應用樹木生物力學及工程學於危險樹木診斷 - 農業知識入口網

日本北海道大學根據樹木力學和工程學原理對樹木抗風力進行評估，發現日本樹醫對危木診斷的準確率僅約25%；為增進國內對危險樹木診斷之瞭解，本文簡介歐洲的檢測系統以及臺灣進行中的研究，提供給讀者參考。

都市林的營造讓人們的生活圈有機會可以貼近自然，樹蔭改變了都市裡的微氣候，樹體也讓都市的線條柔和了，惟有這些樹木能健康穩固的在人類活動環境中存活，才會有安全的都市林。然而樹木易遭受微生物、真菌、白蟻或其它昆蟲等入侵危害，致使健康安全堪慮；或因人為栽植條件和技術不妥當，進而造成樹幹腐朽中空或樹體根系不穩，最終可能受強風吹襲而倒塌斷裂、根拔而死亡，若預防不及恐危及人類生命和財產，造成不可恢復的損失。

近年國內社區住宅大量興建，住宅周邊的綠美化為於短時間內看到成效，常栽植大樹，並在未考量樹冠幅和根系對等大小的情況下，以小植穴種大樹；如此就算以鋼索固定，但若未完整考量力學的支撐，一旦颱風來臨馬上就會被狂風吹得連根拔起而傾倒，唯有藉根盤檢測技術之研發應用方能防患於未然。

104 年7 月森林法增訂樹木保護相關規定，其中，「經公告之受保護樹木，地方主管機關應優先加強保護，維持樹冠之自然生長及樹木品質，定期健檢養護並保護樹木生長環境，於機關專屬網頁定期公布其現況。」顯見生長在都市裡的林木逐漸受到重視，而地方主管機關將是保護樹木的執行單位。

關於日本的樹木醫制度 樹木醫是治療樹病的專業人才，日本在1991年開始由財團法人日本綠化中心執行樹木醫認證制度。樹木醫是民間認證，為日本綠化中心的註冊商標，並不具有國家級執業證照，不像一般醫師或獸醫，因此樹木醫並非醫師。但要成為日本樹木醫需有樹木診斷、治療等相關業務7 年以上經驗，並經日本綠化中心審查合格；而在日本，非樹木醫亦可執行樹病治療，但公信力較低。 在日本要靠樹木醫維持生活所需之經濟是相當困難的，日本現有樹木醫約2,000 人，絕大多數為副業，僅使用簡單的道具。除綠化中心外，日本目前尚有日本樹木醫會、樹木醫學會及日本樹木保護協會等從事樹病防治工作；日本另有「街路樹診斷協會」係以公司、團體為會員進行街路樹的診斷維護工作，使用的診斷設備較為先進，該協會引進德國學者Mattheck 氏所提倡的樹木生物力學原理作為診斷基礎，2011 年開始招募街路樹診斷會員，目前約有80 餘位會員。

歐洲的危險樹木檢測系統
歐洲各國在林業及樹木管理方面是世界上最先進的，有關樹木的各種先進測試儀器製造廠商也多來自歐洲，尤其是德國，以下介紹三種著名的危木檢測系統。

1. 樹木外觀評估法（VTA）
依據樹木生物力學原理，就樹木的外形特徵推斷屬於危木的可能性及發生破斷可能位置，並說明破斷的發生機制，亦即利用樹木本身肢體所傳達的語言來診斷樹木本身的健康狀態，尤其老齡樹木常有樹幹心材腐朽或中空等問題，到底樹幹能忍受多大的空洞呢？

依據德國生物力學學者Mattheck 氏等對眾多樹木（超過600 株）進行野外調查之結果顯示，樹幹半徑（R）與樹幹發生孔洞後殘存壁厚度（t）的比值（t/R）是重要因素，而與樹木的種類或直徑大小無關。當比值越小，表示空洞越大，殘存壁越小；當t/R 比值小於0.3 時，樹木則易發生破斷；當比值大於0.3 時，則樹體仍能維持直立穩固。此比值意味著殘存壁厚度t 只要仍保有半徑的30%，則樹木不會有破斷的危險，因此樹木安全係數0.3 已成國際間廣泛公認的危險樹木判定基準。

2. SIM 法
由德國學者Wessolly 及Sinn 所研發，提供有工程力學背景的人員運用，利用鋼索拉引樹幹，藉以評估12 級颶風下樹幹的破斷安全係數與根盤的穩定性。

藉由執行超過4,800 次的拉樹試驗，建立充足的資料檔，測試前需在樹幹基部安裝傾斜角測定器及彈性規，並在鋼索上裝設荷重計。傾斜角測定器用來測定拉樹試驗時樹幹的傾斜角變化，代表樹木根盤的轉動，此傾斜角變化應控制在0.25 度以下，以避免鬚根受傷而影響樹勢；彈性規用來測定樹幹表面的彈性變形；在荷重計另一端以手動絞盤拉動鋼索，對樹幹產生拉力。利用荷重計所測得拉力與樹幹傾斜角及樹幹表面彈性變形的關係，可以計算出樹木根盤的強度及樹幹的強度，更進一步可評估樹木在12 級颶風下的安全性，若安全性不足時，則可探討補救的方法，持續監測或加以伐除。總之，危木應有適當的管理，藉以保障人民生命財產的安全。

3. SIA 法
SIA 係整合VTA 及SIM 法， 應用於歐洲諸國，亦是由德國學者Wessolly 及Sinn 研發，樹藝者不需具備工程上的專業知識，僅需測高器及捲尺即可。

SIA 法利用SIM 法就3,000 株樹木進行拉引試驗的結果，發現不論樹種別均有類似關係。經模擬4 種形狀樹冠，計算12 級颶風（33 公尺／秒）下的風力彎矩，並以各別樹種的生材壓縮強度為基礎，求出樹高與所需破斷直徑的關係曲線，然後測出樹幹實際不含樹皮的直徑，由實測直徑與所需破斷直徑的比值求出該樹幹的基礎破斷安全係數，再由此安全係數推算出該樹幹所容許空心的壁厚／半徑的比值，最後再計算出經由修枝減小樹冠面積與彎曲力臂長度而增大的破斷安全係數比值。

SIA 法基本上是將SIM 法的力學分析結果製成圖表，讓無工程力學背景的業者，僅利用皮尺與測高器量取樹木的胸高直徑、樹高和樹冠面積，便能藉圖表來評估樹木對12 級颶風的安全性，SIA法對無工程力學背景的樹藝者來說是相當實用方便的。

臺灣進行中的研究
由於樹木上自樹冠下至根盤，可視為一連串均等負荷的鏈環，亦即樹幹上下各部位及根盤對外在動態風壓具有約略相同的抗風強度，因此樹木根盤穩定性可透過拉引試驗測定樹木倒伏所需的彎矩來作評估。據此農委會林業試驗所開發出具科學評斷依據的樹木根盤安全性試驗方法，並獲國內發明專利（發明第I457551 號）。

本試驗方法簡述如下:
首先測量目標樹木的樹冠面積、胸高直徑、樹冠中心至地表的垂直距離等基礎資料，再於目標樹木裝設伸縮計、傾斜計及串聯有荷重計及手動絞盤之鋼索，如上圖。

拉引試驗時，先利用手動絞盤使鋼索對樹幹產生拉力，此拉力可被荷重計加以記錄；而拉力致使根盤鬆動的程度可被樹幹基部之傾斜計加以記錄；樹幹受拉力所產生的伸縮大小可被伸縮計加以記錄，此測值可再轉換為應變及應力。由於樹幹空心或腐朽時，所測得應變值會增大，因此若由不同方向拉引樹幹，可預測樹幹空洞的大小並加以定位。透過蒐集上述資料，可計算在12 級颶風下樹木根盤的穩定性，及樹幹抗風強度之安全係數。

目前已進行肯氏南洋杉、小葉欖仁、香楠、紅楠、烏心石、鬼櫟、三斗石櫟等7種樹木（約十數株）之拉引試驗，所測試樹木多可抗12 級颶風。然而，7 種樹木中，行道樹（如肯氏南洋杉、小葉欖仁、香楠、紅楠、烏心石等）之安全係數皆較生長於天然林的樹木（鬼櫟及三斗石櫟）小，推測為因行道樹樹木的根系受到限制所致。

樹木經拉引試驗可產生之破壞模式眾多，初步分類如下，未來將增加受測樹木種類與數量，以累積更多試驗成果。

1. 施予拉力期間，傾斜角與引張應變隨拉力增加而增加。
顯示樹木基部未發生破斷；試驗拉至目標角度與拉力時，樹木根盤仍保持良好。數據分析顯示樹幹抗彎最大彎矩與根盤最大抗彎彎矩皆大於作用於樹冠之12 級颶風彎矩，意即樹木根盤強度夠，樹幹強度足，可進一步獲得樹木根盤與樹幹之抗風安全係數。

2. 施予拉力期間，傾斜角隨拉力而增加的同時，引張應變隨拉力而急速增加。
顯示樹木基部已發生破斷，破壞位置不在根盤，而在樹幹基部。意即受測樹木之根盤強度夠，但樹幹強度不足，樹幹為其破壞點。因此在颶風下，樹木可能發生幹折而非根拔傾倒。透過實際取回傾倒後樹木之木材進行破壞試驗，所得抗彎強度與拉力試驗結果進行比對，可以證實拉力試驗的準確性。

3. 施予拉力期間，傾斜角在輕微拉力下急遽增加，引張應變不隨拉力而激增。
顯示樹木根盤已發生鬆動，破壞位置在根盤，而非樹幹。意即在颶風下，樹木將發生根拔傾倒而非幹折。受測樹木應立即妥善處理。

危險樹木之診斷應融入生物力學及工程學概念
日本北海道大學的試驗證實，樹醫就樹木外觀（樹齡、胸徑、樹高、樹冠長度、樹冠寬度等）、目視及鑽孔阻抗儀之資訊，所得之危木診斷評估與直接砍伐樹木測量樹幹實際強度，並以數值分析法回推樹幹所能承受之臨界風速所測的危木診斷有相當的差異，主要係因為樹醫未妥善應用樹木生物力學及工程學的概念。因此，建議多以包含樹木生物力學及工程學概念的樹木拉引試驗做為危險樹木之診斷。 文‧ 圖／黃彥三、李金梅、許富蘭(豐年 6617.6618)