輕鋼構、高強度建築
  • 認識冷軋型鋼構造

冷軋型鋼構造建築之發展

        由於環保的考量,木材、砂石等材料的短缺,美國、澳洲與日本等國發展之標準化的單 層或雙層冷軋型鋼建築設計與施工己廣泛地使用在工、商業界及一般住宅上(圖 1)。同時,在 近十年來,公共建築如學校、教堂採用冷軋型鋼結構的設計亦日益趨多,主要可歸諸於下列 因素:(1)造型可多樣化、(2)快速施工減少工期、(3)維護及管理費低、(4)易於變更及加蓋。 為了推廣環保亦可回收的冷軋型鋼建築,除了既有的冷軋型鋼設計規範外,在 1997 年美國全 國住宅建築協會(National Association of Home Builders - NAHB)聯合了美國聯邦住家與都市發 展部(U.S Department of Housing and Urban Department - HUD)與美國鋼鐵協會製訂了「冷軋型 鋼構住宅設計方法- Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing」(AISI, 1997) 及相關設計與施工技術出版品,該設計方法制定的目的,主要是提供設計與營造業者能輕易 地應用冷軋型鋼於建築物上。

(圖片來源:Web of Steel Framing Alliance)

圖 1 冷軋型鋼構造建築

        有別於一般的鋼筋混凝土和鋼骨建築所採用梁、柱作為支撐系統,以冷軋型鋼構造所建 構的輕鋼構住宅,在設計上可以分為:構架式結構系統、牆板式結構系統等,在國外乃以牆 板式結構系統為設計主流,此類牆體在日本則稱為”耐力壁”。在房屋結構行為學中,對於地 震力及風力的抵抗主要是與結構體受力時的能量吸收、變形破壞行為與韌性等有關;在以牆 板式結構系統為主的冷軋型鋼構造中,結構牆體即是主要之受力單元,其牆體的構造一般以 C 型鋼為牆體的立柱,利用槽鋼在立柱上下緣加以固定,外部再加上各式材質之外覆材,表 面外覆材為矽酸鈣板、OSB 板、纖維水泥板或石膏板,而國內大部分使用矽酸鈣板之作為外 覆材,內部則按照設計的需求填入相關材料,以達到強度、隔熱與隔音等要求。

        輕鋼構建築結構體部位可分為基礎、樓板、牆體、屋架、內部裝修板等部位。無論其構 造系統是構架式或框組版式之架構,結構牆體應屬框組式,其組立與安裝,均強調水平與直 立、同軸構架框組構材的對齊、承壓的牆寬強度等項目的要求。在牆體組裝方面,組構成框 組版式構造牆體之功能可承受垂直載重或承受水平載重力或兩者兼具。牆體由(1)框組架(主 3 框架)、(2)覆材層與(3)表面層組裝而成。輕鋼構建築之牆版系統依結構性能、隔熱性能、隔 音性能與防火性能等,各廠商有其不同之設計,圖 2 為業界廠商對於壁體與地板的設計圖例。

(圖片來源:Web of Blue Star Steel Corporation)

圖 2 壁體與地板的設計圖例

        由於環保的考量,木材、砂石等材料的短缺,美國、澳洲與日本等國發展之標準化的低 層冷型鋼建築設計與施工己廣泛地使用在工、商業界及一般住宅上。以美國為例,在 1992 年 推動初期,僅有 500 棟此類建築興建,在 1998 年一年間已有 12 萬棟住宅使用輕鋼構建築, 約佔當年住宅建築的 10%,在 2000 年其輕鋼構住宅達一年 20 萬戶的規模(約佔當年住宅建築 的 20%)。而日本更是在短短的幾年間,在鋼鐵製造業共同的努力下結盟成立協會(鋼材俱樂 部),不但進行生產、製造及推廣,同時亦進行研究發展工作,讓所謂的鋼屋(steel house)市場 在日本蓬勃發展,2001 年間日本已有超過 6000 戶的興建,2002 年已有 3 萬戶的規模。