張家禎1 沈海寧 2
1 台灣威勝利股份有限公司，結構技師
2 台灣威勝利股份有限公司，設計工程師
摘要
隨著人類生活的提升，營建技術日新月異。今日的業主日益講究建築材料精緻化，也常需要更大跨度的活潑空間。在有些高科技工業廠房，則會有大載重的需求。近代建築的舞台上，藉著後拉預力技術的發展與參與，提供了建築更多樣化的造型。尤其是大跨度的室內空間，後拉預力技術提供了一個安全、經濟的結構系統。
本文將以實際的案例，介紹後拉預力技術在現代台灣建築的應用。
關鍵詞：後拉預力、先拉預力、預鑄
Application of Post-tensioning Technique
on Contemporary Architecture in Taiwan
Johnson Chang 1 Haining Shen 2
1 VSL Taiwan Ltd., Design Manager, PE
2 VSL Taiwan Ltd., Design Engineer
Abstract
As the improvement of modern living and construction techniques, the clients nowadays demand nice architectural decoration as well as column free space in the buildings. In some modern industrial factories, there are extraordinary heavy live loads. With the post-tensioning technique, various types of beautiful structural members have been successfully built in cotemporary architecture. For the long span interior space, the post-tensioning technique provides the safe and economical structural solution.
In this article with case study, it shall be illustrated the application of post-tensioning technique in cotemporary architectures in Taiwan.
Keywords: Post-tensioning, Pre-tensioning, Precast
一、前言
近半世紀以來，預力結構系統已廣泛應用在各類的構造物，包括橋樑、發電廠、住宅、辦公大樓及廠房。國內橋樑採用預力技術已頗為普遍，包括預鑄節塊工法、整跨預鑄工法、及懸臂工法，都是採用預力混凝土結構。至於造型特殊的斜張橋或脊背橋 （extra dosed bridge 或翻譯為半斜張橋），則採用了外置預力（external PT）系統。
台灣的建築近年來也有越來越多成功案例，開始採用後拉預力技術。克服建築大跨度空間的需求，同時符合業主的預算限制。
以造價來評估，住宅或辦公大樓的梁版跨度如果小於八公尺，採用鋼筋混凝土構造（RC）即可。建築的跨度八公尺以上到十四公尺，或大載重的廠房，可以考慮採用RC、鋼結構、或將預力技術應用到RC結構。
比較建造成本，鋼結構最貴，RC在梁跨度超過十四公尺時有技術上的困難，結構尺寸巨大，且張力裂縫常會超過規範的限制。此時將後拉預力技術應用在混凝土結構，可以縮小結構斷面，並減少混凝土的張力開裂。對業主與設計人而言，可說是一個兩全其美的方案
本文以礁溪老爺大酒店、長榮國際企業總部大樓、台南科學園區瀚宇彩晶廠新建工程為例，介紹後拉預力混凝土建築結構技術，提供建築結構規劃時，鋼結構與RC以外，另一個安全、經濟的結構系統。
二、礁溪老爺大酒店預力工程
位於宜蘭縣知名風景區的礁溪，甫於2005年剛開幕的礁溪老爺大酒店，樓高六樓。其典雅的外觀與氣派的大廳，令旅客印象深刻。
五星級飯店講究大廳空間氣派寬敞，塑造高貴大方的形象，同時吸引更多商機。一樓大廳挑高五點五公尺，跨度約十四點九公尺。大廳內沒有柱子妨礙視線與動線，空間規劃使用更為靈活。
考慮到鋼結構造價昂貴。以結構系統的觀點來嚴謹地評估，鋼結構其實也未必就比較耐震，本案一開始就朝向鋼筋混凝土結構系統規劃。為了增加貳樓的混凝土梁與樓板跨度，並節省鋼筋混凝土材料，本工程的梁採用後拉式預力系統。此可幫助減輕建築自重，同時也減輕了地震力。
本案較特別的是，二樓的牆採用後拉式預力，以平衡其上三到五樓的牆所承擔的荷重。由此可以看出結構設計者的用心與功力。其規劃配置如下:
圖1礁溪老爺酒店後拉預力規劃配置
本案所採用的預力鋼絞線符合ASTM A416 GR. 270規格，直徑12.7mm，低鬆弛預力鋼絞線。後拉預力端錨採用VSL EC 5-7s及5-12s，此端錨同時使用於施力端（stressing end）及固定端（fix end）。套管採用鍍鋅波紋套管，外徑有50mm及70mm兩種。
後拉預力的作業細節於施工前先詳細規劃。包括施拉順序、千斤頂施拉值、鋼絞線伸長量及預力損失均先妥為計算。預力工程所使用之機具包括千斤頂、油壓幫浦及灌漿機等。
施工前先畫妥施工圖。依據施工圖規劃的預力鋼鍵垂直及水平位置，在模板上作記號，排設套管。為確保現場安裝的預力鋼鍵吻合設計線型，適當水平及垂直間距提供固定鋼筋，給予套管及鋼鍵適當的支撐。套管放置於固定鋼筋上，並用鐵絲綁緊，避免灌漿時因振動而造成移位。
千斤頂在進行施拉作業前須作校正，且每隔六個月須重新校正一次。預力施拉時，依施工圖指定之施拉順序，進行鋼鍵之施拉。施拉報告完成後，經由專業的預力工程師檢查無誤，提送監造單位審核。在報告核准後，才進行切線。
圖2 預力施拉 圖3 預力施拉完成切線
三、長榮國際企業總部大樓
長榮國際企業總部新建工程，位於桃園。為地上十層，地下兩層之鋼筋混凝土結構。在建築設計階段，業主要求大範圍無內柱空間，需要約19公尺*24公尺的大跨度無柱空間，以符合其260人座位的演講廳、主管辦公室、及員工會議、辦公空間等靈活需求。使其室內空間在運用上更具彈性。兼顧業主空間要求及預算限制，經過業主、建築師、顧問公司及營造廠充分討論與評估，最後決定採用預力混凝土梁解決此大跨度（19.7m）的需求。主要原因在於鋼骨結構造價太貴了，且預力梁深僅65cm，可以維持業主要求的室內淨高。每一樓層扣除電梯間及樓梯間後，約有470 m2之無柱空間。
圖4 施工現場預力梁配置情形
結構採用預力設計後，每一層樓各有九支預力梁，尺寸均為80*65cm。樓版則維持為一般厚度15cm之鋼筋混凝土版，本案採用的混凝土強度僅為280 kgf/cm2，雖然與國內一般鋼筋混凝土造建築工程採用混凝土強度相同。但是與國內一般採用預力工法所使用混凝土設計強度至少350 kgf/cm2相比，強度來的低許多。所以混凝土澆置後，須等待較長時間，大約6~7天才能達到允許施預力所需之混凝土強度。如果在預力工程中，採用搭配較高強度之混凝土，通常除了工期縮短，在結構尺寸方面也可以有進一步精簡。
在施工方面，加入預力工項後，各工班進場順序的安排與傳統鋼筋混凝土大致相同，只是預力材料安裝與鋼筋模板工班要相互協調配合。預力套管、防爆鋼筋、梁柱鋼筋及其他預埋管線之間位置，需要先行檢核，最好要先繪製施工圖。現場已安裝的預力套管，要避免受到其他施工人員或機具之擾動，而偏離原設計位置。此類界面必須於施工前溝通協調，規劃各工班在施工時配合，可以加快現場作業速度，提升管理上的整體效益。
圖5 預力端錨處防爆鋼筋設置
圖6 預力套管於梁中配置情形
圖7 預力施拉完成，端錨準備封頭
四、瀚宇彩晶CUB廠預力樓版
瀚宇彩晶四廠新建工程，位於台南科學園區。原設計為地下一層、地上四層的鋼筋混凝土結構，每一層樓版面積大約是220 × 55 m2，樓層高度壹樓為九公尺，其餘各樓層均為八公尺。結構系統採用台灣一般常見的梁柱抗彎矩構架系統，標準柱距在兩軸向均為10.8m。除大梁外，每一跨並設計雙向各有兩支小梁。
此建築特別之處，除樓層高度與柱距較一般商業大樓為大之外，其設計活載重隨分區使用需求不同有較大的差異，部分樓版甚至高達每平方公尺三點五公噸（3,500kgf/m2）。因應此大載重，原鋼筋混凝土設計所需之主梁深達一點八公尺，小梁亦深達一公尺，設計鋼筋量亦較一般結構高出甚多，在考慮工期、成本及使用空間限制之條件下，經過詳細價值工程的分析，保留原梁柱構架系統，而以預力樓版替代原設計鋼筋混凝土小梁及樓版，主要因素有:
(一)滿足工期方面之要求 − 配合使用較一般強度高之混凝土（fc’=350kg/cm2），待其達一定早期強度後，即可施拉預力。施拉完畢後樓版已設計可承受自重及施工載重，故可提前拆模並移除下方支撐架，則模板及支撐系統週轉速度加快且鋼筋用量、模板型式大幅減少，一併解決技術工不足及施工成本高的現況。
(二)小梁取消後，使用於樓版之模板型式簡化，無需組設小梁底模及側模，樓層淨高增加，提高空間使用彈性並利於管線配置安裝。
(三)結構系統方面，原梁柱抗彎矩構架系統不變，同時結構自重減少，減輕基礎負荷，不因變更設計影響耐震力。此外，樓版變形量可利用預力工法中預拱的特性而加以平衡[1]。
(四)經價值工程評估後，預力樓版的替代設計，在結構安全性、工期及空間使用方面滿足業主需求。即使加入預力施工工項後，對整體營建施工成效而言，無論在材料及人工方面均能有所助益。
圖8 樓版預力系統示意圖
本案設計基於部分預力（partially prestressed concrete） [2]之設計原則，除依據ACI 318-95規範[3]進行容許應力以及極限強度之設計，並檢核結構使用性（Serviceability），包括撓度及裂縫寬度控制等。分析程式採用有限元素法分析程式，適用於版狀元素之詳細分析及輔助設計，對於設計者而言，可較一般近似分析法得到更為精確結果，對於版的變形、預力鋼鍵線型與有效預力均有極佳之掌握。
除了結構使用階段各種載重分析，施工階段亦是設計重點之一，經由適當的規劃與設計，預力樓版在預力施拉完成後即可承受自重以及各種施工載重，則傳統鋼筋混凝土施工時所需的大量回撐系統可減少，後續水電等工程亦可提早進場施作。
圖9 預力樓版鋼鍵配置示意圖
施工規劃方面，考量本案樓版每一層面積大小、混凝土乾縮裂縫控制及預力鋼鍵之有效運用，選擇在長向每三分之一處設置施工帶，亦即後澆置帶。則每一樓層共區分為三個施工區，每一區面積約為65 × 55 m2 。同一樓層三區先按規劃順序分區施作完成，最後再回頭進行施工帶之施作。施工週期（cycle time）方面，配合每一施工區樓板面積及灌漿需求量，配合工班的人員及工期規劃。依序施工。
圖10 單人可操作之單槍千斤頂
在工地管理上，除一般注意事項外，與後拉預力工法相關的要點在於現場鋼鍵線型的控制，以25cm厚樓版為例，扣掉混凝土保護層、普通鋼筋及預力套管厚度，實際鋼鍵垂直線型的上下變動不超過16cm，斷面偏心距約8cm，所以套管高程需要按圖放置並加以固定，以減少主預力彎矩（primary moment）的誤差。目前台灣工地常用的套管材料為剛性套管，具有相當的強度。但已安裝的套管仍然要避免現場人員或機具等重物的輾壓。
圖11施工區樓版預力套管配置
此外，設計鋼鍵水平線型一般為直線，現場應於穿線後再次檢查確認套管是否有受穿線動作的影響而扭曲，否則鋼鍵伸長量及有效預力亦會與設計值相異。其餘應注意的現場重點，包括千斤頂定期校正、預力材料（套管、鋼鍵、錨具、套管灌漿材料）品管以及防爆鋼筋的設置。
圖12 預力端錨預埋及穿線 圖13 樓版澆置混凝土
圖14:準備預力施拉 圖15 單槍千斤頂逐條施拉鋼鍵並做紀錄
五、結論
依據上述幾個近年來台灣採用後拉預力技術的建築案例，將其應用經驗整理歸納如下:
1. 與傳統鋼筋混凝土相比較，大跨度建築，採用後拉預力降低成本、縮短工期，只是在營造階段的短期效益。與鋼結構相比，因爲採用後拉預力，使得大跨度的建築還是可以維持採用鋼筋混凝土結構，而不是迫使業主一定要用比較貴的鋼結構。
2. 一般的住宅用辦公大樓，梁版跨度八公尺以下，採用RC構造即可。梁版跨度九到十三公尺是中間地帶，可能採用RC比較划算；也可能採用預力比較划算。跨度十四公尺以上，採用預力混凝土比RC造價便宜，鋼結構最貴。至於大的活載重時的工業廠房，即使跨度只有約十公尺，採用後拉預力之鋼筋混凝土構造仍有可觀的效益。
3. 因為預力技術採用後拉，澆置混凝土的方法，仍與傳統鋼筋混凝土構架相同，現場連續澆注。結構耐震系統的規劃，還是維持在常用的鋼筋混凝土抗彎矩構架系統，或剪力牆搭配鋼筋混凝土抗彎矩構架的二元系統。
4. 材料成本: 將混凝土、鋼筋、模板、及預力材料加總比較，材料成本並未增加。主要原因在於鋼筋量大幅減少及模板簡化。
5. 施工成本: 模板系統及鋼筋配置簡化後，提高了施工效率，並減少人工成本，後續工項如各類外置管線及帷幕牆亦可提早進場施作。
6. 建築拉大柱子的距離，或小梁取消後，無視覺阻礙的空間大幅增加，動線暢通，也使空間更能靈活使用。機電管線安裝或裝潢也更加容易。
7. 近年來許多建築業主十分在意室內淨高度。採用預力技術可以減少混凝土梁的深度，室內淨高因而增加。對於室內挑高的要求，有相當助益。
8. 預力系統是結構整體強度重要的一個環節。預力工法專業度高。建築預力細部設計、施工團隊需要相當的專業資歷。為顧及結構安全，應選擇具有經驗的專業預力承包商包商。
參考文獻
1. Hans-Rudolf Ganz, Post-Tensioning Buildings in Seismic Regions – Experience and New Trends, September 2004.
2. Arthur H. Nilson, Design of Prestressed Concrete, 2nd Edition.
3. ACI318M-95, Part 5 Structural Systems or Elements, Chap. 18 Prestressed Concrete.