鋼結構業務推廣計畫(上)
【 2006-12-01 / 陳純森 / 天恩工程顧問公司】
 
一、前言:
    為配合中國鋼鐵股份有限公司(以下簡稱中鋼公司)推廣鋼料廣泛使用,財團法人金屬工業研究發展中心(以下簡稱金工中心)受委託辦理鋼結構市場調查研究與撰寫具體推廣計畫。筆者應中鋼公司之要求協助配合金工中心訪查「鋼結構」產業之相關業界,並協助撰寫鋼結構事業調查與業務推廣之工作計畫。

自正式接受委託後,多次參與中鋼公司之研討座談,並協同中鋼公司與金工中心參訪中鋼結構公司,共同廣泛探討鋼結構事業之業務與電銲等技術問題,經筆者調查蒐集鋼結構市場之狀況,謹提出初步調查報告如下。

二、國內鋼結構現況:
    鋼結構工程之問題包括利潤與技術兩大重點,目前鋼結構行業之利潤約為3%左右,如果變更設計或工期延誤致無法適時安裝時,則因無法及時估驗領款而容易造成虧損,故屬於一種高技術且利潤微薄之行業。就技術層面言,鋼結構待研發與解決之技術問題尚多,如何提升電銲效率與降低成本,如何採用標準設計使施工快速,如何廣為宣傳以提升營建業的鋼結構用量等等,都是鋼結構推廣的重點。

三、鋼結構之特點:
    對於營建工程而言,無論就設計理論、施工技術、工期管制、資金運用及舊有材料之回收等,鋼結構均不失為一良好之結構材料,經調查業界相關資料,分述鋼結構之特性如下:
(一)耐震韌性優良:
    台灣為地震頻繁之地區,並且經常有強烈地震發生。為了防患地震所造成的災害,建築物必須具備堅固的耐震功能或韌性要求。就梁、柱構架系統之抗震能力言,如果採用鋼筋混凝土結構,為了發揮整體結構之強度,除了梁、柱接頭區與圍束區須設置梁的雙向鋼筋與柱的垂直鋼筋外,為達到構件的抗剪與韌性圍束效果,該圍束區也設置了許多的腹筋或箍筋,由於工地綁紮鋼筋常有嚴重的搭接與續接問題,混凝土的澆築確實十分困難,尤以高層建築為甚,即使勉強澆築,常造成蜂窩或粒料分離之重大瑕疵,降低混凝土握裹性能,而無法達到耐震韌性效果。

    如果採用鋼結構,其接頭可以用銲接或栓接方式克服材料之接續性問題,接頭之耐震效果確實比較優良。圖1與圖2為國內常用之鋼結構梁柱接頭之方式。國內於民國88年9月間所發生的集集超級強震,所震毀之建築物絕大多數是鋼筋混凝土構造即為最明顯之實例。
圖1 全區工程範圍及臨時支撐配置圖 圖2 鋼結構樑柱接頭之二
(二)品質穩定性: 混凝土工程之預拌及澆置,涉及諸多之人為與時間因素,且材料及人工之品質管制點較多,如砂石、水泥與水之拌合,鋼筋之加工與綁紮,模板之加工與組立及混凝土之澆置作業等等,管制工作十分繁雜,品質管控比較複雜。目前混凝土之強度品質均著重預拌圓柱體試驗,但許多工程於完工後所作之鑽心體試驗,常發現建築物的混凝土強度品質不太穩定。 鋼結構工程則採用工廠預製方式,所有鋼架都在工廠加工製造再運至工地安裝。工廠內部的品管比較容易,至於工地的工作則應妥善處理接頭的接合與檢查,特別是電銲與栓接之施工管控,才能達到所要求的安全性。 (三)材料質地均勻: 鋼筋混凝土與鋼結構均為工程上之主要結構。其中鋼筋混凝土係以混凝土為主要材料,因為混凝土之抗壓性很強,抗拉性卻很差,故利用鋼筋之抗拉性以補充混凝土抗拉性之不足,鋼筋僅是補強用之輔助材料,西方社會稱之為「加強混凝土」或「增強混凝土」(REINFORCED CONCRETE -R.C.)。而鋼結構則以鋼材、銲料與螺栓為主要材料。 因為鋼鐵材料的提煉過程十分嚴謹,每批鋼料均在煉鋼爐中以高於攝氏1500 ℃之高溫冶煉,經沸滾約30分鐘後才倒出鋼液輥軋成鋼料,故質地非常均勻。不論熱軋鋼板或型鋼材料,其材料品質控制均較為容易,同一爐號的鋼料僅用出廠證明就能政明其穩定的材質。圖3為熱軋之型鋼材料。
圖3 鋼結構型鋼材料
(四)工期迅速: 建築物如採用混凝土構造,照一般的現場澆置工法,因每層樓均必須架設支撐,釘製底模、綁紮鋼筋、圍封模板、澆灌混凝土、逐層養生及分批拆模等動作,故其工期較長。而鋼結構因屬於預製式工法,其製造與吊裝,每節均以三至五層之進度施工,工期十分快速。 至於需要配合的混凝土面版工程,一般係將鋼承板(又名鋼浪板)全面舖設,同時澆灌各層樓板,各層樓板之養生可以合併一次辦理,故進度亦甚為迅速,對於施工成本的撙節及廠商資金的調度甚為有利。圖4及圖5為鋼柱及鋼樑之吊裝情形。
圖4 鋼柱吊裝 圖5 鋼梁吊裝
(五)重量減輕: 鋼結構之靜載重比鋼筋混凝土結構減輕很多。就高層建築比較之,一般鋼筋混凝土建築物之牆壁大部分搭配磚牆或水泥牆,其靜載重約為 1.1T/M2 ~1.4T/M2;而鋼結構系統之牆壁則搭配帷幕牆或輕隔間牆,其靜載重則約為 0.9T/M2 ~ 1.1T/M2,重量減輕約25% ~ 35%,除大幅減輕地震之反應作用外,對於基礎工程的處理也比較容易。 (六)造型活潑美化環境: 採用鋼結構之橋梁工程,其外觀及形狀之可塑性很高,可以配合工地附近特殊之地貌環境,興建各種不同形式之鋼橋,無論市區陸橋或橫跨江河之大橋,均可選用桁架橋、鋼拱橋、斜張橋及吊索橋等,美化環境之效果頗佳。最近之快速道路,如高速鐵路、捷運高架橋等亦分別採用部分之鋼結構橋樑。圖6及圖7為不同形式之鋼橋。
圖6 高架陸橋 圖7 跨河鋼橋
(七)環保問題: 由於混凝土工程必須開採大量之天然砂石,嚴重破壞水土保持及生態環境,在環保意識高漲的今日,砂石之開採已十分困難,且隨著時代潮流的變遷,砂石材料之取得將愈形困難。 根據正式研究調查報告,鋼結構工程於施工中所排放之二氧化碳遠比鋼筋混凝土工程為少,比較不會造成環境污染問題。此外,當都市發展至某種程度必須作都市更新或舊屋拆除時,拆除混凝土結構之廢棄物處理恐將造成另一層面之環保問題。而鋼結構於拆除後則可以回收供煉鋼廠當煉鋼原料再生利用,有利資源回收。 目前政府建管單位正全力推動「綠建築標章」,規定公有建築物達一定規模時,必須事先申請綠建築許可,其評估之項目共有九項,其中鋼結構建築至少就佔了三項的優勢。 (八)耐火問題: 結構性材料於受持續性高溫後,其強度均有折減之情事,混凝土與鋼結構都有此現象。當溫度超過300℃時,鋼料之強度會明顯降低;溫度超過600℃時,鋼料之強度減少會達30%以上。就鋼結構之防護方法言,可以採用防火岩棉、防火蛭石、防火珍珠石與防火漆等等方法。國內仍以前者最為普遍,價格也比較便宜,後者與防火漆則尚未大量使用。 鋼筋混凝土構造於施工時並未有防火被覆,於火害發生後,鋼筋因為被包覆在混凝土內部,其強度固然不易受到影響,但扮演主角之混凝土材料卻首當其衝受火害嚴重影響,必須徹底檢討其強度折損,並作必要之補強措施。有關鋼結構之火害經驗,國內均具備難能可貴的超高層火害考驗,防火問題不難克服。圖8為防火岩綿之被覆情形。
圖8 防火岩綿被覆
(九)防蝕問題: 於鋼筋混凝土構造,由於混凝土材料含有大量之氫氧化鈣Ca(OH)2,故呈鹼性反應,鋼筋表面會產生保護鈍化膜,防止鋼筋生鏽。但暴露於大氣中之混凝土長期受二氧化碳影響,將使混凝土中之氫氧化鈣成為中性之碳酸鈣CaCO3,泛稱「混凝土中性化」,此中性化的後果會加速鋼筋的鏽蝕。為防止混凝土中性化,混凝土結構於施工時,除必須確實控制保護層厚度外,其表面亦有隔絕處理之必要,以延長鋼筋及混凝土之壽命。 至於商用建築之鋼結構,其外表必須施作防火被覆或澆灌混凝土以作為保護; 橋梁或廠房則噴塗防蝕油漆,其防蝕年限從5至20年不等,如採用熱浸鍍鋅,在國內約可以維持40年。圖9為國內鋼結構大樓嚴重鏽蝕之真實案例。
圖9 鋼結構大樓鏽蝕
四、多層建築之調查: 台灣地區因人口密度高,幾個大都會區,例如台北、高雄、台中及台南等都市之建築均朝高空發展。在1976年以前,建築法規規定供住宅使用之建築物高度不得超過20公尺,即約7層樓高;其他建築物之高度不得超過35公尺,即約12層樓高。到1976年以後,因建築物的需求量大增,且設計與施工之技術逐漸成熟,政府主管機關終於開放建築物之高度,鋼結構建築更是應運而生,廣泛被採用。 綜觀台灣的建築物高度發展過程,高度在5樓以下者,可定義為低層建築;5樓至12樓者為中層建築;12樓至16樓(50公尺高)者為高層建築,而16樓以上之商用建築因為結構特殊必須經由特殊審查委員會審查,故可定義為超高層建築,其示意圖如圖10所示。
圖10 高層建築之高度界定
在1976年時,台灣之鋼鐵材料仍然十分缺乏,國內鋼鐵廠所能軋製之鋼結構材料,僅限於200公釐(mm)以下之小型工型鋼、角鋼或槽鋼,而大於200公釐以上之熱軋型鋼則必須進口,故鋼結構之發展仍然十分緩慢。直到1977年,「中國鋼鐵公司」順利產製結構用鋼板之後,鋼結構業才普遍採用組合「工」型鋼及組合「口」型鋼,因而帶動了高層建築鋼結構的全面發展。目前比較普遍的樓層約在20 層至40 層之間。 至於高層建築鋼結構用鋼量之多寡,因涉及大樓的結構型式、結構系統、使用功能、重要區分、地質狀況、地震大小、風力大小、鋼料強度、法規條件及設計經驗等等關係密切,故並無確切之標準。經統計美國所興建之102棟高層建築之單位面積平均用鋼量,其資料如表1所示。
表1 樓層高低與用鋼量之關係
至於國內高層建築,各建築物之樓層高度約為3.5公尺至4.0公尺不等。因台灣全區均處於地震帶,且有颱風作用,國內法規與審查方式亦十分嚴謹,故大樓的用鋼量平均值均較表1為高。約為表1之1.3倍,如果結構系統較特殊或複雜者,其用鋼量可能會超出表1之1.5倍。如概估單位面積之平均用鋼量,台灣地區之平均值約為: 20-30層 150-170kg/m2 30-40層 160-190kg/m2 40-50層 170-210kg/m2 上述之估計值為概略估計,較正確之用鋼量仍應由結構技師依相關法令設計後確定。至於結構系統,大部份採用梁柱構架配合斜撐斜撐系統。就結構觀點,高層建築的結構系統應隨著建築物的高低而作適當之調整,以節省結構材料。 以超高層建築言,大部份之案例均會採用鋼結構設計。對於中高層建築,業者經常會比較鋼結構與鋼筋混凝土之利弊得失,近期因鋼材之價格上漲厲害,故有部份案件採取觀望或暫緩甚且改採鋼筋混凝土構造施工,因非屬技術層面所能克服,因此不列入分析調查研究,謹就前述鋼結構與鋼筋混凝土之優缺點宣導之。圖11為鋼結構設計之超高層建築實例。
圖11高雄領航系統企業大樓
至於低層建築,使用鋼結構之案例仍佔少數。雖有業界對鋼結構頗感興趣,但礙於對鋼結構認識不足或缺乏相關之資料,大多裹足不前。為使使用者輕易上手並於最短時間瞭解鋼結構之概略造價,中低層之建築應有使用者規畫用之簡易型技術手冊。 五、工廠鋼結構之調查: 國內之廠房工程除少部份輕型加工廠其支柱採用鋼筋混凝土而屋頂採用鋼結構外,其餘之廠房大都採用鋼結構之構造。在1977年以前,重型工廠之鋼鐵材料必須從國外進口,而輕型工廠之鋼鐵材料則可以從台灣之軋鋼廠取得。廠房工程約可分成五類。 1.一般倉庫類: 一般倉庫係供堆放物品及器材之用,多半以小型鋼料如角鋼、槽鋼及工型鋼等建造,其型式以山牆式為主。大部分倉庫內部所設置之架空天車(E.O.T- Electric Overhead Traveling Crane),吊重均在5公噸以下。 2.單層式起重型工廠: 一般性加工廠或軋製工廠因為廠內之物件重量比較重,故為廠內搬運方便均設置架空起重機。其吊重能力在20公噸以下之天車採用托架支持;如吊重能力在20公噸以上之天車,則採用天車專用鋼柱與房柱混合結構系統。廠房跨距約在20公尺至35公尺之間。如面積太大時,則採用多跨連棟式構造。一般架空起重機之吊重能力約為10公噸至50公噸。圖12為雙柱混合結構系統之廠房;圖13則為多跨連棟式廠房。
圖12 雙柱混合系統廠房 圖13 多跨連棟式廠房
3.多層式設備用工廠: 係一種多層式放置機器設備之工廠。各樓層作為操作人員之工作場所,一般之化工廠及電子裝配工廠皆屬之,有時會採用鋼筋混凝土或鋼骨鋼筋混凝土結構。雖非重型工廠,因其鋼結構主體必須與機器設備互相銜接固定,構造設計較為特殊複雜,對於高精密度之電子廠房,規劃設計時尚須考慮其抵抗微震之作用。 4.金屬冶煉工廠: 於煉鋼、煉銅及煉鋁等冶煉工廠,廠房內為配合冶煉製程,設置各種不同之架空起重機,且吊重能力相差懸殊,各廠房之跨距與高度亦不盡相同。其架空天車之吊重能力約自 50公噸至200公噸不等。 5.其它特殊工廠: 如電力公司之鍋爐廠、汽機廠,造船公司之造船廠及焚化爐之處理工場等等,此等工廠係供設備裝置與運轉之用,其構造隨著設備不同而變化甚大,惟均採用鋼結構構造。部份造船廠之廠房則採用滑行廠房以便船體組裝。圖14與圖15為火力發電廠及鍋爐廠廠房鋼結構。
圖14 火力發電廠 圖15 鍋爐廠廠房
6.工廠建築之用鋼量: 工廠建築之用鋼量,視跨距大小、天車吊重、天車數量及廠房高度而異,一般之用鋼量約在80公斤/平方公尺至250公斤之間。金屬冶煉之重型工廠如煉鋼、煉鋁等工廠,其用鋼量亦有高達500公斤/平方公尺者。 有關重型與中型之工廠建築,一般都會採用鋼結構設計,且專業設技師都具備詳細之技術資料。但輕型廠房之業主或施工者,因為此種資料比較缺乏,範例也比較少,故參考資料甚為缺乏,有必要加以整編。 六、鋼結構橋樑工程: 鋼結構橋樑由於自重較輕,工地施工快速,故常適合大跨距及市區內之興建。分述如下: 1.工型板梁及箱型梁之鋼橋: 1986年以前,國內的鋼橋大部份採用工型板梁及箱型梁之鋼橋。為鋼橋最基本的構造型式,其跨距約在60公尺以下,如高雄橋、台北大橋及中山高速公路八堵交流道等。 近10年來所興建的箱型梁鋼橋之跨距則在120~150公尺左右,如水源快速道鋼橋及十八王公廟等。此外,為了發展台灣東西部的交通,2003年共完成了十條東西向快速道路,其中不乏採用箱型梁之鋼橋。捷運系統及高速鐵路亦有部分之高架橋採用鋼結構施工。圖16及圖17分別為市區快速高架鋼橋及捷運工程陸橋。
圖16 市區快速高架鋼橋 圖17 捷運工程陸橋
2.拱型鋼橋: 拱型鋼橋因為強度較強,適用於跨度比較大之橋樑。國內的實例有淡水關渡大橋、雲龍橋、基隆河鋼橋及麥帥二橋等。其中以麥帥二橋之跨距最長,約 210公尺左右,係一種提籃式之鋼拱橋,於1995年7月完工。圖18與圖19分別為關渡大橋與台中烏日鋼橋。
圖18 維復中之關渡大橋 圖19台中烏日鋼橋
3.斜張橋: 斜張橋之工程技術,在台灣尚屬於起步階段,目前已完成的計有1989年之重陽大橋,跨距約200公尺。高屏溪橋則為單塔複合式斜張橋,其跨距約為331公尺,為國內目前跨距最大之斜張橋。圖20為斜張式重陽橋。
圖20 重陽橋
位於高雄縣之第二高速公路燕巢九如段第C-381標斜張橋工程於1999年完工,全長510公尺,其中混凝土段180公尺,鋼橋部分330公尺,橋面寬度約35公尺。鋼結構部分之重量約6,000公噸,鋼床板厚度為14mm。A型吊塔高度約190公尺。主樑之架設採用懸臂工法架設。圖21為完工後之美麗夜景。
圖21 高屏斜張橋夜景(中鋼構)
4.吊索橋: 吊索橋(Suspension bridge)俗稱吊橋,為高難度與高技術之橋樑,國內僅有簡易型吊索橋,尚缺普遍之車輛通行用吊索橋,設計及施工均尚待加強努力,以求突破。 5.鋼橋之用鋼量: 有關鋼橋之用鋼量,因涉及橋樑型式、鋼橋構造、跨距及自重等諸多因素,故變化較大,一般約在250公斤/平方公尺至500公斤/平方公尺之間。有關鋼橋之設計大部分都屬於特殊定製品,規格不一,設計技術也十分複雜,不少的橋樑設計必須配合風洞實驗成果進行細部設計,故無法作有效的標準化設計。如為便於一般性,普遍性的推廣,應以常用之板梁式或箱梁式為主,編製使用者之規畫技術手冊。 七、結論 推廣鋼結構用途最有效之方法為如何有效地讓業主於規畫期間迅速掌握鋼結構興建之資訊與預算,故鋼結構之簡易型使用者手冊非常重要,當業主有現成簡易設計手冊時,可以及時估計鋼結構興建之成本,並能大慨了解施工方法。此外設計者須要參考的專業設計用手冊也極為重要。前者之編撰可由產業界編製提供並廣為宣傳,後者之編撰則應由政府機關、專業機構或學術團體統一制定。本計畫以前項需求探討之。 綜上所述,鋼結構使用者推廣手冊之編撰包括常用之簡易型標準建築、標準廠房與標準橋樑等三類之構造,內容包含平面、剖面與標準接頭,並依各種不同地區、用途及跨距等基本條件彙整鋼構件之各種斷面表,以供使用者取捨參考。 註:本文刊登於鋼結構協會會刊第25期