帷幕牆系統結構耐風設計手冊研擬

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帷

幕

牆

系

統

結

構

耐

風

設

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部

建

築

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帷幕牆系統結構耐風設計手冊研擬

內政部建築研究所 協同研究報告

中華民國 106 年 12 月

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10615B0001

帷幕牆系統結構耐風設計手冊研擬

研 究 主 持 人 ： 鄭元良 協 同 主 持 人 ： 陳瑞華 研 究 員 ： 高士哲、郭建源、許敬昀、張淇喻 研 究 助 理 ： 張琪棉、林雨石 研 究 期 程 ： 中華民國 106 年 2 月至 106 年 12 月

內政部建築研究所 協同研究報告

中華民國 106 年 12 月

I

目次

目次 ... I 表次 ... IV 圖次 ... VI 摘要 ... X 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 研究內容與步驟 ... 2 第三節 本報告章節架構 ... 2 第二章 帷幕牆受風破壞案例之回顧 ... 5 第一節 國內破壞案例 ... 5 第二節 國外破壞案例 ... 6 第三章 常見帷幕牆系統之回顧 ... 9 第一節 直橫料式系統(Stick System) ... 10 第二節 窗間牆系統(Column-Cover-and-Spandrel System)... 11 第三節 格板系統(Panel System) ... 12 第四節 複合式系統或半單元式系統(The-Unit-and-Mullion System) ... 13 第五節 單元式系統(Unitized System) ... 14 第四章 帷幕牆系統各構件設計風壓之決定 ... 17 第一節 高度不超過 18 公尺建築物外部被覆物及局部構材設計風壓計算 ... 17 第二節 高度超過 18 公尺建築物外部被覆物及局部構材設計風壓計算 ... 21 第五章 帷幕牆系統結構耐風設計原則 ... 25 第一節 直橫料式系統之耐風結構設計原則 ... 25 第二節 單元式系統之耐風結構設計 ... 31 第六章 高度超過 18 公尺建築物單元式帷幕牆設計例 ... 35

II 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 35 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 46 第三節 繫件設計檢核 ... 55 第四節 面材設計檢核 ... 72 第七章 高度超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例 ... 75 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 75 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 86 第三節 繫件設計檢核 ... 92 第四節 面材設計檢核 ... 112 第八章 高度不超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例 ... 115 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 115 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 126 第三節 繫件設計檢核 ... 132 第四節 面材設計檢核 ... 152 第九章 結論與建議 ... 155 第一節 結論 ... 155 第二節 建議 ... 156 附錄一 期初審查意見及回應一覽表 ... 157 附錄二 期中審查意見及回應一覽表 ... 161 附錄三 第一次專家座談會議及回應一覽表 ... 165 附錄四 第二次專家座談會議及回應一覽表 ... 173 附錄五 期末審查意見及回應一覽表 ... 175 附錄六 帷幕牆耐風設計技術手冊(初稿) ... 177 第一章 手冊導覽 ... 187 第一節 編撰目的 ... 187 第二節 內容架構 ... 187

III 第二章 帷幕牆系統耐風設計原則 ... 189 第一節 帷幕牆系統各構件設計風壓之決定 ... 189 第二節 直橫料式帷幕牆系統結構耐風設計原則 ... 193 第三節 單元式帷幕牆系統結構耐風設計原則 ... 197 第三章 高度超過 18 公尺建築物單元式帷幕牆設計例 ... 201 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 201 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 212 第三節 繫件設計檢核 ... 221 第四節 面材設計檢核 ... 238 第四章 高度超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例 ... 241 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 241 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 252 第三節 繫件設計檢核 ... 258 第四節 面材設計檢核 ... 278 第五章 高度不超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例 ... 281 第一節 帷幕牆各構件設計風壓 ... 281 第二節 直料與橫料設計檢核 ... 292 第三節 繫件設計檢核 ... 298 第四節 面材設計檢核 ... 318 附錄 一 「建築物耐風設計規範」中之用途係數、基本設計風速及風速垂直分布 ... 321 附錄 二 「建築物耐風設計規範」中之外風壓係數 ... 325 參考書目 ... 331 參考書目 ... 332

IV

表次

表 6-1 第三章設計例之建築物資料與工址風環境 ... 37 表 6-2 第三章設計例在不同來風方向下之設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 44 表 6-3 第三章設計例之最大設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 45 表 6-4 第三章設計例之直料及橫料鋁擠型斷面性質 ... 47 表 6-5 玻璃種類係數表 ... 73 表 7-1 第四章設計例之建築物資料與工址風環境 ... 77 表 7-2 第四章設計例在不同來風方向下之設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 84 表 7-3 第四章設計例之最大設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 84 表 7-4 第四章設計例之直料及橫料鋁擠型斷面性質 ... 87 表 7-5 玻璃種類係數表 ... 114 表 8-1 第五章設計例之建築物資料與工址風環境 ... 117 表 8-2 第五章設計例在不同來風方向下之設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 124 表 8-3 第五章設計例之最大設計正負風壓(kgf/m2 ) ... 124 表 8-4 第五章設計例之直料及橫料鋁擠型斷面性質 ... 127 表 8-5 玻璃種類係數表 ... 154

VI

圖次

圖 2-1 美侖飯店餐廳玻璃帷幕牆破壞後場景 ... 6 圖 2-2 利澤垃圾焚化廠萊特板破壞後場景 ... 6 圖 3-1 直橫料系統之示意圖 ... 10 圖 3-2 窗間牆系統之示意圖 ... 11 圖 3-3 格板系統之示意圖 ... 12 圖 3-4 複合式系統或半單元式系統之示意圖 ... 13 圖 3-5 單元式系統之示意圖 ... 15 圖 4-1 面材寬度及跨距長度之示意圖 ... 18 圖 4-2 承受風壓及有效受風面積示意圖 ... 錯誤! 尚未定義書籤。 圖 4-3 高度不超過 18 公尺建築物之局部構材耐風設計流程圖 ... 20 圖 4-4 高度超過 18 公尺建築物之局部構材耐風設計流程圖 ... 23 圖 5-1 直橫料式系統構件位置 ... 25 圖 5-2 直橫料式系統直料結構分析示意圖 ... 26 圖 5-3 直橫料式系統橫料結構分析示意圖 ... 28 圖 5-4 單元式系統構件位置 ... 31 圖 5-5 單元式系統直料結構分析示意圖 ... 32 圖 5-6 單元式系統橫料結構分析示意圖 ... 33 圖 6.1 第六章設計例帷幕牆示意圖 ... 35 圖 6.2 第六章設計例之帷幕牆構件位置放大圖 ... 36 圖 6.3 第六章設計例之面材、直料及橫料之承受風壓面積 ... 39 圖 6.4 第六章設計例之帷幕牆直料及繫件平剖圖 ... 40 圖 6.5 第六章設計例之帷幕牆橫料截面圖 ... 40 圖 6.6 第六章設計例之帷幕牆系統剖面圖 ... 46 圖 6.7 第六章設計例之直料結構圖 ... 48 圖 6.8 第六章設計例之剪力、彎矩及變形圖 ... 49 圖 6.9 第六章設計例之公單元斷面及對稱斷面圖 ... 50 圖 6.10 第六章設計例之母單元斷面及對稱斷面圖 ... 52 圖 6.11 第六章設計例之(A)橫料(水槽料與下橫料)風力作用結構圖(B)下橫料玻 璃載重作用結構圖 ... 53 圖 6.12 第六章設計例之帷幕牆繫件剖面圖 ... 55 圖 6.13 第六章設計例之帷幕牆繫件平面圖 ... 56 圖 6.14 第六章設計例之力傳導平面圖 ... 58 圖 6.15 第六章設計例之繫件有效受風面積 ... 59 圖 6.16 第六章設計例之 A 處螺栓受力圖 ... 62 圖 6.17 第六章設計例之樓板上鋁板之受力圖 ... 64 圖 6.18 第六章設計例之 B 處螺栓剪力圖 ... 66

VII 圖 6.19 第六章設計例之 C 處螺栓受力圖 ... 68 圖 6.20 第六章設計例之 L 型鋁板受力 ... 70 圖 6.21 第六章設計例之 D 處結構矽膠位置圖 ... 71 圖 6.22 第六章設計例之玻璃強度及變形曲線圖 ... 73 圖 7.1 第七章計算例之帷幕牆示意圖 ... 75 圖 7.2 第七章計算例之帷幕牆構件位置放大圖 ... 76 圖 7.3 第七章計算例之面材、直料及橫料之承受風壓面積 ... 79 圖 7.4 第七章計算例之帷幕牆直料及繫件平剖圖 ... 80 圖 7.5 第七章計算例之帷幕牆系統剖面圖 ... 86 圖 7.6 第七章計算例之直料結構圖 ... 88 圖 7.7 第七章計算例之剪力彎矩及變形圖 ... 88 圖 7.8 第七章計算例之(A)橫料風力作用結構圖(B)橫料玻璃載重作用結構圖.... 90 圖 7.9 第七章計算例之帷幕繫件剖面圖 ... 92 圖 7.10 第七章計算例之帷幕繫件平面圖 ... 93 圖 7.11 第七章計算例之力傳導平面圖... 96 圖 7.12 第七章計算例之繫件有效受風面積 ... 96 圖 7.13 第七章計算例之 A 處螺栓受力圖 ... 99 圖 7.14 第七章計算例之樓板上鋁板之受力 ... 101 圖 7.15 第七章計算例之 B 處螺栓剪力圖 ... 103 圖 7.16 第七章計算例之 C 處螺栓受力圖 ... 105 圖 7.17 第七章計算例之 L 型鋁板受力 ... 107 圖 7.18 第七章計算例之 D 處結構矽膠位置圖 ... 108 圖 7.19 第七章計算例之直橫料連接處細部圖 ... 109 圖 7.20 第七章計算例之型鋼受力圖 ... 110 圖 7.21 第七章計算例之玻璃強度及變形曲線圖 ... 113 圖 8.1 第八章計算例之帷幕牆示意圖 ... 115 圖 8.2 第八章計算例之帷幕牆構件位置放大圖 ... 116 圖 8.3 第八章計算例之面材、直料及橫料之承受風壓面積 ... 119 圖 8.4 第八章帷幕牆平剖圖 ... 120 圖 8.5 第八章計算例之帷幕牆系統剖面圖 ... 126 圖 8.6 第八章計算例之直料結構圖 ... 128 圖 8.7 第八章計算例之剪力彎矩及變形圖 ... 128 圖 8.8 第八章計算例之(A)橫料風力作用結構圖(B)橫料玻璃載重作用結構圖.. 130 圖 8.9 第八章計算例之帷幕繫件剖面圖 ... 132 圖 8.10 第八章計算例之帷幕繫件平面圖 ... 133 圖 8.11 第八章計算例之力傳導平面圖... 136 圖 8.12 第八章計算例之繫件有效受風面積 ... 136 圖 8.13 第八章計算例之 A 處螺栓受力圖 ... 139

VIII 圖 8.14 第八章計算例之樓板上鋁板之受力 ... 141 圖 8.15 第八章計算例之 B 處螺栓剪力圖 ... 143 圖 8.16 第八章計算例之 C 處螺栓受力圖 ... 145 圖 8.17 第八章計算例之 L 型鋁板受力 ... 147 圖 8.18 第八章計算例之 D 處結構矽膠位置圖 ... 148 圖 8.19 第八章計算例之直橫料連接處細部圖 ... 149 圖 8.20 第八章計算例之型鋼受力圖 ... 150 圖 8.21 第八章計算例之玻璃強度及變形曲線圖 ... 153

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摘要

關鍵詞：帷幕牆、耐風規範、結構設計 壹、研究緣起 帷幕牆系統是建築構造中重要的一環，其設計不僅要符合水密性與氣密性 等功能性之需求，更一定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，以確保其結構安全， 其中結構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設計。現行建築物耐風設計規範於民國 103 年 6 月 12 日修正頒佈，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，部分反應現行規範之計算流程繁複，而改以經 驗或早期國內外規定作設計，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。本計劃將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。同時，部份工程顧問公司結構設計審核 人員反應帷幕牆業界對耐風設計觀念未臻正確。因此，有必要研擬帷幕牆系統 結構耐風設計手冊。 貳、研究方法與過程 本計劃首先回顧常見之帷幕牆系統與其組成構件，並探討其風壓傳導機制。 參考並彙整建築物耐風設計規範(2015)及建築物耐風設計技術手冊(2017)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，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之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，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)。最後， 研擬帷幕牆系統結構耐風設計手冊，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。

XI 參、重要發現 本研究案的具體成果如下： 1. 帷幕牆系統設計風壓計算程序之建立 此部分包括決定帷幕牆系統面材、直料及橫料設計風壓，設計者可遵循 此例決定帷幕牆系統設計風壓。 2. 帷幕牆系統結構耐風設計原則之建立 已初步分別建立直橫料式系統以及單元式系統各構件設計及檢核的原 則及標準。 3. 帷幕牆系統結構耐風設計計算例之建立 結合帷幕牆系統設計風壓計算程序以及帷幕牆系統結構耐風設計原則， 完成帷幕牆系統結構耐風設計之計算例。 4. 帷幕牆系統結構耐風設計手冊之研擬 帷幕牆系統結構耐風設計手冊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。 肆、重要建議事項 根據重要發現，本研究提出下列建議事項： 【建議一】 建議出版「帷幕牆系統結構耐風設計手冊」並辦理推廣講習會議：短期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：臺灣帷幕牆技術發展協會、社團法人中華民風工程學會 目前中小型帷幕牆業者在帷幕牆系統之結構設計並無相關手冊可參考，常因 各種不同變數對參數使用有所疑義，而忽略或簡化耐風評估，影響其結構安全， 故建議出版「帷幕牆系統結構耐風設計手冊」，並辦理講習會議向帷幕牆業者推 廣耐風設計方法，並依示範例執行結構風力分析與材料檢核。 【建議二】 建議未來參照國內外最新發展，定期修正及增補”建築物耐風設計規範”中外部被

XII 覆物及局部構材設計風壓之計算：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民風工程學會 國內外對於”建築物耐風設計規範”中外部被覆物及局部構材設計風壓 之計算尚無一”完全和現地測量相同風壓”之方法，各國仍在此方面持續努力 中，而對於帷幕牆結構設計上此風壓參數為一重要數值，故需參照國內外最 新發展，如國外既有規範及參考國內外風洞實驗資料進行統計分析，定期修 正及增補”建築物耐風設計規範”中外部被覆物及局部構材設計風壓之計算， 包括其隨有效受風面積之變化。

XIII

ABSTRACT

Keywords : curtain wall、wind resistant design code、structural design

The curtain wall system, consisting of the wall and supporting members, is an important part of a building structure. Its design must satisfy safety and serviceability requirements. For a high-rise building, wind-resistant design usually dominates the members’ strengths The current Taiwan wind resistant design code specifies the design wind pressure for components and claddings. This study intends to provide the engineers the procedure for determining the design wind pressures and structural design examples. Finally, a curtain wall system wind resistant design handbook is developed, including design examples for the unitized curtain wall system of a building with a height exceeding 18 meters, the stick curtain wall system of a building with a height exceeding 18 meters and the stick curtain wall system of a building with a height less than or equal to 18 meters.

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第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起 帷幕牆系統是建築構造中重要的一環，其設計不僅要符合水密性與氣密性 等功能性之需求，更一定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，以確保其結構安全， 其中結構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設計。現行「建築物耐風設計規範」(以下簡稱「耐風 規範」)於民國 103 年 6 月 12 日修正頒佈，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，部分反應現行規 範之計算流程繁複，而改以經驗或早期國內外規定作設計，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。本計劃將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。同時， 部份工程顧問公司結構設計審核人員反應帷幕牆業界對耐風設計觀念未臻正確。 因此，有必要研擬帷幕牆系統結構耐風設計手冊。 貳、預期目標 1、 完成帷幕牆系統結構耐風設計手冊草案。 2、 研擬帷幕牆系統在設計風壓下之結構分析方法，供設計者正確執行牆體本身 及支撐構件之結構耐風設計。 3、 建構帷幕牆系統結構耐風設計方法，導正業界耐風設計觀念，減少錯誤設計 風險。

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第二節 研究內容與步驟

壹、 研究內容 本計畫針對近似規則矩形柱體建築物，研擬帷幕牆系統結構耐風設計手冊。 先介紹國內「建築物耐風設計規範」，特別闡述其中與帷幕牆系統相關部分－局 部構材及外部被覆物之設計風壓。再以流程圖方式逐步呈現如何根據建築物資 料、工址風環境資料及帷幕牆系統配置，依每一來風方向，分別依規範計算牆 體本身(外部被覆物)及支撐構件(局部構材)之設計風壓。同時提供數個帷幕牆系 統結構耐風設計計算例，根據已知之帷幕牆配置，示範如何先根據前述計算流 程圖得到各設計風壓；再以結構分析分別決定各牆體本身及支撐構件之耐風強 度需求及變形量。最後，根據上述研究成果，編撰帷幕牆系統結構耐風設計手 冊。 貳、 研究步驟 1. 回顧常見之帷幕牆系統與其組成構件。 2. 建立設計風壓之計算程序。 3. 建立帷幕牆系統之結構耐風設計原則。 4. 建立帷幕牆系統結構耐風設計計算例。 5. 研擬帷幕牆系統結構耐風設計手冊。

第三節 本報告章節架構

本研究將介紹由 American Architectural Manufacturers Association 提出的五 種帷幕牆系統，分別為直橫料式系統、窗間牆系統、格板系統、複合式系統及單 元式系統。國內針對超過 18 公尺建築物通常採用單元式或直橫料式系統，但對 不超過 18 公尺建築物，只採用直橫料式系統，故本研究將針對高度超過 18 公尺 建築物單元式帷幕牆系統、高度超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆系統及高度 不超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆系統三種情況分別擬定設計示範例。 根據上述研究內容，除本章外，本文之章節架構如下。第二章及第三章分別 為帷幕牆受風破壞案例及常見帷幕牆系統之回顧。第四章建立帷幕牆系統各構件 設計風壓之決定。第五章建立帷幕牆系統結構耐風設計原則。第六章為高度超過 18 公尺建築物單元式帷幕牆設計例。第七章為高度超過 18 公尺建築物直橫料式 帷幕牆設計例。第八章為高度不超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例。第

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第二章 帷幕牆受風破壞案例之回顧

帷幕牆系統遭受風壓、隨風飄散物撞擊或溫差效應時破壞之可能成因包含支 撐系統(如直料、橫料或繫件等)或面材(如玻璃、鋁版或混凝土版等)的設計強度 不足或變形過大。本報告從第四章開始針對帷幕牆耐風設計作詳盡的探討，以確 保相關支撐系統及面材符合設計強度與變形的要求。 帷幕牆之破壞樣態及其成因繁多，本章著重於帷幕牆受風破壞案例之回顧， 將彙整相關文獻及新聞報導，簡要歸納成以下兩節。

第一節 國內破壞案例

國內帷幕牆受風破壞案例甚多，各家新聞媒體曾報導利澤垃圾焚化廠(2015； 杜鵑颱風)、新光人壽陽光科技大樓(2005；泰利颱風)及地球村(2016；梅姬颱風) 等破壞案例，但資料不甚完整與精確，且欠缺後續追蹤報導。在「建築物受風災 損壞原因實際案例調查研究」(陳瑞鈴、張景鐘等，2012)中有較詳盡之風災調查， 包含美侖飯店(2005；海棠颱風)、利澤垃圾焚化廠(2008；薔蜜颱風)及和平電廠 (2004；納坦颱風)，分別簡述如下。 壹、 花蓮美侖飯店 於 2005 年 7 月海棠颱風登陸期間，餐廳之玻璃帷幕牆從一邊開始破壞，開 口使得建築物內風壓急速上升，引致其他玻璃破壞如圖 2- 1 所示，甚至造成飯店 大門的破壞。其中，可能破壞成因包含隨風飄散物的撞擊、玻璃帷幕牆所採用的 懸吊支架支撐力不足、工人未確實按圖施工或是維護人員未完整的對玻璃帷幕牆 的結構系統做詳細檢查與維護。

6 圖 2- 1 美侖飯店餐廳玻璃帷幕牆破壞後場景 (資料來源：陳瑞鈴、張景鐘等，2012) 貳、 利澤垃圾焚化廠 於 2008 年 9 月薔蜜颱風登陸期間，該廠房部分外牆之外部被覆物為輕質預 鑄式水泥板（萊特板），該材料可能因為抗風強度不足而產生預期外的破壞如圖 2- 2 所示，開口使得建築物內風壓急速上升，引致其他萊特板破壞及鐵皮屋頂被 掀起，損毀的萊特板隨風飄散，撞毀焚化設備、電力系統及行政大樓的玻璃窗等， 甚至是內部裝潢。 圖 2- 2 利澤垃圾焚化廠萊特板破壞後場景 (資料來源：陳瑞鈴、張景鐘等，2012) 參、 和平電廠 於 2004 年 10 月納坦颱風導致煤倉 Dome B 屋頂的上半部結構崩壞。於 2005 年 7 月海棠颱風造成煤倉 Dome A 跟煤倉 Dome C 屋頂的上半部結構造成嚴重破 壞。其中，可能破壞成因包含隨風飄散物的撞擊，及結構上開口使煤倉由「封閉 式建築物」轉為「部分封閉式建築物」，導致意料之外的破壞等。

第二節 國外破壞案例

本節簡述國外破壞案例，包含 John Hancock Tower(1970)、Super Photon ring-8 GeV(2004) 、 Louisiana Superdome(2005) 及 Sultan Mizan Zainal Abidin Stadium(2009)。

貳、 John Hancock Tower

7 界留名，其中包括從 1971 年完工驗收延宕至 1976 年，使得成本從七千五百萬美 元增加到ㄧ億七千五百萬美元。 建築物在每小時 72 公里風速之吹襲下，其表面之藍色反光玻璃掉落到鄰近 人行道上。事後數個風洞試驗結果指出原設計未考慮因結構扭曲造成之玻璃變位、 未妥適考慮熱應力的反覆作用且內外玻璃間的膠合材料過於剛硬。最後斥資五百 萬到七百萬美元，更換該建築物所有玻璃面板。 此外，當風吹襲建築物時，位於較高層的使用者會感到頭暈。為了減緩風所 產生的晃動，於第 58 層兩側加裝兩個調質阻尼器位，其成本約為三百萬美元。 另外，為了確保該建築物受風的穩定性而加裝鋼斜撐，其成本約為五百萬美元。

參、 Super Photon ring-8 GeV ( S P ring-8)

於 2004 年 8 月佳芭颱風對日本兵庫縣的 S P ring-8，造成南側屋頂的一部分 損壞，及樓內的雨水浸濕。大約一個星期後桑達颱風登陸，在東北側屋頂被損壞。 其中，可能破壞成因包含折板屋頂無法承擔風力而彎曲變形、螺栓發生破損或劣 化，亦或是在颱風來臨時螺栓發生滑動而導致屋頂沒有支撐而破壞等。 肆、 Louisiana Superdome 於 2005 年 8 月卡崔娜颱風登陸美國路易西安納州，造成紐奧良巨蛋的屋頂 被掀開了一半以上。其中，可能破壞成因包含水氣經由貫穿整個屋頂的孔洞使結 構發生腐蝕，孔開使得建築物內風壓急速上升，造成大部分外層的薄板發生變形， 脫離主構架，甚至飛散到鄰近區域。

伍、 Sultan Mizan Zainal Abidin Stadium

於 2009 年 6 月 2 日在馬來西亞的體育館屋頂倒塌。其中，可能破壞成因包 含設計強度不足、結構幾何所造成的應力集中、施工督導不周、材料品質不良、 大跨度設計使結構因熱脹冷縮而產生殘留應力與屋頂受風面積過大。

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第三章 常見帷幕牆系統之回顧

建築之目的，乃在提供人類一個遮風、蔽日、防雨及免受野獸侵襲之遮蔽物 （Shelter），而作法則在圍塑一個舒適而安全之空間，因此人類所有建築活動主 要是為滿足此一需求(WBDG，2016)。現代建築之旨趣，不論其文化、流派、功 能、造型、結構、材料，多在撐起足以圍塑空間之「牆」以達到建築之活動及目 的。建築上對牆的觀念，過去一直停留在“屏障”(Barrier）的階段，認為外牆的功 能就在阻隔室內外。而從現代建築之觀點思考之，其實它是一個“濾網”（Filter）， 將室內外有利的因素引入室內，而不利的阻隔在室外，並將室內因為人類活動或 機器運轉所產生的不良因素，如廢氣及熱氣等排至室外，以維護一舒適、健康、 衛生和安全的室內環境。十九世紀工業革命發生後，都市化及工業領域日漸發展， 交互改變人類聚落環境，居住都市的人口不斷增加。由於土地資源有限，建築物 急速發展的最後結果乃向天空伸展。於是工業化生產，施工快速，不受天候影響 的帷幕牆自然成為當今高層建築之外牆主流。 帷幕牆係指牆面利用玻璃、金屬板或輕石材等材料的薄牆，是現代化建築中 經常使用的一種建築外圍護牆或裝飾性結構。其框架接裝於建築物結構上，但帷 幕牆本身並不需要承擔結構物樓板的重量。利用鋁來做外框的帷幕牆可追溯至 1930 年代，鋁框帷幕牆在第二次世界大戰之後快速且廣泛的世界各地的高層建 築物上(維基百科，2017)。

帷 幕 牆 的 構 造 方 式 按 照 AAMA(American Architectural Manufacturers Association)出版的帷幕牆設計手冊(CW-DG-1-96)，其種類有五種：直橫料式 (Stick System) 、窗間牆式(Column-Cover-and-Spandrel System) 、格版式(Panel System)、複合式或半單元式(Unit-and-Mullion System) 及單元式(Unitized System)， 各系統的細節將在此章後段依節介紹。 帷幕牆除了滿足實用性、美觀性，還必須滿足以下物理功能(金屬帷幕牆設 計技術手冊，2003)： 1. 水：阻擋雨、雪之進入，包括可能因風而帶入之水蒸氣，並排出可能凝聚於 壁體內之結露水及收集導出可能侵入外牆之水份。 2. 風：阻擋空氣流動，並進而控制之，滿足人體舒適感。 3. 光和熱：以阻隔或反射方式避免過度過強之直接日照、及熱能之傳導、幅射 和對流，並能保溫。 4. 音：阻檔並吸收外界之噪音，通常是車輛及飛機或是工廠之作業聲。 5. 火：阻隔火燄發生時在各樓層間蔓延，並防止有害人體之氣體在各層流竄。

10 6. 結構：必須能夠承載自重並傳遞加諸其上的風力、地震力，並且堅固足以防 患竊盜。 7. 排煙：火災時能啟動排煙機能。 8. 逃生：當火災發生時可以緊急逃生或進入撲滅。

第一節 直橫料式系統(Stick System)

根據圖 3- 1，將帷幕牆之元件在工地逐一施作，首先在樓板裝上固定用繫件 (Anchor)，然後是直料(Mullion)，再次是橫料(Horizontal Rail)，安裝上層間板 (Spandrel Panel)後再加上其餘橫料，最後加上玻璃及內部膠條(Interior Trim)。其 中直料與橫料之空間相關位置會隨不同設計而有改變。 此種工法是在工地上切成實際尺寸，好處是材料節省、搬運費用低廉、材料 之尺寸較具彈性，缺點是工地的施工時間長、人事費用高且品質也不容易控制， 但在總成本上算起來比較便宜，因此還是被廣泛採用。 圖 3- 1 直橫料式系統之示意圖 (資料來源：圖形節錄自 AAMA CW-DG-1-96)

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第二節 窗間牆系統(Column-Cover-and-Spandrel System)

根據圖 3- 2 窗間牆系統之施工步驟，首先在結構柱上安裝柱包板(Column Cover Section)，再次是層間板(Spandrel Panel)，最後安裝玻璃(Glazing Infill)，如 此重覆施工程序。

窗間牆和柱包板之材質包羅萬象，有花崗石(Granite)有瓷磚(Brick Veneer)也 有纖維強化水泥板(Glass Fiber Reinforcing Concrete)或鋁蜂巢板(Honey Comb)、 鋁板、不鏽鋼板等材料，各種造型千奇百樣是建築師充分發揮創作之空間，過去 15 年來這種施工法大行其道，由於安裝之程序簡單，大部份之裝配都在工廠作 業，因此品質得以控制，但工地之吊車佔用時間也相對增長。

圖 3- 2 窗間牆系統之示意圖 (資料來源：圖形節錄自 AAMA CW-DG-1-96)

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第三節 格板系統(Panel System)

根據圖 3- 3 格板系統類似單元式系統，不同的部分是單元式系統是由許多小 零件組合而成，格板系統則是指如預鑄水泥(Precast Concrete)或金屬板沖壓而成 之單片系統，若外形複雜時採用這種方法價格會很高，若外型為簡單的外牆設計， 並適用於大量複製則可考慮，如用於工業用廠房或辦公室。 圖 3- 3 格板系統之示意圖 (資料來源：圖形節錄自 AAMA CW-DG-1-96)

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第四節 複合式系統或半單元式系統(The-Unit-and-Mullion System)

根據圖 3- 4 此系統介於直橫料式系統及單元式系統之間，可說是改良的直橫 料系統，把部分組件在工廠組合，部分在工地組合，以便有效的控制品質，也減 少工地組合的時間。 圖 3- 4 複合式系統或半單元式系統之示意圖 (資料來源：圖形節錄自 AAMA CW-DG-1-96)

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第五節 單元式系統(Unitized System)

根據圖 3- 5，單元式系統分為繫件以及預組單元，此系統把帷幕牆組合規格 化，做成適合安裝之單元，然後一個單元接一個單元固定於結構系統上。每一單 元都預先在廠房裡組合，並加上玻璃，花崗石、鋁板或不銹鋼以及橡膠墊(Lock Strip Gasket)或填縫劑(Silicone Sealant)，鋁擠型及鋁板表面也經過噴漆以及陽極 處理過，故品質之控制比較容易。現場施工時，單元與單元間四邊皆以公母鋁擠 型相嵌，再以繫件固定於結構體。 單元式系統在 70 年代後，由於工地建築工人之短缺，施工品質不易控制等 因素，開始逐漸流行，而近年已經成為超高層建築之主流。完成後的單元在安裝 後只要清潔工人清洗後即告完成。由於安裝迅速，故非常有利於超高層建築的工 期控制。 單元式系統除了在施工上的便利外，一般來說對於層間位移(Floor Drift)的承 受性較好，尤其現代施工講究鋼結構材料之節省，會大幅地增加層間位移量。單 元式系統在每一單元間都有保留間隔空隙，足以伸縮吸收層間位移以及樓板上下 活載重的撓度，使得每一單元不會受到擠壓、變形甚至破壞的情形。

15

圖 3- 5 單元式系統之示意圖 (資料來源：圖形節錄自 AAMA CW-DG-1-96)

1.

17

第四章 帷幕牆系統各構件設計風壓之決定

帷幕牆系統內含之構件包括面材、直料、橫料及繫件；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。 本章第一節與第二節分別根據「耐風規範」第三章之規定，針對高度不超過 18 公尺建築物及高度超過 18 公尺建築物，建立外部被覆物及局部構材之設計風 壓計算流程(陳瑞華，2017)。

第一節 高度不超過 18 公尺建築物外部被覆物及局部構材設計風壓

計算

圖 4- 2 為高度不超過 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，下面各小節將分別說明上述步驟。 壹、 蒐集建築物與工址風環境資料 建築物資料包含建築物尺寸、牆面與屋頂開口面積、用途係數

I

、所有局部 構材或外部被覆物的尺寸與配置；工址風環境包含基本設計風速V₁₀

 

C 、建築 物周邊地形以及牆面上風側地況。其中，用途係數依照建築物之重要性而決定； 基本設計風速依建築物所在位置而定；開口面積為在設計風速下，建築物表面會 造成內外空氣流通之開孔面積；地況種類依建築物附近地表粗糙度而定。更詳細 資料可參考「耐風規範」2.3 節至 2.5 節。 貳、 決定外風壓係數 根據「耐風規範」，外風壓係數(GCp)是根據局部構材或外部被覆物之有效受 風面積(而非承受風壓面積)，對照「耐風規範」圖 3.1(a)-(d)來決定。 所謂承受風壓面積為跨距長度與寬度之乘積；而有效受風面積為跨距長度 與’’有效寬度’’之乘積。根據「耐風規範」，有效寬度不必小於跨距長度的 1/3；

18 也就是說，若寬度大於跨距長度的 1/3，則有效寬度為寬度；若寬度小於跨距長 度的 1/3，則有效寬度為跨距長度的 1/3。對外牆扣件而言，有效受風面積不得大 於單一扣件之受風面積，外牆扣件即為本研究中之繫件。 舉例而言，圖 4- 1 面材之承受風壓面積為_1m_3.3m_3.3m2_{，而有效寬度為}





max 1 ,3.3m m 3 1.1m，故有效受風面積為 2 1.1m3.3m3.63m 。本研究於第六 章至第八章設計例中將詳細說明如何決定面材、直料、橫料及繫件之承受風壓面 積及有效受風面積。 圖 4- 1 面材寬度及跨距長度之示意圖 (資料來源:本研究整理) 參、 計算各來風方向下之設計風壓 本節考慮高度不超過 18 公尺、近似規則矩形建築物外部被覆物及局部構材 之設計風壓，根據「耐風規範」式(3.1)，其計算式如下

(4.1) 其中，(GCp)為外風壓係數、q(h)為平均屋頂高度 h 處之風速壓以及(GCpi)為內風 壓係數。後續計算例中將詳述如何在各來風方向下，利用「耐風規範」第二章計 跨 距 長 度₌ 3.3m 寬 度₌ 1m 帷 幕 牆 單 元

19 算上述參數值。由式(4.1)計算所得之設計風壓將作用於外部被覆物或局部構材之 承受風壓面積(Tributary Area)。 肆、 決定最大設計正風壓和負風壓 從上述所有考量各來風方向中，分別選取局部構材或外部被覆物之最大設計 正風壓和負風壓。其細節將詳述於本報告設計例。

20

圖 4- 2 高度不超過 18 公尺建築物之局部構材耐風設計流程圖 (資料來源：本研究整理)

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第二節 高度超過 18 公尺建築物外部被覆物及局部構材設計風壓計

算

圖 4- 3 為高度不超過 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，下面各小節將分別說明上述步驟。 壹、 蒐集建築物與工址風環境資料 建築物資料包含建築物尺寸、牆面與屋頂開口面積、用途係數

I

、所有局部 構材或外部被覆物的尺寸與配置；工址風環境包含基本設計風速V₁₀

 

C 、建築 物周邊地形以及牆面上風側地況。其中，用途係數依照建築物之重要性而決定； 基本設計風速依建築物所在位置而定；開口面積為在設計風速下，建築物表面會 造成內外空氣流通之開孔面積；地況種類依建築物附近地表粗糙度而定。更詳細 資料可參考「耐風規範」2.3 至 2.5。 貳、 決定外風壓係數 根據「耐風規範」，外風壓係數(GCp)是根據局部構材或外部被覆物之有效受 風面積(而非承受風壓面積)，對照圖「耐風規範」圖 3.2 來決定。 根據圖 4- 1，所謂承受風壓面積為跨距長度與寬度之乘積。而有效受風面積 為跨距長度與有效寬度之乘積；根據「耐風規範」，有效寬度不必小於跨距長度 的 1/3；也就是說，若寬度大於跨距長度的 1/3，則有效寬度為寬度；若寬度小於 跨距長度的 1/3，則有效寬度為跨距長度的 1/3，如錯誤! 找不到參照來源。。對 外牆扣件而言，有效受風面積不得大於單一扣件之受風面積，外牆扣件即為本研 究中之繫件。本研究設計例中將說明如何決定面材、直料、橫料及繫件之承受風 壓面積及有效受風面積。 參、 計算各來風方向下之設計風壓 本節考慮高度超過 18 公尺、近似規則矩形建築物外部被覆物及局部構材之 設計風壓，根據「耐風規範」式(3.2)，其計算式如下

(4.2) 其中， (GCp)為外風壓係數、q(h)為平均屋頂高度 h 處之風速壓以及(GCpi)為內 風壓係數。

22 對迎風面牆，風速壓 q 採 q(z)；對背風面牆、側牆與屋頂，風速壓 q 採 q(h)； 封閉式建築物或內風壓取負值之部分封閉式建築物，風速壓 qi 採 q(h)；對內風 壓取正值之部分封閉式建築物，qi採 q( )或 q(h)，其中， 為會影響正值內 風壓之最高開口高度。本手冊取 qi = q(h)，故式(2.2)可寫為

(4.3) 後續計算例中將詳述如何在各來風方向下，利用「耐風規範」第二章計算上 述參數值。由式(4.3)計算所得之設計風壓將作用於外部被覆物或局部構材之承受 風壓面積(Tributary Area)。 肆、 決定最大設計正風壓和負風壓 從上述所有考量各來風向中，分別選取局部構材或外部被覆物之最大設計正 風壓和負風壓。其細節將詳述於本報告設計例。 0 h

z

0 h

z

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圖 4- 3 高度超過 18 公尺建築物之局部構材耐風設計流程圖 (資料來源：本研究整理)

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第五章 帷幕牆系統結構耐風設計原則

本文於第三章已簡單回顧五種不同帷幕牆系統及其組成構件，本章將針對其 中在台灣應用最廣泛的單元式系統和直橫料系統，分別介紹其各構件結構耐風分 析與設計的原則與檢核標準。

第一節 直橫料式系統之耐風結構設計原則

壹、 構件組成及相關圖形 直橫料式系統之構件分別為直料、橫料、繫件以及面材，直料、橫料以及繫 件定義如 AAMA(2005)，面材包括內嵌玻璃及層間板，如圖 5- 1，其中直料和橫 料同時承受風壓。 圖 5- 1 直橫料式系統構件位置 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96)

26 貳、 面材、直料及橫料所受設計風壓(風力)之決定 各構件設計風壓之決定請參照第四章帷幕牆系統各構件設計風壓之決定，詳 細計算可參照第六、七及八章帷幕牆計算例。 參、 直料之耐風設計(含檢核) 直料之長度可能橫跨一個或多個樓層，但作變形或應力分析時通常只取幾個 樓層(例如可能為 1 層(陳郁潔，2017)、2 層(林士秀，2017)或 4 層(Wong，2007))， 其中由彈性梁理論公式得知，在多跨連續梁受均佈載重時，三跨連續梁具有最大 變形量(AISC，2011)，故本文後續分析直料時將採用此一假設。 直料系統邊界條件設置上，不論直料長度為樓層高或橫跨多層樓之設計，皆 將繫件處視為鉸支承(Hinge)；而直料以套筒連接處雖近似剛性連接，但國內實 務上為了使設計更保守，假設此處無法傳遞彎矩，將其視為銷釘(Pin)，本文後續 之計算範例將採用此一假設。圖 5- 2 為直橫料式系統直料結構分析示意圖。 圖 5- 2 直橫料式系統直料結構分析示意圖 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96) 鉸支承(Hinge) 銷釘(Pin)

27 直料構件檢核中，必須滿足變形需求目前收集到之直料變形檢核標準已列於 表 5- 1，其中不論直料分析時橫跨幾層樓，檢核表中的 L 皆視為兩個繫件之間的 長度，本研究將採用中華民國國家標準。直橫料式系統之直料因由套筒相連接， 故套筒必須能承受結構物的層間變位。 另需檢核直料因風力造成之撓曲應力、扭轉效應應力以及側向扭轉挫曲。其 中由風力而產生之撓曲應力應由強軸向抵抗，應力檢核標準可參照 Aluminum Design Manual(AA，2005)。 表 5- 1 直料變形檢核 資料來源 設計風壓所造成直料側向變形之上限 中華民國國家標準(CNS)(2006) L/175 (L<4115mm) L/240 + 6.4 mm (4115mm<L<12200mm) International Building Code(2012) min[L/175，19 mm]

American Society for Testing and Materials (2012)

L/175 American Architectural Manufacturers

Association (2015) L/175 (L<4110mm) L/240 + 6.35 mm (1/4 in) (L>4110mm) 金屬帷幕牆手冊(2003) min[L/175，19 mm] 參考案例(陳郁潔，2017) L/175 (L<4.115m) L/240+6mm(L>4.115m) min[L/360，12.7mm] (框架內嵌石材，非 玻璃) 參考案例(賴映宇，2017) L/240 + 0.63cm 參考案例(林士秀，2017) L/175(L<4115mm) L/240 + 0.635cm (L>4115mm) 2L/175(Cantilever arm) (資料來源：AAMA TIR-A11-15；金屬帷幕牆手冊，2003；陳郁潔，2017；賴映 宇，2017；林士秀，2017) 肆、 橫料之耐風設計(含檢核) 橫料分析上，可視為單一簡支梁，其結構圖如下圖 5- 3。橫料不僅受風壓影 響，亦需承載上方玻璃以及自身重量。

28 圖 5- 3 直橫料式系統橫料結構分析示意圖 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96) 橫料構件檢核中，除了須滿足變形需求外，亦需檢核撓曲應力。其中撓曲應 力分為強軸撓曲應力以及弱軸撓曲應力，強軸為風載方向，弱軸為自重方向。現 今已有一些建築規範及標準來檢核橫料之變形量列於表 5- 2，本研究中橫料設計 風壓檢核將採用 AAMA 之標準；靜載重檢核將採用金屬帷幕牆手冊之標準；應 力檢核標準可參照 Aluminum Design Manual(AA，2005)。。

表 5- 2 橫料變形檢核

資料來源 設計風壓所造成側向變形之上限 靜載重所造成側向變形之上限

International Building Code(2012)

min[L/175，19 mm] American Society for

Testing and Materials (2012)

L/175 American Architectural Manufacturers Association (2015) L/175 (L<4110mm) L/240 + 6.35 mm (1/4 in) (L>4110mm) 金屬帷幕牆手冊(2003) L/240 L/360 或 3.2 mm 參考案例(陳郁潔，2017) L/240 3mm 參考案例(賴映宇，2017) L/240 + 0.63cm 3.2 mm 滾支承(Roller) 鉸支承(Hinge)

29 參考案例(林士秀，2017) L/175 3.2 mm (資料來源：AAMA TIR-A11-15；金屬帷幕牆手冊，2003；陳郁潔，2017；賴映 宇，2017；林士秀，2017) 伍、 繫件之耐風設計(含檢核) 分析繫件時，外力來源包括正負風壓及帷幕牆的自重，正負風壓作用於直橫 料及面板上，再經由繫件傳入結構體，故在繫件檢核時，需了解外力傳遞路徑。 雖然負風壓通常大於正風壓，但正負風壓之方向可能使得彎矩形成互相抵銷 或是疊合增長的情況，故在分析時，正負風壓皆須納入考慮。 繫件之螺栓需要計算因外力造成的剪力與拉拔力，再檢核所使用之螺栓強度 是否足夠。另需檢核連接用鋼(鋁)板之抗彎強度。 陸、 結構矽膠與蓋板 結構矽膠填充於鋁擠型和面材間的空隙，蓋板固定於鋁擠型和面材交接處表 面，其目的皆在於防止玻璃脫離鋁擠型，故需檢核負風壓作用下，結構矽膠之容 許拉應力是否大於矽膠斷面應力。 柒、 面材之耐風設計(含檢核) 若面材採用玻璃，在設計風壓作用下，需檢核其強度及變形。首先參閱 ASTM E1300(2016)，依照玻璃厚度、長、寬及束制條件對應出未係數化載重，再乘上 玻璃種類之係數可得容許強度，其值需大於面材設計風壓。其次使用有限元素軟 體分析，或參閱 ASTM E1300(2016)，依照設計風壓、玻璃面積及長短邊比對應 出玻璃變形，其值需小於容許變形。其中變形檢核標準列於表 5- 3，本研究中面 材變形檢核將採用 35 毫米的容許變形(金屬帷幕牆手冊，2003)。 表 5- 3 面材變形檢核 金屬帷幕牆手冊(2003) 鋁板： L/90 or 19mm (100%設計風壓) 玻璃： 35 mm(100%設計風壓) 參考案例(陳郁潔，2017) 玻璃： L/90 or 25mm (50%設計風壓) 35mm (100%設計風壓) 鋁板：

30 L/90 or 25mm (100%設計風壓) 參考案例(林士秀，2017) 玻璃： L/90 or 25mm (50%設計風壓) 35mm (100%設計風壓) 鋁板： L/60 (資料來源：金屬帷幕牆手冊，(2003)；陳郁潔，2017；林士秀，2017)

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第二節 單元式系統之耐風結構設計

壹、 構件組成及相關圖形 圖 5- 4 為單元式系統之示意圖，施工上分為繫件與預組單元，每一單元間四 邊皆採用公母式鋁擠型嵌接，嵌接後水平向鋁擠型在分析時視為橫料，其中預組 單元上方水平向鋁擠型稱為水槽料，下方水平向鋁擠型稱為下橫料，垂直向鋁擠 型在分析時視為直料；面材包括預組單元中鑲嵌玻璃或鋁板。 圖 5- 4 單元式系統構件位置 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96) 貳、 面板、直料及橫料所受設計風壓(風力)之決定 各構件設計風壓之決定請參照第四章帷幕牆系統各構件設計風壓之決定，詳 細計算可參照第六、七及八章帷幕牆計算例。

1.

2.

32 參、直料之耐風設計(含檢核) 直料分析時將繫件處視為鉸支承(Hinge)；而一般將垂直向鋁擠型下端洗出插 槽，以和部分下方橫料以及下方垂直向鋁擠型相連，為了滿足此施工需求，假設 此處無法傳遞彎矩，將其視為銷釘(Pin)。本文後續分析直料時將採用三層樓直料 進行分析， 圖 5- 5 為單元式系統直料結構分析示意圖。 圖 5- 5 單元式系統直料結構分析示意圖 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96) 直料構件檢核中，必須滿足變形需求目前收集到之直料變形檢核標準已列於 表 5- 1，其中不論直料分析時橫跨幾層樓，檢核表中的 L 皆視為兩個繫件之間的 長度，本研究將採用中華民國國家標準。 另需檢核直料因風力造成之撓曲應力、扭轉效應應力以及側向扭轉挫曲。其 中由風力而產生之撓曲應力應由強軸向抵抗，應力檢核標準可參照 Aluminum

33 Design Manual(AA，2005)。 肆、 橫料之耐風設計(含檢核) 橫料分析上，可視為單一簡支梁。其結構圖如圖 5- 6。橫料不僅受風壓影響， 亦需承載上方玻璃以及自身重量，其中由下橫料承受上方玻璃重量。 圖 5- 6 單元式系統橫料結構分析示意圖 (資料來源：圖形修改自 AAMA CW-DG-1-96) 橫料構件檢核中，除了須滿足變形需求外，亦需檢核撓曲應力。其中撓曲應 力分為強軸撓曲應力以及弱軸撓曲應力，強軸為風載方向，弱軸為自重方向。現 今已有一些建築規範及標準來檢核橫料之變形量列於表 5- 2，本研究中橫料設計 風壓檢核將採用 AAMA 之標準；靜載重檢核將採用金屬帷幕牆手冊之標準；應 力檢核標準可參照 Aluminum Design Manual(AA，2005)。

伍、 繫件之耐風設計(含檢核) 分析繫件時，外力來源包括正負風壓及帷幕牆的自重，正負風壓作用於直橫 料及面板上，再經由繫件傳入結構體，故在繫件檢核時，需了解外力傳遞路徑。 滾支承(Roller) 鉸支承(Hinge) 下橫料 水槽料

34 雖然負風壓通常大於正風壓，但正負風壓之方向可能使得彎矩形成互相抵銷 或是疊合增長的情況，故在分析時，正負風壓皆須納入考慮。 繫件之螺栓需要計算因外力造成的剪力與拉拔力，再檢核所使用之螺栓強度 是否足夠。另需檢核連接用鋼(鋁)板之抗彎強度。 陸、 結構矽膠與蓋板 結構膠填充於鋁擠型和面材間的空隙，蓋板固定於鋁擠型和面材交接處表面， 其目的皆在於防止玻璃脫離鋁擠型，故需檢核負風壓作用下，結構矽膠之容許拉 應力是否大於矽膠斷面應力。 柒、 面材之耐風設計(含檢核) 若面材採用玻璃，在設計風壓作用下，需檢核其強度及變形。首先參閱 ASTM E1300(2016)，依照玻璃厚度、長、寬及束制條件對應出未係數化載重，再乘上 玻璃種類之係數可得容許強度，其值需大於面材設計風壓。其次使用有限元素軟 體分析，或參閱 ASTM E1300(2016)，依照設計風壓、玻璃面積及長短邊比對應 出玻璃變形，其值需小於容許變形。其中變形檢核標準列於表 5- 3，本研究中面 材變形檢核將採用 35 毫米的容許變形(金屬帷幕牆手冊，2003)。

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第六章 高度超過 18 公尺建築物單元式帷幕牆設計例

一辦公大樓平面尺寸為 ，建築物高度為 112.2m，位於台北市， 假設建築物四面上風處為 B 地況，且無特殊地形。假設整棟大樓皆採用高 3.3m 且寬 2m 之單元式帷幕牆單元，如圖 6.1。 單元式帷幕牆系統在施工上分為繫件與預組單元，其中預組單元包括面材 (玻璃)及圍束面材之公母式鋁擠型。不同單元間四邊皆採用公母式鋁擠型嵌接， 嵌接後水平向鋁擠型在分析時視為橫料，垂直向鋁擠型在分析時視為直料。 本範例針對此一超過 18 公尺建築物承受最大風壓之單元式帷幕牆構件，先 決定面材、直料、橫料及繫件之設計風壓(力)，再依序檢核各構件之強度及變形。

第一節帷幕牆各構件設計風壓

理論上可根據表面風壓之分佈情況，將整面帷幕牆分為若干區域設計帷幕牆 構件；但為簡化設計，故本範例只分析設計 AB 牆面承受最大風壓之帷幕牆構件， 其中 AB 牆面定義於表 6-1；根據圖 6.2，分別為 AB 牆面位於頂層角隅處面材(○e -○f _-○g _-○a _{)、繫件(○}h 點)、橫料(○c _-○d 及○e _-○f )以及頂部三層直料(○a _-○e _-○c _-○b )。 圖 6.1 第六章設計例帷幕牆示意圖 (資料來源：本研究整理) 38m36m 橫料 直料 面材 繫件

36 圖 6.2 第六章設計例之帷幕牆構件位置放大圖 (資料來源：本研究整理) 壹、 蒐集建築物與工址風環境資料 依據第四章第一節「高度超過 18 公尺建築物外部被覆物及局部構材設計風 壓計算」之流程，計算前述帷幕牆構件之設計風壓。根據圖 2.2 可知，執行耐風 設計時，先要蒐集建築物與工址風環境資料，本節擬定建築物之資料與工址風環 境如下表 6-1 所示。 ⓐ ⓖ ⓒ ⓔ ⓕ ⓓ ⓑ ⓗ AB 牆面 ○a _-○e _直料 形心高度為 110.55m ○e -○c直料 形心高度為 107.25m ○c -○b 直料 形心高度為 103.95m ○e _-○f _-○g _-○a _面材 形心高度為 110.55m ○e_-○f橫料 形心高度為 108.9m ○c-○d 橫料 形心高度為 105.6m ○h_繫件 形心高度為 108.1m

37 表 6-1 第六章設計例之建築物資料與工址風環境 建 築 物 資 料 尺寸 平面尺寸 ； 建築物高度 112.2m (不含屋頂突出物) 開口面積 在颱風區內，建築物的玻璃容易受周遭的植栽、招牌或屋 頂所造成的隨風飄散物的撞擊而成為開口。本例假設各牆 面之總面積有 破損而造成開口，其餘無開口。 用途係數 根據規範 2.5 節， 、 或 。本例取 。 局部構材及 外部被覆物 考慮位於 AB 牆面上角隅處之 面材為 寬 高之玻璃，其形心高度為 110.55m，如 圖 6.2 (○e _-○f _-○g _-○a ₎ 直料長 3.6m 3(橫跨三樓層)，其形心高度分別為 110.55、 107.25 及 103.95m，如圖 6.2 (○a _-○e _-○c _-○b ₎ 上橫料長 2m，其形心高度為 112.2m，如圖 6.2 (○e _-○f ₎ 下橫料長 2m，其形心高度為 108.9m，如圖 6.2 (○c _-○d ₎ 繫件，其形心高度為 108.1m，如圖 6.2 (○h ₎ 工 址 風 環 境 基本設計風 速 根據規範 2.4 節，台北市的 。 地況 AB 牆面、BC 牆面、CD 牆面與 DA 牆面上風側地況皆為地 況 B。 地形 無特殊地形。 (資料來源：本研究整理) 貳、 各構件有效受風面積及外風壓係數之計算 針對圖 6.2 所考慮之直料、橫料及面材，於圖 6.3 中標示出相對應之承受風 壓面積及公母單元之配置。面材○e _-○f _-○g _-○a 之跨距長度為 3.3m，寬度為 2m，則 承受風壓面積為 3.3 2=6.6m2_{。由於有效寬度為 ，故面材○e} -○f _-○g _-○a 之有效受風面積為 3.3 2=6.6m2。 38m36m A B C D X Y 38m 36 m 1% I I 1.1 1.0 0.9 I 1.0 2m 3.3m 

 

10 V C

 

10 42.5 V C  m s  max 2 ,3.3



m m 3



2m 

38 參考帷幕牆俯視斷面圖 6.4，單元式帷幕牆之直料鋁擠型分為公單元及母單 元，部分左側玻璃所受風力傳遞至直料公單元鋁擠型，部分右側玻璃所受風力傳 遞至直料母單元鋁擠型。其次，根據圖 6.3，依照龜殼式載重分配法，每一層之 直料公(母)單元鋁擠型承受風壓面積為 。為了引用「耐 風規範」對於有效受風面積之計算，可將前述梯形面積以等值長方形面積(跨距 長度為 3.3m，寬度為 取代，而有效寬度為 ，故 每 一 層 直 料 公 ( 母 ) 單 元 ( ○a _{- ○}e 或 ○e _{- ○}c 或 ○c _{- ○}b _{) 鋁 擠 型 有 效 受 風 面 積 為} 。 參考圖 6.3，單元式帷幕牆之橫料鋁擠型分為公單元及母單元，接下來依據 工程實務，將橫料公單元鋁擠型稱為水槽料；橫料母單元鋁擠型稱為下橫料，如 圖 3.4 所示。部分上側玻璃所受風力傳遞至下橫料，部分下側玻璃所受風力傳遞 至水槽料。其次，依照龜殼式載重分配法，水槽料及下橫料承受風壓面積皆為 。為了引用「耐風規範」對於有效受風面積之計算，可將前述三 角形面積以等值長方形(跨距長度為 2m，寬度為 )取代，而有效寬度為 ，故水槽料○e _-○f 及下橫料○c _-○d 有效受風面積皆為 。 針對圖 6.2 所考慮之繫件，根據圖 6.3，其左(右)側之承受風壓面積為面材 承受風壓面積之一半；引用「耐風規範」對於有效受風面積之計算，繫件左(右) 側有效受風面積不得大於其承受風壓面積，故繫件左(右)側有效受風面積為其承 受風壓面積 。 2 (3.3 1.3) 1 1/ 2   2.3m 2.3 3.3m 2.3 max , 3.3 3 1.1 3.3m m m  _{ }     2 3.3 1.1 3.63m 2 2 1 1/ 2  1m 1 max , 2 3 2 / 3 2m m m  _{ }     2 2 2 / 3 1.33m  2 1 3.3 2 3.3 2 m   

39 圖 6.3 第六章設計例之面材、直料及橫料之承受風壓面積 (資料來源：本研究整理) 公單元鋁擠型 母單元鋁擠型 直料公單元鋁擠型 之承受風壓面積 直料母單元鋁擠型 之承受風壓面積 下橫料之承受風壓 面積 水槽料之承受風壓 面積 面板之承受風壓面積 2 m 3.3 m

45∘

ⓐ

ⓓ

ⓒ

ⓔ

ⓕ

ⓖ

ⓑ

40 圖 6.4 第六章設計例之帷幕牆直料及繫件平剖圖 (資料來源：本研究整理) 圖 6.5 第六章設計例之帷幕牆橫料截面圖 (資料來源：本研究整理) 公單元鋁擠型 母單元鋁擠型 風力 繫件左側 繫件右側 下橫料(橫料母單元) 水槽料(橫料公單元)

41 「耐風規範」中外風壓區域之寬度 ，其 中 B 及 L 分別為垂直於風向之建築物水平尺寸及平行於風向之建築物水平尺寸。 根據附錄二「耐風規範」圖 3.2，由於所考慮之面材、直料、橫料及繫件距建築 邊緣之水平距離皆小於 a，故皆位於外牆之⑤區。由於面材的有效受風面積為 ，故正值和負值外風壓係數分別為 1.6 和-3.1。由於每一層直料公(母)單元 鋁擠型的有效受風面為 ，故正值和負值外風壓係數分別為 1.8 和-3.4。由於 水槽料及下橫料的有效受風面為 ，故正值和負值外風壓係數分別為 1.9 和 -3.8。由於繫件左(右)側的有效受風面積為 ，故正值和負值外風壓係數分別 為 1.8 和-3.5。 參、 設計風壓之計算 使用「耐風規範」第三章，所考慮可能之來風方向下包括來風垂直 AB 牆面、 BC 牆面、CD 牆面與 DA 牆面，計算各構件所承受之設計風壓。 來風垂直 AB 牆面 【步驟1】列出與該風向相關之設計參數 當風垂直吹向 AB 牆面時，根據表 6-1，垂直於風向之建築物水平尺寸 ，平行於風向之建築物水平尺寸 。根據「耐風規範」表 2.2，地 況 B 相關參數 ； 。 【步驟2】判斷建築物封閉性及決定內風壓係數 根據建築物資料可知外牆面開口率皆為 。根據「耐風規範」1.3 節，建築 物 不 屬 於 開 放 式 建 築 物 。 根 據 建 築 物 資 料 ， 計 算 迎 風 向 外 牆 面 之 總 面 積 、迎風向外牆面之總開口面積 、非迎風向之各牆面(含 屋 頂 ) 總 面 積 與 非 迎 風 向 之 各 牆 面 ( 含 屋 頂 ) 總 開 口 面 積 。 因無 法同 滿足 以下各條件 (1) ，(2) 或 (二者取最小)，(3) ，根據「耐風規範」1.3 節，建築物屬於封閉 式建築物。 由於建築物屬於封閉式建築物，參考「耐風規範」表 2.17，建築物的內風壓 係數為 。 【步驟3】計算風速壓地況係數 與地形係數

max(0.1 min( , ),0.9 ) 3.6

a





B L

m



m

2 6.6m 2 3.63m 2 1.33m 2 3.3m 38 B m L36m 0.25   z_g 400 m 1% 2 4263.6 g A  m A042.64m2 2 12790 gi A  m 2 0i 127.92 A  m A₀ 1.10A_0i 2 0 0.37m A  0.01A_g 0i 0.20 gi A A  0.375 

( )

K z

K_zt

42 根據「耐風規範」式(2.7)， 2 _0.5 2 _0.5 ( ) 2.774 2.774 ; 5m 400 5 5 2.774 2.774 ; 5m 400 g g z z K z z z z z     _{ }  _ _  _{ }        _{ }  _ _  _{ }      根據「耐風規範」式(2.8)，計算 ：因工址附近無特殊地形， 。 【步驟4】計算高度 z 處之風速壓 高度 z 處之風速壓 因 此 ， 當 風 垂 直 吹 向 AB 牆 面 時 ， 不 同 高 度 之 風 速 壓 為





2 0.5 2 10 ( ) 0.06 ( ) ( ) 300.63 kgf/m ; 5m 400 zt z q z  K z K I V C  _ _ z  





2 0.5 2 10 5 ( ) 0.06 ( ) ( ) 300.63 kgf/m ; 5m 400 zt q z  K z K I V C  _ _ z   【步驟5】分別計算面材、直料、橫料及繫件之設計風壓 風垂直吹向 AB 牆面時，AB 牆為迎風面牆，所考慮面材、直料、橫料及 繫件均承受正風壓。封閉式或部分封閉式建築物高度超過 18 公尺者，其局部構 材及外部被覆物之設計風壓根據「耐風規範」式(3.2)計算，其中 q 採 q(z)。 面材形心離地高度 而在建築高 h 處 迎風面牆的面材(GCp)取正值為 1.6。根據「耐風規範」式(3.2)，該面材設計 正風壓為 (取大 值)。 仿照上述計算面材設計風壓之流程，可計算並彙整面材、橫料之水槽料及下 橫料、每一層直料公(母)單元鋁擠型及繫件單側的設計正風壓，列於表 6-2。 來風垂直 BC 牆面 zt K K_zt 1 110.55 z m 0.5 2 110.55 ( 110.55 ) 300.63 158.05 / 400 q z m  _ _  kgf m  





112.2 0.5 2 112.2 300.63 159.22 kgf / m 400 q h m  _ _   





( 110.55 ) 158.05 1.6 159.22 0.375 274.83 p z m       kgf / m2

43 四個牆面上風側地況皆相同且建築物周邊無特殊地形，因此，風速壓與風垂 直吹向 AB 牆面的結果相同。由於四個牆面開口率皆相同，因此，內風壓係數與 風垂直吹向 AB 牆面的結果相同。 風垂直吹向 BC 牆面時，本計算例考慮帷幕牆所在之 AB 牆為側牆，所考慮 面材、直料及橫料均承受負風壓，其值根據「耐風規範」式(3.2)計算，其中 q 採 q(h)。 側 牆 的 面 材 (GCp) 要 取 負 值 -3.1 ， 該 面 材 設 計 負 風 壓 為 (取大值)。 彙整面材、橫料之水槽料及下橫料、每一層直料公(母)單元鋁擠型及繫件單 側的設計負風壓，將數值分析結果列於表 6-2。 來風垂直 CD 牆面 四個牆面上風側地況皆相同且建築物周邊無特殊地形，因此，風速壓與風垂 直吹向 AB 牆面的結果相同。由於四個牆面開口率皆相同，因此，內風壓係數與 風垂直吹向 AB 牆面的結果相同。 風垂直吹向 CD 牆面時，AB 牆為背風面牆，所考慮面材、直料及橫料均承 受負風壓，其值根據「耐風規範」式(3.2)計算，其中 q 採 q(h)。背風面牆的(GCp) 要取負值-3.1，該面材設計負風壓為 。 彙整面材、橫料之水槽料及下橫料、每一層直料公(母)單元鋁擠型及繫件單 側的設計負風壓，將數值分析結果列於表 6-2。 風垂直 DA 牆面 根據建築物資料與工址風環境可知，建築物以 Y 軸為對稱軸，BC 牆面與 DA 牆面開口面積相同，BC 牆面與 DA 牆面上風側地況相同，以及建築物周邊 地形相同。因此，當風垂直吹向 DA 牆面時，其結果與當風垂直吹向 BC 牆面 的結果相同。





2 ( 110.55 ) 159.22 ( 3.1) 159.22 0.375 553.30 kgf / m p z m         2 -553.30 kgf p m 

44 表 6-2 第六章設計例在不同來風方向下之設計正負風壓(kgf/m2 ) 來風垂直 AB 牆面 來風垂直 BC 牆面 來風垂直 CD 牆面 來風垂直 DA 牆面 面材○e _-○f _-○g _-○a _{312.58 -553.3 -553.3 -553.3} 橫料○e _-○f 水槽料 _{357.75 -664.75 -664.75 -664.75} 橫料○e _-○f 下橫料 _{357.75 -664.75 -664.75 -664.75} 橫料○c _-○d 水槽料 _{353.2 -664.75 -664.75 -664.75} 橫料○c _-○d 下橫料 _{353.2 -664.75 -664.75 -664.75} 直料○a _-○e 公單元鋁擠型 _{344.19 -601.06 -601.06 -601.06} 直料○a _-○e 母單元鋁擠型 _{344.19 -601.06 -601.06 -601.06} 直料○e _-○c 公單元鋁擠型 _{339.91 -601.06 -601.06 -601.06} 直料○e _-○c 母單元鋁擠型 _{339.91 -601.06 -601.06 -601.06} 直料○c _-○b 公單元鋁擠型 _{335.57 -601.06 -601.06 -601.06} 直料○c _-○b 母單元鋁擠型 _{335.57 -601.06 -601.06 -601.06} 繫件○h 單側 _{344.19 -616.98 -616.98 -616.98} (資料來源：本研究整理) 肆、 最大設計正風壓與負風壓之選取 根據表 6-2 中面材、橫料之水槽料及下橫料、每一層直料公(母)單元鋁擠型 及繫件單側在各來風向正負風壓值中，分別選取其最大設計正風壓和負風壓，列 於表 6-3。 於表 6-3 中，每一層直料公(母)單元鋁擠型單位長度正(負)風力為每一層直 料公(母)單元鋁擠型設計風壓乘上對應之承受風壓面積，再除以每一層直料高； 水槽料及下橫料之單位長度正(負)風力為水槽料及下橫料設計風壓乘上對應之 承受風壓面積，再除以橫料寬。 通常鋁製結構以 ASD 做設計，因此載重組合中，風力載重前所乘係數為 1。