談潤弘預鑄 千錘百鍊的精緻工藝

預鑄研討會參訪記(中)

梁詩桐  技師

預鑄研討會第二場主題:「預鑄設計與隔震」，是由潤弘精密吳子良副總經理主講，吳副總主持潤弘精密工程預鑄設計部。

建築物預鑄設計，大都非起始就是預鑄構件設計，而是建築師做建築設計，結構或土木技師做結構設計，預鑄構件則由設計部做相容轉換，將成果回饋原結構或土木技師再確認後，出圖、製造、施工，茲分述如后:

預鑄結構設計

規範篇

預鑄設計參考的規範，包括國內混凝土結構設計規範之第九章預鑄混凝土構材、美國ACI318-19、ACI550.18-01、PCI Design Handbook 7^th Edition:MNL-120-10、PCI Connections Manual: MNL-123-88、營建研究院出版之預製建築工程實務、日本建築學會出版之建築工事標準仕樣書、海峽對岸出版之裝配式混凝土建築技術規範等，共計21篇。

擬場澆EMULATING CAST-IN-PLACE

設計理念以擬場澆EMULATING CAST-IN-PLACE ( Ericson and Warnes 1990)為主。基於預鑄結構系統所設計之接合部，其結構性能與傳統設計的現澆整體式混凝土結構相同，因此預鑄混凝土的擬場澆置混凝土之主要要素，為預鑄結構將表現出與現場澆置結構相似的結構性能。預鑄結構設計應符合：諧和變位、應力平衡及強柱弱梁的原則；運用機制重點在拉力錨定、接縫填實、肋筋完整伸展及板上層筋連續等面向(圖15)。

圖15場鑄與預鑄接頭(梁柱) 混凝土的擬場澆置混凝土樣態比較『潤弘提供』

預鑄地震系統

整體擬場澆分別在抗彎矩構架系統按混凝土工程設計規範-強接頭18.6.2.2，韌性接頭18.6.2.1；結構牆系統以強接頭 18.6.2.3，韌性接頭18.6.2.2 ，規範各項細部設計。

預鑄結構系統種類

以抗震結構為主流，包括框架結構、抗震牆結構、框剪結構等系統等，並搭配預鑄外覆牆做裝飾構材，並結合預鑄隔震系統，將預鑄結構系統優質化。

為避免意外作用力，如基礎沉陷、氣爆、撞擊、龍捲風及爆炸等，對結構物造成影響，設計對策上，採取以繫筋提供作用力、結構系統上設計指定載重路徑，增加結構安全性。

結構整體性與連接筋

結構整體性:要將單獨預鑄構件，組成連續整體性結構，細部設計不僅要考慮局部的力量傳遞，更需要接合部的連續性與延展性。

連接筋:在結構破壞模式中，將會提供懸鏈作用、梁或拱作用、懸臂作用、膜作用等，抵抗意外的結構破壞。

造成結構上整體性，繫於:

  (1)將單獨預鑄構件組成為連續整體性結構。

  (2)細部設計不僅要考慮局部的力量傳遞，更需要接合部的連續性與延展性。

  (3)結構整體性繫筋：繫筋是連續的拉力元件，包括在場鑄段內之鋼筋或鋼鍵、灌漿套筒、及預鑄構材間之接頭。必須在結構系統之軸向、橫向、及豎向等三個維度設置。

結構束制與界面傳力機制

以預鑄小梁，在上層鋼筋現澆混凝土及背間縫，填塞結構性砂漿，造成結構束制，小梁端點旋轉角度為最小，具有抗彎矩效果。

界面應力傳遞機制:有下列應力傳遞方式。

(1)接觸面軸力的摩擦力

(2)混凝土interlock摩擦力

(3)剪力摩擦

(4)Dowel Action

(5)剪力榫

(6)永久性鐵件

(7)支承(純混凝土、托架或托梁、鋼材)

在預鑄結構上剪力摩擦筋、Dowel Action、永久性鐵件，用得最多，也最有效率，並以相關規範與計算式演譯：剪力摩擦、上橫膈板剪力強度、水平構材橈曲傳力機制、合成斷面的水平剪力與水平構材垂直剪力傳遞機制、預鑄承重牆/剪力牆垂直縫/柱底的水平剪力剪力/無(或有)鋼筋支承之垂直剪力傳遞機制等。

預鑄接頭試驗

預鑄接頭試驗的演講，最能彰顯潤弘精密工程專利特殊構件優異之處。

一、預鑄柱底套筒續接行為

預鑄柱與基礎或樓板柱筋，以(專利)特殊非螺紋套筒連結，適用於預鑄柱鋼筋續接器，以承受拉、壓力，經過預鑄柱底行為(套筒的影響)相關試驗，柱下端塑性鉸有上移的情況，符合規範的要求(圖16)。

圖16  預鑄柱筋壓力試驗『潤弘提供』

其他重要預鑄連接者，諸如半預鑄梁下層筋接頭試驗、半預鑄(梁)二次澆置面試驗、(梁、柱)接頭試驗、梁筋錨錠型式試驗、梁柱接頭試驗-梁套筒位置、大小梁接頭、特殊預鑄工法接頭試驗(接頭在梁端)等試驗，以驗證梁柱連接在實體上，均符合規範的需求。

二、預鑄構件之臨時支撐

在預鑄結構施工組裝階段，無論預鑄柱、預鑄大小梁、預鑄板等構件組裝，均需有賴臨時支撐以完成永久結構。

預鑄柱之臨時支撐使用鋼管斜支撐，柱頭角鋼使用於大梁組裝、預鑄大小梁使用U型鋼與永久性鐵件-牛擔板，作為臨時支撐(圖17)。

圖17  預鑄構件之臨時支撐『潤弘提供』

三、生產階段的預鑄構件設計

以計算式演譯在生產階段的預鑄構件設計，包括梁脫模檢核計算、預鑄柱鋼索握裹強度計算、預鑄柱斜撐設計、梁支撐設計及配置等裝置。

1.兩點吊模混凝土強度計算，重點在檢核最適吊點與吊索強度。

2.預鑄柱鋼索握裹強度計算，確認吊模混凝土強度與鋼索斷面是否足夠。

3.預鑄柱斜撐設計，設定斜桿承載力在不同的柱重，地震力引致之橫力，計算最佳的鋼支撐桿件與設定水平支撐距離。

4.梁支撐設計及配置，預鑄構件在組立過程中，在灌漿尚未凝固前，均屬靜定或穩定的狀態，此時每個預鑄構件在整個施工階段(載入階段)，都要檢討支撐的安全性與構件之強度(抗彎矩、抗剪力)與服務性(撓度)。

四、柱梁連續接合部

預鑄柱與預鑄大梁各階段，有6種配合場澆混凝土，有不同接合的配置，端視原結構應力分析需求與最適重量與預鑄模式決定。(圖18-1~2)。

圖18-1 連續接合部I『潤弘提供』		圖18-2  連續接合部II『潤弘提供』

梁、柱接頭檢討其剛性接頭與連續性-轉換成五環多螺箍

一、箍筋預鑄柱之範例

1. 傳統布置鋼筋轉預鑄之範例

利用柱主筋定位檢討:

(1)    柱主筋集中在4個角落的有利性(柱筋淨間距db;混凝土最大粗骨材粒徑1.33倍;保護層4cm)，能發揮最大彎矩效應(Mn)。

(2)提供梁主筋交錯空間。

(3)柱連接套筒(直徑Φ78mm)區，方便管理。

(4)柱圍束箍筋位置可以固定。轉換成五環多螺箍筋範例圖示 (圖19)。

圖19 柱傳統布置鋼筋轉預鑄柱之範例『潤弘提供』

2.梁、柱主筋在梁柱接頭區

梁柱接頭鋼筋排列配置計算前提：

(1)鋼筋錯位採反對稱。

(2)鋼筋之間的淨間距皆相同。

(3)優先決定第一支距梁邊的距離。

3.梁、柱接頭檢討

配置一側梁主筋直通、另一側垂直柱梁鋼筋預先上移，保持標準彎鉤長度(#11 鋼筋 L= 612mm)(圖20)。

圖20  梁柱接頭檢討圖『潤弘提供』

框架大梁、小梁

預鑄小梁設計:

1. 預鑄小梁按簡支梁設計，配置下層主筋。

2. 梁端上層筋採連續配置，下層筋不連續。

3. 梁端上層筋連續之目的；控制樓版裂縫，或傳遞小梁剪力。

4. 主梁側預留U型鋼板，除可吸收施工誤差外，尚可達到隱藏間縫之目的。

5. 因合成場鑄上覆層存在之故，預鑄小梁端部只會有負彎矩發生，間縫砂漿填塞以提供下端的束制，對於負彎矩傳遞非常重要(圖21)。

圖21 預鑄大小梁接合部；剪力接合器牛擔板『潤弘提供』

6.大梁、小梁接合處做剪力接合器-牛擔板之設計檢討及成果實踐(圖22)。

圖22 剪力接合器牛擔板之實踐『潤弘提供』

預鑄樓板與梁之接合部

各式樓板其支撐與連結之檢討，須符合相關規範，並防止造成裂縫及漏水。

預鑄外牆板課題

  預鑄外牆版於每層梁、柱組件完成後，即可進行預鑄外牆版組裝，預鑄外牆版根據外牆設計，規劃匹配系統包括:平板(開窗或無窗型)單元、包梁直通板並連水平窗(水平型式)、包柱直通板並連垂直帷幕牆、包梁包柱板等，多樣化裝飾。

預鑄外牆板之抗震機制

在地震來襲，預鑄外牆板單元與梁、柱接合，會有搖動與滑動二種運動機制，其機制分野在於預鑄外牆板單元寬、高的比例(H/W)來控制(圖23)。

圖23  預鑄外牆板之抗震機制『潤弘提供』

 預鑄外牆版單元以乾式或濕式與預鑄大梁結合，其承重與調整鐵件，設計其應有的荷重承載模式組件，並對預鑄牆板縫寬計算，在層間變位的需求下，以不同的填縫劑種類，歸納出最適寬度，作為預鑄外牆板寬的計算依據，至於外牆防水，在前章節已有論及，不再贅述。

預鑄建築模組化設計，宜遵循以下原則(圖24)：固定樓層高度(住宅H=3.4m，辦公室H=3.8m)。

1. 柱跨距設定為(30N±10)的倍數(3m,6m,9m,10m)。

2. 預鑄樓梯級高與級深固定(17cm,25cm)。

3. 外牆水平分割(30N±10)(造型簡單且重複)。

4. 樓板預降(降板邊緣應不跨越預鑄梁，降板邊緣位於預鑄梁側)。

5. 陽台造型(簡單幾何：同層型式不超過3種；複雜曲線：同層型式不超過5種；跨樓層重複性：不超過3層變化。

6. 對稱性：最好不要採用對稱設計，1個對稱表示2套模具；要以「複製」設計元素；模具型式極少化。

7. 線板:(線板造型應全案統一；於正常厚度採外突(加)方式設計；後裝GRC材質或鋁合金)。

8. 面飾材：(尺寸與型式應統一；利用顏色進行區塊劃分；磁磚不建議採用交丁模式)。

9. 預鑄結構體(梁中心對柱中心)。

10. 外牆板與結構體的關係(鋼結構：淨距10cm；鋼筋混凝土：淨距5cm)。

11. 預組或預鑄樓梯與結構體的關係(鋼樓梯：淨距3cm；預鑄樓梯：淨距5cm)。

12. 牆板分割：窗框預崁採回字分割，避免ㄈ字型分割。

13. 防汙細節(有對地投影面積，需做內斜；窗框下緣外斜，須設批水板)。

14. 外露梁：第一塊磚須外突，下緣設滴水線。

圖24  建築模組化設計『潤弘提供』

具合成上覆層預鑄樓板設計及落板防止

一、無梁板遵循現行設計規範

(1)8.7.4.2 結構整體性：8.7.4.2.1 兩向柱列帶內之所有底層竹節鋼筋或麻面鋼線，應於每一方向連續或以第25.5.7節規定之機械式續接、焊接或依第25.5.2節之乙級拉力搭接，搭接位置應按圖8.7.4.1.3。

(2)8.7.4.2.2 各方向須至少二根柱列帶底層鋼筋或鋼線穿過柱列帶底層鋼筋或鋼線穿過柱主筋內之圍束核心，並應錨定在外支承處。

二、以往缺失之殷鑑

1.中空樓板支承座破壞，造成落板。

2.地震造成柱外擴，承座嚴重剝離，造成落板。

3.地震造成板角偶變形，造成嚴重剪力裂縫。

4.角隅區當梁伸長時，梁邊開裂造成環形筋因其橫向彎鉤筋與面層混凝土間，因開裂而發生握裹破壞，導致環形筋隨之破壞。

三、中空樓板防止落板的對策

  鑒於梁上底層筋的連續是一個不可能的任務，加強之道在於，當支承處破壞時，特殊樓板加勁筋能支撐預鑄板，防止落板。

1. 梁端上層增加加勁筋。

2. 中空樓板增加繫筋與現澆混凝土的連結。

3. 增加梁上縱向弦筋。

4. 中空樓板端板，各式繫筋的運用。

5. 小梁背填砂漿實接縫的應用。

 (待續)