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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國九十九年八月二十一日

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文字記者:許素梅

2010年加拿大溫哥華冬季奧運會新建設施

使用飛灰綠色混凝土幫助大會達到永續發展的目標

湛淵源 技師

 從一開始,2010冬季奧運主辦國,加拿大溫哥華市體育委員會,把焦點集中在相關設施上,期能達成永續使用,採用飛灰混凝土則可以滿足奧委會及英屬哥倫比亞省府(British Columbia)2個單位之要求,讓公共建設(Infrastructure)具有永續發展技術的要求。相關硬體設施包括溫哥華市冬季奧運選手村(the Vancouver Olympic Village)、里士滿奧林匹克圓形運動館(the Richmond Olympic Oval)溫哥華國際廣播中心(the Vancouver International Broadcast Centre)溫絲頓滑雪中心(the Whistler Sliding Centre)及金耳朵大橋(the Golden Ears Bridge)。而加拿大最主要的公共設施規範,都有註明為了減少溫室氣體的排放,混凝土內必須使用飛灰,及其它再生的膠結(卜作嵐)材料來取代水泥,增加混凝土對原材料的保護、能源與資源再生利用及減少廢棄物;而溫哥華市已有多年使用飛灰混凝土的經驗,並列入在標準的設計規範中,可提供業主與設計者選擇世界上最好的方案,來增進設施專案計畫的服務壽命及永續性。由於比賽場地位於溫哥華市不同的地方,溫絲頓滑雪中心,在溫哥華北邊100公里處,用藍海(Sea-to-Sky)公路連接,這條公路在冬奧開幕前必須重新建造,還包括48座橋樑在內;雲宵火車(Sky-Train)則聯絡國際機場與溫哥華市的市中心區,相關硬體設施包括:

1.溫哥華市冬季奧運選手村

位於一個前工業區內,溫哥華市冬季奧運選手村,實踐結合了開墾荒地及永續綠建築的目標,如圖1。選手村包括8個分開的大樓,分別在17.5英畝之内,7個大樓將提供1,100個住宿單位,安置2,800位運動員和隨行人員大樓已通過國際綠建築協會LEED 金質標章認證;而第8棟建築是社區活動中心大樓,被LEED認證為白金標章。由於持續不斷的發展,Southeast False Creek2020年時,將通過建造5,000個住宅單位、社區和多種信仰的中心,將使專案計畫達到最高潮,此外,還包括有一所小學、育兒設施和 24.7英畝的公園等。

Glotman Simpson結構工程師,發展了複合性能規範,建築物設計符合50年以上服務壽命,大約使用混凝土95,000m3設計強度,基礎與牆面為25 MPa;柱子及剪力牆為50 MPa;為了符合永續性要求,採取低水泥量、高早強飛灰混凝土,以滿LEED規定使用30~50%的回收膠結材料要求;暴露在外停車場的基礎牆、外部的柱子等,CSA A23.1氯離子暴露C-1類,設計輸氣混凝土,f’c > 35 MPaw/cm < 0.40;而56天,氯離子電滲量 (ASTM C1202)應小於1,500庫倫。

  1 溫哥華2010年冬奧選手村1

 

2.里士滿奧林匹克圓形運動館

里士滿奧林匹克圓形運動館,如圖2,是一座世界級的溜冰圓形運動館。該館已獲得LEED銀級標章認證,總佔地面積33,750 m2,可容納8,000個觀眾席,混凝土需求量335,280 m3設計服務年限大於100;設計強度介於25-50 MPa之間;飛灰使用率在24-31%之間,以達到耐久性目標,增加回收膠結材料使用量,降低材料成本,符合 CSA  A 23.128天,乾縮量400*10-6 m/m沿著運動館南部至北部的牆壁,有13支巨型的支柱,象徵著加拿大的13個省和疆土;回收的雨水可用於洗手間的清潔和庭園灌溉之用;以三文(鮭)魚為主題,雕刻著由國家第一個藝術家蘇珊․點(Susan Point),裝飾runnels插頁進入每一個支柱,造成幻覺,在下雨期間,有如魚兒游泳逆流而上;設計50 MPa的自平性混凝土,使用約30%的飛灰,澆灌在被雕刻的黄扁柏(formliners) 上,達到必要的光滑表面與造成期望視覺效果;支柱與拱型外牆的全斷面(mock-up)灌注試驗,建立表面修飾度的策略,從這些大模型試驗,建立調整混凝土配比澆置、搗實的程序;溜冰場版面強度為35 MPa (5,000 psi),使用20%的飛灰混凝土,及28乾縮量< 400*10-6 m/m溜冰場的扁平和水平標準是相當嚴謹的,應維持一種恆定的冰厚度;並且在冷藏管蓋厚度的容許值是相當小的,使溜冰場版面凝结面的温度變化減到最小,將不影響冰表面的溫度和堅硬度。200910月,結構設計工程師,將里士滿奧林匹克的長圓形體育館的頂面如冰塊浮出水面,得到體育或休閒結構的頂面設計獎的殊榮。

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 2里士滿奧林匹克圓形運動館外觀(左圖);圓形運動館木頭支柱及細部詳圖(右圖)1

 

3.溫哥華國際廣播中心

3顯示溫哥華廣播與會議中心。為因應冬季奧林匹克擴展使用,作為國際廣播中心。在溫哥華港口海灘上,一個5.9英畝,可能被恢復(重複)的海洋棲息所,延伸居住在綠色屋頂下的特色;結構設計使用CSA  A23.1C-XL,要求最大w/cm < 0.37;設計強度,56天為50 MPa;在潮汐和潑濺带區域,結構設計應有100年以上服務壽命;56天氯離子電滲量 < 1,000庫侖。設計單元,包括有位於更低的潮汐區,類似一個造形的樓梯結構「魚梯」,魚喜歡在沿結構的周長,這些如女裙般附近潛伏,而不是在此結構之下游泳,進入較為黑暗的區域。大约有27,900 m2的面積,另外主要展覽室是多添加40 kg/m3的水淬爐石粉混凝土;在測試材料性能後,確定能夠合理的且堅硬達到這種應用,不必顧及硬化,因使用產生震動的風險。

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3溫哥華2010年冬奧國際廣播中心1 

4.溫斯頓滑雪中心

滑雪中心是一個相當引人入勝的結構,如圖4所示。滑雪道設計長達1,450 m,在具有堅固的U形結構,下坡地形對所有參賽者,提供了極為嚴峻的挑戰,設施包括對日後能達到具體配置及充分利用,和符合嚴謹與關鍵的國際奧林匹克委員會,高密度使用及永續性能的要求;選擇使用15%飛灰噴凝土(Shotcrete),以符合滑雪軌道結構澆製性,確保長期使用的性能、及增進永續性要求;拉長混凝土的工作性,成功地應用在薄厚度的冷卻管路;飛灰混凝土能夠持續增加的抗壓強度、降低滲透性及提升對鋼筋的保護作用;28天抗壓強度平均51 MPa,與格外平整的混凝土表面。

4 溫斯頓滑雪中心混凝土滑雪道的鳥瞰圖(上圖)

;滑雪道具體特寫的鏡頭(下圖) 1

5. 金耳朵大橋

金耳朵大橋,見圖5,是在20095月正式通車,以迎接未來2010的冬季奧運會,希望能及時解決到溫哥華,參加冬奧繁忙龐大的市區周邊車流。在Fraser河上,有6條車道且長達1 km纜繩的橋梁,擔負繁忙運載的交通重任。金耳朵船橋甲板建築在 Fraser河上,主要橋梁使用了25%飛灰和4%矽灰。200910月金耳朵大橋開始施工, w/cm < 0.37的配比 (CSA A23.1 C-XL類要求)56天,低於1,000庫侖的氯離子電滲量,並且表面沒有塑性收縮的問題,總共使用約157,000 m3混凝土。在2006年的夏天,17座橋梁、舷梯和高架橋開始施工,預定縮短在Fraser River17座橋樑的建築時間,降低對河岸兩側商業活動的衝擊、及減少對野外和河中生物的干擾。表1顯示2010年加拿大溫哥華市冬季奧運設施永續設計摘要,供讀者作參考。

5 金耳朵大橋於200911月從南端望去的the Gold Ears Bridge具體特寫的鏡頭 1

           1  2010年加拿大溫哥華市冬季奧運設施永續設計摘要

用 途

設   施

服務年限

設 計 規 定

備       註

 

 

 

性能規範

LEED永續規定:

 

 

 

 

低水泥、高飛灰量、高早強混凝土,飛灰量30~50 %取代水泥。

 

第1棟~第7棟選手村住宿房間

 

基礎:25 MPa

LEED認證

 

 

 

內部結構:50 MPa

金質標章

 

 

> 50以上

外部結構:35 MPa

 

選手村

 

 

w/cm < 0.40;

LEED認證

 

第8棟活動中心

 

56天Qs

白金標章

 

 

 

< 1500庫倫

 

 

 

 

 

95,000m3

 

 

 

SCC設計

 

 

 

 

24~31% fly ash

LEED認證

 

運動館

 

28天收縮量

銀級標章

 

 

 

ε< 400*10-6 m/m

不同部位強度25~50 MPa

圓  型

 

> 100以上

 

 

運動館

溜冰場

 

SCC設計

 

 

 

 

30% fly ash

 

 

 

 

> 50 Mpa

335,280 m3

 

 

 

20% fly ash

 

 

 

 

> 35 MPa

 

 

 

 

w/cm < 0.37

 

國際廣播中心

 

40 kg/m3 slag

27,900 m3

 

> 100以上

56天,50 Mpa;

 

 

 

56天Qs

 

 

 

< 1000庫倫

 

 

 

 

噴凝土

滑雪道

滑雪中心

滑雪道

15% fly ash

1,450m長

 

 

28天,31-51 MPa

 

 

 

 

25% fly ash

 

金耳朵

4% silica fume

157,000m3

大橋

w/cm < 0.37;

 

 

56天Qs

 

 

< 1000庫倫

 

加拿大溫哥華市為即將到來的2010年冬季奧運積極作準備,雖然這場盛會所屬的設施,是為參加冬奧的各國選手,能大展身手的舞台而設,但國際奧林匹克委員會,為因應各國在大型賽事後,相關運動設施,能帶給主辦國朝向永續使用這些場地,特別是RC建築結構物之硬體設施。加拿大溫哥華市2010年的冬季奧運設施,以LEED國際綠建築的永續使用為藍本,設計相關場館及周邊設施,這些公共設施設計使用的服務壽命均為100年以上,這種設計手法,可提供國內公共工程委員會推動永續工程的重要參考依據,而不只是僅單從節能減碳的方面著手。

事實上,在永續發展混凝土的配方技術及應用,台灣本土發展的高性能混凝土,是有能力達到奧林匹克委員會、LEED國際綠建築組織、加拿大冬奧2010年運動設施永續性能的要求;而對於台灣綠建築評估系統EEWH2,則可滿足其中減廢的指標(C02減量、廢棄物減量指標),並可達到永續使用(100年以上,舊建築再利用)的目標3

要將具高污染性的傳統混凝土,尤其是水泥,冠上綠色科技的帽子,其實真的有困難,而且窒礙難行的。但混凝土科技的學者及專家們,長期觀察與嚐試所累積的經驗中,終於找到混凝土永續耐久性的基因,也就是如同義大利羅馬的諸神殿及競技場,這種長達二千年以上建築物,於西元前的年代即存在的,仿如現代RC建築物般,屹立在羅馬的歷史上。以前還未有混凝土技術時,古人將義大利的火山灰及熟石灰,作成柱體與其他造型的結構單元,成就這些偉大的歷史古蹟,留給後代子孫瞻仰。而現代這些技術,在發現可以使用工業廢棄物,尤其是冶煉鋼的副產物,爐石水淬後,磨成細粉可用於取代水泥,且不變甚至增加它的性能,現被歐洲各國廣泛的應用在工程上;而燃煤電廠的工業廢棄物-飛灰,加拿大及美國等將其應用在混凝土中,有增加施工性、改善混凝土抗鹼-矽粒料反應,和抵抗農工業廢水硫酸鹽侵蝕的優點;及冶煉矽金屬中的工業副產品回收再利用-矽灰,世界各國將其加在混凝土中可大幅提高強度,及抵抗硫酸鹽的能力。

這些人造工業廢棄物的回收再利用,對混凝土的永續性是絕對有幫助的5,國際波特蘭水泥協會(PCAPortland Cement Association),也提出減少水泥混凝土的問題,最根本解決方法,就是在水泥中添加這些礦物材料;LEED更是規定須使用30-50%的卜作嵐回收材料,以達到永續發展的綠建築。黃兆龍教授稱飛灰、爐石粉、矽灰等礦物摻料,為混凝土的膠原蛋白3,它的功用就像生醫材料的人體細胞外間質,如同水泥裂化的基因-氫氧化鈣CH的改良、增生劑,產生有穩定強度、及耐久永續性的C-S-H膠體,和可以將毛細管孔隙,予以細緻化且堵塞住,提高混凝土結構物的永續性能,因此,現在可以稱呼有添加卜作嵐材料的混凝土,為具備節能減碳的綠色混凝土;而從加拿大渥太華2010年的冬奧場館設施的經驗,對添加F级飛灰的混凝土,如同人體的「胚胎幹細胞」及「臍帶血」般,在低水量與低水膠比的限制條件下,透過卜作嵐反應(Pozzolanic Reaction),不斷的分化與增生(CH + S C-S-H),是一種相當具有永續發展潛能的綠色混凝土。

參考文獻

  1. Hooton,R.D. and Weir,A.2010, Feb,Green Concrete Goes for the Gold at 2010 Winter Olympics, ACI Concrete International, pp.45-48.

  2. 內政部建築研究所(2009)。台灣綠建築評估系統

  3. 黃兆龍(2003)。高性能混凝土理論與實務。詹氏書局,台北。

  4. 湛淵源、林建宇、陳學政(20105月)。本土化高性能混凝土應用在綠建築  CO2減量指標分析中華民國建築學會第22屆第1次建築研究成果發表會論文集。

  5. 財團法人中興工程顧問社(2007)。卜作嵐使用手冊。中國土木水利學會混凝土工程委員會出版,台北。

 

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