構築的構造物。其組合的原理是以鋼動紮成框架，組立外形範本，然後于模皮內澆置混凝土，待乾燥後形成一堅固的整體構造物。 5.預力混凝土構造(prestressed concrete)──使用高強度預力鋼腱埋置於混凝土中，於構材承受載重前預施拉力，使構材的抵抗強度增加，可使構材斷面減少。 6.鋼構造(steel concrete)──建物主體利用各種斷面的型鋼拼組構成，並配合混凝土板、金屬板或其他防火被覆材料而成的構造形式。 建築構造的構成單元，可歸納成以下幾個： 1.基礎(foundations)──建築物最基本的構成部分，其功用是將上部結構物的載重均勻傳達到地盤。 2.牆(wall)──牆是建築物垂直方向的構造體，用以區隔建築物內外空間。 3.樓板(floors)──房屋內水平構造物，用以分隔建築物的垂直空間，其載重由梁及柱負擔。 4.天花板(ceilings)──房屋內上部的水平構造物，用以掩蓋樓層內部水平空間。 5.屋頂(roofs)──建築物頂部的構造物，用以防止風雨的侵襲。 6.樓梯(stair)──用以連通不同樓層間垂直交通的構造物。 7.門窗(door & windows)──建築物牆身開口部分的構造物。 8.裝修(finishing)──建築物細部裝飾的構造物，分內、外裝修兩部分。 五、結論 建築從結構到構造，是一門建築專業學科的基本知識，為了瞭解結構系統的知識，不必拘泥於尺度與建築材料的種類，但要瞭解構造系統就不得不去認識建築材料與尺度。結構系統的基本機能，在於獨立的構成尺寸或構成結構體的材料；構造系統的基本原理是建造材料的技術，並論及材料的種類、特性及運用在建築上的方法，瞭解構造系統是為了要創造更好的建築造型與質感。 六、參考書目 1.劉嘉昌 譯，“建築結構概念”，台隆書店出版 2.鍾英光 譯，“結構系統”，茂榮圖書有限公司印行 3.布正偉，“現代建築的結構構思與設計技巧“，博遠出版有限公司 4.王宗年，“建築構造原理及應用”，臺北斯坦出版有限公司 5.呂以甯、張文勇 譯，“建築構造的基本原則”，六合出版社印行 6.吳卓夫、葉基棟，“營造法與施工”，茂榮出版社 |
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