中華民國九十七年九月二十日

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鋼結構山型廠房設計原則介紹(上)

陳正平技師

一、前言

工業廠房構造物之建造材料一般均採用鋼材作為建造材料，除有因製造過程或產製之產品會導致鋼結構廠房產生腐蝕現象或為其他考量才會採用其他材料建造。以鋼材建造廠房因其具有強度高、韌性佳、材質均勻、重量輕等材質的優點，又可在工廠內預製構件，故構件接合品質較易控制，且現場以栓接方式可迅速組裝、擴建或補強亦甚容易等因素，因此多數廠房均為以鋼材建造的主因。

二、廠房規劃與佈置

廠房之規劃與佈置影響廠房之使用功能及生產效率至鉅，因此事前必須經過周詳之規劃與配置，其內容至少須考慮下列項目：

(1) 天車之吊重能力及淨空

廠房於生產過程常需搬運原料及運輸產品，或維修生產設備時須拆解設備零件，因此天車為廠房常用之配備之一，選用天車規格時須考慮常用之吊重範圍，亦可除主鉤外，另配備副鉤，以方便吊運較輕物品時可利用副鉤操作較方便(但主、副鉤不宜合併使用)。另一考量重點為物品吊運時所需之揚程及天車行走等所需之操作淨空，以便配置最經濟之廠房空間及選用有效之天車規格。

(2) 作業空間需求

廠房之建地大小、生產線作業流程及空間需求等均會影響廠房之規劃及配置，如果基地面積不足而須以興建多層配置時，應以較輕之設備置於上層，較重之設備置於下層，或較可能產生振動的設備配置於下層，這樣可使廠房之使用性較佳，且結構體較安全，造價較經濟。

(3) 使用年限

各類產品之製程均有其生命週期，故廠房可配合產品之種類來決定廠房預計之使用年限，以決定廠房之結構構件應採用重型構件或輕型構件，以及所需防蝕處理之等級。

(4) 建築外觀與結構系統

廠房可依其所在位置或美化需求來決定建築外觀之型式及材料。並依使用空間之條件來決定最經濟安全之結構系統。亦可利用結構系統之特性來表現結構「力」的美。

(5) 採光、空調容量

廠房屋頂如將部份屋面板採用透明之浪板，並設置自然通風之透氣樓，或機械抽風系統，則可節省能源並可維護作業人員心身健康。

(6) 雨水、粉塵等之排除能力

適當之屋頂坡度及屋面材料可加強雨水及粉塵之排除能力，以免屋頂產生滲漏而損及機具設備或倉儲物品，並可避免粉塵堆積過多而導致屋頂崩塌，國內亦曾發生鋼廠因屋頂粉塵堆積過多而倒塌之案例。屋頂坡度則依據氣候（雨量）、使用空間及屋面材料來決定。若為使用彩色金屬鋼浪板，其長向可做到無接縫，因此其排水坡度可小至2%。若為鋼結構平屋頂則須有適當之拱度，以防因為撓度積水而產生水池效應(Ponding)。

(7) 擴建之可能性

廠房之規模往往須配合產品之行銷量而分期擴廠，以減少資金需求，並降低初期生產成本，提高競爭力。因此有分期興建需求時應預留後續接合面及接頭，並予妥善保護以防銹蝕。

三、結構系統與結構分類

工廠廠房與一般的建築物不同，通常均附設天車以便吊運物品；或附設維修走道、平台、樓梯、爬梯以提供設備維護之用。維修走道之配置位置亦須妥善規劃，才能以最少的量提供最大的效益。廠房建築物之設計者對廠房之結構設計常引用美國鋼鐵工程師協會（Association of Iron and Steel Engineers）出版的第13號報告，“廠房建築之設計與施工指引”（Guide for the Design and Construction of Mill Buildings）來設計，但所作之設計仍應符合國內之有關法規及規範。

3.1   結構系統

鋼構造廠房因重量較混凝土構造為輕，故大部份情況均為抗風設計控制。一般採用之H型鋼為單向強軸，因此山型構架方向可採用剛構架，長向則採用斜撑構架，鋼結構廠房各構件之細部及水平力抵抗系統如圖一所示為最常用之廠房結構系統之一。若容許二向均採用斜撑構架，則造價將可大幅降低。

各個層面之水平力傳遞系統在各交界面須有良好的轉接，應儘量避免產生偏心，如有偏心彎矩及剪力產生，須予以妥善設計，以免造成傳力路徑產生中斷或弱點。

架空之天車道梁須有良好的側向支撐，以保持穩定性，天車道梁視天車之輕重型可選用支架、梯狀柱或分離支柱等系統。

3.2   結構物之分類

廠房結構物之分類係基於預期發生於結構物上的特定載重情況之反覆作用的次數作為分類的基準。因之，預計的使用期限及反覆載重複率，可決定一棟工廠建築物的全部或任何部份的分類等級，通常使用的年限建議為50年，並引用AISE載重情況的規定時，其等級（class）分類如下：

圖一　鋼結構廠房各構件之細部及水平力抵抗系統示意圖

四、載重

4.1   風力係數

各種結構型式承受風力產生之作用力均不同，而現行「建築物耐風設計規範及解說」，對風力計算之規定過於繁複，尤其是2.10節(橫風向之風力)及2.11節(作用在建築物上之扭矩)，等二節更不適用於無剛性橫隔樓版之低矮型廠房結構，故建議參酌日本建築基準法規範，或美國“美國土木工程師協會(American Society of Civil Engineers， ASCE)”“建築結構物最低設計載重(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)”第6章(風載重)之規定設計。

(待續)