淺談抗洪浮動式房屋

由於近年來全球暖化造成極端氣候，短時間降下超大豪雨，由於現有的防洪排水系統無法負荷，導致低窪地區淹水的災情時有所聞。另外台灣西南部沿海地區嚴重超抽地下水，使得地層下陷問題嚴重，每當颱風侵襲時，該地區慘遭嚴重水患，不僅威脅到民眾居家安全，也對國家經濟帶來傷害。特別是災後的復原工作包括淹水後房屋的清潔、垃圾的處理、環境衛生的維護等與財物的損失對災民都是很大的負擔。

由目前水利方面的整體性防洪規劃及建築方面的防洪措施設置可知，主要還是以圍堵的觀念來防範淹水，當區域性之排水能力無法負荷過大之降雨量時，則需要靠抽水機利用抽水方式排放，如果仍無法減緩淹水狀況時，就必須依賴擋水設施包含砂包、防水閘門（板）等防止洪水入侵屋內與地下停車空間出入口。此外由於建築物外的洪水位極有可能高於建築物的排水孔位置，因此建築物內的排水管線必須加裝逆止閥，防止洪水經由管線逆流至屋內。然而當淹水地區每一建築都增設防水閘門，無形中將減少了滯洪的空間，當遇到相同或更大的洪水量時，就必須再度提高防水閘門高度，並加遽更低窪地區的淹水，導致惡性循環。另一方面，現在的防洪策略加入了保水滯洪的治理思維，在沿海或低窪地區採用高腳屋（House on stilts）建築之設計的確能達到避免房屋浸淹並同時保蓄洪水的功能，但隨地球暖化，氣候變遷，海平面上升，導致淹水高度的預測愈加困難，因此目前的避淹設計高度是否能因應未來需求也將成為隱憂。此外由於台灣位於歐亞板塊與菲律賓板塊交界處，處於環太平洋地震帶，地震頻繁，高腳屋之設計將導致房屋結構上產生明顯的軟弱層，因此在耐震設計上必須格外注意。

在易淹水地區除了採用高腳屋建築外，還有一種浮動式房屋（floating houses）的設計，其原理是利用洪水的浮力抵抗房屋自重，使得房屋隨著水位上浮，避免洪水入侵屋內，同時其下方基地可提供作為蓄洪使用，當洪水退去時，房屋再回到地面上。由於房屋可隨水位上下移動，不像高腳屋有避淹設計高度與耐震的考量，更能適應環境與氣候的變遷，達到永續的目的。

浮動式房屋最早起源於船屋的概念，房屋的基礎就像船一樣永遠隨著水面飄浮，也可以用纜繩錨定在岸邊或水底限制其漂移的範圍，另外有一種浮動式房屋又稱為水陸兩棲式房屋（amphibious houses），當洪水的浮力大於房屋自重時，房屋會隨著水位上浮，當洪水退去時，房屋必須再回到基地上的原來位置，由於只允許房屋隨著水深上下運動，因此必須依賴其他的結構來限制其運動行為。英國Beca建築事務所在英國所設計的第一座浮動式房屋如圖1，座落於白金漢郡泰晤士河旁，為了減輕房屋自重，房屋的主體採用木構架系統並建造在蜂巢式中空鋼筋混凝土基礎上。在平時，建築物會座落在船塢的底部，因此為地下一層、地上兩層之建物，當淹水時，洪水會先流入低於地表的船塢空間，當水壓產生足夠的上舉力時，房屋就會上浮，最多可上浮2.75m，另外在船塢底部設置四個柱子來引導房屋的運動。

圖1  Beca建築事務所在英國所設計的第一座浮動式房屋，座落於白金漢郡泰晤士河旁 （Image courtesy of Baca Architects）.

泰國在每年雨季時會有許多地區都會淹水，因此在設計高腳屋與水陸兩棲式房屋上有長久的歷史，泰國建築師Chutayaves Sinthuphan提出了可在陸地上建造的浮動式房屋設計如圖2，首先在地表下開挖溝渠，讓房屋基礎版與下方增加浮力的浮筒在平時可隱藏於溝渠中，使浮動式房屋與一般房屋看起來並無不同，當洪水流入溝渠時，由於浮筒的設計可讓房屋提早上浮，並利用溝渠內的導桿來限制房屋的水平向漂移。另外為減輕房屋重量，房屋結構由輕鋼架組成搭配預鑄版牆，並設置備用能源系統與雨水蒐集系統，使居民在淹水期間能自給自足等待外援。

圖2  泰國建築師Chutayaves Sinthuphan所提出可在陸地上建造的浮動式房屋設計 （Photo from http://asitespecificexperiment.wordpress.com/）

總部位於德國之國際非政府組織Green Container International Aid利用廢棄回收材料設計出具備綠色概念的浮動式房屋如圖3，首先將舊貨櫃改裝為房屋單元，並在其底部加裝廢棄的卡車內胎來增加浮力，然後在固定於地表之基礎版四個角落設置導桿，使貨櫃屋能沿導桿隨著水位上下滑動，最高可上浮2.5m。

圖3  位於德國之國際非政府組織Green Container International Aid利用廢棄回收材料所設計的浮動式房屋 （Image courtesy of Green Container International Aid）

綜觀上述國外浮動式房屋之發展，可以發現浮動式房屋必須與固定於地表之基礎分離，並依賴導桿引導房屋的上下運動，此一概念的實現有賴於設計出固定於地表之基礎結構與導桿結構及引導房屋沿導桿上下滑動之連接構造。基礎結構可採用傳統的鋼筋混凝土構造，而導桿必須具備足夠的強度引導並束制房屋只產生垂直向運動，並能抵抗風力與流水作用於房屋上的側向力。根據國外文獻 [1]，引導房屋沿導桿滑動之連接構造最早源於柱-套筒系統（如圖4之左圖），首先將在固定於地表之基礎結構四個角落設置導桿，四個中空套筒穿過導桿並固接於浮動式房屋結構上，使房屋能隨著套筒沿導桿上下運動，導桿的設計長度須考量到最大洪水位時，連接於房屋上的套筒不會脫離導桿。國外研究進一步提出柱-環系統，如圖4之右圖所示，在方形環與導桿間加裝輥支承（roller）與緩衝材，導桿也可改為方形斷面，方形環的設計更容易與房屋主體連接。

圖4  引導房屋沿導桿滑動之連接機構[1] （柱-套筒系統如左圖與柱-環系統如右圖）

另外在平時與淹水期間，房屋受到的束制條件與載重條件不盡相同，同時導桿所需抵抗之水平力也因不同時期而有差異，各種情況可考慮如下：

1. 平時狀態 （房屋位於地表，如圖5之左圖）

由於浮動式房屋必須與固定於地表之基礎分離，因此在房屋下方底版與基礎間可設置支承墊，傳遞靜載重與垂直向活載重，另一方面當房屋所受之水平力（包含地震力與風力）小於底版與支承墊間的摩擦力時，可藉由支承墊的變形來傳遞力量與消能，而當水平力大於彼此間的摩擦力導致房屋產生滑動時，導桿必須能夠承受房屋經由連接機構所傳來的水平力。

2. 淹水期間 （房屋處於上浮狀態，如圖5之右圖）

作用於房屋下方底版與四周之靜水壓力與房屋沉入水的深度成正比，而最大沉入深度與房屋的設計靜載重及室內的設計活載重有關，若考慮水的流動，應考量水流作用於房屋上的拖曳力。而導桿所承受之水平力來自於本身所承受之地震力、風力與水流力及房屋經由連接機構所傳來的力量，值得注意的是該力量作用於導桿上的位置會隨著淹水高度變化。

圖5 浮動式房屋在平時狀態與淹水期間

結語

由於浮動式房屋之特殊需求，包括自重輕、房屋與基礎分離、房屋能隨水位上下浮動並回到基地原來位置、同時能抵抗風力、地震力與水流作用等，在設計上如何達到這些需求都面臨很大的挑戰。希望藉由本文拋磚引玉，吸引更多土木人的投入，帶動國內抗洪房屋科技之發展。

參考文獻

1. D. Han, J. Davis, Z. Hu, G. Lan, E. Maren, C. Twyman. （2002） “Design Studies on Flood-Proof House”, Research project, Department of Civil Engineering, University of Bristol.