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建築研究簡訊第110期

  • 日期:109-12-31
主題報導郭建源
出版帷幕牆系統結構耐風設計手冊

一、前言

  建築設計日益新穎複雜,常利用帷幕牆展現亮麗的建築外觀,形塑現代都市風貌。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。帷幕牆系統設計除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,其中耐風設計扮演非常關鍵的角色,尤其對高層建築而言,風壓常是攸關牆體本身及支撐構件之關鍵外力。本所於今(109)年6月出版「帷幕牆系統結構耐風設計手冊」,研擬帷幕牆系統耐風設計示範例,逐步計算風壓與分析結構,將繁複公式流程化與圖像化,以供業界參考應用。

二、手冊架構

  現行「建築物耐風設計規範及解說」(以下簡稱規範),於民國104年1月1日起施行,其對建築外部被覆物及局部構材之設計風壓有詳盡的規定。但因公式繁複,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物使用期間,受強風侵襲時之安全性頗值得憂慮。為能讓帷幕牆系統結構設計者熟悉相關設計規定,減少錯誤之判斷與應用,本所於105年辦理「帷幕牆系統結構耐風設計手冊研擬」計畫(鄭元良、陳瑞華,2017),並組成專家審議小組經3次審議,美編後將其付梓。以下就手冊適用範圍及示範例內容說明。

(一)手冊適用範圍

  本手冊係以前述計畫成果為藍圖,採用我國常見之帷幕牆系統型式,依據規範研擬風壓計算與結構分析示範例,以流程化與圖像化原則,逐步演算帷幕牆系統風壓計算方法,並研擬牆體本身及各支撐構件之受風力分析與構材安全檢核方法。規範第二章與第四章規定主要風力抵抗系統風力之計算方式,規範第三章規定局部構材及外部被覆物設計風壓之計算方式。本手冊中帷幕牆所受風壓,依據規範第三章,針對近似規則矩形柱體的建築物,研擬其主要局部構材及外部被覆物耐風設計流程圖,並提供對應的示範例。

  另根據規範5.1風洞試驗適用範圍可知,建築物之耐風設計,依規範無法提供所需之主要風力抵抗系統設計風力或是外部被覆物之設計風壓風力資料時,得以風洞試驗作為耐風設計之依據。當建築物之高度超過100公尺,或風力效應明顯時,建議進行風洞試驗。凡施行風洞試驗之建築物,其設計風力、設計風壓與舒適性評估得以風洞試驗結果為準。基此,帷幕牆系統所須之設計風壓,除可依規範計算,亦可透過風洞試驗決定之。

(二)示範例說明

  帷幕牆系統一般分為直橫料系統(又稱框架式系統)、窗間牆系統、隔版系統、複合式或半單元系統及單元式系統等五種,而國內常見的帷幕牆系統為單元式以及直橫料式,因此本手冊針對此兩種系統擬定設計例。單元式帷幕牆為於工廠中將帷幕牆構件規格化,做成適合安裝之預組單元,然後於現場先將繫件固定於結構系統上,再將預組單元間四邊以公母式(套)鋁擠型料嵌接,嵌接後水平向鋁擠型料在分析時視為橫料,垂直向鋁擠型料在分析時視為直料。直橫料式帷幕牆為將帷幕牆構件依序於工地施作,包括繫件、直料、橫料及面材(如玻璃、鋁板或混凝土板等)。根據「耐風規範」第一章之定義,面材為外部被覆物,而直料、橫料及繫件為局部構材,其中外部被覆物將所受風力傳至局部構材,局部構材再將所受風力傳送到主要風力抵抗系統。

  本手冊依據規範分別繪製高度超過18公尺及高度不超過18公尺封閉式或部分封閉式建築物之局部構材及外部被覆耐風設計風壓計算流程圖。設計風壓之計算分為四個步驟,先蒐集建築物與工址風環境資料,再針對每一構件分別決定其外風壓係數、計算各來風方向下之設計風壓及決定最大設計正風壓和負風壓

  第二章簡介帷幕牆系統耐風設計原則,其第一節說明如何根據「耐風規範」決定帷幕牆系統各構件設計風壓,包括面材、繫件、直料及橫料。第二節及第三節分別針對國內常見之單元式以及直橫料式帷幕牆系統,簡介各構件結構耐風分析與設計的原則與檢核標準。

圖1單元式系統直橫料結構分析示意圖

  國內工程實務針對建築物高度超過18公尺之建築物通常採用單元式或直橫料式帷幕牆,但對建築物高度不超過18公尺之建築物,只採用直橫料式帷幕牆,故本手冊第三章為建築物高度超過18公尺建築物單元式帷幕牆系統設計例;第四章為建築物高度超過18公尺建築物直橫料式帷幕牆系統設計例;第五章為建築物高度不超過18公尺建築物直橫料式帷幕牆系統設計例。

三、結語

  台灣地處西太平洋颱風盛行區域,幾乎每年平均有3個以上的颱風侵襲。近年來,國內相繼受到104年蘇迪勒、杜鵑颱風,以及105年尼伯特、莫蘭蒂及梅姬颱風接連侵襲,部分地區瞬間陣風甚至達17級風,造成國內的財產及人員重大損失。而帷幕牆系統為建築物表層,面對颱風首當其衝,其耐風性能更應特別重視。本所為提供正確的帷幕牆耐風設計及結構分析方法,業於今(109)年6月出版「帷幕牆系統結構耐風設計手冊」。

  手冊研擬帷幕牆系統之結構耐風設計示範例流程,包括決定所設計帷幕牆系統之組成構件、位置及其風力傳導機制;根據建築物特性及每一構件位置與有效受風面積,分別計算其設計風壓;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,建立帷幕牆系統結構風壓計算程序以及其相關構件之受力分析原則,完成3個帷幕牆系統結構耐風設計之計算示範例。每一案例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。

圖2 帷幕牆系統結構耐設計手冊封面