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2009-04-05 · Original publication
鋁帷幕牆設計議題
郭為彤(炳宏)
彤霖(品贊)有限公司總經理 http://www.pfacade.com
【譯者按】
本文譯自AAMA 1979年出版之『Aluminum Curtain Wall Design Guide Manual 』中第三章『Primary Concerns in Aluminum Curtain Wall Design』
台灣地區，由於超高層建築的興起，陸續引進美日帷幕牆技術，而台灣業者多年來的摸索、學習和發展，帷幕牆技術亦較20年前成熟。但是對於帷幕牆設計的主要原則，從建築師、業主到營造廠，都欠缺一個完整而明確的認知。
其實，帷幕牆系統的功能及其成功與否，有賴於帷幕牆設計師是否了解自然法則及其對於材料的效應。中華民國帷幕牆技術發展協會黃泗得理事長，也曾在公開講演中及在文章裡大力強調，設計師是帷幕牆業界的「靈魂人物」，並在協會中推動「專業工程師」的資格認證計劃。因此，在這個時候重申帷幕牆設計的關鍵性議題應該是相當妥切的。
本文雖是一篇譯文，但也陳述了個人從事帷幕牆工程的若干體驗。Mr. Jack P. Pickner是亞洲地區知名的美國帷幕牆顧問，當帷幕牆於1950年濫觴美國，Mr. Pickner即從事設計及顧問工作至今，這些年也為台灣的帷幕牆工程帶進許多先進的觀念。Mr. Pickner曾經正色告訴譯者：「Curtain wall is a tough business」－「帷幕牆是一門艱辛的事業」，如果設計師真是這門艱辛事業的靈魂人物，譯者在此次這篇簡短的譯文與這群專業工程師互相勉勵、交流，並獻上個人一些小小的敬意。
「金屬帷幕牆技術有別於傳統工法」，這句話雖然是老生常談，但是還是在此重申其差異性，而在設計方面尤其值得小心及重視。和傳統外牆工法相較，金屬帷幕牆在設計上似乎沒有得到應該的注意力，兩者之間的自然法則雖完全一樣，但是金屬帷幕牆構造的材料對自然法則的反應，卻與其它外牆材料大異其趣。
郭為彤(炳宏)
彤霖(品贊)有限公司總經理 http://www.pfacade.com
臺北101資深專案經理
美國南加大建築碩士
內政部專業營造工程技術士講習班講師
Email: pingkuo@pfacade.com
Line ID: pingkuo101
WeChat ID: pingkuo101
【譯者按】
本文譯自AAMA 1979年出版之『Aluminum Curtain Wall Design Guide Manual 』中第三章『Primary Concerns in Aluminum Curtain Wall Design』
台灣地區，由於超高層建築的興起，陸續引進美日帷幕牆技術，而台灣業者多年來的摸索、學習和發展，帷幕牆技術亦較20年前成熟。但是對於帷幕牆設計的主要原則，從建築師、業主到營造廠，都欠缺一個完整而明確的認知。
其實，帷幕牆系統的功能及其成功與否，有賴於帷幕牆設計師是否了解自然法則及其對於材料的效應。中華民國帷幕牆技術發展協會黃泗得理事長，也曾在公開講演中及在文章裡大力強調，設計師是帷幕牆業界的「靈魂人物」，並在協會中推動「專業工程師」的資格認證計劃。因此，在這個時候重申帷幕牆設計的關鍵性議題應該是相當妥切的。
本文雖是一篇譯文，但也陳述了個人從事帷幕牆工程的若干體驗。Mr. Jack P. Pickner是亞洲地區知名的美國帷幕牆顧問，當帷幕牆於1950年濫觴美國，Mr. Pickner即從事設計及顧問工作至今，這些年也為台灣的帷幕牆工程帶進許多先進的觀念。Mr. Pickner曾經正色告訴譯者：「Curtain wall is a tough business」－「帷幕牆是一門艱辛的事業」，如果設計師真是這門艱辛事業的靈魂人物，譯者在此次這篇簡短的譯文與這群專業工程師互相勉勵、交流，並獻上個人一些小小的敬意。
「金屬帷幕牆技術有別於傳統工法」，這句話雖然是老生常談，但是還是在此重申其差異性，而在設計方面尤其值得小心及重視。和傳統外牆工法相較，金屬帷幕牆在設計上似乎沒有得到應該的注意力，兩者之間的自然法則雖完全一樣，但是金屬帷幕牆構造的材料對自然法則的反應，卻與其它外牆材料大異其趣。
許多建築師似乎不太了解一個好的帷幕牆所牽涉的設計原則，或者沒有給予適當的注意力。一個明顯的原因是，在學校裡建築系學生學到木、磚、石材、和混凝土的構造，對於金屬、玻璃和填縫則鮮少涉獵。這也就難怪他們偶而會判斷錯誤，而這些錯誤，如果對新建材有較佳了解時，卻是可以避免的。雖說鋁帷幕牆設計在近年已有明顯進步，但是帷幕牆界在教育宣導上的不足，也是進步緩慢的主因。為了彌補這道「資訊鴻溝」，並提供建築師若干參考原則，本文簡單點明了優良帷幕牆設計的幾個基本原則和要求。
牆的功能
直到建築鋼骨結構發明的一百年前，大部份的建築外牆均是由實體單元所構成，而在窗戶開口處提供光線和通風。其實，外牆主要有兩個功能:一是形成封閉的隔離、一是提供上端樓板和屋頂之支撐。但由於骨架構造物的出現和蘇利文（Sullivan）及葛羅庇斯（Gropius）等先導者充滿想像力的大膽作風，開窗面積愈來愈大，有時甚至佔據了整個立面，只留下剛好足夠的磚材來覆蓋其結構體，今日，我們則經常看到玻璃作為整個外牆的材料，而全無磚材。
鋁帷幕不管其玻璃比例，應該視為一個圍封"系統"，而其功能則較諸早期磚泥承重牆的兩個目的複雜許多。事實上，該"系統"之作用有如濾網‥‥它不僅有選擇性地阻止或控制了人和財產的內外流動，還包括了有可能影響建築室內環境的所有因子。
將外牆視為一道濾網的觀念並不是全新的，雖然遠在四十年前就有人提出，而且經常重述，但還是值得強調。鋁帷幕牆，跳脫了牆體必須承載垂直荷重的設計窠臼，事實上已經成為建築的一層過濾性外皮。若設計得當，它其有多種功能：
1.承受自身構成單元之活動。
2.控制光、熱、空氣、聲音之內外流通。
3.封閉外界干擾（如塵、雨、竊賊、昆蟲）的入侵，降低影響其整體性的機會。將牆體視為一道選擇性過濾系統的觀念應該主導牆體實質設計。
自然力和其效應
所有的外牆不論其構造材料為何，都會受到自然界的侵襲，而且必須經得起考驗。這些自然力量主要有日照、溫度、水、風和重量（自重和地震力）。其中除了重量之外，這些自然力的強度和相對重要性，雖然因地區不同而多少有差異，但是都必須妥善處理。他們單獨或者通常一致地影響到牆體。但是為了瞭解他們在設計條件衝擊下的影響，每一自然力的效應均須各別檢視。
自然力和其效應
所有的外牆不論其構造材料為何，都會受到自然界的侵襲，而且必須經得起考驗。這些自然力量主要有日照、溫度、水、風和重量（自重和地震力）。其中除了重量之外，這些自然力的強度和相對重要性，雖然因地區不同而多少有差異，但是都必須妥善處理。他們單獨或者通常一致地影響到牆體。但是為了瞭解他們在設計條件衝擊下的影響，每一自然力的效應均須各別檢視。
日照當然很好，我們不能沒有它。它提供溫暖，產生顏色，定義視覺，而且造就生命，卻也在帷幕牆的設計上製造了一些問題。
問題之一，是它對有機材料諸如彩色顏料，塑膠和填縫材的破壞效應，日光中的化學線（Actinic Rays），特別是那些光譜中的最短光線，引起化學變化而導致褪色或者更嚴重的材質衰退。因此，這些易受日照作用而傷害的材質和表面處理，應該在使用前予以充分的調查，而填縫材，也應針對臭氧侵襲與和紫外線輻射抵抗性予以測試。未對穿透牆體的日光予以控制的另一結果則是眩光和照度的不適以及室內裝修材料的敗壞。這些現象，通常都在玻璃的內外加上遮陽裝置來克服，而另一個較新、且逐漸受到歡迎的方式，則是使用低眩光玻璃或反射玻璃來克服這種視覺的困擾而不限制視野的舒展。
溫度也在帷幕牆設計上造成兩種問題：
1. 材料的膨脹收縮。
2. 牆體熱流傳透的控制。
1. 材料的膨脹收縮。
2. 牆體熱流傳透的控制。
帷幕牆設計的一個主要關鍵－熱運動，乃是來自太陽對牆體的照射。雖然全美地區最小的氣溫差在100℉左右，但是，在大部份地區建築物的金屬表面溫差則達170℉左右。當然，每日和季節性的溫度波動都對牆體細部有極大的影響，所有的建築材料均隨著溫度變化而有某種程度的膨脹和收縮，但鋁的漲縮程度比大部份其它建築材料明顯。
牆體熱流傳透的控制，同時影響到寒冷天氣的失熱和炎熱天氣的吸熱，而其相對重要性則隨地理位置不同而改變。當不透明牆體在整個外牆佔有相當的面積時，該處的隔熱設施就變得非常重要，而當採光玻璃佔大部分時，隔熱玻璃的使用，金屬部份和冷橋的減少在降低外牆的整體µ值（熱傳透率）則顯得較有效率。
水、不論是以雨、雪、蒸氣或結露水的形態出現，都可能是潛在性問題最持續而頑固的肇因。風裡夾帶的雨水，可以進入很小的開口，在牆內移動，而後出現在距開口甚遠的室內。水蒸氣可以滲透進極微小的毛細孔，冷卻時形成結露水，如果積在牆內，將會造成嚴重的損壞而不被發現。
任何材質的牆體，漏水都是一大問題。大部份的磚泥牆，由於其有氣孔，會從整個受潮表面吸收大量水份，而在某些狀況之下、有些水份會穿透牆體，而在室內造成漏水。但是金屬帷幕牆所用的材料是不透水的，潛在的漏水僅侷限於接縫及開口，雖然受侵襲的面積減少了許多，卻大大提高了接縫和填縫設計的重要性。
「風」、作用在牆上所產生的風壓支配了外牆結構設計，尤其是在較高的建築物上，框料和版片的結構物理性質，如同玻璃的厚度，均由最大風壓所決定。
風也造成了牆體的移動，影響到接縫的填塞和牆體的固定錨件。由高風速所交互造成的壓力和真空，不僅使得框料和玻璃有應力倒轉的現象，也造成雨滴反重力而行，向牆面四處飛濺，因此，風也應視為造成潛在漏水的重大因素之一。
地心引力，靜態而且持恆，不若其它自然力屬於動態而富變化，由於帷幕牆所用材料都較為輕量，重力的考慮亦較次要，很少造成嚴重的設計問題。重力造成水平承重肢材的變形，尤其是在大片厚玻璃的重力作用下，但由於牆體重量經由很密的間距，傳遞到建築物骨架，相較之下，重力在結構設計所造成的影響就不若風力嚴重。但較大的重力，如樓板和屋頂的載重，則作用在牆體所附著的建築物骨架上。由於，這些載重會造成骨架的變形和位移，因此牆體藉以附著在建築物的錨件，必須在設計上提供足夠的相對移動，以確保位移不致增加牆體的垂直載重。
基本設計考慮
對於自然力效應的分析，突顯了預期的主要問題區域。經驗告訴我們，在鋁帷幕牆的設計，通常有三方面主要的考量。
1.結構的整合。
2.位移空間的提供。
3.抗候性能。
除此之外，當然尚有其它考量，但大都不如上述三項影響深遠，而且其中有些因素的重要性隨著地點和建築物型態而有所不同。以下，就讓我們檢視一下此三方面的主要考量。
A．結構的整合
由於結構的失敗會危害到人類生命安全，因此牆體的結構整合可說是設計的最大關鍵因素。帷幕牆的結構設計所涉及的程序與其它牆體相同，但是在這方面遭遇缺陷的可能性，則小於移動空間和抗候性能。比較起來，後兩者代表金屬構造物獨特的問題。勁度的要求比強度的要求更能支配結構設計，雖說有些時候，過量的變形會導致破壞，但是就少數幾個確實發生破壞的案例來說，大都歸咎於不妥的錨接細部設計。
A．結構的整合
由於結構的失敗會危害到人類生命安全，因此牆體的結構整合可說是設計的最大關鍵因素。帷幕牆的結構設計所涉及的程序與其它牆體相同，但是在這方面遭遇缺陷的可能性，則小於移動空間和抗候性能。比較起來，後兩者代表金屬構造物獨特的問題。勁度的要求比強度的要求更能支配結構設計，雖說有些時候，過量的變形會導致破壞，但是就少數幾個確實發生破壞的案例來說，大都歸咎於不妥的錨接細部設計。
由於牆身系統的垂直載重較輕，結構設計主要在側向風壓的抵抗。我們照例假設風壓本質和規模都是已知的，而問題也就存在這裡，我們對中、低層建築物的風壓有相當清楚的了解，但是對高層建築風壓的本質和強度則極待學習。
大家都知道，最大風速，亦即設計風壓，隨著地理位置和建築物高度而不同，卻鮮少有人知道，建築四週環境的特性，不管是開闊的鄉野，郊區或密集的都市建築，對於風力作用有更主要的影響。另外一個即使幾個主要建築法規都未體認的事實，則是作用於建築表面的風壓，其特性及規模與支配建築骨架設計的風壓並不盡相同。跟所有的設計載重比較起來，作用於牆上的風壓往往強度更大，效應特定而非累進，但其改變更為激烈和快速。
有兩件事情經常受人疏忽，一是作用在牆上的負風壓（或者稱為吸力），二是空調系統所引起的室內壓力可能增加該負風壓。許多設計者容易想到片面的風壓，然而事實上，即使是很溫和的風，一棟四方形建築物絕大部份的外牆面積更可能受到吸力而非壓力。以高層建築來說，負風壓通常在四週角落附近最大，甚至高達牆上任何一點正風壓的兩倍以上。當風災發生時，大部份的受害情形是外吸而非內壓，這也就解釋了為什麼金屬帷幕牆結構設計最常犯的缺點在於對風的吸引作用無法提供足夠抵抗力，特別是錨定部份。
B．提供位移空間
設計任何的帷幕牆一個最主要考量是提供足夠的位移空間，而許多弊端的開始常在於無法滿足這個要求，沒有任何建築是靜止不動的，對於金屬帷幕牆來說尤其真確，移動一直持續發生，牆體構件本身的移動。構件之間相對位移和牆與所附著建築物之間的相對位移都是，這些移動不僅由溫度變化引起，也由風壓，重力和建築物本身的變形和位移而引起。在設計時若忽略這些移動，無異是在向麻煩招手。
由於鋁料有較高的膨脹係數，溫度變化所產生的效應也就相當顯著，但其移動量是可以預測。就美國大部份地區而言，金屬表面季節性的溫差在150℉左右，某些地區甚至高達200℉，以一支10呎長鋁料來說，其移動量在1/4"至5/16"中間，而鋁料沿邊的平板玻璃，其移動量則不及一半。
其它原因所引起的移動，雖不一定可以預測，但卻可能同樣重要。不管原因為何，由於接縫是吸收移動之區域，提供移動空間可以降低接縫設計的問題。因此，帷幕牆功能成敗之要訣在於其接縫設計，乃成為大家公認的通則。所以接縫的細部虛理，乃是任何帷幕牆設計中最重要，也經常是最困難的一環。然而，加大牆版單元尺寸，以減少接縫數目，並不一定能夠簡化問題，而且通常不足。單元愈大，或者構件愈長，每一處接縫所必須吸收的移動量就愈大，這樣不但不能簡化接縫之設計，而且變得更複雜。
當然，不管是以滑動接點或蛇腹作用（Bellows Action）移動，都必須提供牆版平面垂直和水平的移動。儘管如此，我們也應體認到，並不是所有的膨脹收縮均須轉換成移動，在某些情形下，他們可以靠增加構件的應力吸收到某個程度，而造成一個計算變形值，通常，它們都是靠應力和移動一齊吸收掉。然而，除了一些案例外，由於會造成過量彎曲或挫屈，我們並不建議完全依賴增加應力來吸收變形。
C．抗候性能
指的是對漏水和過量漏氣的保護，大多取決於是否提供足夠的移動，而且與接縫的設計是否恰當關係相當密切。毫無疑問的，過去幾年來，在金屬帷幕牆所遭遇的絕大部份困難，來自於抗候性能的缺乏。漏水是早期帷幕牆一個非常平常的情形，其原因可能是設計不當、材料問題、或是施作品質不佳，也可能是幾項的綜合。但是，隨著材料和設計技術的改進，抗候性能已是一種標準而非例外。比較起來，過量的漏氣情形比較不嚴重，而且容易避免。高速風壓使得雨水朝牆體四處飛濺，對於不透水材料表面，雨水容易積存在接縫處，而形成主要的受害區。在早期的帷幕牆經驗中，很明顯地，由於牆體持續的移動要在所有接縫的室外表面提供一道完全防水的填縫，基本上是不可能的，於是，這種手法很快地就被揚棄。取而代之約有另外兩種方法來避免這種漏水，任何一種，只要運用得當，都相當可以信賴。一種是所謂的 "內部排水"或是 "第二道防水"系統，已經長時期被設計者使用，另外一種"等壓"原理，則是金屬帷幕技術新近的發展（譯註:指1979年後）。這兩種方法，除了用在整個牆面，還可以用於窗戶的設計上。
"內部排水"的根據在於，要在任何一段時間內，完全免除外牆表面每一點漏水的可能性，是不可能也是不切實際的，但是，少量漏水卻是可以避免滲透到牆體室內表面，或是可以留在牆體內的。其作法是在牆體內，提供一個氾水和集水的系統，而且有足夠的排水口通到牆體室外表面。
「等壓原理」依據"雨遮原理"（Rain Screen）而來，是一個較為精細而複雜的解決辦法，其支持者宣稱，只要運用得當，是完全不會出庇漏的。簡單來說，它需要一個通風的外牆表面，後面是一處排水的空氣層，氣壓與牆外保持一致，而牆房內面則完全填塞，以避免空氣流動。
要成功地運用這些手法，必須有對「風吹雨」的作用完全了解，謹慎的細部處理，當然還有適當的安裝。兩種方法裡，足夠洩水孔，或排水口是否座落妥當和謹慎地填塞泡棉，均扮演重要的角色。
其它設計考量尚有若干設計準則，或許與上述三點同樣重要，也影響到外牆的設計，這些通常與室內環境的控制有關，也就是外牆其它的過濾功能。其中較為重要的，下列幾點值得注意：
潮氣控制
由於金屬和玻璃不僅是不透水材料，也是高效率的防潮層，而且熱容量低，因此，在任何金屬帷幕牆設計上，結露的控制就不可或缺。除了提供適當的控制外。潮氣、甚至是結露，可能發生在牆體的室內，而結露可能積存在牆體中，在為人發覺之前造成嚴重破壞。幸好，潮氣的控制，只要事先預期到而且在構築外牆時給予適當的防範措施，是較為容易的事情。若要避免結露的發生，對其成因、發生地點、以及如何降低其危害程度，有個基本了解是很重要的。但其探討不在本文範疇之內，僅在此揭諸其重要性，並作成下列幾點摘要，提醒大家注意：
1. 在牆體室內表面或附近，提供防潮層。
2. 不透水之室內表面應予適當隔離，以保持溫度在露點溫度以上。
3. 提供水蒸氣之外滲路徑。
4. 細部設計應可積聚結露水，並排至室外表面。
隔熱處理
在某些案例裡，牆體的隔熱會是設計的主要考量之一。不論是要降低失熱和預防寒冷氣候之結露現象，或是減少吸熱和炎熱氣候區之冷房成本，降低牆體之整體µ值經常是一個很好的長期投資。金屬和玻璃先天上對"熱流"（Heat Flow）的阻抗性較低，但只要細部處理得當，鋁帷幕牆可以提供很好的保溫功能（Thermal Performance）。其手法如：減少暴露外氣的金屬肢材比例，以「斷熱材」降低熱流通路，使用複層玻璃而非單層玻璃，提供大片不透明牆體之隔熱處理等。
隔音處理
通常情況下，既使在建築密集的都市地區，金屬帷幕牆較開口比例一樣的其它材質外牆，更有利於作為空氣傳音的"隔屏"（Barrier），但隨著對噪音污染的關切提高和機場附近建築物的急速增加，『隔屏』外牆的需要成為關注焦點。依體積法則來講，隔屏的音傳透與其體積成反比，而金屬帷幕牆一類的輕質構造物並不具任何先天優勢來作為隔音屏。但是根據對傳音原則的了解和審慎的細部處理，鋁帷幕牆的設計已經可以在許多機場附近提供安靜的空間。
必須記住的是，隔音屏的效率絕大比例取決於最弱的一環，而大部份牆體最弱的一環則是其玻璃部份(筆者註: 玻璃尺寸越大, 及厚度越薄, 因為易與環境噪音產生共振, 則牆體隔音效果越差。)和即使很小的開口。在隔音要求較高的地方，必須盡量降低牆體漏氣量，而隔音效果良好的複層玻璃和適當的填縫，通常是必須的。
總結
鋁帷幕牆非常符合牆體作為濾網系統的概念。但由於其材料本質，鋁帷幕牆的設計技術涉及許多重要的考量，其中最主要的有結構整合、移動空間和抗候性能，而後兩者尤其對細部處理需要特別小心，如何避免結露現象亦須特別注意。就鋁帷幕牆的結構設計來說，其支配因素通常是勁度而非強度，牆體的安定性不依賴重量而是連接組件，因此其連接於建築骨架的錨件，必須針對正負風壓而設計。由於熱效應及其它原因，各構件之間的接縫有很大的移動，這些移動必須妥善吸收才不會破壞牆體的整合性。因為材料的不透水性，大雨引起的衝擊也集中在接縫處，而為了滿足在吸收變位的同時尚必須維持水密性能雙重條件，接縫的設計成為牆體功能的關鍵，也是設計成敗所繫。抗候性能通常被視為牆體功能是否可以接受的標準，並不是以在牆體表面形成一層完全密封的皮膜來達成，而是依賴其它更為可靠的方式 。
如同其它的外牆系統，隔熱值在許多地方是一個重要的考慮，低傳音率的需求有時亦是影響之一。在鋁帷幕牆，這樣的需求是在設計上應用可接受的熱流和隔音原則所達成。任何金屬帷幕牆的功能，絕大部份取決於其設計者是否了解自然法則的原理，並了解它們如何影響細部處理。了解這些材料更多的資訊將有助益，本文簡要探討的幾個主題，將在今後其它專文裡作更深切詳實的剖析。
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