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建築研究簡訊第100期 《業務報導》

帷幕牆系統耐風設計與結構分析示範例

由於全球氣候極端氣候變異,各地發生強風驟雨、災害頻傳,而台灣地處西太平洋颱風盛行區域。伴隨著科技進步,建築物朝高層化、大型化趨勢。且建築設計日益新穎複雜,常利用帷幕牆展現華麗的建築外觀,讓整個城市更添加文明感。但在表現建築曲線的同時,亦應注重帷幕牆系統的結構安全性與居住舒適性,特別是強風來襲時的抗風性能攸關生命安全,不可不慎。為了提升國內帷幕牆系統的耐風結構安全,本所去(106)年研擬完成「帷幕牆結構系統耐風設計手冊草案」,可供業界參考引用。

帷幕牆系統是建築構造中重要的一環,其設計不僅須符合水密性與氣密性等物理性能外,更要符合結構安全之標準。帷幕牆系統基本上包括牆體本身及支撐構件,必須根據各種可能最大外力妥適設計,以確保結構安全,其中耐風設計扮演非常關鍵的角色,尤其對高層建築而言,設計風壓常主控牆體本身及支撐構件之關鍵外力。現行建築物耐風設計規範與解說於民國103年6月12日修正頒布,並自民國104年1月1日起施行,其中對規則矩形斷面建築之外部被覆物及局部構材之設計風壓有詳盡的規定。但目前一般的帷幕牆系統結構設計者通常不太熟悉相關規定,而以經驗或早期國內外規範執行設計,此種設計在未來建築生命週期內強風侵襲時之安全性頗值得憂慮。未來手冊草案出版後,期能讓帷幕牆系統結構設計者熟悉建築物耐風設計規範之相關規定,減少錯誤之判斷與應用。

計畫內容首先回顧常見之帷幕牆系統與其組成構件,且探討其風壓傳導機制。參考並彙整建築物耐風設計規範(104)及建築物耐風設計技術手冊(106)之相關資料,建立有關局部構材及外部被覆物設計風壓之計算程序。具體而言,將針對獨立矩形柱狀建築(高度超過18公尺或低於18公尺)之局部構材(支撐構件)及外部被覆物(牆體),根據耐風設計規範「第二章 建築物設計風力之計算」中之風速壓計算方式及「第三章 局部構材及外部被覆物之設計風壓」中之封閉式與部分封閉式建築物局部構件設計風壓之計算方式,考慮建築物之位置、重要性、封閉性、週遭地況與週遭特殊地形及構件之位置與有效受風面積,建立每一來風方向下之設計風壓計算流程。

其次,研擬帷幕牆系統結構受風力分析與構材安全檢核原則,建立帷幕牆系統之結構耐風設計流程,包括決定所設計帷幕牆系統之組成構件、位置及其風壓傳導機制;根據建築物特性及每一構件位置與有效受風面積,分別計算對應之設計風壓;再依設計風壓,分別計算構件之抗彎強度需求及變形需求。以前述流程為基礎,帷幕牆系統設計風壓計算程序以及帷幕牆系統結構受風力分析原則,完成3個帷幕牆系統結構耐風設計之計算例。包括高度超過18公尺建築物之單元式帷幕牆設計例、高度超過18公尺建築物之直橫料式帷幕牆設計例、高度小於18公尺建築物之直橫料式帷幕牆設計例,以上設計算例均從設計風壓計算開始,再分析構件受力,最後檢核構材安全。每一流程均有詳細計算公式與數據,可供業者依步驟進行分析與檢核。建立常見帷幕牆系統之結構耐風設計計算例(直橫料式系統及單元式系統)。

研擬帷幕牆系統結構耐風設計手冊草案,其內容除綜合前述研究成果外,同時增加手冊編撰目的與手冊內容架構。手冊章節包含帷幕牆系統耐風設計原則;高度超過18公尺建築物單元式帷幕牆系統及直橫料式帷幕牆系統計算例;高度不超過18公尺建築物直橫料式帷幕牆系統計算例等。