ETABS結構模型鋼構數量精算程式

前言

如果能夠準確的計算鋼結構數量，就可以準確的控制工程預算，也可以讓計價計量的過程減少履約糾紛。但是，準確的數量計算結果，往往都要等到鋼構廠商製造圖階段才能有完整的數據，在工程投標階段或是更早的方案設計階段，鋼結構數量的掌握通常都是依靠比較簡單的中心線構架模式計算基本數量，再依照個人或是各公司的經驗，假設不同的雜項比例，作為預算數量或是投標的數量依據，這些雜項包含: 小斜撐、螺栓、剪力釘、橫隔板、加勁板、剪力連結板、斜撐連接板、柱底板…等，很難在短時間內被準確的估算，這樣的數量計算模式已經行之有年，在每次的投標過程會透過澄清會議的方式，依照各家廠商的投標數量彼此逐項比對，若有比較大的差距時，就會需要設計單位的預算數量做佐證，當雜項比例達到原始數量比例的8%~15%情況下，會有相當大的誤差風險，如果鋼構廠商估的數量太少卻得標，會在日後履約階段發生虧損，雖然業主可以付出比較低的費用，但是相對的施工品質與進度就有可能不如預期，若是採用指定廠商單獨議價，這時候設計單位的預算數量就可能是唯一的比較基準，正確數量計算的重要性更是不言可喻。站在公平合理的立場上來說，合理的交易應該就是付出合理的費用買到預期的產出，能夠事先掌握精準的數量，就能縮短投標時間，也能降低履約的風險。本文是利用國際間常用的3D結構分析設計軟體ETABS作為資料庫，配合設計標準圖的基本需求，發展成詳細計算鋼結構數量軟體，可以在極短時間內就掌握比較精準的鋼構數量，並且經過實際投標過程與不同廠商數量比較驗證，希望能夠將預算數量與廠商投標數量的差距縮小在合理範圍，也可以合理地去追蹤並回溯數量差異的緣由。

結構設計階段之鋼構數量計算

在結構設計階段精準的計算鋼結構數量一直是個遙不可及的夢想，裡面包含了許多的加勁版螺栓剪力釘等雜項構件，特別是對於斜撐構架或是桁架更是一件困難的工作，必須配合斜撐在梁、柱裡面添加橫膈板等加勁構材，我們過去都是以心到心的計算方式並且外加8~12%（梁柱構架）或是12~15%（桁架構架）的雜項另料來估計這些構材重量，我們所稱的這些構材包含有:小斜撐、螺栓、剪力釘、橫隔板、加勁板、剪力連結板、斜撐連接板、柱底板、 焊材、心到心計算誤差、梁高低差、樓版高低差收邊、懸臂版角鋼、帷幕牆加勁鐵件、SRC梁剪力牆接合臨時支撐角鋼…等等。目前程式已經可以達到精算的項目包含有：小斜撐、螺栓、剪力釘、橫隔板、加勁板、剪力連結板、斜撐連接板、柱底板等。

這些新增的功能的驗證，是以F14 P5梁柱構架式辦公大樓為案例，與不同的鋼構投標廠商估算數量比較後發現，誤差可以控制在2%內，也就是不以放大係數加成，而直接採用精算後的結果是廠商報價數量的98~99%以內的數量比例，表示利用結構模型可以做到相當可靠程度的估算。建議可在精算後的數量再添加一些放大係數例如1.02到1.05的放大量，去涵蓋精算目前還沒有掌握的雜項，例如:梁高低差、樓版高低差收邊、懸臂版角鋼、SRC梁剪力牆接合臨時支撐角鋼、帷幕牆加勁鐵件…等。

目前程式還是保留了原先心到心計算的功能，使用者可以去比較精算後的差異，依照目前測試的結果發現純梁柱構架放大係數為1.06，純桁架構架的放大係數為1.13，這表示再加上2%後就符合過去我們所採用的比例放大原則，但是，藉由精算這種比較合理的邏輯，可以確實的去掌握到工程的成本，把過去的15%的經驗雜項數量縮減到2%也算是一個不小的進步。

程式架構

Microsoft的EXCEL是目前數量計算上最常使用的工具，除了一般儲存格的運算與公式整合外，Microsoft還提供了VBA的巨集語言，可以近一步撰寫複雜的程式，自動化的控制EXCEL中絕大多數的資料與格式，這類VBA撰寫的程式還可以進一步的用VB 6.0或是VB.NET來編輯成為獨立的執行檔，再由外部來呼叫並且控制EXCEL物件，這種軟體技術稱作ActiveX技術，這也是Microsoft Office系列軟體最吸引人之處，就是自動化整合。本文採用的程式語言是以Microsoft VB 6.0程式發展環境。

經過編譯的程式碼，相當於是浮在EXCEL上方的自建功能表 圖六，可以直接控制EXCEL的儲存格資料，利用EXCEL多活頁的功能，可以設定其中一頁是輸入活頁，其他多頁為輸出活頁。

程式需要指定ETABS模型的MDB資料庫檔案名稱，這個檔案是在ETABS程式裡面把整個3D模型輸出為Microsoft ACCESS資料庫檔案，VB程式可以利用OLE資料庫物件的操作來開啟這個資料庫檔案，並且從中選取所需的資訊，目前VB程式對資料庫物件處理的速度還不夠快，如果要不斷的開啟資料庫讀取並且執行篩選功能，會浪費許多寶貴時間，實務面的作法是先把資料庫中有用的資訊整理到記憶體裡面，然後直接對記憶體中的資料來應用，以加速執行的速度。

需要輸入的資料除了基本的檔案名稱外，還有一些選項必須要使用者輸入：

• 計算模式
  iType=1表示採用淨長度精算，也就是梁的長度會扣除柱子的深度，iType=0表示採用心到心長度精算原則（不執行精算作業）。
• 剪力釘尺寸
  是專案採用的剪力釘直徑，梁剪力釘預設長度為115 mm，柱剪力釘預設長度為89mm。
• DECK肋條的間距
  該間距與小梁的剪力釘數量計算有關，小梁剪力釘間距會以DECK肋條相同間距為配置，計算剪力釘的數量。
• SRC柱到達的樓層名稱
  該樓層以下鋼柱會加計剪力釘，剪力釘原則上在柱外以水平200mm間距，垂直200mm間距計算。
  這些選項就讓程式的邏輯來判斷是否要添加相關構材，原則上這些計算都是依照鋼構標準圖面作為依據。

構件的計算原則

大樑

大梁端點計算剪力連接板150mm × dw × tw計算，外加3支M24螺栓。dw為鋼梁深度，tw為鋼梁腹板厚度。

小斜撐

計算2支小斜撐，長度以2.8m計算，採用L100 × 100 × 10斷面，加勁板以大梁半邊斷面D × (W/2) × 10mm厚度計算重量，斜撐固定螺栓不再計算重量。D為梁深，W為梁寬。

小樑

端點以心到心計算構件長度，會依照75mm間距計算M24螺栓的重量，原則上以單排計算重量，若梁的寬度B＞0.8D（梁深），則採用雙排螺栓計算，這點比標準圖上B＞0.9D才會用雙排設計要保守，大梁的加勁板已經包含在心到心的計算裡面，不再額外計算，但是屬於固定螺栓的剪力連接板還是會計算，剪力連接板寬度為150mm高度為小梁深度，厚度為1.5 × tf（腹板厚度）。對於小梁比大梁淺很多的接頭，會低估小梁下方到大梁下翼板鋼構用量，會在以後的版本中改進。

小樑剪力釘

小梁DECK上方剪力釘長為Φ19 ×115mm規格計算，原則上配合程式輸入的DECK板溝槽間距，每個溝槽設置單支剪力釘，大梁上方的剪力釘不需要受DECK溝槽限制，可以直接採用300mm間距計算。當梁寬大於300mm時候，剪力釘為雙排計算。

SRC柱剪力釘

SRC柱的剪力釘原則上以內側8支計算，垂直間距200mm。外側剪力釘就為水平間距200mm，垂直間距200mm，剪力釘為Φ22 × 89mm。

柱內橫隔板

柱內橫隔板是以鋼梁頂面同高程為原則，考慮不同梁翼板厚度中之最大者為橫隔板厚度，其中上翼板1片，下翼板依照梁深不同採用100mm為最小間隔設置數片橫隔板。橫隔板尚未能考慮梁上翼板有高低差的情況，此一部份要配合未來BIM模型有明確的TOS (Top of Steel)定義後才能完備。

鋼柱續接

鋼柱續接位置以向上偏移1500mm計算，當下方主尺寸比較大時後往上偏移，提高上方的鋼構用量，計算模式不會採用變斷面方式，而是直接以下方比較大的斷面直通1500mm高度計算。當上下柱斷面深度有5%改變時候，水平向橫隔板會以2片計算。

鋼柱底板

鋼柱底板以柱外尺寸各邊擴大100mm為計算依據，厚度為1.5 × Max (tf,tw)，也就是取翼板與腹板厚度最大者之1.5倍為底板厚度。底板會出現的位置以下方為混凝土柱或是下方為ETABS模型的BASE層為判斷依據。目前尚未考慮基礎錨定螺栓的計算功能，也不考慮鋼柱斷面縮減造成之數量減少，會在以後改版增強功能。

斜撐

斜撐的計算最複雜，斜撐的相關接合板片包含了本身的Gusset Plate與加勁板（圖十五中以藍色色塊表示）， 圖十六是連接板尺寸的幾何對應關係圖，圖十五綠色部分則是梁柱配合斜撐加勁必須外加的橫隔板，連接板的尺寸與梁柱尺寸斜撐角度等都有關連性，這些隔板會在梁柱數量計算時後判斷是否有與斜撐連接，如果有與斜撐連接就會把隔板數量含於梁柱鋼構量之中。比較特別的是桁架的下弦，由於ETABS採用“ㄇ”方式是歸類樓層，所以桁架的下弦梁是沒有剛域（End Offset：指鋼梁隱沒於鋼柱內的區域）存在的，也就是說在結構模型之中下弦梁採心到心直通幾何線型，程式計算時後會以心到心方式計算長度，當桁架柱與梁等寬時候這樣計算符合保守原則，若是鋼柱比較大會略微低估隔板數量。此外，由於ETABS為心到心建模，柱的長度只會延伸到鋼梁中心點，因此在屋頂層與下方鋼柱不延續時候，還必須各補上0.5柱深度的鋼柱長度，才能完整計算構件長度。斜撐的淨長度只有扣除梁柱深度效應，所以長度的計算應該是偏保守的。對於鋼柱或是鋼梁到底要準備1片或是2片加勁板給斜撐固定用問題，程式採用的判斷方式為，若是斜撐為鉸接式(Hinge Connection)則採1片，若是鋼接(Rigid Connection)則採2片，這樣在BRB等鉸接式斜撐計算數量上就不會有過於保守問題。

鋼構數量報表內容

鋼構數量計算報表包含兩種類型，分別是數量總表與單一構件的數量報表，程式計算過程還會附帶的提供構件表面積與防火漆的表面數量，作為防火塗裝的預算參考。

數量總表

按照不同樓層與不同構件類型分類的鋼構數量，構件類型包含:梁、柱、斜撐等構件。樓層分類的總表下方是依照桿件斷面類型分類的構件重量，這樣就可以方便核對廠商的數量計算結果，不論是按樓層或是按構件分類都可以分別加總，快速找出可能發生誤差的源頭。

單一構件的數量報表

每支構件都有專屬的數量計算記錄，包含所屬樓層、ETABS桿件編號、斷面名稱、長度、總數量（包含雜項數量）、總表面、防火面、防火網、加勁板重量、剪力釘重量、螺栓重量等。雜項重量包含加勁板重量、剪力釘重量、螺栓重量，且已經包含在總重欄中，如果因為某些特殊目的需要扣除雜項重量，就可以利用這三個欄位去扣除。總表面就是全部的構件表面積，而防火面是需要考慮防火塗裝的表面積，鋼柱與斜撐的表面積應該與防火面積是相同的，但是鋼梁與樓版接觸的面就不需要防火塗裝，所以鋼梁的防火面積會低於表面積。程式無法分辨防火漆與防火被覆的差別，也無法分別防火時效的需求，這些數據還需要進一步去分類加總後才會是標單上的防火塗裝數量。防火網是配合防火被覆所需要的鋼網，當鋼梁深度超過400mm兩側腹板要配置防火鋼網，鋼梁寬度超過300mm下翼板會需要防火鋼網，以防止被覆材料在高溫下會與鋼梁剝離，防火網數量是以長度來估計。

結論

• 目前依照ETABS 3D模型所精算出的鋼構數量，已經跟廠商投標的鋼構量有相當接近的成果，而且可以在結構設計階段甚至是方案設計階段就可以快速的獲得鋼構重量數據，提早執行預算控制作業。
• 數量計算程式所提供的報表，可以在鋼構廠商投標階段作為廠商數量核對的依據，縮短決標時程與履約風險。
• 目前鋼構數量計算已經涵蓋大多數的鋼構量，尚未納入數量計算的雜項鋼構還有：梁高低差、樓版高低差收邊、懸臂版角鋼、SRC梁剪力牆接合臨時支撐角鋼、帷幕牆加勁鐵件…等，這些資訊通常不會出現在ETABS結構分析模型裡面，如果要納入計算就必須依靠Revit等其他BIM軟體的模型才有可能達成。AutoDesk的Revit物件程式庫還在發展中功能尚未完備，例如想要把ETABS構件斷面自動在Revit裡面建立，需要使用到產生結構斷面的物件，但是該Revit API物件還未開放使用，因此要從外部完全的控制Revit構件還有一段路要走，目前我們仍將會持續關注這項科技的進一步發展。