工業廠房規劃與設計要點探討

陳正平  技師

一、前言

工業廠房構造物因須快速建造完成，盡早加入生産行列，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、重量輕等優點。又可在鋼構廠內預製構件，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，因此多數廠房考量整體經濟效益，大多均以鋼材建造。

鋼結構廠房與房屋結構相同，均須選用適當之結構系統及施工方法，並規劃適用的層高、樓層數、天車容量及跨度、構架間距、防火需求等，才能符合最佳的使用需求，與經濟效益。

二、工業廠房之規劃

2.1工業廠房使用分類

鋼鐵工程師協會(Association of Iron and Steel Engineers)，在其技術報告13(Technical Report No. 13 (AISE, 2003))，將有天車設備之廠房，分為A、B、C及D四類：

A類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受反復載重50萬至200萬次或更多者。

B類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受特定反復載重10萬至50萬次，或每天承受此特定反復載重5至25次。

C類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受特定反復載重2萬至10萬次，或每天承受此特定反復載重1至5次。

D類：在預估廠房使用年限內，構件承受特定反復載重2萬次以下。

2.2起重機分類

起重機服務分類，是依據盡可能反應實際作業條件的載重頻率來區分，美國起重機製造業公會，CMAA 70的起重機分類建立服務等級，供選用最經濟的起重機。起重機依其最大吊重的作業狀況，區分如下：

A類（備用或不常使用型）：此類起重機，可能只是用在設備安裝時，以很慢速度精確的吊裝設備，諸如發電機房、公共設施、渦輪機室、馬達室和變電站。安裝之後到下次使用時，有長時間的閒置。額定負載的荷重，只用在設備的最初安裝時，以及之後不常發生的維修。

B類（輕度使用型）：此類起重機，可能用在維修廠、輕組裝作業場和小型倉儲等，使用輕型及慢速起重機，荷載偶爾用到額定負載，每小時吊掛2到5次，平均揚程3 m。

C類（中度使用型）：此類起重機，可能用在機器工廠、造紙廠機器房等，需用中型起重機，平均荷重為50%額定負載，每小時吊掛5到10次，平均揚程4.5m，滿載(額定負載)吊掛次數不超過一半。

D類（重度使用型）：此類起重機，可能用在重機器廠、鑄造廠、組裝廠、鋼鐵庫房、貨櫃場及木材廠等，使用標準負載的吊桶和磁鐵吸盤，進行大量吊運。在工作期間，其荷載經常接近50%額定負載，須快速吊運，每小時吊掛10到20次，平均揚程4.5m，滿載吊掛次數不超過65%。

E類（極重度使用型）：此類起重機，在其整個生命週期中，均須吊掛接近額定負載的重物，如用在廢鋼廠、水泥廠、木材廠、化肥廠、貨櫃場等的磁吸盤/吊桶組合起重機。每小時以額定負載或接近額定負載吊運20次。

F類（持續極重度使用型）：此類起重機，在其整個生命週期中，須在嚴峻的工作條件下，以接近額定負載持續吊運。這是特製專業起重機，用來執行對總生產功能有關鍵影響的任務。這些起重機，必須有最高的可靠性，並特別須有易於維護的特性。

2.3擴建

每一幢廠房應預留擴建可能，若沒有這方面的規劃，未來擴建經費，將會明顯增加。

考量擴建需求時，下列狀況須要評估：

（1）主要和次要構架的方向和桿件尺寸需要預估。有些實際案例，證實沿擴建方向之梁、柱和基礎載重，預先估算在原結構設計上，可更經濟。假如結構大到須設伸縮縫，可在原結構邊緣設計新構架柱線，計入擴建及原廠房的膨脹量後，加設一套伸縮接頭，連結既有建築。為了擴建所需之基礎設計，須要納入合約中。

（2）屋頂排水：在原建築與鄰近擴建廠房連接處，不宜設置排水低點，否則將因增加的雨水量，產生嚴重漏水問題。

（3）設計者，在抵抗風力或地震力結構斜撐構架或剪力牆的系統配置位置上，要考慮擴建後的使用功能。

2.4伸縮縫

雖然廠房採用柔性材料，當水平長度很大，屋頂與結構，仍需伸縮縫，因為熱脹冷縮的變因很多，如施工期間周邊氣溫和屋齡期內預估的氣溫，很難確定伸縮縫間的適當間隔。參考資料，見「Federal Construction Council’s Technical Report No.65, Expansion Joints in Buildings （Federal Construction Council, 1974）」，報告中的圖摘錄如圖1，其係以設計溫度變化為基準，決定鋼結構建築伸縮縫的間距。該報告並提供調整係數，用以設定合適的結構物長度。

圖1  建築伸縮縫間距圖

此報告指出，圖中曲線應用在結構的柱底是鉸接且其內部有暖氣。其他情況，得參考下列規則：

  （1）如果廠房內部只有暖氣設備且柱底是鉸接，可採用圖1之容許長度。

  （2）如果廠房有空調設備及暖氣（連續性的環境控制系統），允許長度可增加15%。

  （3）如果廠房沒有暖氣設備，允許長度須減少33%。

  （4）如果廠房採用剛接柱底，允許長度須減少15%。

  （5）如果廠房某一方向有較大勁度抵抗側位移，該方向允許長度須減少25%。

當廠房有一個以上條件適用，用算術累計調整應用條件。

2.5撓度控制

（1）廠房結構要具有足夠強度與勁度，以便控制位移或撓度。屋頂桁條：其深度不宜小於跨距的1/20。均佈荷重鋼樓板的最大撓度，宜小於跨距的1/240；且鋼樓板跨度中央30公分長度内，承受90公斤之集中荷重，産生之最大撓度，宜小於跨距的1/240。由鋼桁小梁支撐的石膏天花板，承受設計活載重，最大撓度宜小於跨距的1/360，其餘非石膏天花板，最大撓度，宜小於跨距的1/240。

 桁條撓度須控制，使屋面能順利排水，建議適當檢核排水的設計載重，為靜重加上25kgf/m²的活載重。

（2）承載機械設備、懸吊輸送帶及其他設備的屋頂撓度限度，為跨距的1/150~1/240，但仍須由設備製造商及業主確認，不致影響使用性能。

（3）金屬牆板通常可容許彎曲和扭曲而不致破壞。由於金屬牆板相當柔軟，其撓度限制：

a.垂直牆面方向的構架撓度：屋簷高度的1/60~1/100。

b.除非因牆面的細部要求或附掛的設備有更嚴格的限制，圍梁及抗風柱撓度，限度為跨距的1/120。

（4）抗風柱柱頂之接頭，都會設置豎向伸縮縫，以避免桁架産生撓度時，會致抗風柱承受額外之壓力。

（5）抗風柱及圍梁(girt)之撓度，須小於跨度的1/240，且不超過3.8 cm。

（6）天車道梁撓度

承載輪載重(不含衝擊載重)之垂直撓度限制：

a. L/600：輕型及中型天車 ─ CMAA 70 A、B、C類。

b. L/800：重型天車 ─ CMAA 70 D類(Fisher 2003)。

c. L/1000：製造廠天車(Mill Crane) ─ CMAA 70 E、F類。

d.依鋼構造建築物鋼結構設計技術規範第11.5.3節規定，天車道梁垂直撓度限制為L/500，電動天車依實際應用情形道梁垂直撓度限制為L/800至L/1200。

e.承載側向載重之側向撓度，所有天車皆限制為L/400。

2.6工業廠房之結構系統比較

較大跨度之工業廠房結構，需做防蝕及防火措施，保養費高(鋼料用量一般情況，桁架：約介於40~70 kgf/m²，剛構架有吊車：約介於90~120 kgf/m²)

（1）結構系統配置：鋼結構構架型式：主要分為剛構架及桁架構架，或二者之組合構架。構架選擇：取決於跨徑、使用空間、構架運送、載重因素、業主需求樣式等問題。

     a.桁架構架：（a）重量較輕但製作、吊裝及維護費用較高，因桿件較細維護不易。（b）可使用空間受桁架高度限制，適合較大跨度，一般在18 m以上使用桁架較經濟。

     b.山形剛構架：（a）重量較重，易維護。（b）能充分發揮有效空間且美觀。（c）適用於跨度在7.5 m~35 m之間。

（2）屋頂坡度、跨徑及高度

     a.屋頂坡度：取決於氣候(雨量)，使用空間、構架撓度及屋面材料。金屬板一般採用：1~3.5(垂直)/10(水平)。

     b.跨徑及高度：配合機電(包括吊車)設備需使用之空間決定之。

（3）構架間距(Spacing)：取決於構架形式、跨徑、桁條斷面尺寸及吊車軌之長度限度以及基礎(土壤承載力)狀況等。一般間距約在3.6 m~9 m之間。

跨距與間距關係建議如下：跨距9 m~12 m，間距建議4.8 m；跨距12 m~18 m，間距建議5.4 m；跨距18 m~30 m，間距建議6 m；跨距超過30 m，間距建議為跨距之1/5~1/6。

（4）桁條與圍梁之設置：桁條之間距取決於施工安全性及屋面材料之強度，一般約在0.6 m~1.8 m之間。為減少漏水的機率，屋面板長度以全跨連續直通無接縫為原則。

當桁條吊桿設置於桁條之頂部時(見圖2)，桁條間之上、下吊桿續接方式，須採左、右錯開約5cm，鎖固在桁條腹板上。桁條計算，Y方向彎矩之跨度取吊桿間距，但因沿屋面之載重分力，僅由桁條之上半承受，因此桁條抵抗彎矩之斷面模數，取Sy之上半。另外，在屋脊處之二側，吊桿拉力須平衡，其垂直分力，須由桁條或從向梁承受。

當桁條吊桿之設置，從下桁條之頂部拉至上桁條之底部時(見圖2)，桁條間之上、下吊桿續接方式，不需左、右錯開，鎖固在桁條腹板上、下部。因沿屋面之載重分力，已由吊桿將下桁條頂部上拉一半至上桁條之底部，因而桁條全斷面模數Sy，均可用來抵抗Y方向彎矩，但計算Y方向彎矩之跨度，須取桁條全跨距。桁條吊桿之設置，從下桁條之頂部拉至上桁條之底部時，亦可減少桁條扭轉變位量。

（5）桁條與圍梁之吊桿設置原則

桁條與圍梁之種類：H型鋼、槽鋼、C型鋼

a.當屋面斜度大於2.5/10(1:4)時，宜設置。

b.設置位置：

輕型屋頂：構架間距> 6 m：圍梁或桁條3等分位置。

輕型屋頂：構架間距< 6 m：圍梁或桁條2等分位置。

重型屋頂：構架間距> 4.3 m：圍梁或桁條3等分位置。

重型屋頂：構架間距<4.3 m：圍梁或桁條2等分位置。

c.吊桿尺寸一般最小採用13 mmf。

d.吊桿設置時應盡量靠近産生力量側，亦即桁條之上翼或圍梁之外側。

（6）屋面及牆面斜撐之配置：配置方式：屋面及牆面斜撐可錯開配置，但中間須設縱向撐梁或縱向側撐桁架以傳遞力量。同時須考慮開窗位置是否影響美觀及有管線經過或通道時，須設法避開。

（7）通風及採光：依照最新建築技術規之規定，設置自然通風或機械抽風。

三、工業廠房之設計内容

設計流程，首先選擇構架型式，再決定外力載重及載重組合，進行應力分析及應力及撓度檢核。設計時應注意事項：

  1.構材之勁度不宜相差過大，以免力矩分配及應力集中，致局部破壞。

  2.構材桿件斷面尺寸，選擇力學斷面模數較佳之斷面，應避免選用太多種，以免造成採購困難或單價提高，亦須考慮是否容易購買，最好用國產品。

  3.應力傳遞路徑是否理想，選用經濟效益及安全性較高之結構系統。

  4.桁條開口配置方向是否會發生扭曲現象之考量。

  當槽型桁條開口向上時，載重較接近剪力中心，扭轉變形較小，惟較易積水積塵。當槽型桁條開口朝下時，載重距離剪力中心較遠，較易發生扭轉變形。若槽型桁條開口部交互配置，可抵銷部分因載重偏離剪力中心所產生之扭轉變形。

5.是否會產生偏心應力(例如：接頭各桿件未交於一點)。

6.檢核構材各元件局部挫屈(寬厚比)及整體挫屈。

7.撓度及振動之影響是否會超出使用限度。

四、天車道梁設計步驟

天車道梁承載天車的垂直向及水平向力量，所以須考慮雙向彎矩組合設計。天車水平側向力作用在道梁上鋼軌頂高程而產生扭矩，通常簡化計算，將此側向力直接作用在天車道梁上翼板，但AISE Technical Report No. 13要求必須作用在鋼軌頂面上，則如圖3所示，作用於天車道梁上翼板之天車水平側向力Q放大為(1+e/h_f)Q，另下翼板也會有反向側推力(e/h_f)Q。

圖4為天車平面示意圖，天車橋兩端支撐條件對稱，天車橋兩端輪鞍各有2個輪子，則天車水平側向力可由4個輪鞍輪子平均分擔傳遞至天車道梁；若天車兩側道梁之側向勁度不一樣時，須按其側向勁度分配水平側向力。天車橋作用在天車道梁之最大垂直載重以及最大縱向牽引力出現在吊運車與道梁最短距離位置。

以下為未含疲勞效應時之天車道梁，安全與合理的設計步驟建議。

  1.估算控制撓度之慣性矩(Ix與Iy)要求。垂直撓度控制在L/600至L/1000以下，側向撓度控制在L/400以下。

  2.找出天車在軌道上最不利的位置，建議採用公式、圖表或以電子計算機處理此步驟。

  3.計算包括衝擊載重之彎矩(Mx及My)。一般工程師會將天車側向力，作用在天車道梁上翼板，但AISE Technical Report No. 13要求，必須作用在鋼軌頂面上，因而必須放大作用在上翼板的側向力。

  4.天車道梁斷面尺寸估算：試選鋼梁斷面滿足Sx＝Mx÷Fbx因My尚未計入，鋼梁先選擇較大斷面。

   計算鋼梁斷面符合：(Mx÷Sx)/Fbx＋(My÷Sy)/Fby≦1。

   Sy：無槽型鋼帽蓋鋼梁，取鋼梁弱軸斷面模數Sy之半；有槽型鋼帽蓋鋼梁，取槽型鋼與鋼梁上翼板組合之斷面模數或簡化僅保守取槽型鋼帽蓋之強軸斷面模數。

  5.檢核腹板側向挫屈：依鋼構造建築物鋼結構設計技術規範相關公式檢討。

以上步驟不包括道梁上的縱向牽引力，AISE Technical Report No. 13，則以鋼梁全斷面計算縱向牽引力產生的應力，通常此應力很小可以忽略不計。

五、結語

廠房結構設計與一般建築結構設計最大的差異，在載重的差異非常大，尤其是有很多設備或運轉載重(振動、衝擊、溫度等)；設計者，常誤將廠房載重比照建築結構之靜態載重處理方式設計，而造成結構體損壞或振動過大，而影響使用性。另外廠房結構之穩定系統型式，會影響施工順序，鑑於經常發生廠房在施工中倒塌，在此特別提醒設計者，將結構穩定系統較特殊者之施工順序，註明於設計圖上，讓施工者有所遵循，以防施工者一時疏忽釀成災害。