高層建築的結構材料 (SC and SRC) 鋼骨-鋼筋水泥

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1 高層建築的結構材料 (SC and SRC) 鋼骨-鋼筋水泥
三月八日 – 跨學科活動日 B5 活動 洪港生老師

2 香港金融區天際線 “竹竿身材”如何抵禦颱風、地震等外界侵襲呢？ 鋼筋混凝土結構(RC)、鋼結構(SC) 與鋼骨混合水泥結構(SRC)
中環廣場 香港金融區天際線 國金二期 中銀大廈 合和中心 長江中心 “竹竿身材”如何抵禦颱風、地震等外界侵襲呢？ 鋼筋混凝土結構(RC)、鋼結構(SC) 與鋼骨混合水泥結構(SRC) 結構材料的優點、缺點， 摩天大樓使用的材料如C40混凝土、鋼骨框架等， 幕牆建築的運用。

3 鋼結構的特點 鋼，具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、地基費用省、外形美觀等一系列優點。
鋼結構構件，可以實行工廠化生産，現場安裝。由於現場作業量小，少污染環境。 施工機械化度高，施工快。同樣面積建築物，鋼結構比砼結構工期短三分一，且可節省支模材料。 鋼屬於均質材料，鋼筋混凝土屬非均質材料。鋼結構建築物，應力全由鋼骨承受，不同於鋼筋混凝土由混凝土承受壓應力、抗拉鋼筋承受拉應力。

4 鋼構建築的優點 鋼結構是以鋼材爲材料做成受力構件，鋼結構比較鋼筋混凝土結構而言，更符合高層建築大跨徑及耐震等需求。
在工廠預製，品質較易控制， 強度高、韌性大、材質均勻、 自重輕，地基造價低，適用於軟弱地基， 安裝容易、施工快、污染環境少、週期短，投資回收快， 鋼材有延性，較好的消耗地震能量(抗震)，結構安全度高， 施工擴建或補強容易。 傳統結構（磚混結構、砼結構）由於材料性質限制了空間佈置的自由，以往開間一般在3.4米、3.6米，如果過大，造成‘肥梁胖柱’現象，且自重增大，增加造價 。強度高的特點使鋼的設計可以採用大開間佈置的住宅。 六層輕鋼結構住宅的重量，相當於四層磚混結構住宅的重量。

5 SRC (Steel and Reinforced Concrete) 防震鋼骨大樓
鋼骨的韌性，能減輕地震對結構體的破壞，混凝土的延展性能降低非結構體的破壞。鋼骨結構樑與柱的緊密一致的正面接合，使構材充份發揮『抗震效果』。 SRC結構以鋼筋混凝土包構鋼骨，是最安全的柱樑，結構應力均勻分配傳遞，抗震效果最好。 優點: 耐久性，防火性高。 由RC承受鋼骨變形量，地震時搖晃程度較SC結構小，減輕內部擺設之破壞，舒適度較佳。結構材料韌性高於RC 。 可減緩鋼骨局部挫屈之情形。 可免除鋼結構所需之裝修工程，且可加大跨度。 鋼骨可作為施工中之支撐。 缺點 施工期較RC結構長3-4個月。多鋼骨材料，造價高於RC。

6 剪力牆 （shear wall） 稱為耐震壁，是建築物抗震的重要結構體，通常被設計在電梯間，較一般牆壁厚許多（25-50公分)，大多都是鋼筋混凝土所建構。剪力牆的勁度大，承擔大部份結構物的水平力，在地震初期就把大部份的能量吸收，減少結構的破壞，是耐震設計中重要的結構系統。 鋼骨- 鋼筋混凝土 (SRC) 結構 鋼骨外層另配鋼筋，並灌漿作保護層，好處是具有鋼骨構造及RC構造的優點。柱子強度高則柱斷面小，使整個建築重量變輕，減少受地震力的影響。 純鋼骨建築受側向力時變形過大，地震來時搖晃程度比RC構造利害，RC保護層構造減少變形過大的問題。

7 鋼筋混凝土(RC)不是蓋高樓的好材料 倒不是RC不能蓋高樓，而是蓋到21層的RC建築，在載重層層累積下，那柱子可能會大到1.2M*1.2M以上，嚴重影響室內可用空間和隔間。超過20層的就經濟而言應該用SRC或SC，有效減低「構材尺寸」，又能兼顧韌性抗震。 因為地震力跟建築重量成正比，頂樓只要負擔該層結構體重量所形成的側向作用力，負擔的力量小，沒有其他因素的話，變形自然就最小﹔但一樓卻必須負擔其上所有樓層累加重量形成的側向作用力，因此以剪力而言，一樓自然受力最大。

8 自然界常見的野草為例 草長得高(25CM高好了)的時候(樓層高)，那草通常就必須跟著風吹的韻律搖阿搖，藉著搖晃來抵銷水平風力的能量，草就不會吹倒或連根拔起，但是你如果把草剪成剩三分之一長度(8CM高好了)，那只剩下半段的草大概就不會去搖了，而是以本身該下半段的硬度直接去抵抗風力﹔建築物結構要選用何種型式去對抗水平力(地震,風力)，得看建築細長比例(高/平面面積)而定。細長比越大，比較適合用韌性材料去處理(鋼骨好)，反之則否(低樓以剛性去處理 – RC好)。一般10層以下的房子適合用RC(鋼筋混凝土)的，中高層建築(15-25層)可用SRC(鋼骨鋼筋混凝土)的，超高層建築則適用SC(鋼骨構造)的。

9 側向支撐 桁架構件接合 樑柱彎矩接合 剪力接合 托架接合 張力鋼條接合 柱桿件連結接合 H型鋼樑彎矩接合 鋼骨多種接合模式

10 合成樑—剪力連接器 樑柱彎矩接合 合成柱－十字形組合斷面 基礎板接合—承受軸壓力 柱及基礎板接合 鋼骨多種接合模式

11 鋼骨架構的施工

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19 鋼混水泥結構的施工 鋼筋籠吊放 逆打鋼柱吊放

20 鋼混水泥結構的施工 逆打鋼支柱RC灌漿 基樁RC灌漿

21 鋼骨構件澆灌C50混凝土成鋼骨鋼筋的高樓

22 高樓的鋼框架                                                                                                                                                                                   

23                                                                                                                       台灣巨蛋大廈 安全結構示意圖

24 SRC (鋼骨-鋼筋結構) ＳＲＣ結構，結合鋼骨的高抗拉能力以及混凝土的高抗壓能力，兼顧結構的韌性和剛性。
ＢＯＸ方型鋼柱，在鋼骨的四周外圍，以堅固的水泥做保護層，不僅有優越的抗震性，比ＳＣ純鋼骨具備更佳的耐火性。 每棟建築的十六根柱結構，宛如井字型的九宮格，前後左右對稱，無論四面八方受力都非常地平衡，不會旋轉扭曲，這就是最安全的韌性立體剛構架。 每棟建築都有兩道厚達７０cm 的剪力牆，以增加結構的剛性，除了有效提昇抗震力，更能減輕地震或強風所造成的搖晃，即使住在高樓層不會暈，家中擺設不會掉落。

25 世界著名十棟摩天大樓 A.克萊斯勒大廈　 紐約　　美國　　 公尺　　 1930年 B.帝國大廈　　　　 紐約　 美國　　 公尺　　 1931年 C.漢考克大廈　　　 芝加哥 美國　　 公尺　　 1968年 D.西爾斯大廈　　　　 芝加哥　 美國　 公尺　　 1974年 E.世界貿易中心　　　 紐約　 美國　　 公尺 年 F.中國銀行　　　　　 香港　　中國大陸 公尺　　 1989年 G.雙塔大廈　　　　　 吉隆坡　 馬來西亞　 公尺　　 1996 年 H 金茂大樓　　　　　 上海　 中國大陸 公尺　　 1998年 I 東帝士八五國際廣場 高雄 台灣　　 公尺　　 1999年 J 臺北國際金融中心 臺北 台灣　　 公尺　 2003年 從臺北101大樓(國際金融中心)4樓搭乘全世界最快速的恒壓電梯，以每分鐘1010公尺的速度，花37秒便可到達89樓的觀景臺。 配製C50橋梁混凝土應選用優質原材料，水泥要求42.5級以上的旋窯水泥；粗集料要求最大粒徑31.5mm、堆積密度大、含泥量少、針片狀少;細集料要求細度模數2.6以上、含泥量低；外加劑應根據季節要求優選高效減水劑或緩凝高效減水劑，以滿足施工需要和強度要求。 高層建築普遍使用C40、C50、C60 的混凝土，強度高達100 Mpa。

26 世界摩天大樓的建築材料 從八十年代至今由於鋼結構、鋼—混凝土混合結構的盛行，鋼構安裝技術有新發展。以塔式起重機爲主機進行安裝，高強螺栓連接取代鉚接和部分焊接。 在世界範圍內（日本除外）高度200 — 262 m的建築物，RＣ結構跟鋼結構或鋼混結構，是可以相互競爭領域，在200 m以下的建築物，RC結構所佔的比例大。在262 m以上的建築，全部爲鋼或鋼混結構。 在全世界最高的104幢建築物中，鋼結構佔69幢，鋼混結構佔21幢，且佔據了前面第1～19名和21～28名的位置。RC結構僅佔14幢。

27 香港上海匯豐銀行總行 諾曼·福斯特大膽採用鋼骨及玻璃爲基本建材，取消傳統用樑柱支撐內部的做法，將建築結構完全開放，在入口手扶梯處向上望，銀行裏的活動情形清晰可見。安全方面是通過精密的風速、聲波測試。 每一個細部、桁架、斜撐和杆件都似乎負載著巨大的荷載。大廈從八組柱子上騰空架起，建築懸立在3組垂直組合的4對鋼柱上，在整個高度上，5組2層高的桁架將鋼柱連接起來，備組樓層就懸掛在桁架上。3組垂直的樓身結構高度不一，形成了一個錯落的輪廓。外牆是特別設計的外包鋁板結構和透明玻璃板的組合，以表現內部空間的豐富。

28 成束筒體系是由多個筒體組成的筒體結構。最典型的成束筒體系的建築爲美國芝加哥的西爾斯塔樓。
美國芝加哥的西爾斯塔樓（1974），地上110層，地下3層，高443m，包括兩根TV天線高475.18m，採用鋼結構成束筒體系。1～50層由9個小方筒連組成一個大方形筒體，在51～66層截去一個對角線上的二個筒，67～90層又截去另一對角線上的另兩個筒，91層及以上只保留二個筒，形成立面的參差錯落，使立面富有變化和層次，簡潔明快。 美國芝加哥西爾斯塔樓 西爾斯樓筒體不同高度的截面

29 經典的束筒結構 - 西爾斯大廈 為解決西爾斯大廈的抗風結構問題，建築師提出束筒結構體系的概念。整幢大廈被當作一個懸挑的束筒空間結構，離地面越遠剪力越小，大廈頂部由風壓引起的振動也明顯減輕。 大廈的造型有如 9個高低不一的方形空心筒子集束在一起，簡潔穩定。不同方向的立面，形態各不相同，突破一般高層建築呆板對稱的造型手法。 芝加哥西爾斯塔樓

30 世貿大樓的弱點 現代摩天大樓的設計，是以建築物的中央核心支撐起整個結構，周圍外柱的功能就像支架，能使大樓在颱風、地震中不至傾倒或滑動。同時，每層的地板則將內外支架聯繫在一起，以撐起整棟建築。 世貿大樓的設計，代表1960年代後期最先進的技術；它的鋼絲網外牆骨架極為堅固，但是支撐各樓層的鋼桁架卻非常脆弱，而且大樓中央核心的結構設計，沒有考慮到側面負載暴增的情況。飛機撞進大樓時，毀掉許多內外支柱，大部分保護鋼鐵構件的防火披覆也脫落。大樓尚未遭到破壞的結構雖然還能支撐樑柱倒塌後新增加的負載，但是飛機燃料將各樓層所有的可燃物都捲入大火，於是大樓結構還要對抗潛伏在火勢中的破壞力量。 【圖說︰這是世貿大樓當年正在建築時的情景。照片中，大樓鋼絲網外牆骨架看得一清二楚。】

31 台灣、迪拜摩天大樓 在整個建築結構上，101大樓採用的是巨型建築建構，該樓建在深達80尺的380支基樁上，從92樓還懸掛著世界最大的被動式風阻尼器，能夠抵消自然力量造成的擺動，確保大樓人員的舒適。101大樓大部份樓層為辦公室，設置各種最先進通信設備。 阿聯酋首都迪拜正在興建的Burj Dubai摩天大樓，有192根鋼筋混凝土巨柱從40米的地基深處向藍天挺進。這個海灣地區的彈丸小國，將以705米的新高度從臺北市的“101”大樓(508米)手中，奪取“世界第一高樓”的桂冠。

32 什麽是建築幕牆? 建築幕牆不同於填充牆，它是由面板和支承結構組成的完整的結構系統； 建築幕牆具有兩個特點：
(1) 不分擔主體結構所受的荷載和作用的圍護結構。 (2) 在自身平面內可以承受較大的變形或者相對於主體結構可以有足夠的位移能力； 幕牆通常由面板（玻璃、鋁板、石板、陶瓷板等）和後面的支承結構（鋁橫梁立柱、鋼結構、玻璃肋等）組成。 由於面板之間有寬縫，面板與橫樑立柱的連接有活動能力，所以幕牆在平面內，可以承受1/100的大變形。 幕牆用螺栓、搖臂、彈簧機構與主體結構連接，可以在兩者間産生大的相對位移，側移達到1/60時，幕牆也不損壞。

33 建築幕牆的選用 用建築幕牆將整個結構包封起來，讓結構處在室內，溫度不再變化，就不會産生對結構的損害，保證主體結構安全，就是高層建築須採用幕牆的一個主要原因。 傳統磚牆、砌塊牆是填在梁柱平面的，梁和柱子有部分露在室外大氣中，直接受到溫度變化的影響。所以填充牆解決不了溫度變化的問題，難以在高的建築中應用。 各種類型建築幕牆的振動臺試驗，即使當臺面輸入加速度達到 0.9 g（相當於10度大震），結構位移達到1/60以上時，幕牆也沒有損壞。 千絲板、埃特板、微晶玻璃、陶瓷掛板等一大批新型建材在建築幕牆上使用加速了幕牆技術的發展。

34 高樓大廈地震中強烈擺動，只有幕牆能保證抗震安全，不會倒塌。
 高樓大廈地震中強烈擺動，只有幕牆能保證抗震安全，不會倒塌。 砌體填充牆在自身平面內變形能力很差，又被填充在主體結構內，不能有相對的位移，在1/1000位移時開裂，1/300位移時破壞，在小地震下會破損，中震下會嚴重破壞。常規玻璃窗大體上差不多，在地震中震害非常嚴重。 幕牆的板面寬縫和特別的連接構造，耐受1/100~1/60 的大位移。類似於樹葉相對於樹枝，無論主體結構怎樣搖晃，幕牆都無恙。 玻璃幕牆的重量相當於磚牆的1/10，混泥土牆板的1/7；鋁板幕牆更輕，370mm磚牆760kg/㎡，200mm空心磚牆250kg/㎡，玻璃幕牆有35~40kg/㎡，鋁板幕牆有20~25kg/㎡。 一座150m高，外牆面爲20000㎡ 的高層建築，用幕牆減輕牆體自身5000t-12000t，大大減少主體結構的材料用量，也減輕基礎的荷載，節約基礎造價。在上海、天津等軟地基上建造超高層建築，起了決定性的作用。 建築材料，如鋼材、水泥都是高耗能、高造價的材料。

35 因 預 制 牆身 瓦 板 預 制 浴 室 混 凝 土 由 鐵 板 模 製 成 縮 短 拆 卸 棚 架 所 需 的 時 間，提 早 進 行 內 圍 粉 飾 工 序。

36 屋 邨 預 制 浴 室、預 制 掛 牆 整 個 預 制 浴 室 是 一 個 盒 形 的 產 品 ， 運 送 到 地 盤 前 已 完 成 防 水、鋪 砌 牆 身 瓦、水 喉 套 筒 及 暗 喉 的 工 序。預 制 浴 室 是 利 用 合 符 規 格 的 輕 質 混 凝 土 組 成 ， 在 牆 身 加 入 鐵 網 組 成 ， 比 傳 統 用 的 乾 間 牆 更 堅 固 。 預 制 浴 室 是 一 獨 立 構 件 沒 有 接 口 ，滲 漏 的 問 題 可 以 完 全 解 決 。整 個 生 產 過 程 在 工 廠 完 成 後 才 運 送 到 建 築 地 盤 ， 減 少 泥 水 粉 飾 的 工 序 ， 大 大 減 低 在 建 築 過 程 中 所 產 生 的 建 築 廢 料 。 懸 掛 式 預 制 牆 身 瓦 板 ，將 牆 身 瓦 安 放 在 特 別 設 計 的 鐵 模 上 ， 再 加 入 輕 質 混 凝 土 ， 完 成 養 護 過 程 及 脫 模 後 ， 整 件 產 品 便 完 成 ，牆 身 瓦 剝 落 的 情 況 減 至 0%。懸 掛 式 預 制 牆 身 瓦 板 運 送 到 地 盤 時 已 經 是 件 完 成品，減 少 產 生 垃 圾 廢 料 及 完 成 牆 身 瓦 後 的 清 潔 工 序。 由 於 節 省 傳 統 的 工 序 包 括 安 裝 乾 間 牆、 防 水 工 序、 鋪 砌 牆 身 瓦 及 安 裝 水 喉 的 技 術 ， 減 低 建 築 成 本。加 上 由 內 地 工 廠 大 量 生 產 ， 成 本 效 益 更 為 顯 注。