帷幕牆的應用與比較 - 以十五廠辦公棟玻璃帷幕牆為例

前言

自從1884年，人類第一棟鋼骨建築大樓的建造，開始了帷幕外牆的歷史。然而現今都市高密度的建築規劃，使得高樓層建築成為不可或缺的設計，而在十五廠辦公大樓專案中，特殊造型的外牆，正是一個標準的玻璃帷幕系統案例。希望透過本文彙整的技術資料及十五廠辦公大樓玻璃帷幕外牆的經驗，來窺看100多年發展歷史的帷幕外牆概要，踏進帷幕外牆領域的入門。

非結構性外牆系統簡介

在人類建築的歷史上，19世紀末期(1890)之前，幾乎所有的大型建築物都是以具有承重性質的外牆來建造，也就是具有結構性的外牆系統。這些牆面支撐了建築物的樓板和屋頂，也是分隔室內外環境的建築構件。過去這些結構外牆為了具有承重能力，大多以磚或石材等材料所製成，但卻多了材料上的限制，例如不佳的溫度隔絕；常出現無法水密的問題；厚重的重量更需要以大量的基礎來支撐，因此也會限制其高度和樓層。

今日，承重牆已經可以用更高強度的混凝土來製造，也可以增加如隔熱材料、孔洞、泛水等構件，已提昇更佳的防水性；加入高強度鋼筋使牆面厚度相對石材變得輕薄，卻仍具備相當的耐風及抗震力，因此，對於中低樓層之建築物，具有承重性外牆通常是比較經濟實惠的系統。

但隨著樓層增高，承重性外牆會不斷累積荷重，因此對於中高及高樓層之建築物而言，會因負擔過重而無法施作。第一棟鋼構架摩天大樓建造於1884年，共10層高55米，其首先引入帷幕牆 (curtain wall)-非結構性外牆系統的概念。這個概念主要是一種將外牆飾面交由各樓層的鋼骨或是混凝土構架來支撐的構造方式，而不是把其自重傳遞至基礎上，因此帷幕牆並不需要承受垂直載重，所以主要優點在於不管建築物的高度多高，都可以採用又薄又輕的帷幕構件；所謂帷「帷幕牆」一詞是緣於該構件既薄且可像是結構架上的窗簾一樣地懸掛在建築物表面而得。

幕牆系統種類

帷幕牆系統主要分類方式是以構造來區分，大致上分為：

直橫料式帷幕牆系統(Stick System)

將所有框料，包含直料、橫料及其他配件，以散件形式運送工地，現場將此批框料直接固定於結構體上構成框架，再安裝面材並施作填縫工程(圖二)。

半單元式帷幕牆系統(Joint and Mullion System)

框架的安裝與直橫料式相同，都是將主要的直料與橫料以散件運至工地後，直接將框料固定於結構體上組成框架，但面材會在工廠組成小單元送往工地，再安裝於完成之框架上(圖三)。

單元式帷幕牆系統(Unit System)

將帷幕牆依建築設計之立面分割為多個單元，每個單元高度為一樓層高設計，單元均是在工廠組合完成然後送往工地吊裝(圖四)。

單元窗帷幕牆系統(Widow Wall System)

將帷幕牆之樑帶設計成橫向單元，此樑帶單元會在工廠組裝完成之後送往工地吊裝，而見光帶(窗戶)之框架則會於樑帶單元吊裝完成後安裝於其間，最後裝上玻璃及填縫(圖五)。

綜合而言，帷幕牆系統主要的差異，可分為單元式及直橫料式二大類，茲以表一來做比較分析。

帷幕牆設計要點

結構性能

結構上，帷幕牆的框架及面材均需要能承受該建築物所可能遇上之風力，此即設計風壓。

設計風壓必須依照建築師或結構技師所提出的資料設計，包括：

• 建築物所在地之建築法規規定
• 風洞試驗報告

由於風洞試驗已完全考慮建築物之外型及周遭環境，一般而言，風洞試驗所取得的設計風壓較為準確，即便是超高層的建築物而言，風洞試驗報告經常是被用來取代建築法規作為風壓設計的依據。而執行風洞試驗通常需2至3月工作時間。

相對變位/位移

帷幕牆設計必須考慮導致建築物發生變位之因素，包括：

• 地震
• 活載重引致之變位
• 建築結構體本身之變動

帷幕牆應容許之相對變化值，是由建築師或結構技師所計算，後續設計時需參照此變化要求，來進行修正。

帷幕牆對建築物變位之吸收，是由接縫之相對位移及框架之變形而達成。由於單元式系統是將外牆分為多個獨立單元，單元之接縫可容許相對之位移，因此單元式系統較直橫料式系統容易處理變位之產生。

隔熱性能

帷幕牆之隔熱性能，依建築物技術規則檢討Envload之基準，帷幕牆之開口率高低決定了50%的Envload值。開口定義，為見光玻璃之區域，其隔熱性擇取於是否有遮陽之設計或是玻璃種類；樑帶玻璃、鋁板、石材等不見光區域只要在面材背側裝設有隔熱棉，均可達到良好之隔熱效果。

隔音性能

帷幕牆隔音功能主要決定於系統之氣密性程度及面材的選擇，一般而言，除非建物位於噪音特別嚴重的街道或是靠近機場，否則帷幕牆之隔音性能通常不是設計的主要考量。

水密及氣密性

所有的帷幕牆必須能達到規範所規定的水密及氣密標準，以下為水密性的基本設計原理：

填縫設計

填縫設計普遍應用於現場組裝式系統，「填縫設計」主要是指在接合處使用填縫劑將縫隙填滿，以達防水及防漏的目的，是一個簡單及便宜的設計，但卻有以下缺點：

• 填縫設計只有一道水密防禦功能，若表面填縫施工不良，易產生漏水現象。
• 填縫劑將受陽光直照而影響其使用壽命。
• 填縫劑在施工時常會玷污帷幕牆表面，污染問題亦將造成建築物日後清潔維護的困擾。
• 所有工作均需在工地施工，因此現場施工技術及環境成為影響品質的主要原因。

雨簾設計

在單元式系統中，雨簾設計或等壓空間設計為普遍的採用。基本上是將帷幕牆的防水線往後移到面材後面，由於不依靠面材防水，所以面材可完全為空縫設計。後移的防水線通常以鍍鋅鐵板做成，但在玻璃背側時亦可為鋁板，以求得較佳之視覺效果。主要優點如下：

• 增加防水功能，由於面材可以阻隔90%以上的雨水，後移的防水線則可以把剩餘的水阻隔，形成兩道防水的功能。
• 防水填縫劑施作於面材之後的防水線上，比較不會受陽光直照，可增加其耐久性。
• 因為填縫劑不會露出表面，所以玷污帷幕牆外觀的機率降低。
• 面材與防水線之間的區域，因與面材外區域空氣流通而使得面材前後承受相等之風壓，壓力互相抵消平衡的結果，可提高面材抵抗風壓之能力。

雨簾的缺點，在於其設計較為精密，通常成本均高於填縫設計的水密設計。

目前十五廠辦公棟主要的防水設計便是以雨簾為主。

帷幕牆主要材質種類

鋁擠型

鋁擠型是現今被最普遍採用的帷幕牆建材。視強度的需要，鋁擠型可以不同種類的合金和不同的製造方法製造而成，以下所列是較常用於帷幕牆的鋁擠型：

• 6061-T6
• 6063-T6
• 6063-T5

其中6061或6063表示鋁含金的型號，T5和T6是表示不同強度的製造方法，T6的強度則比T5來得高。

鋁擠型之表面處理一般可用烤漆或陽極處理。

烤漆處理

氟碳烤漆（如眾所皆知的－Kynar 500）和粉末碳裝是時下普遍被採用於帷幕牆表面的處理方法。烤漆能夠提供相當高的抗候性，且在顏色方面有較大的選擇性。

陽極處理

顏色方面的選擇性不大，抗酸鹼之耐候性也比較低，而且表面刮損後無法修補，所以現在帷幕牆較少採用陽極處理。但是由於陽極處理過的鋁擠型看起來較具金屬感，目前仍被用於部分建築師指定的工程上。

玻璃

為帷幕牆主要面材材料，基本上有三種不同的型式：

• 單層玻璃－單獨一片的實心玻璃。
• 覆層玻璃－兩片單層玻璃中間以金屬框隔開，而形成兩片玻璃中間為空氣層之組合。
• 膠合玻璃－兩片單層玻璃之間黏PVB膜。

單層玻璃是最簡單且成本最低的一種，複層及膠合玻璃則成本較高。膠合玻璃的隔音效果較佳；複層玻璃的隔熱效果較佳。同時因為中空玻璃和膠合玻璃兩者皆是由兩片玻璃組合而成，它能夠使用軟性反射膜附於表面，因此在顏色上可提供較多的選擇。

此外，帷幕牆使用的玻璃強度也各有不同，依熱處理方式可區分如下：

• 普通玻璃
• 半強化玻璃（熱硬化玻璃）
• 全強化玻璃

全強化玻璃的強度，是普通玻璃的四倍，半強化玻璃是普通玻璃的兩倍。一般來說，在帷幕牆的玻璃使用上，由於耐風壓的設計要求，普通玻璃很少被使用，大部分使用半強化及全強化玻璃，其中又以半強化玻璃較受歡迎。因為全強化玻璃內含硫化鎳的特性使得玻璃有自發性破裂的機會，目前沒有任何方法避免全強化玻璃之自爆，最好的對應方式是在玻璃製造過程中增加熱浸處理之篩檢，但也將因此增加許多成本。

玻璃之隔熱性能，一般而言，熱源包括陽光直射之日照能量及室內外溫差所傳遞之熱能。玻璃抵抗日照能量之能力以遮蔽係數(Shading Coefficient)表示，遮蔽係數越低，其抗熱性能越佳。而玻璃抵抗溫差所傳遞熱能之能力以U-Value表示，U值越低越能隔熱。玻璃廠商提供之總熱透過量(Relative Heat Gain)則是以上兩項能力之綜合指標，但以台灣亞熱帶之地理環境而言，選擇玻璃時應較側重遮蔽係數。

十五廠辦公棟 帷幕牆生產、製造

十五廠辦公棟帷幕牆共有單元式玻璃帷幕牆及單元式鋁板帷幕牆，所採用的鋁擠型框料為6063-T5，面材為複層Low-e(低幅射鍍膜)玻璃（開口區域）及熱硬化玻璃（樑帶所使用），以及3釐米烤漆鋁板所組成。圖六為玻璃帷幕牆生產之主要流程。

過程中均需接受各式品質之檢驗，其各項材料主要檢查要點如表二。

十五廠辦公棟帷幕牆施工

由於單元式帷幕牆系統，大部分之製造過程均於工廠內完成，因此現場之施工，主要為帷幕牆連結樓板的繫件施工、帷幕外牆底部水槽施作、帷幕外牆單元吊裝、安裝、斷水防水之填縫施作。

十五廠辦公棟一共有1,154個帷幕牆單元構件，全數完成工期約略94工作天，平均一日可完成13個帷幕牆單元，過程中包含繫件施工及單元吊裝作業。

因為單元式帷幕外牆，設計時便決定了施工的組裝順序，因此在與結構銜接的底部及各樓板面的繫件施作，便相當重要，若繫件安裝發生些許誤差、底部水槽無法按時完成，均會造成單元式外牆無法安裝，對於結構體室內斷水有相當大的影響，例如後續內裝工程施工可行性、MEP細部配合工程，均受是否完成斷水之影響，而易造成整體專案工期延宕。

依據十五廠辦公棟之經驗，在初期結構樓板完成RC澆置，便必須開始進行精確的外牆繫件位置放樣，並且需注意與結構體相接之介面是否按圖施工，以及根據外牆設計時組裝的順序，來計畫現場結構體介面完成之時程，以利後續外牆單元吊裝計畫之時程。

在吊掛單元所需要的動線更是現場施工的重點，如何安排合適的建物內單元堆置空間，以及小吊車（小蜘蛛）所吊掛的活動區域，小吊車主要是在建物內架設，體積小且移動方便；並非一般吊車於建物外部吊掛，是十五廠辦公大樓獨特的外牆施工特色。以往的台積電專案，並沒有類似經驗，因此考量每樓層所需外牆斷水、氣密的條件，並同時考慮該樓層內裝、機電工程所需要的施工設計區域、置物料空間，必須謹慎安排小吊車及置料時程及量體，例如依據外牆安裝吊掛時間，排出該樓層所需外牆置物料規定位置及時間，要求各平行包必須遵守規範，避免各平行包物料堆置壅塞，造成所有工作牴觸，無法施工；或是避免影響外牆安裝的隔間牆，早先外牆施工，造成工序衝突。

以下為十五廠辦公棟玻璃帷幕外牆主要施工順序：

結論

今日的高樓層建築，已離不開帷幕牆的設計，未來人類的建築設計、創新，相信會有更多不同的「帷幕外牆設計」，例如綠能建築的太陽能玻璃帷幕牆，自動清潔的奈米科技玻璃。藉由帷幕牆系統的基本研究，希望能在未來不同的專案中，持續發展更多創新及突破的外牆工程，並且不斷的累積外牆設計及施工的經驗，在進度、品質的施工管理都能有台積電專案特質的標準可以依循。