CN1439783A - 轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法，是以地震减能为基础，搭配消能隔震装置，上置轻质钢骨笼形骨架系统及填充轻质混凝土所构成的构造及其施作方式，通过经济的地震减能基础构造及隔震装置，经适度的组构而能满足建筑的支承要求，可以大量的减少天然资源的使用，而断面的减少除了增加净空间外，更可以将梁柱及版系统二元的整合应用，适度的配置各楼层的剪力墙，并减少楼层高度、楼梯阶数。依此方式，可以大幅改善既成钢筋混凝土或钢骨构造的问题，使低层建筑能在经济、快速的完成具安全、防震、防台、防火、高效能、隔热、隔音，并具环保效能的构造与方法，对于世界上民居住宅在“住者有其屋”的理想上将有重大的意义与贡献。

Description

轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种建筑的构造系统及方法，尤其涉及一种轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法，是以地震减能基础，搭配消能隔震装置，上置轻质钢骨笼形骨架系统及填充轻质混凝土所构成的构造及其施作方式。

背景技术

建筑构造物为提供居住或活动使用的空间，具有包被及支撑的特性，在不受外力影响下，为支撑活载重或建材本身的静载重，是可以用相当经济的方式组成。但是在考虑地震力的冲击时，为抵抗地震水平力，而大幅增加结构强度的要求及材料的使用，尤其在一昧的增加断面的概念发展下，造成建筑构造费用的居高不下，也大量的耗损天然资源及造成环境的破坏。

天然界最大的外力破坏为地震，地震以其震波能量所产生的动力加速度，作用于建筑物的重量，当重量越大其产生于构架的地震水平横向力就越大。传统的砖造、钢筋混凝土造、钢骨混凝土造，均因本身自重过重，不经济外又不利于地震。这些时下应用的传统构造，以硬碰硬的方式来处理建筑物构架的组成，及对建材材料强度的要求，而忽略在过多建材的使用时，因其自重的增加及基础构造的过于刚性，而形成地震能量传递的媒介，甚而因为地震力的连续冲击，而产生能量转换成构造体内内应力的传递，如扭力、弯矩及共振放大效应，因而造成建筑物损坏，如同人的体重过重时所产生的健康问题一样，构造物的赘体是一般人所忽略的问题！

重要建筑物如医院、高层建筑、桥梁…，对建筑安全性及经济性的需求迫切，使得近年来韧性构造的应用，隔震性能的概念，得以蓬勃的发展；然而低楼层的民居建筑因为经济性获利的考虑，往往遭受忽略，也减少突破发展，但是在地震灾害时，又往往带来惨痛的伤亡。

对于低层住宅的建筑构造，传统的土造、砖造、钢筋混凝土造、加强砖造，在九二一地震时有严重的损坏，而重型钢骨构造则在日本贩神大地震时有相当程度的受损，目前灾区因为未了解重型钢骨的缺点，而以重型钢骨搭配砖墙或填充重质混凝土上的方式重建；除此亦有引进美国二乘四木造或轻型钢构的工业住宅，其中木造房屋因使用原木在环保及台湾潮湿气候条件下很难推广；而日本企业大规模推展的轻钢结构工业住宅，带来耳目一新的印象，其制造业化、系统化、模矩化的优势是值得肯定的，也因此在营建业中带动一股新的风潮，在台湾也有数家企业跟进投资或开发，台湾工业研究院及台湾营建研究院也都积极的投入；发明人在研发初期亦以此为主轴，但是在深入的了解与剖析下，提出了不同的观点。

工业住宅以汽车工业的方式投资、开发、设计、组装、行销，因此有其特性，理论上汽车为重工业，其动力技术及外围附属系统，均较建筑来的精确与科技，在满足建筑的机能性问题上，是无庸置疑的，但是建筑与文化与土地、生活习惯及地区传统就业有所差异，而要如同汽车进入量产的条件，恐非原企业所预期的乐观，因此近十五年来，日本近百家企业的投资，尚未有在实质面上的获利，仅有少数以企业化的经营方式，锁定消费可及商品，并以OEM方式降低成本，以有限的型态，一定的业绩才能成功。

工业住宅对于消费的多元、竞争厂商的众多，庞大的生产线先期投资，造成外饰材成本的过高，另一方面其刚性的基盘并未提升对地震能量的应变，而直接传递的水平横向力，则直接作用于上部构造，对其钢骨与所有外饰材的结合，及外饰材间的处理，则需要大量的韧性接头或昂贵的五金配件，而其精密的施工要求，更考验台湾传统的施工文化，建筑外观更受组装方式限制，楼层高度亦有所局限，对于连栋街屋、零散土地的处理上难以理想，在台湾潮湿气候中，其有机原木的使用仍过多，非实心的壁体其隔音与台湾民居的接受度仍有落差，而最严重的问题，则是以日本的经济水平，每平方造价需台市八至二十万，尚无法成为普及的平民住宅时，对于台湾、中国大陆及其地震带地区，相信是难于造福一般的民众。

发明内容

本发明的主要目的，在于可提供一种轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法，通过经济的地震减能基础构造及隔震装置，以三分之一的建材，经适度的组构而能满足建筑的支承要求，可以大量的减少天然资源的使用，而断面的减少除了增加净空间外，更可以将梁柱及版系统二元的整合应用，适度的配置各楼层的剪力墙，并减少楼层高度、楼梯阶数，在经济面及空间应用的发展上，将产生新的可能。

为了达成上述的目的，本发明是提供一种轻质钢骨混凝土二元构造系统，是包括有地震减能基础、消能隔震装置、轻质钢骨笼形骨架及轻质混凝土，该消能隔震装置是设置于地震减能基础上，该轻质钢骨笼形骨架是设置于消能隔震装置上，该轻质钢骨笼形骨架是以轻型钢骨按构造机能立体组装，形成梁柱及墙体笼体型态骨架，该轻质混凝土是与轻型钢骨笼体骨架结合，形成二元系统建筑构造壁体。

所述的地震减能基础包括水平刚性基盘、铰接接头及摩擦桩，该铰接接头是连接于水平刚性基盘与摩擦桩之间，该将消能隔震装置是安装于水平刚性基盘上。

所述的轻质钢骨笼形骨架是以方形钢管，或以轻量型钢，搭配轻钢墙组件，外封金属网所形成。

所述的轻质混凝土是运用球状聚乙烯与水泥浆混合凝固。

本发明另提供一种轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其步骤包括：

(a)将摩擦桩打入地面，与土壤连结；

(b)将水平刚性基盘组装于摩擦桩上方；

(c)以铰接接头连结摩擦桩及水平刚性基盘；

(d)将隔震装置安装于水平刚性基盘上；

(e)以轻型钢骨梁柱组成笼体形态骨架子隔震装置上；

(f)于轻型钢骨梁柱间组装轻钢墙立支柱及横杆；

(g)于轻钢墙外侧组装外侧网；

(h)子笼形骨架组装水电管路；

(i)于轻钢墙内侧组装内侧网。

(j)将轻质混凝土浇筑于外侧网与内侧网间，使轻质混泥上与轻质钢骨笼型骨架结合；

(k)于笼型骨架顶部设置屋顶构架。

所述的步骤(g)的外侧网是为铝锌网。

所述的步骤(i)的内侧网是为铝锌网。

所述的步骤(k)屋顶构架并进行防水处理。

所述的步骤(k)之后可再进行处理门窗、内外强粉装、内外装及水电设备相关作业。

所述的梁柱间可设置刚性接头。

为了使贵审查委员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1是本发明构造系统的示意图；

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明是提供一种轻质钢骨混凝土二元构造系统及其方法，该轻质钢骨混凝土二元构造系统及方法的发明，即是将上述的概念进行具体化，与传统概念上的差异主要有四点：

第一，在基础的认知上，一般均以越大、越刚性、越联结越好，尤其以筏式基础为根深蒂固的思维。

第二，隔震装置一般被视为高科技产物，价格昂贵，一般住宅无法经济性的使用。

第三，重型钢骨建材强度高，忽略其接头应力集中大，施工品质要求严苛。

第四，轻质混凝土强度较弱，用于主体构造时的安全疑虑。

请参阅图1及图2，本发明的轻质钢骨混泥上二元构造系统，是包括有地震减能基础13、消能隔震装置4、轻质钢骨笼形骨架14及轻质混凝土11。

就第一点方面，发明人在通过观察大树是如何仁立于大地，而不受地震冲击而倾倒，树通过韧性的枝干将由下往上传递的能量释放于空中外，其根部的构成有二个部分为一般人所忽略，一为树头的水平连结所形成的支点功能。二为树根所保有的韧性状态，因此地震能量冲击至树根时并未产生过多轴力以外的内应力；这个观念尚未有人提出，更未有人依此转化为可具体形成建筑构造应用的基础形式。

所以在基础如何减少地震能量的冲击这个课题上，提出树根状基础的构造概念及基础形式。树根状地震减能基础13的主体由三部分所构成：一为水平刚性基盘2，二为基盘2与摩擦桩1铰接用的铰接接头3，三为数个摩擦桩1。

水平刚性基盘2，申请人以水平刚性基盘2，仿真树头盘根所形成树的重心与支点，基盘2本身以水平刚性连结为主体，在构造概念上“避免形成根与根的间内应力的产生与传递”。在同一个水平面上(在铰接体的上部)，据以形成上部构造在地震时，能量通过基础向上传递时水平力量的平衡台面，可避免上部构件的崩解、水平位移及协调各铰接点的位移情形，另一方面亦可避免内应力的产生及共振的放大效应形成。

铰接接头3，树头与根部的连结具有韧性，发明人以铰接的方式仿真，非为传统固接基础，形成垂直、水平分力平衡作用的应力支点，如此可以避免弯矩及扭力的产生。

摩擦桩1；散布的根以磨擦力与土壤连结，支承树的重量及风力的拉拔；吾人以摩擦桩仿真树根，其负责构造所形成的轴重、上升反力为支承目的。

第二点方面，隔除振动影响的需求及对策已有长远的历史，范围亦广，例如：桌椅的垫片，以弹簧区隔震动机所产生的震动，汽车的减震器等都是相同的概念，其目的不外乎为，为了支承但要减少能量的冲击，所以一方面须支承，一方面则需阻尼。隔震器用于建筑构造物，已有相当的历史，也有相当的成果，近年来由于震害的严重，使隔震发展的技术及规范日趋精进。

视世界发展，一般可概分为需加动力，如AMD、TMD、BMD，及不需加动力的RB、LRB等隔震系统，这些系统大都运用于重量大、重要性高的建筑构造物，如桥梁、医院、博物馆等。上述系统针对重要性、重量大(单位荷重约在150吨至1500吨)的构造物发展，其技术性高、效果佳，勘为世人所推崇，但是一般价格昂贵、普及性低，且震害发生重大伤亡，一般民居所占比例仍高，所以为使一般民众免于地震所造成的伤亡，思考发展能经济而普及装置的隔震器的可行性，一方面如果上部构造物大幅减轻，且构架所需的支承节点增加匀称均布时，各支承节点的轴重将可降为一般钢筋混凝土构造的十分之一以内，相对的对于隔震的载重范围性能需求将相对降低，因此产生新型轻量建筑构造物用经济弹簧橡胶隔震器(单位荷重约在3至10吨)的研发。

具体方式为“在上部构造物大幅减轻及隔震器均匀分布配置时使用的消能隔震装置(隔震器)4，以天然橡胶、弹簧及钢板组合，在无须自动控制外加动能下，可通过组合方式产生隔震效能。”“以天然橡胶及弹簧的弹性特性及抗压钢板的组合关系，来作为轴力支承及横力阻尼，另以弹簧或螺栓连结上、下结构件以抵抗构造物上升力(如风力)。”，其优点如下：

1、原料较经济取得容易。

2、运用原料特性在简易组合情形下，产生性能高、稳定性佳、免保养、使用期长。

3、免动力、电力。

4、载重支持机能一以高刚性弹簧及橡胶共同稳固支撑建筑物。

5、水平弹性机能一使地震强烈高频率的摇晃，转为缓慢柔顺的摇晃。

6、复原机能一地震平静后，橡胶及弹簧具有复原的能力，使建物回复至原来的位置。

7、减衰振动机能一能衰减建筑物剧烈的摇晃。

8、制动机能一利用弹簧或螺栓及钢板抗压功能抑制除地震以外的摇晃，如风升力等。

基础隔震法的设计概念，以降低震能对建筑物直接的冲击，对具有隔震系统分析时可视为三个部分来组成，由上而下依序为上部结构物、隔震系统、下部结构物，而隔震系统在整体结构中提供一个相对的水平劲度韧性区，借以调节外力作用时于结构体上的横力分布情形，另外利用隔震系统中的阻尼器，发挥衰减震能最佳影响的情形，以提高整体耐震能力。

耐震设计的基本原则，是使建筑物在中度地震时保持在弹性限度内，大地震时容许产生塑性变形，但韧性需求不得超过容许韧性容量。

本发明耐震设计的基本原则，是使建筑物在中度地震时保持在弹性限度内，大地震时容许产生塑性变形，但韧性需求不得超过容许韧性容量，设计最小地震总横力(V)依下式计算

V＝ZdxCxW

Zd＝ZxI/(1.4xαyxFu)

Zd：设计地表面加速度系数，为设计地表水平加速度与重力加速度g的比值

C：工址正规化水平加速度反映谱系数

W：建筑物全部挣载重，活动隔间应计入75Kg/M2

Z：震区水平加速度系数，代表工址回归期，475年的地震水平地表加速度为重力加速的比例

I：用途系数

αy：起始降伏地震力放大倍数，一般钢结构αy＝1.2，RC结构αy＝1.5

Fu：结构系统地震力折减系数

结构物的耐震能力而言，亦与其周期有关，对长期振动是而言，弹性系统与弹塑性系统最大动力位移约略相等Fu＝R，对短期振动是而言，弹性系统与弹塑性系统吸收的能量约略相等

FU＝√2R-1

通过上述第一及第二的组合方式，将可大量减少建筑建材断面的需求。而此时上部构造则以负责活载重即自身静载重，所产生的构架负荷为主，整体构架以组构的经济及整体刚性为重点。

第三点方面，以轻型钢骨按构造机能立体组装，形成梁柱5、立支柱及横杆6、外侧铝锌网7及内侧铝锌网10组成的笼体型态骨架，且可组装水电管路8及设置梁柱刚性接头9，并与填充材结合，借以构成轻质钢骨笼形骨架14，形成轻量、高刚性复合构造方法，以减少构造重量，梁、柱断面，使壁体抗剪力能力加大。

传统钢筋混凝土或重型钢骨构造，以框架中的梁柱为主要构件，而过于依赖梁柱使梁柱断面过大，除了占据空间外，更造成应力集中，内应力如弯矩、扭力产生的情形。我们观察人体或动物的身体构造骨架、填充、表皮均呈完

美匀称的组成，在支撑身体构造的骨架上，我们可以观察其组成有不同的大小、比例及功能(例如大腿骨、小指头、胸腔骨架间的不同)，建筑构造体的支撑骨架，亦可如同人体骨架的组成，由轻形钢骨以匀称的比例来组成柱、梁、版，并做点、线、面、体的立体连结，形成笼子状的骨架方式，再填充间隙，形成二元系统构造方式。

按建筑技术规则建筑构造编第142条所述，二元系统具有下列特性者：

1、完整立体构架，以承受垂直载重。

2、以剪力墙斜撑构架，及韧任性抗弯矩构架，或混泥上部份韧性抗弯矩构架，抵抗地震水平力，其中抗弯矩构架，应设计能单独抵御百分之二十五以上的总横力。

3、抗弯矩构架与剪力墙或抗弯矩构架与斜撑构架，应设计使其能抵御，依相对劲度所分配的地震力。

轻型钢骨因精度高，易以立体方式拼组，而其刚性大、重量轻，得以跨距长、挠度小，经填充后可产生新的整体形抗行为。在具体方式上，可以方形钢管，或以轻量型钢，搭配轻钢墙组件，外封金属网，形成笼体骨架构造方式实现。

第四点方面，以轻质混凝土11的质轻、一定强度及可塑性为基本要求，而以运用球状聚乙烯与水泥浆混合凝固，所产生的型态强度及隔热、隔音、低吸水率等特性，将可与轻质钢骨笼型骨架14结合，实现良好的二元系统建筑构造壁体。另干轻质钢骨笼型骨架14顶部设置屋顶构架12及进行防水处理。

发展延续传统方法及营建产业文化特性，尤其在满足安全及经济上要求的新构造、新方法是发明人构思的主轴；首先在传统的钢筋混凝土构造，因为过多的自重，产生相当大的梁柱断面，也是建筑费用的主要部分。倘通过经济的地震减能基础构造及隔震装置，以三分之一的建材，经适度的组构而能满足建筑的支承要求时，将可以大量的减少天然资源的使用，而断面的减少除了增加净空间外，更可以将梁柱及版系统二元的整合应用，适度的配置各楼层的剪力墙，并减少楼层高度、楼梯阶数，在经济面及空间应用的发展上，将产生新的可能。

如图1及图2所示，本发明的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其步骤包括：

(a)打桩：将摩擦桩1打入地面，以磨擦力与土壤连结；

(b)组装水平刚性基盘：将水平刚性基盘2组装于摩擦桩1上方。

(c)运作铰接接头：以铰接接头3连结摩擦桩1及水平刚性基盘2；

(d)隔震装置安装：将消能隔震装置4安装于水平刚性基盘2上；

(e)笼形骨架轻型钢骨梁柱组装：以轻型钢骨梁柱5组成笼体形态骨架于隔震装置4上；

(f)笼形骨架轻钢墙立支柱及横杆组装：在轻型钢骨梁柱5间组装轻钢墙立支柱及横杆6；

(g)轻钢墙外侧网组装：在轻钢墙外侧组装外侧铝锌网7；

(h)水电管路组装：在笼形骨架组装水电管路8；

(i)梁柱刚性接头运作：在梁柱5间设置刚性接头9，用以增加刚性；

(j)轻钢墙内侧网组装：在轻钢墙内侧组装内侧铝锌网10；

(k)轻质混凝土浇筑：将轻质混凝土11浇筑于外侧铝锌网7与内侧铝锌网10间，使轻质混凝土11与轻质钢骨笼型骨架14结合；

(l)屋顶构架及防水处理；在笼型骨架14顶部设置屋顶构架12及进行防水处理。

再者，步骤(1)之后可再进行处理门窗、内外墙粉装、内外装及水电设备等相关作业。本发明以上所揭示的外侧铝锌网7、水电管路8、内侧铝锌网10、轻质混凝土11等均为简化标示示意。

至此，轻质钢骨混凝土二元构造系统及方法，从概念至实现的方式均已具体化，并且已取得各要件的相关专利，在实务上亦有完成的实际案例，并积极处理相关理论及认证作业，期望于短期内，能通过产、官、学界的统整，普及运用，造福大众，实现住者有其屋的理想。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即拘限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的范围内，不一一赘述。

Claims (10)

1、一种轻质钢骨混凝土二元构造系统，其特征在于，它包括有：

地震减能基础；

消能隔震装置，其是设置于该地震减能基础上；

轻质钢骨笼形骨架，其是设置于该消能隔震装置上，该轻质钢骨笼形骨架是以轻型钢骨按构造机能立体组装，形成梁柱及墙体笼体型态骨架；以及

轻质混凝土，其是与该轻型钢骨笼体骨架结合，形成二元系统建筑构造壁体。

2、如权利要求1所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统，其特征在于所述的地震减能基础包括水平刚性基盘、铰接接头及摩擦桩，该铰接接头是连接于水平刚性基盘与摩擦桩之间，该将消能隔震装置是安装于水平刚性基盘上。

3、如权利要求1所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统，其特征在于所述的轻质钢骨笼形骨架是以方形钢管，或以轻量型钢，搭配轻钢墙组件，外封金属网所形成。

4、如权利要求1所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统，其特征在于所述的轻质混凝土是运用球状聚乙烯与水泥浆混合凝固。

5、一种轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于，步骤包括：

(a)将摩擦桩打入地面，与土壤连结；

(b)将水平刚性基盘组装于摩擦桩上方；

(c)以铰接接头连结摩擦桩及水平刚性基盘；

(d)将隔震装置安装于水平刚性基盘上；

(e)以轻型钢骨梁柱组成笼体形态骨架于隔震装置上；

(f)在轻型钢骨梁柱间组装轻钢墙立支柱及横杆；

(g)在轻钢墙外侧组装外侧网；

(h)在笼形骨架组装水电管路；

(i)在轻钢墙内侧组装内侧网；

(j)将轻质混凝土浇筑于外侧网与内侧网间，使轻质混凝土与轻质钢骨笼型骨架结合；

(k)在笼型骨架顶部设置屋顶构架。

6、如权利要求5所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于所述步骤(g)的外侧网是为铝锌网。

7、如权利要求5所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于所述步骤(i)的内侧网是为铝锌网。

8、如权利要求5所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于所述步骤(k)屋顶构架并进行防水处理。

9、如权利要求5所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于所述步骤(k)之后可再进行处理门窗、内外强粉装、内外装及水电设备相关作业。

10、如权利要求5所述的轻质钢骨混凝土二元构造系统方法，其特征在于所述梁柱间可设置刚性接头。