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2009年4月11日 星期六

帷幕牆簡介

帷幕牆簡介
郭炳宏
品贊有限公司總經理 、美國南加大建築碩士

首先,必須先了解「什麼是帷幕牆?」根據建築技術規則所示,帷幕牆是:『構架構造建築物的外牆,除承載本身重量及其所受的地震、風力外,不再承載或傳導其它載重之牆壁。』
一般提起帷幕牆,總讓人聯想到玻璃帷幕牆,而玻璃帷幕牆也正是一般人對帷幕牆較刻板的印象。其實,帷幕牆純粹是一種構造的形式,與使用材料沒有直接關係,所以它的材料可以是石材、金屬版、磁磚,也可以是玻璃等其它建材,而各種不同的組合也也帶給建築師在設計上更充分的創意空間。

帷幕牆的發展源流
帷幕牆所以和高層建築有密不可分關係,原因在於帷幕牆是絕對強調骨架結構,其靜載重只有樑、柱等骨架承受,外牆本身是不承重的。
十九世紀初期,由於新的建築材料和結構技術的引進和改良,鋼製品逐漸應用於建築。十九世紀末葉的鋼筋水泥,由於材料之經濟使用和絕佳之可塑性,更奠定骨架結構的使用,於是,外牆不再是一個支承構造物的結構體,外牆開口比例得以自由;而由於玻璃工業的進步,使得開窗尺寸得以增加。
在第一次世界大戰之後,現代的建築師嘗試以現代工業化生產,對骨架結構進行一連串的試驗,企圖建立一個新的建築秩序。這些建築表現手法的理論原則,經由教育機構,著作及實驗設計作品,逐漸定型而發展出一定的式樣。
帷幕牆發展的另一個因素則是人們在生活及工作上對自然光線的需求;是窗子(Window)漸演變成窗牆(Window Wall),也引發了許多問題,如斷熱、防水、及玻璃的支撐系統等,一些因應之道也陸續被應用到這些問題來,謀求解決。

高層建築帷幕牆之特性
適合高層建築的帷幕牆,必須具有下列特色:
1. 預組化:高層建築工種繁多,各工種必須減少現場作業時間,以便工程調度,因此各項工種必須儘量在工廠預組完成,連至現場吊掛。
2. 輕量化:高層結構必須降低構體自重,才能符合而建設計,另外在揚重計畫上,輕量化的外牆也是工作重點之一。
3. 規格化:外牆工程是主體工程之一,為縮短工期,外牆單元必須可以在工廠大量生產,而規格化是大量生產的第一步。
4. 工業化:設立生產線的製造方式,使工人熟悉簡單工作,而提高速度及品質,並充分掌握工程進度。
5. 自動化:在勞力短缺及勞工成本不斷提高之下,將來的勞力問題勢必比今日嚴重,於是裁切、加工、組立,甚至現場吊裝,都必須朝自動化發展。
6. 單元化:由於高空填縫作業的危險和困難,強調不必現場施作填縫的單元式帷幕牆(Unitized System)將成為系統主流。

帷幕牆系統結構行為

風速風壓

風壓乃作用於建築物表面單位面積的風力值,而風力來自於風速,風速愈大,則風壓愈大。
最大風速的考慮,也就是設計風壓的依據,隨著地理位置和建築物高度而不同,另外建築物四週環境的特性,包括開闊的鄉野、郊區或密集的都市建築等,更是風力作用的主要影響因素。牆身系統的垂直載重較側向風壓受力來得輕,所以鋁帷幕牆的結構設計,主要在於提供足夠的側向風壓抵抗,其支配的因素通常是勁度(Stiffness)而非強度。
建築物密集的地方,由於地表摩擦力大於開闊的鄉野,因此,在離地表相同的高度,都市的風速風壓比郊外來的小,換言之,都市地區必須在較大的高度,才會發生與郊區相同的風速及風壓。在同一建築物表面的風速風壓,則隨建築物高度作曲線增加,但為分析方便,我們常把曲線簡化成階梯式的直線以從事設計工作。

正負風壓
風壓有正負風壓兩種,又經常以負風壓的要求較正風壓來得嚴苛,以建築物立面來說,其迎風面是正壓區,而其背風面則是負壓區,以單幢建築平面來說,迎風面兩側因風速加快,而使壓力減小,形成負壓區,以雙幢建築平面來說,其相鄰面因風速較大,其負風壓將比不相鄰兩側為高。

正負風壓的形成
建築物既然有正負風壓兩種,但是正負風壓是如何產生的呢?以飛機的機翼來講,當飛機加速時,空氣同時相對加速通過機翼上下兩側,而通過上側的空氣為了同時與下側的空氣在尾部相遇,必須在相同的時間內,通過較大的機翼表面。根據百努利定律,表面壓力加上1/2倍的rv2等於一個常數,其中r是係數,v是風速,於是,當機翼上側風速大於下側時,下側之表面壓力大於上側,速度相差愈多,壓力相差愈大,於是當飛機加速到一定程度,兩側之壓力差大於飛機之重力時,飛機便可起飛。道個例子說明了,在建築物迎風面兩側,因為室外空氣平行移動速度大於室內的關係,因而造成了負風壓,其壓力甚至大於迎風面的正風壓,這也就是為什麼在颱風天,玻璃常會被吸走的原因。以平面來說,除迎風面是正風壓外,其餘三面均是負風壓,而以立面來說,正風壓離地面愈高壓力愈大,而負風壓基本上較為平均。

活載重沈陷
帷幕牆大多連結在樓板及柱子上,當上、下層樓板因活載重不同,尤其在兩柱中間,而發生不均勻沈陷時,帷幕牆之版片也隨之發生上下相對位移。因此,必須在開口部之上緣或下緣,配合分割線設計一個滑動結點,以吸收該位移。

地震模式
地震起因於構成地球的岩石,由於地殼運動與火山活動而被長期積壓的變形無法再被支持時,岩石就會破壞,發生斷層,解除長期積壓的變形。
當地震發生時,高層建築物由於慣性的關係,在底層向右移動時,高層部份仍然維持不動,當底層回復原來位置,向左移動時,高層部份才開始往右移動,這種行為往復發生,造成建築物在立面上產生波浪形的擺動。由於地震時的水平移動是前後左右同時發生,結果就在平面上造成旋轉運動。

地震的行為
高層建築物就像是從地表伸出的懸臂樑。當作用力通過懸臂樑的剛性中心,懸臂樑的變形僅是單純的彎曲,但是當作用力未通過剛性中心,懸臂樑就會產生扭曲的現象。
如果建築物之水平力的抵抗因素不均勻配置時,抵抗因素較少的一邊也會產生很大的變形。使建築物發生扭曲。倘若再與地殼的旋轉運動合併在一起考慮時,就更加助長扭曲震動的發生。

結構體的變形及層間變位
高層結構體受到地震等水平外力的作用時,樑柱本身會產生S形的變形並保持接點部份的相互垂直,但是,由於該節點的垂直變位遠小於水平變位,在處理外牆版片的側向位移時 ,可將樓層間的變位視為單純的平行四邊形。
剛性較高的鋁合金帷幕牆及預鑄混凝土版可以滑動及滾動的方式來吸收層間變位,而剛性剛小的金屬帷幕牆則另外可以構材本身的變形來吸收層間變位。


帷幕牆材料與系統

材料
帷幕牆的種類可以材料及系統來加以歸類,在材料上帷幕牆可以分為金屬帷幕牆、玻璃帷幕牆預鑄、混凝土帷幕牆及其它如石材、瓷磚及結晶化玻璃等面材。
而在系統上,則可以分為直橫料系統、格版系統、窗間牆系統、單元化系統、複合式系統。
金屬帷幕牆的主要構材為鋁合金、鋼鐵及不銹鋼等金屬,而最常見的面材則是鋁版。鋁版的表面處理有氟碳烤漆、粉末塗裝等,顏色選擇多,也有不同的質感,近來印刷科技也運用到外牆,使鋁版有花岡石的效果。
玻璃帷幕牆主要以玻璃為面材,常見的立面造型有方框式、橫框式及隱框式,而玻璃本身有各種不同顏色及反射率,搭配出不同的趣味。玻璃也可以運用烤漆的方式,作出金屬版及花岡石的表面質感。
預鑄混凝土帷幕牆基本是將混凝土牆版片化,而以帷幕牆的方式懸掛在結構體外面,最常見的面材有石材及磁磚,也有將混凝土直接做成不同的紋路來表達材料本身的塑造性。
石材及結晶化玻璃過去因價錢昂貴,僅作局部的裝修,現在因台灣經濟水準的提高,開始大量運用到外牆上,而磁磚則是亞洲地區,特別是台灣及日本最受歡迎的面材,近來也因為新工法的開發引進,開始以帷幕牆的方式與其它各種面材搭配出現在高層建築上。

系統
帷幕牆依其構法與組立的型式,大致可分下述五大系統:

1. 直橫料系統(Stick system)
此系統特點在於線條明快突出,且可搭配牆版變化造型;組合上將帷幕牆元件在工地上一 件件組合,首先裝上固定系統(Anchor),其次是直料(Mullion)、橫料(Horizontal)、窗間板(Spandrel Panel),最後加上玻璃及內部裝飾(Interior Trim)。此種工法由於在工地上切成實際尺寸,所以材料節省、搬運費用低廉,材料之尺寸較具彈性; 缺點是工地施工時間長、費用高且品質也較難控制;但總成本比較便宜,因此仍被廣泛採用。這種系統在設計上最重要的是伸縮縫之位置和層間側向位移之考量。國內習慣上稱之為立柱式帷幕牆構法。

2. 格版系統(Panel System)
本系統提供了整個牆面的造型,格狀的樣式有強烈的垂直及水平韻律,每塊版在工廠整體鑄造,連至工地錨定組合而成帷幕牆。
此系統類似單元化系統,所不同者是單元化系統是由許多小零件組合,而格版系統多指單片版,如預鑄混凝土版(Precast Concrete)或金屬版沖壓而成之單片版。

3. 窗間牆系統(Column Cover And Spandrel System)
其施工步驟,首先是裝上固定系統(Anchoring System),其次是窗間牆(Spandrel Panel) 、柱覆板(Column Cover Panel),再安裝玻璃(Glazing Infill) ;由於安裝之程序簡單,大部份之裝置都在工廠作業,因此品質得以控制。

4. 單元化系統(Unitized System)
在美國1970年代以後,由於建築工人短缺,施工品質不易控制等因素,單元化系統逐漸流行,成為近年來超高層建築外牆工法之主流。其特點是把帷幕牆組合規格單元化,再依次固定於結構系統上。其尺寸大小約1.5m寬x樓高長,相當於窗格跨距x樓高長。
此系統具良好的層間位移承受性,尤其適合高層建築鋼骨工程之層間位移。其在每一單元中間都有保留間隔空隙,以因應層間位移以及樓版活載重的撓度,使每一單元不至受到擠壓變形或甚至破壞。
其缺點是:(1)體積龐大,在運輸時表面受損情形較為嚴重,搬運上需要裝箱保護。(2)材料使用除所需強度外,還要考慮排水系統及周邊的框架鋁料,因此用量大。(3)設計上要力求精確、製造精度,因施工品質將影響到水密性。(4)施工用的昇降機拆除後才能進行安裝,因此有關工程配合問題,需先周密計畫。(5)此系統設計與施工之成效如何,圖面上無法事前揣測,需依賴試驗(尤其是風雨試驗),而試驗之結果也可以回饋於新系統之設計中。(6)需減少工地電焊焊接之火花以及熱度,以避免損壞鋁擠型之表面。

5. 複合式(Unit And Mullion System)
此系統介於直橫料系統和單元化系統間的一種構法,屬改良的直橫料系統。先錨定兩邊直框,在直框中再安裝預組單元;有時是一層樓高的版片,有時分為裙板和玻璃窗二單元。


系統選擇
這麼多的材料與系統應如何選擇呢?以下幾點可供參考:
一、都市環境---帷幕牆在設計時應考慮四周的環境因素,如在圓環四周因有許多內凹半圓形式的帷幕牆,由於陽光反射產生聚焦現象而使附近的植物不易生長,且機車騎士行經附近也會覺得有被割傷的感覺。另外,基地的氣候如風、雨、雪及空氣污染,及是否靠海也應該一併考慮。
二、外觀造型---任何建築物的外觀造型都是基本考量的因素,建築師以不同的材料來表現建築物的風格並為業主塑造企業形象。
三、結構安全---由於結構的失敗會危害到人類生命安全,因此,牆體的結構安全是設計的最關鍵因素。
四、防災措施---在台灣的帷幕牆有開窗的設計,這點與國外不同,美國極少有開窗的設計,在國內則以紅色三角形做為開窗的標記,發生火災時便於消防人員進入。
、成本與經濟效益---帷幕牆的成本決定於使用何種系統及材料,在維持一定的功能品質下,以經濟合理的經費完成該項工程。
六、法規及規範---歐美等先進國家均有詳細的規範來保障建築物的安全,兩國內對建築物雖有相關的法規及規範,但帷幕牆還未有一套完善的法規規範,協會與政府相關單位將研擬出一套完整的規範,使其有規則可循,如此對建築物、業者及消費者而言,都是相當大的保障。
七、製造與吊裝---構材及版片的製造、運輸、儲存、吊裝及揚重計劃都應考量。
八、耐久性能---材料的選擇上應考慮使用的耐久性及將來的維修及替換。
九、維護及使用管理---適當的維護及管理將提高外牆的耐久年限。
業主在建築規劃階段,應該清楚釐定建築物功能以及營運計畫,以讓建築師有所遵循,藉以規劃立面造型以及選擇材料。在發包作業前,業主的規畫小組應在建築師及專業帷幕牆顧問的協助下,擬定帷幕牆工程規範,訂定合理的工程預算,並進行「價值工程」評估;在發包作業時,則由專業顧問進行「技術評估」,篩選投標廠商的資格並協助發包,而後,再由建築師及顧問共同督導該項工程的進行與品質。


帷幕牆設計準則
1. 抗風壓
在帷幕牆設計的結構安全上,風壓比重力更具有決定性的份量。帷幕牆的耐風壓性能必須滿足(1)不須修裝狀態下能繼續使用的界限內,(2)帷幕牆單元無被吹散或脫落之虞的界限內。在帷幕牆之設計上,通常檢討表面局部風壓。局部風壓隨造型和表面之變化有很大差異。風壓強度隨建築物高度增加而增加,而邊角因流速加大而有更大之風壓。

2. 面內變形
層間位移分為與牆面平行及垂直兩種。與牆面平行者須考慮玻璃轉動的問題。玻璃和支承鋁框間應預留足夠之空間,以避免擠壓所引起之破碎,與牆面垂直者接頭之設計需能旋轉,以免傳遞彎矩,而破壞肢材或接點。
在金屬帷幕牆方面,可以面材和安裝鐵件來吸收因地震而發生的層間位移;因為P.C.版的剛度極大,只能以安裝鐵件的變位設計處理層間位移。

3. 隔熱性
隔熱性能與空調計畫之間其有密切的關係,外牆材料的選擇也必須謀求與空調性能條件之整合。
帷幕牆必須能對熱源之傳遞提供適當的阻抗,以維持一個舒適的室內環境供人們工作、起居及娛樂。帷幕牆中大量的金屬和玻璃都是熱的良導體,因此對材料之選用,甚至其顏色必須注意。

4. 隔音性
噪音分為室內外噪音及牆體噪音。室外噪音,諸如車聲、人聲、風雨聲應予適當隔離,使用複層玻璃(Double Glazing),慎選開窗方式並加強施工品質,或在牆內填充吸音材,提高隔音效能,以適度控制噪音。另外,帷幕牆之內部裝修,可考慮空間要求(辦公室及集會場所對室內音響要求不同),選擇適當之材料及採用吸音構造,以調節室內音響。牆體噪音則由於溫度變化,牆體各部構件因冷縮熱脹程度各異,及整組版片之量體變化,或因建築結構體之位移,牆體受正、負風壓所生之變形,均可以因摩擦而產生噪音,此時,設計者應在可能發生噪音處,加上適當之隔片或緩衝材,以防噪音產生。
牆體噪音經常發生在清晨、傍晚或壓力、溫度劇烈變化之時,摩擦噪音雖然對帷幕牆沒有任何物理傷害,亦不影響其功能,卻帶給使用者極度的不安,影響情緒及工作效率,因此在設計及施工時應採用適當的措施來避免。

5. 水密性
帷幕牆水密性能定在規定注水量下使室內側不產生漏水現象的界限壓力差,單位為kg/m2,數值愈大,表示水密性能愈佳,但是可動窗框部份與其他固定玻璃威水密性能要求不同,應分別註明。
在高層建築之中,一般都採用雙層填縫工法。通常在兩層填縫間設有排水構造,萬一水氣進入牆體可經由設計之泛水,集水及導水功能,將水分排出牆外,另外,利用等壓原理,可降低水份進入牆體之可能性。由於需要提供雨水自然流下所需的等壓空間,所以其接縫的組合也比雙層填縫工法複雜。

6. 氣密性
氣密性能指相對於壓力1 kg/m2下,每單位牆壁面積及單位時間內之通氣量。
氣密性能是影響冷暖房負荷的重要指標。在帷幕牆的設計上也應將可能透過排水路徑流動的空氣量、降至最低程度。如在排水孔填塞泡棉,藉以降低空氣內流動量及速度,而提高氣密性。

7. 防火
帷幕牆多用於高層建築,其高度經常都不是目前的消防設備所能攀及者,因此防火課題對於高層建築就更為凸顯。
火災發生時,對人體生命最大的侵害來自火焰所產生之濃煙,因此大部分建築法規都強制規定使用「層間塞」。層間塞填充於外牆與樓板之間隙,有效地控制濃煙之流竄,並降低對生命財產之傷害。
帷幕牆設計應注意避免受火災影響而脫落,以免危害下面救災的消防人員。而各部份構材也應該採用耐燃材料,更不可因火焰而產生有毒氣體。

8. 背面結露
當空氣之溫度達露點溫度時,若繼績冷卻空氣,則空氣中所含之水蒸氣,一部份會凝結成霧狀水滴,即稱為結露。結露有表面結露及內部結露兩種。結露現象若發生於帷幕牆構造內部會降低隔熱材料之功能,而徒增冷房負荷。表面結露,可以帷幕牆內部特殊的排水構造和蒸發裝置加以處理,以免損及內部裝修。內部結露極難流出構材表面,目前只能儘量避免。
發生在玻璃面上的結露,利用設在窗框底部的結露水集流槽暫時接收,等待自然蒸發,或採用向外部排出的導流方法加以處理。

9. 防銹
在帷幕牆上,鐵材普遍用在骨架的組合及與建築構造的接合上,鐵材本身需有適當的表面防銹處理,而在焊接及打孔鑽洞後,也必須在該處給予妥善的防銹措施,如防銹塗料等。另外在不同金屬接觸的地方,亦需注意是否因為電位差而產生接觸腐蝕。在有可能產生接觸腐蝕的異樣金屬間,可以使用無磁性的不銹鋼或合成橡膠等加以絕緣,或塗刷防銹塗料。

10. 排水虛理
帷幕牆漏水的定義是「牆體任何部份之室內表面,出現結露水以外之不可控制水流」,而且「落入牆體之水應可排至室外表面」,因此,帷幕牆應設有排水處理,並與雙層填縫或等壓設計配合使用,以確保外牆之防水功能。

11. 安裝精度
在設計帷幕牆時,舉凡建築物結構體之誤差及帷幕牆本體構件在裁切、製造、組立之誤差,乃至現場吊裝所需之調整(上下、進出及左右),都應該在設計之初一併考量。帷幕牆製品的精度,除左右製造技術及施工的難易外,並影響完工後製品性能。一般來說,金屬帷幕牆要求的精度較混凝土帷幕牆為高。藉由精良的測量儀器及方法,配合嚴密的施工品質管理和檢驗,可將誤差降低至最小。

帷幕牆耐久性能之要點
一、高耐蝕性材料---由於國內酸雨、空氣汙染等因素,帷幕牆必須使用耐蝕性材料。
二、表面處理---金屬表面受大氣中化學成份的影響,塵埃及酸雨侵蝕,而使表面塗膜破壞,金屬產生氧化,應改善表面處理,或增加其膜厚。可能浸水或受潮的繫件應儘量採用不銹鋼製或其他有特殊鍍膜處理。
三、避免異樣金屬接觸---兩個不同金屬接觸由於電位而產生電解,導致腐蝕,應使用墊片將兩個不同金屬隔開。
四、防治結露現象---隔熱材愈靠近室外,防潮層愈靠近室內可以避免結露發生,此外,也可藉著對溫度及濕度的控制及改善通風換氣減少結露現象。
五、容易清洗的表面形狀及表面材質---表面平整的材質較易清洗。
六、適當的清洗溶劑及方式---以中性的溶劑清洗,依不同材料選擇不同的清洗溶劑。
七、督導製作和施工品質。
八、定期清洗。
九、定期檢視維修早日發現問題,便可以早日解決問題。
十、帷幕牆使用與保養手冊提供給住戶或大樓管理單位,以維護外牆不同的構材和設備。


風洞實驗與風雨試驗

風洞實驗
風洞實驗乃模擬建築物本體及其周遭環境以測量其風速,風向及風壓的變化作為建築物結構及帷幕牆設計之依據;惟周遭環境之改變,如建築物之拆除或新建,也會影饗空氣的流動及改變風壓。
建築用的風洞實驗,乃在一座長約25米的風艙中,一端配置一座大風扇,另一端則為一個直徑約3.6米的圓型轉盤,建築物本身以三百分之一或四百分之一的比例尺製造。在測試當中則每次旋轉10度或15度,藉以模擬各種風向。
風洞裡在接近風扇的地方,設有各種大小不同的整流物,來調整風扇吹出的螺旋風。基地外圍的建築實體則以簡單的保麗龍或木塊按照比例加以模擬。
測試的建築物除依比例製造外,表面佈滿數百點的感應器,感應器再以線路連接到實驗室的電腦將訊號加以分析,變成可讀的數據。實驗室的研究人員將數據整理後,在建築物的立面圖上標出正負風壓,以作為帷幕牆設計的參考。

風雨試驗
為有效評估帷幕牆性能,在基地施工按裝前,先於實驗室依實體尺寸構築一座試體(Specimen),並模擬環境條件,如風壓、雨量、溫度和地震位移等,以觀測紀錄其性能。風雨試驗除可評估帷幕牆性能外,並提供了一個機會來檢討設計,以謀改進。
風雨試驗可以測試之項目有:(1)結構(2)層間變位(3)水密性(4)氣密性(5)隔熱性(6)防音性。其中前四項最常被指定及重視。結構安全及層間變化之相容性雖然最為重要,但是由於可以計算及預測,大多數的結構測試均能通過。水密性、氣密性由於缺乏可靠的方式加以計算和預估,必須藉由測試來對設計及性能加以評估驗證。


結論
一、帷幕牆的構造方式是工業文明下的產物,更是未來建築發展的潮流,建築高層化的結果,帷幕牆是不可或缺的一環關鍵技術和主要工程。
二、帷幕牆工程在整個建築營造上,是屬於高層次的技術,舉凡設計、施工及管理都需要專業人員的投入與關注,才能提高整體工程品質。
三、帷幕牆相關的界面工程極多,例如鋼骨、空調、內裝、洗窗機及防水工程等,因此,帷幕牆承包廠商必須有廣泛的專業知識和高度的耐心及協調能力,才能推動該項工程的進行,並且掌握進度和成本。
四、帷幕牆可以使用的材料極多,例如金屬、玻璃、石材、磁磚、水泥等,使建築師在建築表現上有更大的創意空間。
五、帷幕牆生產自動化,工廠預製品管嚴格,而且現場施工快速,使用勞力較少,在工程進度的掌控和資金的回收上對於開發投資單位都有極大的經濟效益。
六、帷幕牆不承重,單位面積重量極輕,耐震效果好,相對提高建築物整體安全性,對居住者提供了生命和財產上更大的保障。
以上簡單地描述帷幕牆與高層建築的相互關係,並對帷幕牆的功能、設計、生產、製造、使用及公共安全加以探討,除了希望帶給大家對帷幕牆更多的認識外,也希望藉由帷幕牆的推廣及正確的規劃,提昇整體的營建水準,創造出更美好的都市景觀。

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