強化營造業施工架之耐風性能,以防止風災倒塌

  • 發布日期:106-06-27

一、前言

      近年來國內房屋建築的外牆框式施工架,在營造施工階段或颱風期間發生倒塌之意外頻傳,而瞬間的強風則是造成倒塌的重要導因,以往工程師進行外牆施工架設計所採用的風力強度,主要參考我國建築物耐風設計規範,其受力行為模式與假設構造物不盡相同,然外牆框式施工架相關的風工程研究和風洞試驗研究甚為缺乏,致使所設計之外牆施工架安全性未盡理想,而存在倒塌之危險性。

      營造施工之外牆框式施工架組搭在建築物外部時,大致在兩種情況下發生與風力有關之倒塌,一為施工中發生倒塌、另一為因颱風來而停工時發生倒塌。施工中發生倒塌,可能因為組搭不當、施工架零組件材料品質不佳、亦或是出現強陣風等問題造成。颱風天停工時發生倒塌,則單純的是因為強大風力的影響。

此外,建築物的施工可分成兩種情況,一種為建築物新建工程、另一為建築物之維修工程(民間俗稱為拉皮工程)。這兩種情況的外牆施工,均需要組搭外牆框式施工架,使用或組、拆時常見側向維繫不足,遇到瞬間強風時穩定性堪慮。

二、現行外牆施工架風力設計與假設

      現行典型外牆施工架之風力檢討常採用「建築物耐風設計規範及解說」第二章中規定。視現地地況(都市、市郊、鄉村)與氣象(風速)資料之不同,在風力計算上首先依據準穩定原理計算出建築物外牆表面之風壓分佈,並將其視為與牆前施工架系統相同,據以計算施工架承受之風力。在施工架受力之空間分佈為均勻的假設下,每一個繫牆桿(或稱壁連座)之受力則為施工架系統所承受水平總力除以繫牆桿個數之結果,並以此平均值和繫牆桿之抗拉強度進行比較以評估施工架系統之結構安全性。

三、外牆框式施工架與建築物耐風設計上的差異點

()以氣流形態的觀點

      建築物週遭之氣流特性得知,建築物鄰近之氣流形態複雜。儘管在評估建築物本體所受風力時,在規範中可以取正向吹襲的保守情況作為基準,然對建築物外的外牆施工架而言,其相應之風力則是以渦流引致之氣流為主。基於同樣的理由,在「建築物耐風設計規範及解說」第二章第2.1條的條文解說中則強調:「本章所規定之風力,使用於建築物整體抵抗風力結構系統之分析與設計,至於局部構材及外部被覆物之設計風力,應考慮局部風壓之提高及內風壓效應,不得以本章規定之風力設計,應依照第三章之規定設計之」。換言之,由於封閉式建築物中局部構材及外部被覆物之設計風壓,因考慮到其受風面積較小,平均風壓較大,且同時要考慮到外風壓與內風壓,因此其設計風壓與主要風力抵抗系統之設計風壓不同,不宜僅依照規範第二章中之規定進行檢討。

()以施工架系統破壞模式之觀點

      外牆施工架因強風受損的案例中常發生於建築物的邊緣或角隅,主要是氣流貫入建築物表面與施工架布幕之間,造成布幕內側較大的風壓力,使得施工架系統產生朝外的拉扯力,進而導致施工架之拉力破壞。如果在外牆施工架之風力檢討中採用「建築物耐風設計規範及解說」第二章中之規定,在概念上僅會造成施工架繫牆桿(或稱壁連座)之壓力破壞,此並不符合外牆施工架受損案例的破壞模式。引用「建築物耐風設計規範及解說」第二章中之規定進行外牆施工架之風力檢討恐有不足之處。

()以施工架系統風壓力立面變化的觀點

     現行外牆施工架之風力檢討中並未考慮施工架受力之空間變化,僅以每一個繫牆桿(或稱壁連座)之平均受力作為評估施工架系統結構安全性之基準。然而在實際的情況中,由於風速、風向、建築物的外形、及附近建築物高度、位置、外形等因素之影響,建築物鄰近氣流形態相當複雜,淨風壓力(net pressure)在施工架系統立面之空間變化頗為明顯。以設置於建築物背風面的施工架為例,自建築物頂與背風面兩側形成之渦流將造成近頂緣與側緣區域較大之風壓力,且在整個系統立面上產生淨風壓力明顯的空間變化。以平均受力作為設計基準之繫牆桿(或稱壁連座),實際上與建築物近頂緣與側緣區域處之受力差異頗大。

四、職災案例

案例一:

      民國100715日台中市金典酒店正進行18樓外牆及內部整修工程時,於下午630分左右,位於中港路與健行路側之外牆施工架,突然發生倒塌。墜落之施工架壓倒經過的汽機車,造成11人受傷及1人命危,倒塌情形如圖1所示。

      施工架倒塌可能原因:施工架倒塌直接原因為繫牆桿強度不足,無法承擔施工架上之風力。酒店進行外部整修工程之施工架倒塌,主要是施工廠商採用GIP鋼管作為繫牆桿,施工架上組配防塵網及帆布,在強風下該繫牆桿無法承受風力,中港路側之施工架先發生倒塌,進而將健行路側之施工架一併拉倒。

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圖1台中市金典酒店外牆施工架倒塌情形

 

案例二:

      民國102313日晚間21時許,台北市重慶北路一棟新建大樓,疑似因風大,造成4樓施工架突然倒塌,壓毀路旁一輛汽車、及數台機車及路口紅綠燈,並壓傷多名路人。當時警消獲報後,派出6輛消防車與4輛救護車趕至現場救援,而倒塌的施工架盤據重慶北路三個線道,倒塌情形如圖2所示。

      施工架倒塌直接原因:GIP鋼管繫牆桿聯結強度不足,無法抵抗強風,致使施工架倒塌。本工程正進行拆除施工架作業,當晚風勢較強,且該大樓工地旁為空地,致使施工架上帆布及防塵網因承受較大風力,繫牆桿強度無法承受造成施工架倒塌。本工程施工架已經拆除一部份,僅留2~4樓施工架,本工程施工架繫牆桿採用GIP鋼管,以萬向接頭一端與施工架聯結、另一端則與地板固定的GIP管以萬向接頭連接。施工架倒塌時,施工架與萬向接頭於聯結處脫離而倒塌,聯結處脫離情況如圖3所示。

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圖2台北市迪化段新建工程外牆施工架倒塌情形

 

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圖3台北市迪化段新建工程繫牆桿失敗情形

 

案例三

      民國105927日梅姬颱風侵襲台灣,當天下午118分左右,台中某酒店外牆施工架倒塌,造成建國路、中山路口周邊交通受阻,消防局出動5車、16人前往救援,經查壓毀1輛自小客車、2位女性遭壓傷,其中1名女性頭部受傷,另1名自小客車內女性頭部撕裂傷,均無生命危險。施工架倒塌如圖4及圖5所示。

      施工架倒塌可能成因:施工架未妥適裝設繫牆桿,在梅姬颱風的強大陣風吹襲下,施工架發生倒塌,大面積施工架從建築物24樓頂層平台紛紛飛落。施工架倒塌而飛落過程如圖4所示,施工架倒塌後落至地面情形如圖5所示。

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圖4台中市酒店施工架倒塌、飛落情形[(爆料公社)網路下載]

 

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圖5台中市酒店施工架倒塌現場[(楊政郡攝)網路下載]

五、增強外牆系統施工架抗風力應注意事項

(一)由所收集的施工架倒塌資料顯示,風力是造成施工架倒塌的主要原因之一,國內技師進行施工架結構設計之側向載重,主要是參考我國「建築物耐風設計規範及解說」。不過「建築物耐風設計規範及解說」主要是針對永久結構受強風影響,與施工架實際所受風載重不盡相同,實務上設計須考慮風的拉壓應力、角隅與邊緣的集中應力、繫牆桿的抗拉力、布幕的透風性及繫牆桿在組拆時應逐層拆卸不可同時拆卸等問題妥為規劃及設計,以防倒塌。

(二)載重部分(Load Part),設計上主要考量施工架之自重、施工架上之機具與施工人員等垂直載重,以及地震力及風力造成的水平側力。由於外牆施工架垂直載重相較施工架用於模板支撐較小,不至於直接造成施工架之挫屈破壞。此外,由目前收集之倒塌案例顯示,施工架倒塌甚少因為地震所造成,故風力之耐受性應優先考量。

(三)材料品質:送至工地現場之施工架,應抽樣做載重試驗及材料試驗,以確保這些工地現場施工架的強度,能滿足原始設計強度的要求。尤其施工架材料需符合勞動部「營造安全衛生設施標準」第43條有所規定:「雇主對於構築施工架之材料,應依下列規定辦理:…五、使用之鋼材等金屬材料,應符合國家標準 CNS4750鋼管施工架同等以上抗拉強度。」。

(四)設計方面:應依照勞動部「營造安全衛生設施標準」第40條規定:「雇主對於…高度五公尺以上施工架之構築,應由專任工程人員事先就預期施工時之最大荷重,依結構力學原理妥為安全設計,並簽章確認強度計算書…」來進行。,基於保守設計,結構體部分(Resistance Part)一般情況採用鋼結構設計規範之容許應力法進行設計,我國鋼構設計主要是參考「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」。另外由於我國鋼結構設計規範大部分參考美國鋼結構設計規範,故也有專業技師直接參考美國鋼結構設計規範(ANSI/AISC 360-10, 2010)來進行設計。唯設計上仍應考慮施工架受風力之行為模式及現場風況等因素,妥為設計及施工。

(五)施工方面:應依照勞動部「營造安全衛生設施標準」第40條規定:「…雇主對前項施工構臺及施工架之構築,應繪製施工圖說,並建立按施工圖說施作之查核機制。…」。安全施工圖說包含施工架之「安全組搭施工圖」及「安全拆除施工圖」,安全施工圖說中應該有詳細的逐步之組搭及拆除步驟,以方便工地現場落實「按圖施作」。

六、參考文獻

[1]行政院勞動部,「營造安全衛生設施標準」,民國1036月修訂。

[2]行政院內政部,「建築技術規則建築設計施工編」,民國10311月修訂。

[3]中華民國國家標準,「鋼管施工架CNS 4750」,民國10210月修訂。

[4]行政院勞動部,「職業安全衛生法」,民國1027月修訂。

[5]行政院內政部,「建築法」,民國1001月修訂。

[6]行政院內政部,「建築物耐風設計規範及解說」,民國1041月。

  • 發布單位:職業安全研究組
  • 更新日期:107-01-19
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