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友善建築 在地深耕 探索人與土地和諧共處的空間營造之道

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建築專題
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竹構工坊〜友善建築走進常民生活與營建產業
發佈日期:2016-08-23

臺灣地理環境非常適合竹子生長,加上竹材具備堅韌特質,早年先民曾廣泛使用,包括平埔族及閩客族群,從建築到各式日常生活用品,竹子的溫潤質感與清香,可說是無所不在,後來逐漸被塑膠、鋼構等替代性材料所取代,開始與人類生活漸行漸遠,也造成遍布中部山區的竹林,多數呈現荒蕪狀態,殊為可惜。

呼應風土氣候的低碳建築 

全球暖化、極端氣候的問題日益嚴重,一直被視為高耗能、高汙染的建築業,選擇在地材料更是刻不容緩,我們認為臺灣應多鼓勵木、竹建築,才是最佳固碳行動,除了提高國內木材自給率(目前仍不到1%),臺灣盛產的竹子更應善加利用。

栽種人造林需花費數十年,才具有運用價值,竹子生長3到6年就能成材,臺灣竹林面積估計約佔人工造林面積一半,而竹林經過適度砍伐,更利於周邊其他竹子的生長,可說是取之不盡、用之不竭的自然資源。

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雲林草嶺石壁山區的人造竹林

早在八八風災之後,廣達企業為了支持災後校園重建找上大藏,一起協助瑞里國小重新興建圖書館,可說是大藏參與竹構築設計的開端。當時考慮偏遠地區適合輕構造,且對環境更友善,原本規劃一棟兩層樓有曲線的木構築,林百里董事長建議使用更在地的材料,因木材選項有限,才想到滿山遍野的竹林,期間做過很多討論、研究、試驗,包括成大結構實驗室的抗拉抗壓試驗,後來雖然因土地問題而停擺,卻累積不少可貴的經驗。

近年隨著環保意識高漲,國內外有心人士也開始投入這項傳統材料的研究推展,發現竹材不僅強度高,可達到鋼材的70%,是良好的結構材,碳排放量極小,僅約鋼構造的2%,可說是碳足跡最小的建材。

2011年,雲林農博公園的竹造設施,則是大藏低碳創新行動的真正落實,我們將農博基地當作竹構築的大型實驗場所,思考農博的核心價值是人、土地及農作物,目前的文明生活方式不可能持續很久,在地材料的運用變成設計主軸,而雲嘉南投一帶是竹子產地,也是竹產業聚集的地方,材料及技術相較容易取得,希望創造在地建材和在地建築產業的良性需求,協助國內竹產業振興,而竹林的良善經營也可達到碳吸存、碳保存的良好功效,可說是一舉數得。

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大跨距的入口棚架如大鵬展翅,對民眾張開歡迎之翼。

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上漆保護的竹材可避免陽光直射

創新的竹構築實驗 

常設設施如大門入口棚架、餐廳、廁所及碳匯林場、營運設施兩個臨時展場設施,均利用竹材作為主要結構材,以下逐一說明這些作品的設計特色。

入口棚架是一座結合竹材及鋼材的大型桁架結構系統,竹材選自雲林草嶺石壁地區(海拔約1200公尺左右)的孟宗竹,跨距達14公尺,曾創下國內竹構的最高紀錄,其實當時並非刻意,只是單純因應公園設施的需求,也證實竹子確實有此能耐,竹子端部的接頭則利用不繡鋼索纏繞及高拉力螺桿結合局部水泥灌注,形成穩固的固定端,每支接頭可以承受10噸以上的拉力。

微笑餐廳則是以傘狀的幾何形體作為概念發想,利用竹材可以彎曲及張力特性,以孟宗竹材上下兩層斜向交疊,形成編織交錯的屋架結構,展現竹子優異的韌性,也希望盡量降低建築量體對於景觀視野的阻礙,同時提供足夠的室內空間。

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微笑餐廳位在人工濕地水畔旁

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空間設計以傘作發想

竹構廁所的設計採用各自獨立的竹構樑柱屋面系統與清水杉木紋牆面系統,形成自由通透的結構平面配置,竹構樑利用多支竹材上下錯位相疊以螺桿穿孔鎖固,形成較深的樑斷面支撐上方花旗松木桁條屋架,樑柱部分採用最普遍的螺桿型式固定。透明的屋面板及懸掛的桂竹天花,隨著日光逐漸偏移,形成柔和、緩緩移動的光影灑落地面,帶來愉快明亮的自然天光,有別於一般陰暗潮濕的使用環境。

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碳匯林場是一組形式簡單、重複組合的棚架所組成,由竹柱撐起屋架和屋面,以垂直水平的構架及層層上揚的斗栱營造中國風意象,竹樑柱的接頭採用最普遍的螺桿型式固定,竹材穿孔後直接螺母鎖固,螺桿鎖固的位置以特製的弧形墊片分散表面力量,避免產生應力集中的結構破壞行為,工法相較簡單,推廣更為容易。

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碳匯林場與公園環境自然融合

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從中國傳統斗栱概念出發

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層層上揚的垂直水平構架

營運設施是用雙拋物線、雙層竹構屋頂搭建出簡單且高效率(竹材用量少、跨距大)、環保的臨時設施物,搭配可回收之自然材料(稻草、柳杉、疊蓆等)為基本元素,竹構架全部都是可拆卸的構件所組立,可逆還原,未來若有損壞亦可單支抽換。

現代化、標準化、快速搭建構架系統 

農博公園竹造設施歷經多次颱風、地震,依然屹立不搖,充分證明竹子的堅韌特質,也讓我們對這項材料增加不少信心。

近年來,我們總不忘找機會為竹子發聲,2015年,大藏竹構築首度落腳都會公共空間,從鄉野轉向都市的民眾招手,位於臺北市客家文化主題公園的竹棚架,座落在臺北市客家文化主題公園主要廣場通往後方公園綠地的通道上,輕易化身都市廣場進入社區公園的入口意象,成為假日市集及活動的舉辦場所,為過往民眾遮雨蔽日,這座特殊地景試圖轉變都市的天際線,也成為我們竹夢大願的另一次具體實現。

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臺北客家公園竹棚架化身都市廣場進入社區公園的入口意象

客家族群擁有刻苦耐勞、堅忍不拔的「硬頸」精神,就像竹材具備堅韌耐用特質,而客家人勇於開拓、不斷進取的天性,更如同不斷匍匐生長的竹子地下莖一般,本案完全以竹材作為主角來發想,自然的竹材不僅得以展現傳統工藝之美,也呼應客家族群堅忍不拔、勇敢進取的傳統精神,可說是相得益彰。

竹子強韌的縱向纖維以及中空有節的特性,非常適合成為只承受軸力的桁架系統,為此我們設計出一款簡單的桁架竹棚,可以標準化、系統化、快速搭建的竹構架系統,用傳統的構築精神結合現代化的作法,希望更有效率的運用竹材,而標準化的接頭不僅增加強度,也克服竹材大小不一的難題,所有構件未來都可拆解更換或回收再利用,可說是客家勤儉生活的最佳實踐,讓地球資源得以生生不息。

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本案使用最新一代竹接頭,不僅增加強度,更具環保意識。

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竹編天花板營造自然光影

結構材料選用來自臺灣西部中海拔山區的孟宗竹,經過煮沸殺青的竹材,裁切成合宜的竹桿,再組合成一架架單元構架,只見修長筆直的竹構與一旁綠樹相輝映,散發出兼具時尚與質樸的自然美感。此外,邀請工藝師運用亂編技法製作竹編天花板,呈現既傳統又創新的竹工藝,當陽光透過竹皮編織屋頂,創造自然光影,帶來步入森林的美好感受,可協助整體氛圍的提升,也營造出一段自然材料與友善建築的美好對話。

不論白天或夜晚,讓過往民眾得以重新領略竹工藝的美好,可說是絕佳的環境教育大型戶外展示,不管從生態、文化、美學等角度,都有機會見識竹材的各項優點,提醒著世人重新思考竹子與人類生活的密切關聯,進而協助國內竹文化的復興,也為地球生態環境保護盡一己之力。

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希望竹構築逐漸取代鐵皮屋,成為民眾活動或遮風避雨之處。

2015年,我們進一步成立「常民居工程有限公司」,主要負責竹構施作,對於這項自然材料,從選材、處理、存放及實際施工等過程,我們就像不斷付學費的學生,從無數嘗試中慢慢累積經驗,期許能為竹構建築的推廣開啟一扇窗,也提供未來整體資源運用的新方向。

因為碳匯林場的竹材已開始出現黑斑,提醒我們必須繼續研究竹材的處理方式,希望可以不用化學處理、不塗裝石化材料,又能避免發霉等問題,在農博竹構築之後,我們才嘗試出無毒安全的高溫處理,得以控制竹材的乾燥度、及表面些微碳化,並加上蜂蠟亞麻仁油塗裝,目前效果已經相當良好。

而竹接頭設計經過多年改良及試驗,每次結構試驗破壞點都是在接頭,不在竹材,竹材優異的結構性能無庸置疑,所以在農博竹構築之後,我們繼續發展不同型態的竹構設計,希望朝向更簡單、更有效率的構架型式,及更環保、低成本的接頭設計。

後續有喜愛自然材料、但不想使用高成本木材的業主,邀請我們設計更多元的竹建築,期許竹子日後可以成為常民使用的構築材料,真正落實建築材料在地化,也讓地球資源得以生生不息。

未來,我們希望讓竹構築逐漸取代常見的鐵皮屋,成為一處處鄉村住宅、農業設施或是活動空間,重現早年農村竹圍風貌,也重建竹林與農村生活的永續循環,持續帶動竹材與竹工藝及建築產業的良性互動,讓這項遍布臺灣山林、既在地又健康的材料,有機會成為國內低碳建築的大功臣。


附錄一〜不斷改良、試驗的竹接頭

早在雲林農博公園設施規劃之初,考量傳統竹建築費工、形狀影響設計的限制性高,是逐漸被歷史淘汰的原因之一,我們捨棄傳統技藝作法,希望竹材能跟鋼材一樣,發揮良好的結構性能,且能跟各種不同的材料作接合。期間碰到最大的問題是每根竹子尺寸不同,必須運用一些簡單工業化的材料,讓接頭標準化,施工相較容易,才能被大量使用。竹子端部的接頭部份,利用不繡鋼索纏繞及高拉力螺桿結合局部水泥灌注,經過充分試驗,每支接頭可承受10噸以上的拉力,足以形成一個非常穩固的結構系統。

從2011年起,大藏開始投入竹接頭的研發、實驗,希望朝向工業化、標準化的應用,不僅增加強度,也能減少施工費用、縮短工時,經過不斷改良、試驗,演化至今已超過10代以上。

臺北市客家文化主題公園的竹棚架,就採用最新式的竹接頭,相較前幾代更顯環保,造價也大為降低,無需再靠內部填裝水泥銜接端部鐵件,只利用不繡鋼纜線來纏繞,將竹接頭越拉越緊,可說是傳統綑綁的創新作法。

日前經實驗室測試,1個新式竹接頭可承受2.7噸的拉力(軸力),每架各設計8個竹接頭,估算6架總計48個接頭,大約可承受130噸的拉力。而竹接頭還有另一項功用,它能預先防堵破壞,竹材雖然堅韌,卻有容易劈裂的缺點,竹接頭可在竹材劈裂前先給它一個束起來的力量。

附錄二〜竹構耐候持久面面觀 

世人對竹材的耐久與安全性,始終存有疑慮,雖然竹子有其適用限制,如無法做到防火建築,形狀成為設計上的限制等等,其實竹材經過適當安全的保存處理,加上合宜的深出簷設計,竹構建築壽命可長達30〜50年,再加上竹接頭設計不斷改良,能有效率地發揮竹材特性,不僅工法施作容易,也減少容易損壞的缺點。而為了竹構的耐候持久,從竹材處理到設計過程,必須考量每一個重要環節,以下就竹材保護措施、耐候設計對策,詳細說明適當的作法。

一、 竹材保護措施

  1. 竹材搬運:竹材表皮有水密保護作用,砍伐後不能在地面拖動,必須由兩人一組抬動,避免表皮受傷。
  2. 煮沸殺青:去除表面污漬及內含澱粉(糖分)。
  3. 高溫乾燥:以漸升溫至110℃乾燥,於三天內將所含水分(含水率)從大於50%降至12%。
  4. 材料存放:以直立式置放在陰涼遮蔽處。
  5. 油漆封存:加工完成後,在切斷面塗上油性漆形成水封。
  6. 包裝材料:以PVC袋包裝,防止組裝過程或運送途中因人為或天候因素,影響材料品質。

二、 耐候設計對策

  1. 深出簷比例:避免陽光直射及雨水淋濕,參考哥倫比亞著名竹構築,以及日本、中國的古老佛寺,採用高度與出簷為3比2的比例作為設計標準。
  2. 簷口保護:為避免重蹈早期民居失敗經驗,將特別容易受潮的第一層竹桿外端,以護木油或油性漆充分塗抹,防止水份浸潤。
  3. 柱礎材料:以鐵件(熱浸鍍鋅)與混凝土基座接合,防止水分經由毛細作用傳導至竹材。