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好木材不用嗎?幫地球減碳的「木建築」正夯——《一生必修的科學思辨課》

天下文化_96
・2021/08/19 ・2332字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者 / 江才健

自 2000 年左右,在加拿大等幾個國家,開始建造一些高樓層的木造建築,這些建築反映了近代建築技術的進展,也反映出人類面對宇宙環境的思維改變,支持木建築的這些「思維先行者」,一方面強調木建築在建築結構上的優勢,同時搭上近年流行成風的全球暖化現象,大力宣揚木建築在抑制碳排放方面的貢獻。

最古老的木建築

目前世界上一些比較著名的高樓層木建築,除了 2014 年在加拿大喬治王子市,高 30 公尺的八層木建築,還有 2015 年挪威蓋的 52.8 公尺高層木樓,2016 年加拿大英屬哥倫比亞大學蓋了 53 公尺高的木造學生宿舍,2019 年奧地利在維也納建成高達 84 公尺,包括飯店、公寓以及辦公室的木造高樓,美國則是 2016 年在明尼阿波里市開始,陸續還要在波特蘭以及紐約市建造木質高樓。

木質高樓並不是近代產物,到目前為止,世界上最古老的木造建築是山西應縣木塔,這個木塔始建於遼代,有一千年歷史,67 公尺的高度也還是目前最高的古木造建築。這個稱為「佛宮寺釋迦塔」的木塔,在山西北部靠近北嶽恆山的應縣,1992 年頭一次去中國大陸,有機會到山西參遊,曾經登臨應縣木塔,當時站在塔上,見四野低矮房舍,遠眺沃野平沙的北國景色,至今記憶猶深。

佛宮寺釋迦塔 。圖/維基百科

其實中國的木建築素有傳統,那回在山西的五台山,也看到更早建於唐代的佛光寺,佛光寺是目前保存最完整也最大的木造建築,這種木建築的建造技術,歷代累積,到北宋由李誡彙編成《營造法式》一書,成為木建築工藝智慧集大成的經典著作。《營造法式》總結了木造建築工藝的實作經驗,雖說對木造結構的施作提出規範,卻依然保留極大的隨意性。

在《營造法式》中討論的木造建築工藝,對於檐梁斗拱,頂柱結構的施作,都有其規範,特別的是利用木質材料的特質。木結構的結合,不用外加釘粘,是以榫卯接合,保持木質材料的彈性特質,充分利用自然巧力,也使木建築具有對抗如地震外力的彈性,展現中國木建築的豐富創造力,以及其背後的一種宇宙思維傳統。

會呼吸的木建築比鋼筋水泥更環保

近代的木造高層建築,雖說材料是採用了木材,但是其技術則是沿襲著近代建築科技的思維。工程師主要以特殊膠合方式開發出強應力的層板,這些交叉層壓板應力強,重量輕,可以準確切割,用於建造木建築的不同結構,以技術理論來說,這些木結構建造建築可以達到的高度,應該沒有局限。

木建築本來的一個弱點,是容易燃燒,歷史上也曾經在倫敦、紐約等城市發生大火,現代的木材質建築,比起不可燃材質的建築,遭火焚的損害容易預見,而且木質外層炭化後能保護內層免於祝融,不會有鋼材熔化和混凝土脆化問題,更能夠保持結構完整。

木質材料易燃,是作為建材的一大弱點。圖/Pixabay

木質建築近年受到重視的一個原因,與全球暖化的碳排放問題有關。木材本來可以蓄存碳,如用於燃燒,其中所蓄存的碳就回到大氣之中,木材如用於建築,碳就一直蓄積其中。目前人類使用的木材,只占森林增長的 20%,推廣木建築並不會造成大的問題,而且生產鋼材與混凝土所造成的大量碳排放,更不利於控制暖化問題,會呼吸的木建築,正是目前當令的綠建築,冷卻與加熱需要的能量,比起混凝土鋼材建築都更為節省。

推動木造建築目前主要是在美國與歐洲,美國的鄉間住宅 80% 已是木造,開採木材大約是每年森林增長的三分之一,歐洲多數建築使用的還是鋼材與混凝土,根據一份芬蘭政府的報告,歐洲利用木材於建築到 2010 年只增加了 4%,還有不少增長空間。

傳統思維與現代科學的揉捻

在這些技術性的問題背後,其實有一個更為根本的自然思維問題。中國長久以來的木建築傳統,孕生自文化傳統對於宇宙的思維,那就是「厚生利用」,建築房舍木材的供取講究平衡,所謂「斧斤以時入山林」,對於木材的使用,也是因勢採擷,在木造結構中也充分利用各種木質材料,所謂的榫卯接合正是出於此一思維。

這樣的宇宙自然思維,其實與西方科學思維大為不同。近代科學講究的,是究簡近因果以達立竿見影之效,由物質宇宙的觀察入手,到理論模型的建構,莫不如此,在建築技術方面,也是以加大建材抗應力安全係數方式,完成建築物的建構,其結果是建築物完成快速,卻沒有講究所謂的結構最佳化。我們可以看 20 世紀大蓋的河川水壩,那正是近代鋼材混凝土建構技術的產物,這些大量構築的水壩,確實很快發揮蓄水防洪以及發電的多重效果,但是卻也很快出現負面後果,譬如河流生態的巨變,而蓄集水庫的淤積情況,甚至危及水壩安全到不得不拆除的地步。光以美國為例,在全國的大約八萬五千座水壩中,半數已不能發揮原來的預期功效,自 21 世紀以降,拆除的水壩已經超過一千一百多座。我們可以舉一個不同的例子,那就是在四川成都平原的都江堰,這個攔截利用岷江河水的水利設施,並沒有採行強力的攔蓄,而是因勢利導的順應自然之力,達到分洪和灌溉目的,雖說近代都江堰也增加了小的水壩,但整體上依然維持原本順水利導的思維。這個戰國時代由李冰父子修築的水利設施,竟能歷兩千年持續發揮功效。

如何由《營造法式》和都江堰的自然思維,看到傳統文化的木建築智慧,超越當前木建築新趨勢所依循簡近因果、立竿見影的近代工程科學思維模式,是很值得我們思考的。

——本文摘自《一生必修的科學思辨課》,2021 年 6 月,天下文化出版

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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