柱墙梁楼板系统之模板工法研究.docx

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柱墙梁楼板系统之模板工法研究

IOSH88-S323

柱-牆-樑-樓板系統之模板工法研究

ResearchonConstructionMethodsofFormworkin

aColumn-Wall-Beam-SlabSystem

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所編印

IOSH88-S323

柱-牆-樑-樓板系統之模板工法研究

ResearchonConstructionMethodsofFormworkin

aColumn-Wall-Beam-SlabSystem

研究主持人：

施一鳴

計畫主辦單位：

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

研究期間：

中華民國八十七年十月一日至八十八年六月三十日

印製日期：

中華民國八十八年六月三十日

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所編印

統一編號

033144880364

柱牆樑樓版系統之模板工法研究　ＩＯＳＨ８８　Ｓ３２３　行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所　編印

摘要

模板倒塌災變在營造業重大職業災害中是影響最為深廣的一種。

為能對模板倒塌職災提出有效的防治對策，在本研究中藉由對相關文獻法規的探討回顧、檢視我國現行傳統式模板工法在規劃設計與施工組裝方面的缺失及分析檢討職災案例等方式，發掘出模板倒塌災害之發生原因主要是營造及模板業者未遵守安全法規，及現行模板支撐系統中存有對穩定性不利之危害因子，但是該潛藏因子卻未被有效的辨識出來並適切的反應於相關安全規範中。

有鑑於此，在本研究中提出對部份營造安全法規的修訂建議，並對潛藏危害因子提出後續研究的方針建議。

關鍵詞：

模板支撐、倒塌、大面積混凝土灌漿、複合式模板支撐系統、營造安全

Abstract

Formworkcollapseisthemostseveredisasterinoccupationalrelatedaccidentsincivilengineering.Tobeabletomoreeffectivelypreventitfromhappening,itscauseshavebeendiscoveredinthisresearchthroughliteraturesreview,detectingflawsinprocessesofplanning,designandconstructionofformworksupport,andcollapsecasesreview.Themajorcausesare

（1）disobedienceofsafetylawbyengineersandconstructiontechnicians,and

（2）somefactorswhicharedisadvantagoustosystemstabilitybuthavenotbeencompletelyidentifiedandreflectedinsafetyregulations.Suggestionsonamendmentofsafetyregulationareproposedinthisresearch.Inaddition,aguidelineforfutureresearchonunidentifiedunsafefactorsforsupportsystemisalsosuggested.

KeyWords:

Formworkshoring,Collapse,Largeareaconcreteplacing,Complexformworksupportsystem,Constructionsafety

目錄

摘要i

Abstractii

目錄iii

圖目錄v

表目錄vi

第一章緒論1

第一節前言1

第二節研究動機、目的與範圍1

第三節研究方法2

第二章相關文獻及法規之探討3

第一節專有名詞解釋3

第二節模板支撐之設計載重6

第三節模板支撐之施工與安全性7

第四節支撐系統承載力與力學行為之研究7

第五節模板倒塌預警系統之研發9

第六節國內外相關法規之比較探討10

第三章我國現行傳統式模板工法之探討15

第一節模板支撐之規劃設計15

第二節模板支撐之施工組裝16

第四章模板倒塌職災案例回顧20

第一節案例回顧與分析20

第二節災害原因檢討歸納30

第五章結論與建議33

第一節結論33

第二節建議34

誌謝36

參考文獻37

附錄--美國、加拿大營造安全法規摘錄40

圖目錄

圖1可調式鋼管支柱示意圖3

圖2鋼管施工架示意圖4

圖3傳統式模板系統示意圖5

圖4複合式模板支撐系統示意圖5

圖5變形之可調鋼管支柱17

圖6支撐架鋼材以鐵絲聯結17

圖7未依規定設置水平繫條18

圖8複合式模板支撐系統19

圖9自來水配水池工程模板倒塌27

圖10自來水配水池工程模板支撐未設置水平繫條28

圖11某新建醫院模板倒塌29

圖12桿件聯接處未設防滑脫裝置32

圖13斜撐設置位置不適當32

表目錄

表1可調式鋼管支柱規格表3

表2鋼管施工架規格表4

表3災害原因歸納表30

表4模板支撐系統特性表31

第一章緒論

第一節前言

在現代建築中，混凝土幾乎是不可或缺的材料，而模板則是將混凝土塑造成固定形狀以達成其設計功能目標所必要之工具。

因此，模板作業在營建工程上之費用一般約佔總工程費之百分之二十五以上，而由其所衍生之事故損失也是最嚴重[1]。

模板倒塌事故的肇因可大致分成人為疏失及技術能力不足兩大類，而一般之模板工程通常由專門從事模板組裝之模板業者負責承包施做，一般工程人員由於對其作業不夠瞭解，在監工上往往無法仔細與深入，因此對於因模板業者的疏失所導致的災害事故無法於事前有效預防。

從另一方面來看，模板的功能是階段性的，在混凝土澆置完成並固化後模板即被拆除，因此其在本質上屬臨時性、消耗性的構造物，且其所承受的作業載重一般而言遠低於永久性結構物所承受者，所以國內長久以來對於模板及其支撐結構的力學行為的研究相當缺乏，而且一般工程業界對於支撐結構的設計也不甚重視，僅由模板承包業者依其過去的工作經驗來組裝搭設模板及其支撐。

然而，隨著工程材料的研發改進及施工技術的開發更新，國內目前的建築有朝高挑空、大跨距及大面積等方面演化的趨勢，而在面對這些新興建築方式時，不僅傳統式模板業者的技術能力無法充分配合，結構設計業者及工程監造單位對於影響支撐系統穩定性的部分危害因素亦無充分之瞭解。

第二節研究動機、目的與範圍

在國內營造業發生職業災害的案件當中，因模板倒崩塌而致職工傷亡的比例雖然不是最高，但是若從影響的層面來看，模板倒塌災變不僅在財務上將導致機具、設備、材料等之龐大損失及使得整體施工進度受到影響而停滯，並且更將在單一事故中同時造成多數工程人員之傷亡，甚至發生損鄰及危害公共安全等事件，其影響範圍及深度實遠大於發生機率最高之墬落滾落職災。

從災變的肇因及可採行的預防措施來考量，墬落滾落災變多是人為因素而產生，其肇災機制是非常明確且可預期的，不論是僱主對施工場所安全性的重視度不足而未能提供適當的安全防護措施，或勞工本身對在工作場所應有的安全意識不夠而有不安全之行為而導致，均可由加強工地之安全管理及提高勞工本身之安全意識等來改善及預防。

反觀，導致模板倒塌的真正原因則仍是不十分明確的。

在表面上，模板支撐系統失敗是導致模板倒塌災變最直接的原因，但是在根本上造成支撐系統失敗的因素則是無法下定論，可能的因素包含有施工組合模板支撐時人為的失誤、設計載重小於實際之施工載重及不適當的結構束制設計等，而且在不同的案例中可能係由不同的原因所造成。

前述諸因素嚴格來講均屬於人為因素，其中第一項可以藉由加強勞工之專業職能訓練及嚴格工地安全管理來避免，但是第二及第三項並不是單純地由於設計人員的專業知識不足所致，也有可能是由於某些對支撐系統承載力及穩定性有不良影響的潛藏危害因子未被適當地在相關法令規範上被提示出來，以致設計人員未能做出適當反應。

因此，本研究計畫的主要目的乃在於發掘調查現行傳統式模板工法中支撐系統的潛藏危害因子，並研擬相對之防治對策作為將來修訂相關營造安全法規之參考，以提高混凝土工程之施工安全性。

第三節研究方法

為達成本研究計畫之目的，首先必須調查瞭解發生模板倒塌的模式，將其與理論及實驗結果互相結合印證，據以分析判斷引起模板支撐失敗的可能機制。

因此，本研究計畫實施之步驟分為：

1.相關文獻與法規之探討

針對國內外在支撐結構力學行為方面的理論與實驗研究之文獻報告做一廣泛性地回顧與探討，期能對不同型態支撐系統的受力後行為有所瞭解。

另外，亦將探討摘錄國內營造安全相關法規在模板支撐方面的規定，俾為後續檢討其適用性之需。

2.我國現行傳統式模板工法之探討

藉由對營造工地的現場訪視，探討國內目前所採用的傳統式模板支撐之型式、模板業者組裝架設模板支撐的情形及在澆置混凝土過程中的實際施工情況，期能對實際作用在模板支撐系統上的載重有一通盤性的瞭解，並檢討其與一般設計上所考量者之間的落差對支撐結構穩定性的影響。

3.模板倒塌職災案例回顧

針對近年來所發生的數起模板倒塌災變進行回顧檢討，期能從中發掘隱藏在表面原因下之可能的真正肇災機制，另外並將分析存在這些案例中的共通特性，期能藉此發掘出現行營造安全相關法規在規範模板支撐施作上的不足之處。

各步驟之內容將於以下各章節中詳細敘述；另外，在最後一章中將就本計畫所得成果做一綜合性的結論，同時並研提法規修訂之相關建議。

第二章相關文獻及法規之探討

第一節專有名詞解釋

本研究計畫報告中所使用之模板支撐相關專有名詞，將在本節中依據與國內法規[2][3]使用名稱一致性之原則，做統一之解釋說明。

1.可調鋼管支柱：

係供模板支撐用之管式支撐（pipesupport），置有腰管、插入管、調節螺絲、支承梢、承板及台板等構造，各部構件詳如圖1所示。

依其使用長度範圍之不同，可調鋼管支柱可分為五型，詳如表1。

圖1可調式鋼管支柱示意圖

表1可調式鋼管支柱規格表

種類

最大使用長度（mm）

第1型

3850以上、未滿4000

第2型

3350以上、3500以下

第3型

2950以上、3100以下

第4型

2550以上、2700以下

第5型

2200以下

2.鋼管施工架：

做為模板支撐用之鋼管施工架係指「框架式鋼管施工架」，在國內市場上一般而言可分為標準型與簡易型兩大類，其各部構造分別詳如圖2所示，尺寸則列於表

2。

圖2鋼管施工架示意圖

表2鋼管施工架規格表

種類

構造尺寸（mm）

寬度

高度

簡易型

410

600

610

750

762

1600

1700

1725

1800

標準型

900,914

1200,1219

1600,1625

1700,1725

1900,1925,2000

兩者在功能上的最大差異為標準型的最大標稱載重大於簡易型，且標準型因有較大的寬度而較簡易型有較高的穩定性，但是標準型在重量及單價上均高於簡易型，以致標準型雖然功能性較佳，在國內市場上仍以簡易型的使用率較高，一般是在高挑空建築的情況下被利用來做為模板支撐系統的下層基座。

3.傳統式模板系統

如圖3所示之模板系統為我國營造業者目前所廣泛採用者，其具有運用較靈活及比較經濟等優點，但因其運送及組裝時需進行細部拆卸分解，故施工速度較慢。

圖3傳統式模板系統示意圖

4.複合式模板支撐系統

在高挑空建築施工中，其樓板淨高超過單根木支撐或可調鋼管支柱的長度，且亦可能不是鋼管施工架高度的整數倍，因此在我國營造業通常採用兩種支撐桿件的聯合系統來做為模板支撐，其構造詳如圖4，下層結構由鋼管施工架構成底座，上方支以木支撐或可調鋼管支柱。

圖4複合式模板支撐系統示意圖

第二節模板支撐之設計載重

在本節中，將探討有關模板及支撐之設計與施工的文獻論述，尤其是在設計載重與自動檢查技術方面。

模板在施工過程中所可能承受的載重可概念性分類如下[1][4]：

靜載重部分，混凝土與鋼筋的重量通常一起考慮，可依材料的單位重量及構件尺寸計算而得。

模板的自重事實上除了模板本身外尚須包括其他構材之重量，如托樑、擱柵及撐材等，該重量通常因為與混凝土及鋼筋的重量相較之下小很多而在設計支撐時略去不計，但是在特殊情況下模板的自重部分可能必須計入考量，例如在設計超高挑空之下層模板支撐或是極深樑的模板支撐時。

承上所述，靜載重一般而言均是作用在垂直方向上的，且在設計載重的估算上是較能得到精確結果的部分，而非如活載重般充滿變異性與不確定性。

至於模板所承受的活載重部分，由於缺乏本土化之有系統的研究，目前所引用的估計方法及數據大部分都是沿用美國ACI347委員會或日本假設工業會[1,4,5,6]所編定者。

施工載重包含混凝土澆置作業中人員及機具重量的垂直載重及施工機具起動停止的水平載重。

衝擊載重為混凝土自澆注口落至模板上因落差所產生對模板的衝擊力，大部分為垂直載重小部分為水平載重，其比例依澆注口至衝擊點連線與模板間的角度而異，但是為避免混凝土粒料的分離，該角度在一般工程施工中都儘可能控制在接近90度，因此水平載重在衝擊載重中的比例可忽略不計。

振動載重之來源可分成兩大部分，一為混凝土搗實過程中所使用的振動器所產生對模板的振動力，另一為混凝土輸送管在壓送過程中所產生對模板的反復作用力。

搗實振動力的作用將局部增加混凝土的內部壓力，因此一般僅在設計模板厚度時須加以考慮而不須計入模板支撐的設計載重。

混凝土輸送管振動力的作用方向在平行於輸送管的方向上，其垂直部分一般均可直接經由輸送管本身而由固定於地面或永久結構物上的裝置來承受，但是水平部分則因懸於空中而須借助其他臨時性的構造物來承受，因此可能有必要將其計入模板支撐的設計載重中。

在風力載重部分，其係作用在受力面的垂直方向上，因此對於牆模板而言為水平（側向）力，對於樓版模板而言則為垂直力，但是在考慮樓板之模板支撐時，作用在牆模板上的風力將藉由樓版傳遞而為支撐之水平力。

活載重的數值大多可以逐項估計而得，ACI347委員會[6]對模板總垂直活載重的建議值為最小245kg/m2，且總垂直活載重與靜載重之合計不得小於490kg/m2。

對樓版模板所承受之因施工及風力所產生的水平載重，ACI之建議值為沿模板邊緣每單位長度150kg/m或總均佈靜載重之2%，取其大者。

在本土研究中，顏聰等[7]發現設計支撐構造時應考慮至少800kg/m2的垂直載重，及50kg/m2以上的水平載重以涵蓋混凝土輸送管振動及地震力。

第三節模板支撐之施工與安全性

在模板支撐的施工組合方面，文獻[1,5,6]對從規劃、設計以至施工等各階段均有詳細、有系統的說明，但是對於與施工作業安全相關的議題則未論及。

有關目前國內使用最廣泛的鋼管施工架模板支撐系統之安全性調查研究最早始於高建章等[8]，其後在民國八十年間，行政院勞工委員會委託顏聰等[9]研提施工架及模板支撐的作業安全檢討原則及建立相關自動檢查技術，他們提出了一套周延且簡要易行的自動檢查表，內容涵蓋了支撐桿件材料的定期檢查、支撐系統的架設前檢查、架設時檢查及使用中檢查。

另外，陳瀛洲、吳嘉恆、顏聰等[10,11,12]亦分別針對鋼管施工架於工地實地施工情形、臨時支撐之自動檢查、權責界定和責任歸屬等問題進行調查研究，發現國內工地對於支撐系統的搭設方式主要是憑藉施工人員的經驗來決定。

在高樓建築的施工安全性方面，吳世雄等[13]針對混凝土澆置過程中因混凝土輸送管的振動所產生的問題進行探討及擬預防對策，他們建議混凝土輸送管應避免繫於模板支撐上，並提出一些減少模板水平衝擊力的建議。

在規範合格模板支撐材料的使用方面，行政院勞工委員會於民國八十七年編定了「臨時架設物安全設施構造及試驗相關基準」[14]，以能更加確保營造業勞工之安全。

第四節支撐系統承載力與力學行為之研究

有關鋼管施工架作為模板支撐之承載力與力學行為的研究，在美國方面以理論分析研究[15~19]為主，較缺乏相關之試驗資料及與實際施工狀況間之配合。

國內在相關課題的本土化研究上，近年來不論是在理論分析或試驗調查方面均有相當豐碩之成果，一方面進一步充實本土化支撐架研究之基礎資料，另一方面更可直接提供做為設計及施工之參考。

高建章等[8]分別對單組單層及一架間1~4層之鋼管施工架進行一系列的承載力試驗，所得數據可做為鋼管施工架支撐設計之參考。

在試驗中同時發現，底部邊界條件之缺陷影響承載力甚巨，及高、低荷重兩種破壞挫屈模式均在底層產生大變形。

紀人超[20]除對簡易型鋼管施工架在實驗室進行單片及一架間一至三層之承載力試驗外，另於實驗室外進行五排四架間五層之大型全尺寸載重試驗。

結果發現，一架間二層以上之破壞模式為面內（inplane）方向之彈性挫屈及破壞時將發生可目視之變形。

除實驗室之試驗成果外，詹次洚[21]曾提出以數值分析方法來預測鋼管施工架之承載力，利用迭代法求出不同層數鋼管施工架之極限載重及挫屈模式。

有關施工過程中模板支撐系統反應行為的研究方面，顏聰等[7]及林雍智[22]針對混凝土灌漿步驟及路徑對支撐承載力的影響加以探討。

由對二十個工地的實際調查中歸納出五種經常被採用的澆置混凝土模式（即灌漿步驟及路徑），再依此五種模式對一5mx5m單層全尺寸鋼管施工架支撐系統進行一系列的載重試驗，以探討各種灌漿模式所導致的系統不規則載重對系統中各支撐桿件受力變化之影響。

該實驗所得成果不僅可應用在施工技術上，利用妥適規劃灌漿路徑以降低模板支撐桿件之受力，更可提供作為設計時有關安全因素選定之參考。

針對偏心載重、頂層側向位移等因素對鋼管施工架支撐系統承載力的影響，顏聰等[23]及蔡慰龍[24]之研究試驗發現，一架間鋼管施工架組合單元之極限承載力不受偏心載重之影響，且若該施工架頂層的初始側向位移在30cm以內，則在頂部及底部皆有側向位移束制的情形下整體承載力所受影響不大。

但是，底座高低調整器對整體承載力的影響則甚鉅，良好的抗彎束制可使承載能力提高17%~30%。

另外，顏聰等[25]及巫昆霖[26]曾對高挑空支撐系統的承載能力提出探討，重點之一在於鋼管施工架支撐與頂部木材支撐間之互制影響。

實驗結果發現，若鋼管施工架頂端無側向支撐，則當模板垂直載重增加至一定程度，將造成鋼管施工架支撐頂端的過大側向變位，木支撐因而不穩滑落導致整體系統的失敗；此時，該鋼管施工架與木支撐所組成的聯合支撐系統的承載能力較單純鋼管施工架支撐系統約折減75%。

若鋼管施工架的頂端受到側向位移束制，則其破壞模式與單純鋼管施工架支撐系統相同，為鋼管之彈性挫屈。

值得特別注意的是，為達成鋼管施工架頂端的側向位移束制所須的支撐力並不大，在實際工地中可輕易做到，而其在提高模板支撐系統承載力上的效益卻是非常大的。

第五節模板倒塌預警系統之研發

在模板倒塌職災的防治上，預警系統的研發是非常重要的一環。

到目前為止，有兩套系統構想分別被提出，一為根據桿件應力的變化，另一則根據桿件自然振動頻率的變化。

顏聰等[25]及巫昆霖[26]在一系列鋼管施工架支撐的試驗中發現，在相同層數鋼管施工架支撐中，單一根鋼管之極限承載力不因架間（bay）數及排（set）數的增加而有顯著差異。

因此，利用觀測單根鋼管上應變計所讀得的荷重值，應該可以做為鋼管施工架支撐倒塌之預警系統，但是應變計安裝位置之選定則須考量灌漿路徑等不確定因素的影響。

相對於大部分有關模板支撐系統力學行為之研究的焦點偏重於載重與系統變位間之關係，楊永斌等[27~30]的研究重心則是偏重在對鋼管施工架支撐的動力特性探討。

若鋼管施工架的破壞模式屬於彈性挫屈，則當載重趨近極限承載力時，鋼管施工架的自然振動頻率將因勁度之降低而隨之降低，因此可藉由觀察支撐系統基本振動頻率之變化來偵測載重是否已接近系統承載力，而進一步提供做為支撐系統破壞倒塌的預警。

在他們的研究中，此套預警系統理論的可行性先後經由實驗室縮小模型試驗及數值分析等方式來加以驗證，其結果為正面的。

他們同時發現，當系統自然振動頻率的平方下降至加載前的四分之三時，載重約已達系統極限承載力的百分之七十，此時即應發出預警訊號。

此套預警系統若應用在實際工程上，須於模板系統組立完成後即量測支撐的自然震動頻率作為比對基準，然後在混凝土灌漿過程中隨時量測支撐系統自然震動頻率的變化，以決定何時該發出警告訊號並疏導施工人員離開現場。

楊永斌等[27~30]所提出之模板支撐倒塌預警系統雖然在理論上是可行的，但是在推廣應用到實際工程上仍有若干困難尚待克服。

首先，須考慮量測自振動頻率的微震量測儀應安裝在那些支撐桿件上。

在工程現場，依目前的科技尚無法預測那些桿件是最脆弱、最容易挫屈的，因此除非不考慮經濟性而對所有的支撐桿件均安裝微震量測儀，否則此套預警系統即失去其可靠性。

其次，不論是加載前或加載中從工地現場微震量測儀所讀取的數據資料可能並非桿件自然震動頻率的正確值。

此部份誤差的主要來源為工地現場無法避免的其他震動源的干擾，例如工地鄰近的震動機、夯實機或其他重機械運動所造成的震動等。

因震動頻率的差異，這些震動源個別對支撐系統自然震動頻率量測值的影響亦將不同，而更複雜的是這些震動源的總合影響是隨著時間而改變的。

因此，除非是能發展出將所有震動源隔絕的技術（此乃不可能，因支撐系統直接承受所有施工載重，包括衝擊及震動載重），否則即須確切評估其他震動源的影響並列入對自然震動頻率量測值的修正考量。

換句話說，直接套用量測值以作為發佈預警的依據並不適切，然而依工程環境的干擾而修正量測值的相關觀念與技術並未列在楊永斌等[27~30]的研究考量中。

因此，利用支撐系統自然震動頻率的變化來作為模板支撐倒塌的預警訊號，在學理上可行但是在實際應用上仍然有待技術上的突破。

另一個與預警系統之實用性有絕對關係的是所採用之模板支撐倒塌機制的正確性，亦即唯有實際發生模板支撐倒塌的機制與理論上所假設者一致或很接近時，上述模板支撐倒塌預警系統才能發揮預期的功能性。

但是，根據對模板支撐實際施作組合過程的了解，支撐配置的間距一般而言均不大，亦即每根支撐所分配承受的重量不大，故純粹由於支撐桿件的彈性挫屈而致模板支撐倒塌的可能性並不高，除非是在極大挑空所產生非常細長支撐的情形下。

不過，即使是在高挑空的情況下，單根支撐達到臨界載重而挫屈也不是唯一的破壞機制，其他尚有可能因側向力導致側向位移而引起結構穩定分析上的P-效應及因不均勻載重所引起的整體扭轉性挫屈等。

所以，楊永斌等[27~30]所研發的模板支撐倒塌預警系統要應用到工程實務上在目前而言仍屬非常困難。

第六節國內外相關法規之比較探討

在本節中，將針對我國、美國及加拿大等國在模板工程安全方面之做法，在相關法規上做一探討比較。

1.我國之相關安全法規

在我國勞工安全法規中，與混凝土澆置及模板支撐等施工作業安全有關係者主要是在行政院勞工委員會所制定之「營造安全衛生設施標準」[2]第九章（115條~132條），部分條文摘列如下：

第117條雇主對於模板支撐，應依左列規定：

1、模板支撐應依模板形狀、預期之荷重及混凝土澆置方法等妥為設計，…。

2、支柱應視土質狀況，襯以…，以防止支柱之沉陷。

3、支柱之腳部應予以固定，以防止移動。

4、支柱之接頭，應以對接或搭接妥為連結。

5、鋼材與鋼材之接觸部分及搭接重疊部分，應以螺