PIONEER FAÇADEThe article is preserved in its original language. English navigation titles are provided for discovery. Select an image to open its full-resolution version.
2009-04-05 · Original publication
帷幕牆系統設計概念
郭為彤(炳宏)
彤霖(品贊)有限公司總經理 http://www.pfacade.com
字典裡對「概念」最簡單的定義是「起源」或「開始」。任何建築的起源，乃由建築師從事建築設計。當建築師規劃建築物外觀性選定材料後，帷幕牆設計師則將建築師的設計落實成可以執行及建構的方案。在後現代及新古典主義興起後，建築師確實帶給帷幕牆業者許多挑戰，各種造型及料材的結合，也帶給建築物極豐富的面貌，許多帷幕牆工程的設計圖由40張增加到400張，甚至2000張以上，除了耗費可觀的人力及物力外．工程的複雜度也可想而知。
本文之目的不在探討帷幕牆設計的技術問題，而在對其概念作一介紹，不管是建築師或帷幕牆設計師，或是營造人員及結構技師都可以從文中發現一些對他們的工作有所幫助的「概念」，也希望帷幕牆業界的先進及前輩，一本提攜之情．指正筆者疏漏及謬誤的地方。
系統分類
帷幕牆系統依其工廠生產方式可分為
1. 客製系統(CUSTOM TYPE WALL)
2. 標準系統(STANDARD TYPE SYSTEM)。
若依現場按裝方式則可分為
1. 直橫料系統(STICK SYSTEM)
2. 格版系統(PANEL SYSTEM)
3. 窗間牆系統(COLUMN COVER AND SPANDREL SYSTEM)
4. 單元化系統(UNITIZED SYSTEM)
5. 複合式系統，(UNIT AND MULLION SYSTEM)。
客製系統
特別為某一工程而設計的外牆(可能是單棟建築物或是一群相關建築物)。這類外牆雖然不能一概而論，但是通常都有相當面積的玻璃，可以用在任何型式和尺度的建築物。基本上，他們都用在高層建築、商業建築，機關單位和高品質的紀念性建築。
標準系統
使用製造商所設計和標準化的構件和細部。他們可以組合成庫存的單元，但是通常都是依建築師的設計加以安排。
標準式外牆通常憤格比較便宜，這是因為量產(MASS PRODUCTION)的關係，但是，定製式的外牆也不一定就比標準式貴，一個簡單的定製式外牆就通常會比複雜的標準式來得經濟，至於在功能性方面，也不一定定製外牆就比標準式來得好或是來得差，總之，適材適用是最重要的。而建築師在建築物規劃階段，可以諮商施工廠商或製造商進行「價值工程」(VALUE ENGINEERING)的評估，做最明智的判斷和決定。
帷幕牆依其現場按裝方式，大致可分下述五大系統 :
1．直橫科系統 (Stick System)(圖一)
此系統特點在於線條明快突出，且可搭配牆版變化造型 : 組合上牆帷幕牆元件在工地上一件件組合．首先裝上固定系統(Anchor)．其次是直料(Mullion)、橫料(Horizontal)、窗間板(Spandrel Panel)，最後加上玻漓及內部裝飾(Interion Trim)。此種工法由於在工地上切成實際尺寸，所以材料節省、搬運費用低廉．材料之尺寸較員彈性:缺點是工地施工時間長、費用高且品質也較難控制:但總成本比較便宜，因此仍被廣泛採用。這種系統材料之尺寸較具彈性 : 缺點是工地施工時間長、費用高且品質也較難控制:但總成本比較便宜，因此仍被廣泛採用。這種系統在設計上最重要的是伸縮縫之位置和層間側向位移之考量。國內習慣上稱之為立柱式帷幕牆構法。
2．格版系統 (Panel System) (圖二)
本系統提供了整個牆面的造型．格狀的樣式有強烈的垂直及水平韻律，每塊版在工廠整體鑄造，運至工地錨定組合而成帷幕牆。此系統類似單元化系統，所不同者是單元化系統是自許多小零件組合．而格版系統多指單片，版．如預鑄混凝土版(Precast Concrete)或金屬版沖壓而成之單片版。
3．窗間牆系統 (Column Cover And SpandreI System) (圖三)
其施工步驟，首先是裝上固定系統(Anchoring System ) ，其次是窗間牆(Spandrel Panel)、柱覆板(Column Cover Panel)，再安裝玻璃(Glazing-infill) : 由於安裝之程序簡單，大部份之裝置都在工廠作業，因此品質得以控制。
4．單元化系統 (Unitized System) (圖四)
在美國1970年代以後，由於建築工人短缺，施工品質不易控制等因素，單元化系統逐漸流行，成為近年來超高層建築外牆工法之主流。其特點是把帷幕牆組合規格單元化，再依次固定於結構系統上。其尺寸大小約1.5m寬*樓高長，相當於窗格跨距*樓高長。其缺點是 : 體積龐大．在運輸時表面受損情況較為嚴重．搬運上需要裝箱保護。材料使用除所需強度外．還要考慮排水系統及周邊的框架鋁料，因此用量大。設計上要力求精確、製造精度．因施工品質將影響到水密性。施工用的昇降機拆除後才能進行安裝，因此有關工程配合問題，需先周密計畫。此系統設計與施工之成效如何，圖面上無法事前揣測，需依賴試驗(尤其是風雨試驗)，而試驗之結果也可以回饋於新系統之設計中。需減少工地電焊焊接之火花以及熱度，以避免損壞鋁擠型及玻璃之表面。
5．複合式 (Unit And MuIIion System) (圖五)
此系統介於直橫料系統和單元化系統間的一種構法，屬改良的直橫料系統。先錨定兩邊直框，在直框中再安裝預組單元 ; 有時是一層樓高的版片，有時分為裙板和玻璃窗二單元。
對帷幕牆設計來說，最有爭議的一點也許是直橫料系統和單元系統的相對優缺點。筆者依個人及業界普遍之經驗，將兩者分項列表比較如下，這是一個概括性的相對比較，並非絕對，確實的評比則需依特定案例進行之。
帷幕牆工程中，有好也有壞．其中有一些是直橫料系統，也有一些是單元化系統，但是，無庸置疑的，任何的帷幕牆系統都必須滿足一般的設計和功能準則，以及滿足建築師美感上的要求。從功能和成本的觀點來看，任一類型的系統都可能較適合某個特定的案例以及建築師所建立的設計變化和美觀標準。如果要說某個建築物因為採用了直橫料系統而漏水；或者某個工程是單元式系統，才弄得太貴，超出預算成本．都是不正確的說法。問題的重點在於，直橫料系統為什麼會漏水 ? 單元式系統為什麼會太貴 ? 兩個系統都有其限制處，我們應該針對該工程案例加以研判評估．而不是道聽塗稅一個簡單的通則，便倉促做了決定。
等壓原理
等壓原理(PRESSURE EQUALIZATION)是一個很好．而且是非常有價值的觀念，卻也可能是帷幕牆設計中，設計者最少了解和經常誤用的。
等壓原理，基本上是為了解決外牆漏水的問題。所謂漏水是牆體內出現不可控制的水流．而漏水的發生，必須有三個條件，第一、水的存在。第二、水運動的路徑。第三、水運動的動力。這三個條件必須同時存在、漏水才可能發生 ; 只要缺乏其中一個條件，就不可能發生漏水。其中，第三項．水運動的動力，又可分為六種，見圖六，他們分別是：1.重力，2.動量，3.表面張力，4.毛細現象，5.氣流，6.壓力差。
根據研究推出，壓力差乃造成大部份接縫漏水的主要原因。在帷幕牆的防水工程中，水的存在，主要有三種，雨水、洗窗用水和結露水，其中結露水乃發生於牆體內，如且不論，要使室外的水分，不管是雨水或是洗窗的水進入室內，除了必須有破口或是裂縫存在，還必需室外的壓力比室內大;只要室內的壓力與室外相等，甚至大於室外，即使有破口或是裂縫存在，水分就不會進入牆體。
一般傳統的防水方式仍儘量減少接縫處可能發生的開口，但是一個最有效且可信賴的方式仍在避免該開口虛的內外壓力差，這個就是我們所謂的"雨屏"原理必須考慮進去，而事實上我們需要一些特殊錨件的設計。
當考慮結構變位時，地震側向位移是最棘手的問題．而製造了更多問題的結構變位則是活載重沉陷的差異。
直橫料系統要玻璃在嵌接槽裡滑動，其吸收活載重沉陷的能力相當有限。我們的經驗指出，超過1/4吋的活載重沉陷需要每兩層樓一對成雙的公母槽橫料。每一層樓都有公母槽橫料的單元系統，通常較能處理活載重沉陷問題。 因為，同一個接縫得處理所有的問題對兩個系統來說，橫料的設計位移能力必須考慮到冷縮熱漲，，加工誤差、吊裝誤差和柱子位差(SHORTENING)，如果不讓帷幕牆成本和美觀的立足點上被妥協，除了滿足結構體的強度需求外，結構工程師有需要將活載重沉陷設計得更實際些。經驗指出．超過1/4吋的活載重沉陷對大部份的帷幕牆來說真的是一個問題，即使設計上可以解決，但是，當建築師看到圖上出現了一條10公分的接縫，我們實在不難想像，建築師馬上神經緊繃，拿起電話筒，與他的結構技師「抱怨」的激烈場面。
忠告與建議
假如對帷幕牆設計只有一個忠告，那將是r保持簡單」。這對帷幕牆並不特殊，卻有幾點原因。
第一、設計越簡單，成本就愈低．零件和段落愈少表示加工，表面處理、手續、進度控制、組合和安裝就越少。零件愈少，複合作用就大，金屬的結構效益也就愈高。
另外，保持帷幕牆設計簡單的最重要原因，是設計越簡單，加工和安裝精確的機會就越大。一個錯綜複雜的設計在風雨試驗時由其設計工程師妥善安裝．而滿足功能要求，但要期待現場的安裝工人有相同的專長，則是不賓際的。如果一座牆無法合理簡單的安裝．它可能無法安裝得很妥當更無法發揮其完善的功能。設計者若期待鐵工和玻璃工如同實驗室的技工一樣優秀，將會大失所望。我們建議帷幕牆設計者應該更加傾聽安裝者的意見，並可從實驗場和現場學習．把得到的教訓回饋到下一個設計和工程，這些經歷都可以大大改善工程師的觀點和概念。
結論
經驗告訴我們，沒有人可以知道帷幕牆的點點滴滴，因為它所涵蓋的材料有金屬、玻璃、橡膠及礦物．專業知識方面有建築物理環境、結構力學、物理及化學效應、機械加工和建築構造等。這僅就其設計而言，尚不論及施工、管理、成本控制及使用維修。帷幕牆真正的教訓是花很多代價學來的，但是錯誤也一次次累積成我們的經驗。幾乎沒有兩座帷幕牆是完全相同的，這一次，我們也許避免了上次的錯誤，卻可能犯了新的錯誤。面對帷幕牆快速變遷的事實，我們似乎很難去避免一些昂貴的錯誤 ; 但是，令人欣慰的是，我們的帷幕牆設計雖還有一段路要走，無疑地，我們也往前跨了一大步。如果，我們要在將來滿足建築師更嚴格的要求，設計及製造更好的帷幕牆．對新工法和新材料的審慎使用及在各階段(規劃、設計、製造、施工、管理、維修)對品質更加要求是相當有必要的。
All knowledge and articles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
字典裡對「概念」最簡單的定義是「起源」或「開始」。任何建築的起源，乃由建築師從事建築設計。當建築師規劃建築物外觀性選定材料後，帷幕牆設計師則將建築師的設計落實成可以執行及建構的方案。在後現代及新古典主義興起後，建築師確實帶給帷幕牆業者許多挑戰，各種造型及料材的結合，也帶給建築物極豐富的面貌，許多帷幕牆工程的設計圖由40張增加到400張，甚至2000張以上，除了耗費可觀的人力及物力外．工程的複雜度也可想而知。
本文之目的不在探討帷幕牆設計的技術問題，而在對其概念作一介紹，不管是建築師或帷幕牆設計師，或是營造人員及結構技師都可以從文中發現一些對他們的工作有所幫助的「概念」，也希望帷幕牆業界的先進及前輩，一本提攜之情．指正筆者疏漏及謬誤的地方。
系統分類
帷幕牆系統依其工廠生產方式可分為
1. 客製系統(CUSTOM TYPE WALL)
2. 標準系統(STANDARD TYPE SYSTEM)。
若依現場按裝方式則可分為
1. 直橫料系統(STICK SYSTEM)
2. 格版系統(PANEL SYSTEM)
3. 窗間牆系統(COLUMN COVER AND SPANDREL SYSTEM)
4. 單元化系統(UNITIZED SYSTEM)
5. 複合式系統，(UNIT AND MULLION SYSTEM)。
客製系統
特別為某一工程而設計的外牆(可能是單棟建築物或是一群相關建築物)。這類外牆雖然不能一概而論，但是通常都有相當面積的玻璃，可以用在任何型式和尺度的建築物。基本上，他們都用在高層建築、商業建築，機關單位和高品質的紀念性建築。
標準系統
使用製造商所設計和標準化的構件和細部。他們可以組合成庫存的單元，但是通常都是依建築師的設計加以安排。
標準式外牆通常憤格比較便宜，這是因為量產(MASS PRODUCTION)的關係，但是，定製式的外牆也不一定就比標準式貴，一個簡單的定製式外牆就通常會比複雜的標準式來得經濟，至於在功能性方面，也不一定定製外牆就比標準式來得好或是來得差，總之，適材適用是最重要的。而建築師在建築物規劃階段，可以諮商施工廠商或製造商進行「價值工程」(VALUE ENGINEERING)的評估，做最明智的判斷和決定。
帷幕牆依其現場按裝方式，大致可分下述五大系統 :
1．直橫科系統 (Stick System)(圖一)
此系統特點在於線條明快突出，且可搭配牆版變化造型 : 組合上牆帷幕牆元件在工地上一件件組合．首先裝上固定系統(Anchor)．其次是直料(Mullion)、橫料(Horizontal)、窗間板(Spandrel Panel)，最後加上玻漓及內部裝飾(Interion Trim)。此種工法由於在工地上切成實際尺寸，所以材料節省、搬運費用低廉．材料之尺寸較員彈性:缺點是工地施工時間長、費用高且品質也較難控制:但總成本比較便宜，因此仍被廣泛採用。這種系統材料之尺寸較具彈性 : 缺點是工地施工時間長、費用高且品質也較難控制:但總成本比較便宜，因此仍被廣泛採用。這種系統在設計上最重要的是伸縮縫之位置和層間側向位移之考量。國內習慣上稱之為立柱式帷幕牆構法。
2．格版系統 (Panel System) (圖二)
本系統提供了整個牆面的造型．格狀的樣式有強烈的垂直及水平韻律，每塊版在工廠整體鑄造，運至工地錨定組合而成帷幕牆。此系統類似單元化系統，所不同者是單元化系統是自許多小零件組合．而格版系統多指單片，版．如預鑄混凝土版(Precast Concrete)或金屬版沖壓而成之單片版。
3．窗間牆系統 (Column Cover And SpandreI System) (圖三)
其施工步驟，首先是裝上固定系統(Anchoring System ) ，其次是窗間牆(Spandrel Panel)、柱覆板(Column Cover Panel)，再安裝玻璃(Glazing-infill) : 由於安裝之程序簡單，大部份之裝置都在工廠作業，因此品質得以控制。
4．單元化系統 (Unitized System) (圖四)
在美國1970年代以後，由於建築工人短缺，施工品質不易控制等因素，單元化系統逐漸流行，成為近年來超高層建築外牆工法之主流。其特點是把帷幕牆組合規格單元化，再依次固定於結構系統上。其尺寸大小約1.5m寬*樓高長，相當於窗格跨距*樓高長。其缺點是 : 體積龐大．在運輸時表面受損情況較為嚴重．搬運上需要裝箱保護。材料使用除所需強度外．還要考慮排水系統及周邊的框架鋁料，因此用量大。設計上要力求精確、製造精度．因施工品質將影響到水密性。施工用的昇降機拆除後才能進行安裝，因此有關工程配合問題，需先周密計畫。此系統設計與施工之成效如何，圖面上無法事前揣測，需依賴試驗(尤其是風雨試驗)，而試驗之結果也可以回饋於新系統之設計中。需減少工地電焊焊接之火花以及熱度，以避免損壞鋁擠型及玻璃之表面。
5．複合式 (Unit And MuIIion System) (圖五)
此系統介於直橫料系統和單元化系統間的一種構法，屬改良的直橫料系統。先錨定兩邊直框，在直框中再安裝預組單元 ; 有時是一層樓高的版片，有時分為裙板和玻璃窗二單元。
對帷幕牆設計來說，最有爭議的一點也許是直橫料系統和單元系統的相對優缺點。筆者依個人及業界普遍之經驗，將兩者分項列表比較如下，這是一個概括性的相對比較，並非絕對，確實的評比則需依特定案例進行之。
帷幕牆工程中，有好也有壞．其中有一些是直橫料系統，也有一些是單元化系統，但是，無庸置疑的，任何的帷幕牆系統都必須滿足一般的設計和功能準則，以及滿足建築師美感上的要求。從功能和成本的觀點來看，任一類型的系統都可能較適合某個特定的案例以及建築師所建立的設計變化和美觀標準。如果要說某個建築物因為採用了直橫料系統而漏水；或者某個工程是單元式系統，才弄得太貴，超出預算成本．都是不正確的說法。問題的重點在於，直橫料系統為什麼會漏水 ? 單元式系統為什麼會太貴 ? 兩個系統都有其限制處，我們應該針對該工程案例加以研判評估．而不是道聽塗稅一個簡單的通則，便倉促做了決定。
等壓原理
等壓原理(PRESSURE EQUALIZATION)是一個很好．而且是非常有價值的觀念，卻也可能是帷幕牆設計中，設計者最少了解和經常誤用的。
等壓原理，基本上是為了解決外牆漏水的問題。所謂漏水是牆體內出現不可控制的水流．而漏水的發生，必須有三個條件，第一、水的存在。第二、水運動的路徑。第三、水運動的動力。這三個條件必須同時存在、漏水才可能發生 ; 只要缺乏其中一個條件，就不可能發生漏水。其中，第三項．水運動的動力，又可分為六種，見圖六，他們分別是：1.重力，2.動量，3.表面張力，4.毛細現象，5.氣流，6.壓力差。
根據研究推出，壓力差乃造成大部份接縫漏水的主要原因。在帷幕牆的防水工程中，水的存在，主要有三種，雨水、洗窗用水和結露水，其中結露水乃發生於牆體內，如且不論，要使室外的水分，不管是雨水或是洗窗的水進入室內，除了必須有破口或是裂縫存在，還必需室外的壓力比室內大;只要室內的壓力與室外相等，甚至大於室外，即使有破口或是裂縫存在，水分就不會進入牆體。
一般傳統的防水方式仍儘量減少接縫處可能發生的開口，但是一個最有效且可信賴的方式仍在避免該開口虛的內外壓力差，這個就是我們所謂的"雨屏"原理必須考慮進去，而事實上我們需要一些特殊錨件的設計。
當考慮結構變位時，地震側向位移是最棘手的問題．而製造了更多問題的結構變位則是活載重沉陷的差異。
直橫料系統要玻璃在嵌接槽裡滑動，其吸收活載重沉陷的能力相當有限。我們的經驗指出，超過1/4吋的活載重沉陷需要每兩層樓一對成雙的公母槽橫料。每一層樓都有公母槽橫料的單元系統，通常較能處理活載重沉陷問題。 因為，同一個接縫得處理所有的問題對兩個系統來說，橫料的設計位移能力必須考慮到冷縮熱漲，，加工誤差、吊裝誤差和柱子位差(SHORTENING)，如果不讓帷幕牆成本和美觀的立足點上被妥協，除了滿足結構體的強度需求外，結構工程師有需要將活載重沉陷設計得更實際些。經驗指出．超過1/4吋的活載重沉陷對大部份的帷幕牆來說真的是一個問題，即使設計上可以解決，但是，當建築師看到圖上出現了一條10公分的接縫，我們實在不難想像，建築師馬上神經緊繃，拿起電話筒，與他的結構技師「抱怨」的激烈場面。
忠告與建議
假如對帷幕牆設計只有一個忠告，那將是r保持簡單」。這對帷幕牆並不特殊，卻有幾點原因。
第一、設計越簡單，成本就愈低．零件和段落愈少表示加工，表面處理、手續、進度控制、組合和安裝就越少。零件愈少，複合作用就大，金屬的結構效益也就愈高。
另外，保持帷幕牆設計簡單的最重要原因，是設計越簡單，加工和安裝精確的機會就越大。一個錯綜複雜的設計在風雨試驗時由其設計工程師妥善安裝．而滿足功能要求，但要期待現場的安裝工人有相同的專長，則是不賓際的。如果一座牆無法合理簡單的安裝．它可能無法安裝得很妥當更無法發揮其完善的功能。設計者若期待鐵工和玻璃工如同實驗室的技工一樣優秀，將會大失所望。我們建議帷幕牆設計者應該更加傾聽安裝者的意見，並可從實驗場和現場學習．把得到的教訓回饋到下一個設計和工程，這些經歷都可以大大改善工程師的觀點和概念。
結論
經驗告訴我們，沒有人可以知道帷幕牆的點點滴滴，因為它所涵蓋的材料有金屬、玻璃、橡膠及礦物．專業知識方面有建築物理環境、結構力學、物理及化學效應、機械加工和建築構造等。這僅就其設計而言，尚不論及施工、管理、成本控制及使用維修。帷幕牆真正的教訓是花很多代價學來的，但是錯誤也一次次累積成我們的經驗。幾乎沒有兩座帷幕牆是完全相同的，這一次，我們也許避免了上次的錯誤，卻可能犯了新的錯誤。面對帷幕牆快速變遷的事實，我們似乎很難去避免一些昂貴的錯誤 ; 但是，令人欣慰的是，我們的帷幕牆設計雖還有一段路要走，無疑地，我們也往前跨了一大步。如果，我們要在將來滿足建築師更嚴格的要求，設計及製造更好的帷幕牆．對新工法和新材料的審慎使用及在各階段(規劃、設計、製造、施工、管理、維修)對品質更加要求是相當有必要的。
本文歡迎連結；若蒙引用，煩請註明出處為http://curtainwall-blog.blogspot.com/。