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1、鋼構造建築科技研發與產業發展鋼構造建築科技研發與產業發展 何明錦11. 前言前言 鋼結構具有高強、高韌性、耐震性佳，及施工迅速等特性，又根據本所有關的研究顯示1，由建築生命週期之推估，從材生產、施工建造、維護使用及拆除回收再用等階段之調查分析，鋼構造建築之耗能，僅為混凝土構造之 83%，二氧化碳排放僅為其 71%，就環境保育觀點而言，鋼構造非常適合在臺灣地區推廣採用。因此，為因應建築環境的變遷，及低混凝土消耗天然資源之使用而言，鋼結構成為高層建築構造的主，已是可避免的趨勢。 在公有建築和民間建築方面，隨著經濟、生活及文化水準的提高，各種大跨的體育和展覽建築，以及高層和超高層的商業和觀光業建築的
2、大湧現，也促使鋼結構開其應用域。 另在鋼結構廠房方面，雖然現在有一部分廠房可用混凝土結構代替，但是隨著生產水準的高速發展、生產技術的斷革新、廠房加大型化，柱距、跨、高和起重能日趨擴大，同時對建廠投產工期卻要求盡可能縮短，這些是鋼結構可以用發揮的特點，亦為可繼續保持並擴大其應用之優勢。 此外，輕型鋼構低層住(即鋼骨住，Steel House)，具有安全、健康、節能源及環境保護等性能。目前，美國、歐洲、澳洲及日本等先進國家正在積極推廣中，取代部分的原有 24 的框組式木構建築。尤其日本自阪大地震慘遭嚴重災害之後，對一般新建住的品質保證，法嚴加要求，且為達到品優價之想，住產業界多善用加盟體制方式經營
3、，並斷創新工法及研發新建材、設備等，因此，成長快速，堪值借鏡學習之處多。 檢視臺灣地區，在 921 大地震後，業界鑑於鋼筋混凝土建築損害眾多，高1 內政部建築研究所 所長 1層建築乃多改以鋼骨或 SRC 鋼骨鋼筋混凝土建造。但鋼構造建築從材之準備、加工、銲接、組裝、施工等技術，均較傳統鋼筋混凝土結構要有高的確，以及高的品管要求，否則的設計、施工，同樣的也會讓鋼構造建築成為潛在的危險建築，因此儘速建符合本土需求鋼構造建築之環境與技術，實為國內推廣鋼構建築的當務之急。 同時依據本部營建署營建統計報的資2，近國內鋼構(含鋼架構造與鋼骨鋼筋混凝土構造)建築物地板面積約佔總地板面積之 15%，其發展趨勢
4、，以使用執照統計，如下圖所示。 臺灣地區鋼構建築地板面積統計圖01,000,0002,000,0003,000,0004,000,0005,000,0006,000,0007,000,0008,000,0001996199719981999200020012002200320042005西元份地板面積(平方公尺)圖 1.1 臺灣地區鋼構建築趨勢圖 1999 至 2001 間之成長為大宗，以鋼架構造建築為大宗，推測 921 大地震後時建築以鋼架鐵皮屋居多。另每棟鋼骨鋼筋混凝土構造建築之平均地板面積約為 1,500 平方公尺，推測此一建築構造型式為較高層的建築所採用。 在鋼結構之優勢特質與應用趨勢
5、之下外，本文將依序概述鋼構建築特性與課題、國內科技研發之方向及未產業發展之展望，最後並做簡單的結。 22. 鋼構建築特性與課題鋼構建築特性與課題 近營造業者跟隨著社會的腳步，在臺灣各地興建為少的高層及高密之鋼筋混凝土集合住，集合住可低土地成本，並使土地有高的用，但 921 地震發生後，在市郊地區，民眾開始青睞低層的輕鋼構建築，在市區地價高之地區，則以鋼結構高層建築，主要是希望以鋼材之韌性能承擔作用。但未的建築是往高或低層建築方向發展，近國內營造業面對生存環境的改變與轉型，已是爭之事實。由於動人口的減少、工資的高漲、工地安全與環保的重視、建材防火性的要求、建材輕化的趨勢、工程品質的提昇以及工期的
6、縮短，在在顯示出營建業轉型的必要性。傳統厚重的建材(鋼筋混凝土)與需要眾多的施工方式已逐漸式微，取而代之的是高品質、輕化的營建材，以及短工期與低動的施工方法，這也是鋼構被選用的強項。 臺灣正走向已開發國家的，人工價錢高漲，人資源短缺乃為當前傳統營建產業遭遇之窘境，再加上水的開採設限與設廠製造對環境的衝擊，以及砂石的短絀，面對民眾環保意的斷提高的時代，顯示出使用具環保且可回收的鋼材做為建築材，似乎是臺灣未建築發展的一個重要趨勢。再者，未二氧化碳排放的管制，水在製造生產與用於營建時所產生的環保問題，以及 RC 建築物在拆除重建時再用有其困難；另方面，目前政府正積極推動建築的觀，採用鋼結構似乎是另一
7、股時代潮。因此世界各國皆斷地發展以鋼材為建築物的基本原，針對市場的需求之下，近 20 鋼結構已漸漸地在世界各國成為重要建築與橋所使用的主。 為因應推陳出新的鋼材，世界各先進國家皆持續的修正與修訂鋼構造的相關規範與施工標準。除考上述所提的種種因素外，臺灣地區又因地環境特殊，但位於太平洋颱風徑的要衝，且位於環太平洋地震帶上，處於歐亞大板塊與菲賓海板塊相互衝撞的地區，對於身處地震帶的臺灣，建地缺3乏，山坡地的限建，及如何增加建築物結構體抗震等則是另一些議題。因此除制定完整之鋼構造相關規範外，藉由外國的經驗與知，並透過本國的相關研究斷的修正新既有的規範，以期讓設計者與業界可以實際應用，並可與世界其他先
8、進國家，在營建域上並駕齊驅，乃是我們須持續的方向；有關鋼構建築之特性與課題詳述如下： (1)強高、勁較小(結構性)，側向變位較大，一般需加斜撐(Brace) 相較於混凝土材一般常用之抗壓強為 280 kgf/cm2，而極限應變則為0.3%；一般的鋼材其伏應通常在 2500 kgf/cm2以上，而極限抗強則在4100 kgf/cm2以上，伸長則在 20%以上，由此可知鋼結構的高強及高韌性的特性。而由於建築結構已逐漸採用較大的空間、較高的層，柱構件的跨及高增大，但構材斷面卻要求可過大，因此採用鋼骨構材乃成為設計者考的重點。由於屬高強材，斷面較小，較產生挫屈，通常需加以側向支撐或採用加勁板等，以增強
9、其穩定強。 (2)防火性能之課題 相較於混凝土結構，鋼結構的防火性、耐火性是非常低的，如果做防火保護的情況下，鋼結構建築在火災發生後，構材因高溫軟化，很快就會坍塌，911 WTC 即為明顯之事件。因此如何保護鋼結構，防止在高溫下強之急遽下，對於有火災之疑慮者，需加以適當之防火被覆。 (3)外部構造、銲接處容生鏽(防蝕性) 臺灣地區地屬潮濕多雨之海島型氣候，鋼鐵結構之防銹蝕乃極為重要，一般油漆塗裝方法，雖可達到保護鋼鐵之目的，但有每隔即需維護之缺點，造成許多工程養護單位之困擾，以及龐大之經費支出。長期而言，熱浸鍍鋅之平均成本比油漆低許多，耐久防蝕效果較佳，但第 1 次投資成本甚高，相對的增加投資
10、支出。熱浸鍍鋅因長期免維護經費支出，所以仍有許多外之鋼結構物件採用熱浸鍍鋅為主要防蝕方式；但在一般建築上之應用，熱浸鍍鋅防銹防蝕，尚推。 4(4)容發生施工、需檢測確保品質(銲接性) 過去鋼結構高一直被認為是高抗震最好結構。但是在美國地震後發現銲接部分出現大批紋；在日本戶也有很多鋼結構高柱斷，甚至有倒塌之情形。因為鋼構組裝，須現場人工銲接之部位甚多，而施工人員莠齊，容產生人為的疏誤及瑕疵，因此有必要建完整的現場監督與銲接品質檢測機制，以確保鋼構建築的耐震安全。 3. 國內科技研發之方向國內科技研發之方向 3.1 本所過去研究重點與成果： 本所為建符合本土需求鋼構造建築之環境與技術，自 78 起
11、即進鋼構建築之相關研究，如鋼結構載重及強係設計規範研究等，主要著於鋼結構建築技術規則條文、設計及施工等相關規範之研修訂，依據研究成果，發展可供業界應用採的技術規範、法規，其重要如次： (1)鋼結構施工規範於 84 經本部函請各地方政府及相關公會團體查照轉。 (2)88 修正建築技術規則建築構造編第五章鋼構造部分條文暨發布鋼構造建築物鋼結構設計技術規範。 (3)93 公布建築技術規則鋼骨鋼筋混凝土構造專章及設計規範。 (4)93 公布建築技術規則軋型鋼構造專章及設計規範。 (5)95 完成鋼構造建築物鋼結構設計技術規範及鋼構造建築物鋼結構施工規範修正草案與審查(中華民國鋼結構協會協助研擬修正初稿
12、)。 (6)95 完成建築物軋型鋼構造施工規範專案小組審查。 (7)此外，92 起迄今亦與 CIB (International Council for Research and Innovation in Building and Construction)鋼結構柱接頭試驗國際研究計畫。 3.2 業界研究重點與成果： 業界之研究著重於因應鋼構之耐震變位太大，研發採用制震消能，減少側5移之鋼構件產品開發，如翼板削韌性柱接頭等，其重要項目如次： (1)制振斜撐 BRB(Buckling Restrained Brace)之研發應用 目前國內高層建築物以鋼構造與鋼骨鋼筋混凝土構造之比為最多，結構系
13、統多為韌性抗彎矩構架系統、斜撐構架系統或二元結構系統，耐震能雖有一定之可靠性，但在大地震時高層結構所產生之非線性變形較大，柱接頭如有，往往造成結構震後的修困難或成本過高困境。自從國內臺灣發生921 集集大地震以，有關耐震消能裝置之研究與應用相繼地被提出。其中鋼造的挫屈束制耐震斜撐(Buckling Restrained Braces, 簡稱 BRB)，由於具備經濟性以及構造簡單、建構之素材取得容與使用維護方等優點，再加上設計方法簡單，結構系統效高，在國內外學術與工程界引起廣泛重視。近國內外有關挫屈束制支撐應用於建築結構中之案逐增加，值得持續研究及推廣應用。 圖 3.1 翼板削韌性柱接頭 6圖
14、3.2 制振斜撐 BRB (2)制震鋼板(低伏鋼消能元件) 傳統鋼構造建築物之韌性及消能的最佳系統為韌性抗彎矩構架系統，主要藉由端產生塑性鉸以消散地震能，但為高層建築，此構架系統有剛性足與符合經濟效之疑慮，因此為增加結構物之耐震性，低伏鋼材之研發應用也應運而生。近幾日本普遍應用極低伏強鋼板於許多同型式的制震結構，如制震間柱、低伏鋼板制震壁等，使鋼結構具備高的耐震性，國內也有相關的應用案。 4. 未產業發展之展望未產業發展之展望 鋼材無在土木橋或建築構造應用上，失為優構材，無研究發明或產品創新，從過去發展趨勢看，未發展空間，仍相當寬闊，可有許多應著之處 ， 由前述的發展趨勢與課題視之 ， 本文建
15、議未產業發展的重點如下 ： (1)高強鋼於超高層建築之應用 7目前國內鋼廠3已可生產高強超厚建築結構用板(CNS SM570M)：鋼板抗強達 570 MPa 以上，板厚可達 80 mm，具有低伏比、窄伏強範圍等耐震性能，銲接性好。在國內有能產之前提下，乃宜鼓業界普遍採用，本項產品已用於臺融中心 101 大之鋼結構。 圖 4.1 高強鋼材應用於國內超高層建築之實際案 (2)低伏鋼消能元件於耐震設計之應用 近發生在美、日的幾次大地震均顯示，人的生命財產可在極短的時間內遭受地震的威脅甚或摧毀，因此如何用經濟且有效的方法，以改善既有結構或新建結構的耐震性能，是先進各國地震防災工程研究的重要課題。鋼鐵材之取得容，國內鋼鐵製造與加工工業體系皆相當完善，尤其是在國內鋼鐵公司已成功地研發出一系之新鋼鐵材之後，結構鋼材之受伏強，可由最低 100 MPa 變化至 500 MPa 或高，用這些同強之高性能結構鋼材，配合適當之結構系統，應能經濟且有效地達到結構減震防災的目的。 由於低伏強鋼板為一種低伏強(約一般鋼骨材之 1/3)與高延展性(規範伸長50%；為一般鋼材之 3 倍有餘)。且具有防衰減能之鋼材特性，目前被運用於鋼板剪牆，亦可
