帷幕牆部落格

綠色帷幕與藍色科技

2009-05-12T20:38:00.000-07:00

GREEN FAÇADE & BLUE TECHNOLOGY
綠色帷幕與藍色科技

近年來,永續發展這個議題,不僅是國際潮流,廣受各國重視,也是政府極為重視的一環,興建生態、環保、健康、省能源的綠建築即是在這方面最重要策略之一。政府推動綠建築法制化之政策,於民國九十四年一月一日起實施建築技術規則綠建築專章，其對綠建築的有關技術規則與以法制化，綠建築產業的市場機制及環境逐漸形成。

然而，由於建築工程日趨複雜，建築的專業分工已成為一種無法避免的趨勢，在這種“專業分工化”的洪流中，強調高度工業化的金屬帷幕牆似乎已經成為今日鋼骨大樓外牆設計的主流。

但是傳統式的大開窗帷幕牆常被視為 ”能源殺手”, 如何將大開窗的帷幕牆設計成生態、環保、健康、省能源的綠建築, 成為當今許多建築師思考探索的重點. 而藍色科技則為綠色建築帷幕牆提供一個可行的解決方案。

所謂“藍色科技”，其所強調的就是讓高透明度的外牆，依然能兼顧室內環境舒適與低空調耗能的技術。在設計概念上，藍色科技是以『把外牆當成室內外之間 “動態的濾網”的觀念取代了傳統上把外牆當成是“靜態的屏障”的思維模式』，在實際運作上，使外牆系統藉著自然通風或與空調設備之間的整合，發揮高度的節能效果，於是，有了“複式帷幕”系統的出現。

“複式帷幕”在歐洲被稱為Double Skin Facade，在中國大陸則稱為“雙層呼吸帷幕”，除了強調環保省能外，複式帷幕 “高科技”的建築意象與高度晶瑩剔透的建築質感更為許多建築師與業主所喜愛。

曾獲2003 香港商界環保協會優秀環保大廈及2004年度香港建築師學會“全年建築大獎的香港北京道1號商業大樓就是相當知名的案例。樓高２９層的“北京道１號”外形如一乘風船帆，其全透明玻璃外牆的設計令人感覺清新通透。和一般外牆玻璃會反光造成光熱污染不同，“北京道１號”在香港是第一家使用“三層不反光透明玻璃”這一嶄新外牆建造技術的商廈。據該商廈設計師嚴迅奇介紹，除了不反光外，三層玻璃的設計既可以將陽光帶入室內，又可以更好地隔熱隔音節省能源消耗。該外牆最外邊第一、二層之間是真空，可隔熱隔音，第二、三層之間是通風夾層，當室內冷氣使用後成爲廢氣時，會經通風夾層排出室外，進一步排出廢氣和隔絕熱氣。

目前在學術報告中，有些實驗指出，複式帷幕的整體節能效果竟能達到傳統式帷幕的50%。因“複式帷幕”目前在國內仍屬新技術新工法階段，在法規上尚無具體節能之認定，然而依原相同之原理，在台灣現行的建築法規，學校與大型空間和其他類建築物節約能源設計技術規範裡，已做出了“若是建築物屋頂使用了結合空調回風功能之雙層氣流窗，則要比一般窗戶能有效節能40~50% 的認定(原文第7條) ”。所以，相信未來“複式帷幕”在法規有效節能的認定上是令人期待的。

儘管複式帷幕外牆系統在歐洲已被廣泛運用多年，複式帷幕在亞洲的運用近年來才開始普遍起來。Double Skin在台灣雖然才剛起步，然而，在民間建築物早就有類似的應用, 例如, 許多公寓大樓的住戶習慣在陽台外再加裝一層”二次窗”,以達到隔音隔熱的效果。依據以往許多的建築經驗，無論在歐洲或是亞洲，以“藍色科技”為設計訴求的複式帷幕系統，其節能效果與整體效益一定要遠勝於傳統的單層封閉式帷幕，但是它的規劃、設計和施工都必須在建築規劃之初就加以審慎地考慮，故在選擇系統之前，除了要考量建築物的使用用途，更要考量地方氣候的差異與基地環境的複雜因素。在決定了基本設計方針後，再由專業的技術人員針對系統進行細部規劃與性能測試，才能達到設計的節能效果。

由於,複式帷幕牆設計非常符合牆體作為濾網系統的概念，近年來，同樣位處東亞及東南亞的日本、香港及中國大陸已經出現了不少以“複式帷幕”概念作為外牆設計的案例，例如日本的Sekisui House, 上海的久事大樓等均是複式帷幕牆的設計案例。其中, 上海的久事大樓為知名建築大師Norman Foster 所設計, 為中國第一個採用動態幕牆系統﹙在大陸亦稱為內循環式幕牆系統﹚的大樓。該系統包括了低輻射中空玻璃外層幕牆和單片玻璃的內層幕牆，內外層幕牆間有空氣流通裝置以確保室內溫度和濕度保持基本恒定。大廈總高268米，包括42層的塔樓和6層的裙樓。建築師的設計使該大廈具有獨特的美學和技術特色。

馬來西亞的S.I.D.C. 證券交易所是另一個複式帷幕建築的案例，該棟建築在完成後更曾獲得東南亞國協(ASEAN)的最佳節能獎項(AEA)。“先進式外牆系統”的相關設計觀念與專業知識對國內建築師尚在成型中，對國外建築師則是相當普遍, 例如Norman Foster 在德國所設計的Commerzbank, 倫敦的Moore House和Bishop Square，另外SOM在中國所設計的Raycom Infotech Park, Tower C Jinao Building均為典型的案例。儘管建築背後支持建築存在的因素相當複雜，但如能將此一智慧型建築空調系統與帷幕牆技術結合,相信必能將節能效果發揮至極至。

如今,複式帷幕大樓如雨後春筍般地大量在亞洲出現，這也說明了複式帷幕對於不同環境運用的廣泛性，台灣目前也已經有一些以“藍色科技”為設計基礎的複式帷幕規劃案例，相信這些複式帷幕大樓完工後當會掀起一波綠色帷幕的設計風潮。

複式帷幕--先進帷幕系統

2009-04-22T22:00:00.000-07:00

郭炳宏
品贊有限公司總經理美國南加大建築碩士

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帷幕牆簡介

2009-04-11T05:50:00.000-07:00

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。
五、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。

鋁帷幕牆設計議題

2009-04-05T22:44:00.000-07:00

鋁帷幕牆設計議題
郭炳宏
品贊有限公司總經理、美國南加大建築碩士

【譯者按】
本文譯自AAMA 1979年出版之『Aluminum Curtain Wall Design Guide Manual 』中第三章『Primary Concerns in Aluminum Curtain Wall Design』

台灣地區，由於超高層建築的興起，陸續引進美日帷幕牆技術，而台灣業者多年來的摸索、學習和發展，帷幕牆技術亦較20年前成熟。但是對於帷幕牆設計的主要原則，從建築師、業主到營造廠，都欠缺一個完整而明確的認知。
其實，帷幕牆系統的功能及其成功與否，有賴於帷幕牆設計師是否了解自然法則及其對於材料的效應。中華民國帷幕牆技術發展協會黃泗得理事長，也曾在公開講演中及在文章裡大力強調，設計師是帷幕牆業界的「靈魂人物」，並在協會中推動「專業工程師」的資格認證計劃。因此，在這個時候重申帷幕牆設計的關鍵性議題應該是相當妥切的。

本文雖是一篇譯文，但也陳述了個人從事帷幕牆工程的若干體驗。Mr. Jack P. Pickner是亞洲地區知名的美國帷幕牆顧問，當帷幕牆於1950年濫觴美國，Mr. Pickner即從事設計及顧問工作至今，這些年也為台灣的帷幕牆工程帶進許多先進的觀念。Mr. Pickner曾經正色告訴譯者：「Curtain wall is a tough business」－「帷幕牆是一門艱辛的事業」，如果設計師真是這門艱辛事業的靈魂人物，譯者在此次這篇簡短的譯文與這群專業工程師互相勉勵、交流，並獻上個人一些小小的敬意。

「金屬帷幕牆技術有別於傳統工法」，這句話雖然是老生常談，但是還是在此重申其差異性，而在設計方面尤其值得小心及重視。和傳統外牆工法相較，金屬帷幕牆在設計上似乎沒有得到應該的注意力，兩者之間的自然法則雖完全一樣，但是金屬帷幕牆構造的材料對自然法則的反應，卻與其它外牆材料大異其趣。

許多建築師似乎不太了解一個好的帷幕牆所牽涉的設計原則，或者沒有給予適當的注意力。一個明顯的原因是，在學校裡建築系學生學到木、磚、石材、和混凝土的構造，對於金屬、玻璃和填縫則鮮少涉獵。這也就難怪他們偶而會判斷錯誤，而這些錯誤，如果對新建材有較佳了解時，卻是可以避免的。雖說鋁帷幕牆設計在近年已有明顯進步，但是帷幕牆界在教育宣導上的不足，也是進步緩慢的主因。為了彌補這道「資訊鴻溝」，並提供建築師若干參考原則，本文簡單點明了優良帷幕牆設計的幾個基本原則和要求。

牆的功能
直到建築鋼骨結構發明的一百年前，大部份的建築外牆均是由實體單元所構成，而在窗戶開口處提供光線和通風。其實，外牆主要有兩個功能:一是形成封閉的隔離、一是提供上端樓板和屋頂之支撐。但由於骨架構造物的出現和蘇利文（Sullivan）及葛羅庇斯（Gropius）等先導者充滿想像力的大膽作風，開窗面積愈來愈大，有時甚至佔據了整個立面，只留下剛好足夠的磚材來覆蓋其結構體，今日，我們則經常看到玻璃作為整個外牆的材料，而全無磚材。

鋁帷幕不管其玻璃比例，應該視為一個圍封"系統"，而其功能則較諸早期磚泥承重牆的兩個目的複雜許多。事實上，該"系統"之作用有如濾網‥‥它不僅有選擇性地阻止或控制了人和財產的內外流動，還包括了有可能影響建築室內環境的所有因子。
將外牆視為一道濾網的觀念並不是全新的，雖然遠在四十年前就有人提出，而且經常重述，但還是值得強調。鋁帷幕牆，跳脫了牆體必須承載垂直荷重的設計窠臼，事實上已經成為建築的一層過濾性外皮。若設計得當，它其有多種功能：

1.承受自身構成單元之活動。

2.控制光、熱、空氣、聲音之內外流通。

3.封閉外界干擾（如塵、雨、竊賊、昆蟲）的入侵，降低影響其整體性的機會。將牆體視為一道選擇性過濾系統的觀念應該主導牆體實質設計。

自然力和其效應
所有的外牆不論其構造材料為何，都會受到自然界的侵襲，而且必須經得起考驗。這些自然力量主要有日照、溫度、水、風和重量（自重和地震力）。其中除了重量之外，這些自然力的強度和相對重要性，雖然因地區不同而多少有差異，但是都必須妥善處理。他們單獨或者通常一致地影響到牆體。但是為了瞭解他們在設計條件衝擊下的影響，每一自然力的效應均須各別檢視。

日照當然很好，我們不能沒有它。它提供溫暖，產生顏色，定義視覺，而且造就生命，卻也在帷幕牆的設計上製造了一些問題。

問題之一，是它對有機材料諸如彩色顏料，塑膠和填縫材的破壞效應，日光中的化學線（Actinic Rays），特別是那些光譜中的最短光線，引起化學變化而導致褪色或者更嚴重的材質衰退。因此，這些易受日照作用而傷害的材質和表面處理，應該在使用前予以充分的調查，而填縫材，也應針對臭氧侵襲與和紫外線輻射抵抗性予以測試。未對穿透牆體的日光予以控制的另一結果則是眩光和照度的不適以及室內裝修材料的敗壞。這些現象，通常都在玻璃的內外加上遮陽裝置來克服，而另一個較新、且逐漸受到歡迎的方式，則是使用低眩光玻璃或反射玻璃來克服這種視覺的困擾而不限制視野的舒展。

溫度也在帷幕牆設計上造成兩種問題：
1. 材料的膨脹收縮。
2. 牆體熱流傳透的控制。

帷幕牆設計的一個主要關鍵－熱運動，乃是來自太陽對牆體的照射。雖然全美地區最小的氣溫差在100℉左右，但是，在大部份地區建築物的金屬表面溫差則達170℉左右。當然，每日和季節性的溫度波動都對牆體細部有極大的影響，所有的建築材料均隨著溫度變化而有某種程度的膨脹和收縮，但鋁的漲縮程度比大部份其它建築材料明顯。

牆體熱流傳透的控制，同時影響到寒冷天氣的失熱和炎熱天氣的吸熱，而其相對重要性則隨地理位置不同而改變。當不透明牆體在整個外牆佔有相當的面積時，該處的隔熱設施就變得非常重要，而當採光玻璃佔大部分時，隔熱玻璃的使用，金屬部份和冷橋的減少在降低外牆的整體µ值（熱傳透率）則顯得較有效率。

水、不論是以雨、雪、蒸氣或結露水的形態出現，都可能是潛在性問題最持續而頑固的肇因。風裡夾帶的雨水，可以進入很小的開口，在牆內移動，而後出現在距開口甚遠的室內。水蒸氣可以滲透進極微小的毛細孔，冷卻時形成結露水，如果積在牆內，將會造成嚴重的損壞而不被發現。

任何材質的牆體，漏水都是一大問題。大部份的磚泥牆，由於其有氣孔，會從整個受潮表面吸收大量水份，而在某些狀況之下、有些水份會穿透牆體，而在室內造成漏水。但是金屬帷幕牆所用的材料是不透水的，潛在的漏水僅侷限於接縫及開口，雖然受侵襲的面積減少了許多，卻大大提高了接縫和填縫設計的重要性。

「風」、作用在牆上所產生的風壓支配了外牆結構設計，尤其是在較高的建築物上，框料和版片的結構物理性質，如同玻璃的厚度，均由最大風壓所決定。

風也造成了牆體的移動，影響到接縫的填塞和牆體的固定錨件。由高風速所交互造成的壓力和真空，不僅使得框料和玻璃有應力倒轉的現象，也造成雨滴反重力而行，向牆面四處飛濺，因此，風也應視為造成潛在漏水的重大因素之一。

地心引力，靜態而且持恆，不若其它自然力屬於動態而富變化，由於帷幕牆所用材料都較為輕量，重力的考慮亦較次要，很少造成嚴重的設計問題。重力造成水平承重肢材的變形，尤其是在大片厚玻璃的重力作用下，但由於牆體重量經由很密的間距，傳遞到建築物骨架，相較之下，重力在結構設計所造成的影響就不若風力嚴重。但較大的重力，如樓板和屋頂的載重，則作用在牆體所附著的建築物骨架上。由於，這些載重會造成骨架的變形和位移，因此牆體藉以附著在建築物的錨件，必須在設計上提供足夠的相對移動，以確保位移不致增加牆體的垂直載重。

基本設計考慮
對於自然力效應的分析，突顯了預期的主要問題區域。經驗告訴我們，在鋁帷幕牆的設計，通常有三方面主要的考量。

1.結構的整合。

2.位移空間的提供。

3.抗候性能。

除此之外，當然尚有其它考量，但大都不如上述三項影響深遠，而且其中有些因素的重要性隨著地點和建築物型態而有所不同。以下，就讓我們檢視一下此三方面的主要考量。

A．結構的整合
由於結構的失敗會危害到人類生命安全，因此牆體的結構整合可說是設計的最大關鍵因素。帷幕牆的結構設計所涉及的程序與其它牆體相同，但是在這方面遭遇缺陷的可能性，則小於移動空間和抗候性能。比較起來，後兩者代表金屬構造物獨特的問題。勁度的要求比強度的要求更能支配結構設計，雖說有些時候，過量的變形會導致破壞，但是就少數幾個確實發生破壞的案例來說，大都歸咎於不妥的錨接細部設計。

由於牆身系統的垂直載重較輕，結構設計主要在側向風壓的抵抗。我們照例假設風壓本質和規模都是已知的，而問題也就存在這裡，我們對中、低層建築物的風壓有相當清楚的了解，但是對高層建築風壓的本質和強度則極待學習。

大家都知道，最大風速，亦即設計風壓，隨著地理位置和建築物高度而不同，卻鮮少有人知道，建築四週環境的特性，不管是開闊的鄉野，郊區或密集的都市建築，對於風力作用有更主要的影響。另外一個即使幾個主要建築法規都未體認的事實，則是作用於建築表面的風壓，其特性及規模與支配建築骨架設計的風壓並不盡相同。跟所有的設計載重比較起來，作用於牆上的風壓往往強度更大，效應特定而非累進，但其改變更為激烈和快速。

有兩件事情經常受人疏忽，一是作用在牆上的負風壓（或者稱為吸力），二是空調系統所引起的室內壓力可能增加該負風壓。許多設計者容易想到片面的風壓，然而事實上，即使是很溫和的風，一棟四方形建築物絕大部份的外牆面積更可能受到吸力而非壓力。以高層建築來說，負風壓通常在四週角落附近最大，甚至高達牆上任何一點正風壓的兩倍以上。當風災發生時，大部份的受害情形是外吸而非內壓，這也就解釋了為什麼金屬帷幕牆結構設計最常犯的缺點在於對風的吸引作用無法提供足夠抵抗力，特別是錨定部份。

B．提供位移空間
設計任何的帷幕牆一個最主要考量是提供足夠的位移空間，而許多弊端的開始常在於無法滿足這個要求，沒有任何建築是靜止不動的，對於金屬帷幕牆來說尤其真確，移動一直持續發生，牆體構件本身的移動。構件之間相對位移和牆與所附著建築物之間的相對位移都是，這些移動不僅由溫度變化引起，也由風壓，重力和建築物本身的變形和位移而引起。在設計時若忽略這些移動，無異是在向麻煩招手。

由於鋁料有較高的膨脹係數，溫度變化所產生的效應也就相當顯著，但其移動量是可以預測。就美國大部份地區而言，金屬表面季節性的溫差在150℉左右，某些地區甚至高達200℉，以一支10呎長鋁料來說，其移動量在1/4"至5/16"中間，而鋁料沿邊的平板玻璃，其移動量則不及一半。

其它原因所引起的移動，雖不一定可以預測，但卻可能同樣重要。不管原因為何，由於接縫是吸收移動之區域，提供移動空間可以降低接縫設計的問題。因此，帷幕牆功能成敗之要訣在於其接縫設計，乃成為大家公認的通則。所以接縫的細部虛理，乃是任何帷幕牆設計中最重要，也經常是最困難的一環。然而，加大牆版單元尺寸，以減少接縫數目，並不一定能夠簡化問題，而且通常不足。單元愈大，或者構件愈長，每一處接縫所必須吸收的移動量就愈大，這樣不但不能簡化接縫之設計，而且變得更複雜。

當然，不管是以滑動接點或蛇腹作用（Bellows Action）移動，都必須提供牆版平面垂直和水平的移動。儘管如此，我們也應體認到，並不是所有的膨脹收縮均須轉換成移動，在某些情形下，他們可以靠增加構件的應力吸收到某個程度，而造成一個計算變形值，通常，它們都是靠應力和移動一齊吸收掉。然而，除了一些案例外，由於會造成過量彎曲或挫屈，我們並不建議完全依賴增加應力來吸收變形。

C．抗候性能
指的是對漏水和過量漏氣的保護，大多取決於是否提供足夠的移動，而且與接縫的設計是否恰當關係相當密切。毫無疑問的，過去幾年來，在金屬帷幕牆所遭遇的絕大部份困難，來自於抗候性能的缺乏。漏水是早期帷幕牆一個非常平常的情形，其原因可能是設計不當、材料問題、或是施作品質不佳，也可能是幾項的綜合。但是，隨著材料和設計技術的改進，抗候性能已是一種標準而非例外。比較起來，過量的漏氣情形比較不嚴重，而且容易避免。高速風壓使得雨水朝牆體四處飛濺，對於不透水材料表面，雨水容易積存在接縫處，而形成主要的受害區。在早期的帷幕牆經驗中，很明顯地，由於牆體持續的移動要在所有接縫的室外表面提供一道完全防水的填縫，基本上是不可能的，於是，這種手法很快地就被揚棄。取而代之約有另外兩種方法來避免這種漏水，任何一種，只要運用得當，都相當可以信賴。一種是所謂的 "內部排水"或是 "第二道防水"系統，已經長時期被設計者使用，另外一種"等壓"原理，則是金屬帷幕技術新近的發展（譯註:指1979年後）。這兩種方法，除了用在整個牆面，還可以用於窗戶的設計上。

"內部排水"的根據在於，要在任何一段時間內，完全免除外牆表面每一點漏水的可能性，是不可能也是不切實際的，但是，少量漏水卻是可以避免滲透到牆體室內表面，或是可以留在牆體內的。其作法是在牆體內，提供一個氾水和集水的系統，而且有足夠的排水口通到牆體室外表面。

「等壓原理」依據"雨遮原理"（Rain Screen）而來，是一個較為精細而複雜的解決辦法，其支持者宣稱，只要運用得當，是完全不會出庇漏的。簡單來說，它需要一個通風的外牆表面，後面是一處排水的空氣層，氣壓與牆外保持一致，而牆房內面則完全填塞，以避免空氣流動。

要成功地運用這些手法，必須有對「風吹雨」的作用完全了解，謹慎的細部處理，當然還有適當的安裝。兩種方法裡，足夠洩水孔，或排水口是否座落妥當和謹慎地填塞泡棉，均扮演重要的角色。

其它設計考量
尚有若干設計準則，或許與上述三點同樣重要，也影響到外牆的設計，這些通常與室內環境的控制有關，也就是外牆其它的過濾功能。其中較為重要的，下列幾點值得注意：

潮氣控制
由於金屬和玻璃不僅是不透水材料，也是高效率的防潮層，而且熱容量低，因此，在任何金屬帷幕牆設計上，結露的控制就不可或缺。除了提供適當的控制外。潮氣、甚至是結露，可能發生在牆體的室內，而結露可能積存在牆體中，在為人發覺之前造成嚴重破壞。幸好，潮氣的控制，只要事先預期到而且在構築外牆時給予適當的防範措施，是較為容易的事情。若要避免結露的發生，對其成因、發生地點、以及如何降低其危害程度，有個基本了解是很重要的。但其探討不在本文範疇之內，僅在此揭諸其重要性，並作成下列幾點摘要，提醒大家注意：
1. 在牆體室內表面或附近，提供防潮層。
2. 不透水之室內表面應予適當隔離，以保持溫度在露點溫度以上。
3. 提供水蒸氣之外滲路徑。
4. 細部設計應可積聚結露水，並排至室外表面。

隔熱處理
在某些案例裡，牆體的隔熱會是設計的主要考量之一。不論是要降低失熱和預防寒冷氣候之結露現象，或是減少吸熱和炎熱氣候區之冷房成本，降低牆體之整體µ值經常是一個很好的長期投資。金屬和玻璃先天上對"熱流"（Heat Flow）的阻抗性較低，但只要細部處理得當，鋁帷幕牆可以提供很好的保溫功能（Thermal Performance）。其手法如：減少暴露外氣的金屬肢材比例，以「斷熱材」降低熱流通路，使用複層玻璃而非單層玻璃，提供大片不透明牆體之隔熱處理等。

隔音處理
通常情況下，既使在建築密集的都市地區，金屬帷幕牆較開口比例一樣的其它材質外牆，更有利於作為空氣傳音的"隔屏"（Barrier），但隨著對噪音污染的關切提高和機場附近建築物的急速增加，『隔屏』外牆的需要成為關注焦點。依體積法則來講，隔屏的音傳透與其體積成反比，而金屬帷幕牆一類的輕質構造物並不具任何先天優勢來作為隔音屏。但是根據對傳音原則的了解和審慎的細部處理，鋁帷幕牆的設計已經可以在許多機場附近提供安靜的空間。

必須記住的是，隔音屏的效率絕大比例取決於最弱的一環，而大部份牆體最弱的一環則是其玻璃部份(筆者註: 玻璃尺寸越大, 及厚度越薄, 因為易與環境噪音產生共振, 則牆體隔音效果越差。)和即使很小的開口。在隔音要求較高的地方，必須盡量降低牆體漏氣量，而隔音效果良好的複層玻璃和適當的填縫，通常是必須的。

總結
鋁帷幕牆非常符合牆體作為濾網系統的概念。但由於其材料本質，鋁帷幕牆的設計技術涉及許多重要的考量，其中最主要的有結構整合、移動空間和抗候性能，而後兩者尤其對細部處理需要特別小心，如何避免結露現象亦須特別注意。就鋁帷幕牆的結構設計來說，其支配因素通常是勁度而非強度，牆體的安定性不依賴重量而是連接組件，因此其連接於建築骨架的錨件，必須針對正負風壓而設計。由於熱效應及其它原因，各構件之間的接縫有很大的移動，這些移動必須妥善吸收才不會破壞牆體的整合性。因為材料的不透水性，大雨引起的衝擊也集中在接縫處，而為了滿足在吸收變位的同時尚必須維持水密性能雙重條件，接縫的設計成為牆體功能的關鍵，也是設計成敗所繫。抗候性能通常被視為牆體功能是否可以接受的標準，並不是以在牆體表面形成一層完全密封的皮膜來達成，而是依賴其它更為可靠的方式。

如同其它的外牆系統，隔熱值在許多地方是一個重要的考慮，低傳音率的需求有時亦是影響之一。在鋁帷幕牆，這樣的需求是在設計上應用可接受的熱流和隔音原則所達成。任何金屬帷幕牆的功能，絕大部份取決於其設計者是否了解自然法則的原理，並了解它們如何影響細部處理。了解這些材料更多的資訊將有助益，本文簡要探討的幾個主題，將在今後其它專文裡作更深切詳實的剖析。

帷幕牆系統設計概念

2009-04-05T21:56:00.000-07:00

帷幕牆系統設計概念
郭炳宏
品贊有限公司總經理、美國南加大建築碩士

字典裡對「概念」最簡單的定義是「起源」或「開始」。任何建築的起源，乃由建築師從事建築設計。當建築師規劃建築物外觀性選定材料後，帷幕牆設計師則將建築師的設計落實成可以執行及建構的方案。在後現代及新古典主義興起後，建築師確實帶給帷幕牆業者許多挑戰，各種造型及料材的結合，也帶給建築物極豐富的面貌，許多帷幕牆工程的設計圖由40張增加到400張，甚至2000張以上，除了耗費可觀的人力及物力外．工程的複雜度也可想而知。

本文之目的不在探討帷幕牆設計的技術問題，而在對其概念作一介紹，不管是建築師或帷幕牆設計師，或是營造人員及結構技師都可以從文中發現一些對他們的工作有所幫助的「概念」，也希望帷幕牆業界的先進及前輩，一本提攜之情．指正筆者疏漏及謬誤的地方。

系統分類
帷幕牆系統依其工廠生產方式可分為
1. 客製系統(CUSTOM TYPE WALL)
2. 標準系統(STANDARD TYPE SYSTEM)。

若依現場按裝方式則可分為
1. 直橫料系統(STICK SYSTEM)
2. 格版系統(PANEL SYSTEM)
3. 窗間牆系統(COLUMN COVER AND SPANDREL SYSTEM)
4. 單元化系統(UNITIZED SYSTEM)
5. 複合式系統，(UNIT AND MULLION SYSTEM)。

客製系統
特別為某一工程而設計的外牆(可能是單棟建築物或是一群相關建築物)。這類外牆雖然不能一概而論，但是通常都有相當面積的玻璃，可以用在任何型式和尺度的建築物。基本上，他們都用在高層建築、商業建築，機關單位和高品質的紀念性建築。

標準系統
使用製造商所設計和標準化的構件和細部。他們可以組合成庫存的單元，但是通常都是依建築師的設計加以安排。
標準式外牆通常憤格比較便宜，這是因為量產(MASS PRODUCTION)的關係，但是，定製式的外牆也不一定就比標準式貴，一個簡單的定製式外牆就通常會比複雜的標準式來得經濟，至於在功能性方面，也不一定定製外牆就比標準式來得好或是來得差，總之，適材適用是最重要的。而建築師在建築物規劃階段，可以諮商施工廠商或製造商進行「價值工程」(VALUE ENGINEERING)的評估，做最明智的判斷和決定。

帷幕牆依其現場按裝方式，大致可分下述五大系統 :
1．直橫科系統 (Stick System)(圖一)
此系統特點在於線條明快突出，且可搭配牆版變化造型 : 組合上牆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)，最後加上玻漓及內部裝飾(Interion 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．材料之尺寸較員彈性: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) (圖二)
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，運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自許多小零件組合．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 SpandreI System) (圖三)
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) (圖四)
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*樓高長，相當於窗格跨距*樓高長。其缺點是 : 體積龐大．在運輸時表面受損情況較為嚴重．搬運上需要裝箱保護。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。設計上要力求精確、製造精度．因施工品質將影響到水密性。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。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。需減少工地電焊焊接之火花以及熱度，以避免損壞鋁擠型及玻璃之表面。

5．複合式 (Unit And MuIIion System) (圖五)
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。

對帷幕牆設計來說，最有爭議的一點也許是直橫料系統和單元系統的相對優缺點。筆者依個人及業界普遍之經驗，將兩者分項列表比較如下，這是一個概括性的相對比較，並非絕對，確實的評比則需依特定案例進行之。

帷幕牆工程中，有好也有壞．其中有一些是直橫料系統，也有一些是單元化系統，但是，無庸置疑的，任何的帷幕牆系統都必須滿足一般的設計和功能準則，以及滿足建築師美感上的要求。從功能和成本的觀點來看，任一類型的系統都可能較適合某個特定的案例以及建築師所建立的設計變化和美觀標準。如果要說某個建築物因為採用了直橫料系統而漏水；或者某個工程是單元式系統，才弄得太貴，超出預算成本．都是不正確的說法。問題的重點在於，直橫料系統為什麼會漏水 ? 單元式系統為什麼會太貴 ? 兩個系統都有其限制處，我們應該針對該工程案例加以研判評估．而不是道聽塗稅一個簡單的通則，便倉促做了決定。

等壓原理
等壓原理(PRESSURE EQUALIZATION)是一個很好．而且是非常有價值的觀念，卻也可能是帷幕牆設計中，設計者最少了解和經常誤用的。
等壓原理，基本上是為了解決外牆漏水的問題。所謂漏水是牆體內出現不可控制的水流．而漏水的發生，必須有三個條件，第一、水的存在。第二、水運動的路徑。第三、水運動的動力。這三個條件必須同時存在、漏水才可能發生 ; 只要缺乏其中一個條件，就不可能發生漏水。其中，第三項．水運動的動力，又可分為六種，見圖六，他們分別是：1.重力，2.動量，3.表面張力，4.毛細現象，5.氣流，6.壓力差。
根據研究推出，壓力差乃造成大部份接縫漏水的主要原因。在帷幕牆的防水工程中，水的存在，主要有三種，雨水、洗窗用水和結露水，其中結露水乃發生於牆體內，如且不論，要使室外的水分，不管是雨水或是洗窗的水進入室內，除了必須有破口或是裂縫存在，還必需室外的壓力比室內大;只要室內的壓力與室外相等，甚至大於室外，即使有破口或是裂縫存在，水分就不會進入牆體。

一般傳統的防水方式仍儘量減少接縫處可能發生的開口，但是一個最有效且可信賴的方式仍在避免該開口虛的內外壓力差，這個就是我們所謂的"雨屏"原理必須考慮進去，而事實上我們需要一些特殊錨件的設計。

當考慮結構變位時，地震側向位移是最棘手的問題．而製造了更多問題的結構變位則是活載重沉陷的差異。

直橫料系統要玻璃在嵌接槽裡滑動，其吸收活載重沉陷的能力相當有限。我們的經驗指出，超過1/4吋的活載重沉陷需要每兩層樓一對成雙的公母槽橫料。每一層樓都有公母槽橫料的單元系統，通常較能處理活載重沉陷問題。因為，同一個接縫得處理所有的問題對兩個系統來說，橫料的設計位移能力必須考慮到冷縮熱漲，，加工誤差、吊裝誤差和柱子位差(SHORTENING)，如果不讓帷幕牆成本和美觀的立足點上被妥協，除了滿足結構體的強度需求外，結構工程師有需要將活載重沉陷設計得更實際些。經驗指出．超過1/4吋的活載重沉陷對大部份的帷幕牆來說真的是一個問題，即使設計上可以解決，但是，當建築師看到圖上出現了一條10公分的接縫，我們實在不難想像，建築師馬上神經緊繃，拿起電話筒，與他的結構技師「抱怨」的激烈場面。

忠告與建議
假如對帷幕牆設計只有一個忠告，那將是r保持簡單」。這對帷幕牆並不特殊，卻有幾點原因。

第一、設計越簡單，成本就愈低．零件和段落愈少表示加工，表面處理、手續、進度控制、組合和安裝就越少。零件愈少，複合作用就大，金屬的結構效益也就愈高。

另外，保持帷幕牆設計簡單的最重要原因，是設計越簡單，加工和安裝精確的機會就越大。一個錯綜複雜的設計在風雨試驗時由其設計工程師妥善安裝．而滿足功能要求，但要期待現場的安裝工人有相同的專長，則是不賓際的。如果一座牆無法合理簡單的安裝．它可能無法安裝得很妥當更無法發揮其完善的功能。設計者若期待鐵工和玻璃工如同實驗室的技工一樣優秀，將會大失所望。我們建議帷幕牆設計者應該更加傾聽安裝者的意見，並可從實驗場和現場學習．把得到的教訓回饋到下一個設計和工程，這些經歷都可以大大改善工程師的觀點和概念。

結論
經驗告訴我們，沒有人可以知道帷幕牆的點點滴滴，因為它所涵蓋的材料有金屬、玻璃、橡膠及礦物．專業知識方面有建築物理環境、結構力學、物理及化學效應、機械加工和建築構造等。這僅就其設計而言，尚不論及施工、管理、成本控制及使用維修。帷幕牆真正的教訓是花很多代價學來的，但是錯誤也一次次累積成我們的經驗。幾乎沒有兩座帷幕牆是完全相同的，這一次，我們也許避免了上次的錯誤，卻可能犯了新的錯誤。面對帷幕牆快速變遷的事實，我們似乎很難去避免一些昂貴的錯誤 ; 但是，令人欣慰的是，我們的帷幕牆設計雖還有一段路要走，無疑地，我們也往前跨了一大步。如果，我們要在將來滿足建築師更嚴格的要求，設計及製造更好的帷幕牆．對新工法和新材料的審慎使用及在各階段(規劃、設計、製造、施工、管理、維修)對品質更加要求是相當有必要的。