《地震:火環帶上的臺灣》:台灣第一高樓「台北101」如何抗震?

《地震:火環帶上的臺灣》:台灣第一高樓「台北101」如何抗震?
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要使建築屹立不搖,先進的建材與技術並非唯一關鍵,品質管理與監造制度也非常重要。從這方面來看,台北一○一的成就不只在於高度,也在於它為工程界所立下的典範。

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文:林書帆

台灣第一高樓如何抗震?

本章第一節曾介紹過耐震、制震與隔震的區別,也許有人會好奇,台灣第一高樓台北一○一是如何抵抗地震的威脅?是否有使用高級隔震設備?答案是,台北一○一的耐震能力,主要來自其結構系統,而非制震或隔震設備。

台北一○一的特殊造型出自李祖原建築師的手筆,八層樓為一斗的外觀如竹子般節節高升,不過要使這棟高達五百零八公尺的建築「內在」也如竹子般堅韌,得靠結構工程師在結構安全上下工夫。

永峻工程顧問公司是這棟大樓能屹立於地震帶上的幕後功臣。現任董事長謝紹松是台北一○一結構專案負責人及簽證技師,曾在加州洛杉磯執業,當時便有設計三十層樓以上鋼結構大樓的經驗,加州與台灣同樣位處環太平洋地震帶,因此結構設計上也需要耐震考量,但在台灣蓋高樓,要考量的不只有地震,還有颱風,而抵抗這兩種自然力的結構需求又互相矛盾:把建築設計得較硬、較重能夠抗風,但愈硬、愈重的建築地震時承受的慣性力愈大、愈不容易設計,結構工程師的挑戰便是如何做到「軟硬適中」。

在設計台北一○一前,永峻工程顧問公司已經有和林同棪工程顧問公司合作設計長谷世貿聯合國大樓、高雄八五大樓等高樓的經驗,但台北以沖積盆地為主的軟弱地層,對台北一○一這類深開挖工程來說,是颱風與地震之外的第三個挑戰。也因此雖然台北一○一世界第一摩天大樓的頭銜已於二○○七年被杜拜的哈里發塔取代,但以所要克服的工程難度而言,仍是極罕見的例子。

謝紹松表示,台北一○一在設計階段曾參考紐約一家工程顧問公司設計的一二六層大樓,這棟最後並未興建的大樓原本預計蓋在芝加哥,芝加哥跟紐約一樣沒有地震,因此高樓多採用鋼筋混凝土構造(RC),以減少高樓因風晃動的幅度,但台北一○一屬於鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)與鋼骨構造(SS)的混合體,結合混凝土的堅硬與鋼材的韌性,結構系統則選用由巨型柱及巨型梁組成的「巨型結構」(megastructure)。台北一○一雖然有一○一層,但整座大樓共有十四層沒有做為辦公室使用,這十四層的作用除了設置空調等機電設備、消防避難平台及儲存防災用品,結構設計上也利用這些樓層設置了許多斜撐,連結中央的核心柱與外圍的巨柱,就如同人的脊椎骨般,讓台北一○一站得又直又穩。

台北一○一共有十六根核心柱,以及外圍的八根大巨柱、十二根小巨柱。最大的巨柱尺寸為三乘二.四公尺,幾乎是一個小房間的大小,使用的鋼板最厚達八公分,並在六十二樓以下的高度灌注每平方英寸承重一萬磅的高性能混凝土,讓建築物符合上輕下重的原則。六十二樓的高度是經過精密計算的結果,讓巨柱的強度足以撐起大樓本身高達七十萬噸的重量,整棟大樓又不至於太硬。

這三十六根柱子下是一大塊實心基礎板,核心區厚度為三.五公尺,巨柱範圍厚度為四.七公尺。實心基礎板下則是數百支直徑一.五公尺、穿過鬆軟崩積層、直達岩盤的混凝土基樁,有些基樁深達地下八十公尺。主樓因為高度較高,基樁多達三百八十支,六層樓高的裙樓也有一百六十六支。「主樓部分的基樁已經密到不能再密了。」謝紹松說。

鋼的韌性雖然優於混凝土,還是可能在地震中損壞。一九九四年洛杉磯北嶺地震發生後,鋼骨建築乍看沒有受到地震影響,直到某天一位工程師偶然取下裝修材料,才發現鋼骨梁柱接頭已經嚴重損壞。加州政府清查該區域鋼骨建築的結果,發現損壞情形非常普遍,證實了傳統鋼骨梁柱接頭無法滿足耐震需求,這是因為梁柱接頭銲接後會有應力集中,導致接頭特別脆弱,往往是大地震來時最先被破壞的地方,即使以增加螺栓等方式來提高接頭強度也沒有效果。

台灣早在一九九○年就從傳統接頭試驗結果中發現其耐震性能不足的問題,並完成高韌性鋼骨接頭的開發,初期使用案例較少,直到北嶺地震後才開始受到重視與採用,許多國內外學者也開始研發各種不同的高韌性接頭,台北一○一採用的高韌性接頭是台灣科技大學教授陳生金最早所研發,在接頭往後退約十二公分處開始做切削,切削面積則依鋼梁長度而定。因為地震來時整棟建築結構較弱的部分會先受影響,透過切削鋼板,便能將這個「較弱的部分」,從接頭轉移到被切削過的地方,而這個部分因為是一體成形,沒有經過焊接,因此能吸收較多地震能量,高韌性接頭能吸收的能量是傳統接頭的七到八倍。謝紹松說明,可以吸收的能量愈多表示韌性愈高,提高韌性是抵抗地震的關鍵,因為如果要跟地震「硬碰硬」,梁柱尺寸可能都要放大好幾倍,既不經濟也影響建築使用性。

高韌性接頭在地震中並非完全不可能損壞,但如果單一接頭吸收的能量已達極限而損壞,剩餘的能量仍可由其他接頭共同吸收,使整體結構能兼顧抵抗大地震所需要的強度與韌性。傳統接頭有相當比例的破壞形式就像是骨折,正式名稱為「脆性破壞」,高韌性接頭的破壞就像扭傷,學術上稱為產生「塑性鉸」,不至於使結構在大地震時嚴重破壞。台北一○一是以最大考量地震為標準設計的,如果遭遇這種規模的地震,可能會有不少地方產生塑性鉸,但整體結構仍能保持穩定不會倒塌。

台北一○一雖然結構穩定無虞,但它並非完全靜止不動。所有樓房都一樣,即使沒有地震、颱風也會因為風吹、車輛與人員活動而產生微小振動,這稱為樓房的「自然振動週期」,可以透過裝設微震儀量測出來,假設一座樓房振動十次約歷時五.七秒,表示它的自然振動週期約是○.五七秒。樓房高度愈高,自然振動週期就愈長,這跟擺長愈長的單擺左右擺盪一次所需的時間愈長是一樣的道理。為了監測結構物在地震時的振動反應,中央氣象局在全台六十幾座建築中安裝結構物強震監測系統,根據監測結果,台北一○一的自然振動週期約為六.八秒。

台北一○一在季風作用下的長時間振動,雖不至於影響主結構安全,卻可能讓建築內的人被晃得頭暈,懸吊在九十二樓到八十七樓間、重達六百六十公噸的金色大圓球(正式名稱為調諧質量阻尼器,Tuned Mass Damper)就是為此而設置。有趣的是,共振現象雖然會使建築在地震時振動更加劇烈,台北一○一卻運用這個現象使建築更加穩定。阻尼器之所以要用到六層樓空間,是因為它的擺長必須達到十二公尺,如此振動週期六.九秒才會與大樓本身的自然振動週期接近,當風往左邊吹時,它就往右邊擺,藉由共振現象與相對運動,來吸收大樓的振動能量。

阻尼器原理(圖片來源:國家地震工程研究中心)
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阻尼器原理(圖片來源:國家地震工程研究中心)

每當發生颱風或地震,阻尼器的擺動幅度往往成為媒體焦點,無形中使得防風、抗震的功勞似乎都歸功於阻尼器,不過謝紹松很有信心地說,台北一○一原本的結構安全設計已經達到一百分了,加上阻尼器大概就是一百零五分,它的裝設是出於使用上的舒適度要求,但考慮地震、颱風對結構安全的影響時,並未將它的作用納入考量。這是很合理的設計邏輯,阻尼器是在接近完工階段才裝設,但在四年多的興建過程中,台北一○一隨時都會遭遇地震或颱風,自然無法指望阻尼器來防風抗震。

二○○二年三月三十一日的三三一地震,對台北一○一來說是一次悲喜參半的考驗。三三一地震台北市最大震度達到五級,當時大樓已經接近完工高度的一半,地震使兩支塔吊及塔吊上的配重塊自五十六樓高度墜落,造成五人死亡、二十多人受傷。事後永峻工程顧問公司對建物已完工的部分進行全面檢測,發現沒有任何地方產生塑性鉸,所有損壞都是因塔吊墜落的衝擊而產生,地震本身對主要結構完全沒有任何影響。後續施工時也針對塔吊安全性進行改善。

除了地震與颱風,二○○一年的九一一事件也曾為台北一○一的興建帶來一些疑慮。不過謝紹松指出,台北一○一因為要考慮地震的影響,梁柱尺寸、鋼板厚度都超過世貿雙塔,世貿雙塔坍塌的主因是飛機撞進大樓後起火燃燒,鋼結構受熱軟化,最後被上層結構的重量壓垮,「以台北一○一巨型梁柱的強度及尺寸,飛機可能一撞上就自己掉下去了,即使真的起火燃燒,因為我們使用的鋼板比較厚,耐熱效果也更好。」萬一真的遭遇類似事件,大樓免不了會受損,但不至於像世貿雙塔一樣發生連鎖型破壞。

台北一○一另一個特殊之處,在於它是台灣第一個由土木、結構技師全程駐地監造的工程案例,平均每個月有五位技師參與監造工作。由於當時聘請技師駐地監造在工程界尚不普遍,台北一○一的監造團隊本來可能在完工後就此解散,但同為台北一○一結構簽證技師的永峻工程顧問公司總工程師甘錫瀅認為這是難得的經驗,便說服這些技師繼續留下來,將台北一○一的監造經驗應用在其他工程上,「沒想到我們後來發現願意聘請技師駐地監造的建設公司還不少,因為避免施工錯誤而省下的時間與金錢,比付給結構技師的酬勞還高。」甘錫瀅說。 顯見台灣對於駐地監造已愈發重視。

有一個例子可以說明先進的建材必須搭配細心的監造過程,才能確保應有的品質。台北一○一的混凝土泵送高度超過四百公尺,為了確保泵送過程不會發生粒料分離(指混凝土中的砂石粒料出現混合不均勻的狀況),結構技師要求先進行泵送試驗,以暸解混凝土配比工作性與抗壓強度,並進行實尺寸模擬試驗(Mock-up Test),依據箱型柱內混凝土泵送一次的高度,在地面設置三層樓高的巨柱,並以長達三百九十一公尺的水平輸送管模擬泵送高度,測試混凝土泵送這麼遠的距離後,是否還能維持一萬磅強度,以及巨柱中的鋼筋配置是否會影響混凝土流動,確認沒問題後才進行實際泵送。

甘錫瀅認為,使專業結構技師駐地監造普及化,是台北一○一為台灣工程界帶來的重要影響。內政部建築研究所二○○三年推動的耐震標章認證制度,便要求要有「特別監督單位」於工地現場進行結構工程連續性、週期性監督工作;近年台北市政府都市發展局興建公共住宅時,也會要求進行「耐震特別監督」,顯示台灣對監造制度愈來愈重視。

如同美國建築工程師李維(Matthys Levy)與薩瓦多里(Mario Salvadori)合著的《建築生與滅:建築物為何倒下去?》一書中所言:「野心是人類活動最主要的動力之一,它可能促使我們去建造新的巴別塔,或者讓我們謀求更好的設計與營建方法。然而如同在任何其他人類所致力的領域裡,我們斷言在結構的領域裡,單單是技術的進步並無法確保失敗的減少,甚至還會使其增加。只有秉持人類的良知與社會責任,才能建造出更安全的建築物。」

要使建築屹立不搖,先進的建材與技術並非唯一關鍵,品質管理與監造制度也非常重要。從這方面來看,台北一○一的成就不只在於高度,也在於它為工程界所立下的典範。

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書籍介紹

本文摘錄自《地震:火環帶上的臺灣》,春山出版
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作者:林書帆、黃家俊、邱彥瑜、李玟萱、王梵

記九二一地震二十週年
給每一個曾經經歷地震的台灣人
不恐懼的勇氣!

  • 九二一地震改變了什麼?在台灣歷史上造成什麼影響?
  • 以板塊為尺度,透過地震帶分布、活動斷層分布圖重新認識台灣
  • 災後重建揭開社會不同層面的問題,也改變了這一代人,成為重要社會資產
  • 九二一地震將全球地震學研究推往新的里程碑,推動台灣科研與防災系統大躍進
  • 在下一次地震災害來臨前,建立應有的家居建築與防災避難知識,提升整體防災能力

國家災害防救科技中心X春山 合作出版

一九九九年九月二十一日凌晨一點四十七分,台灣歷經了一百零二秒的劇烈搖晃,全台十多個縣市共兩千多人喪生,逾十萬戶房屋倒塌,其中包括中部地區近二分之一的學校校舍。電力設備塌垮造成震後立即停電,多處山線鐵路中斷,公路災損更嚴重,尤以台三線與中橫公路最劇,全台災損總計超過三千五百億元。這場芮氏規模七點三的世紀地震,從震央南投集集擴延全島,史稱九二一地震。

台灣位於環太平洋地震帶、板塊交界處,因為億萬年來未曾停歇的板塊碰撞與造山運動,台灣才得以形成今日樣貌。然而,板塊運動引發地震,讓島嶼注定要面對這些災難。一九○六年時日屬嘉義廳打貓東頂堡梅仔坑莊(梅山)巨震造成一千多人遇難;一九三五年苗栗因獅潭斷層與屯子腳斷層引發新竹——台中巨震,三千多人罹難,是二十世紀台灣最嚴重的震災。二○一六年二月六日高雄美濃地震、二○一八年二月六日花蓮地震都因不同震因造成傷亡。大自然一方面帶來毀滅,另一方面卻也創造生命。因為造山,台灣的生物與地質多樣性得以盡情展現。

本書以九二一地震為核心,構築出一部因山崩地裂所寫下的台灣當代自然環境與社會史,更盤點全球與台灣重要地震與海嘯事件如何牽引國際科學合作與社會重構,多視角重新理解地震。

九二一地震為何造成如此巨大的災害?活動斷層是板塊構造作用下的必然產物,九二一地震即是車籠埔斷層劇烈錯動、猛烈釋放能量所致。九二一之後,台灣全面關注活動斷層研究,二○一二年中央地質調查所公布了台灣三十三條活動斷層,透過活動斷層分布、地震帶分布,希望解開斷層構造與再現週期之謎,讓人們對斷層有更多的理解並卸除未知的恐懼。

此外,九二一地震讓人們看到地震導致的複合型災害,除了山崩地滑、建物橋梁毀損,更引發重視的是土壤液化。全國土壤鑽探資料庫,以及全國液化潛能圖建置完成,土壤液化與地質成因的研究延續到二○一六年二月六日高雄美濃地震、二○一八年二月六日花蓮地震,不斷有新的進展。

全世界地震研究也因九二一地震而有重大突破。一九九九年以前,規模大於七級、距斷層二十公里以內的近斷層強地動資料,全世界只有八筆,九二一地震後,貢獻了六十多筆,這項紀錄至今尚未被超越。此外,台灣將九二一地震研究資料公開分享全球,促成許多國際重量級學者來台交流,全球以車籠埔斷層為主題的研究有六、七百篇,更培養出台灣如今中生代的一批重要學者,讓台灣地震科學大步躍進。

九二一後,台灣從地震觀測躍進到「地震即時速報」,計算單位由「分鐘」縮短成「秒」,領先全球,並將此系統回饋國際社會。透過九二一後的「深井鑽探」,科學家從地底一千一百一十一公尺處取得斷層帶的新鮮岩心,藉此瞭解斷層錯動過程中發生了什麼化學、物理變化,研究成果登上國際期刊。而利用地裂進行的「槽溝研究」,更足以對中部地質與斷層的再現週期有深刻理解。

回返現場。九二一重建是一個史無前例的龐大社會工程,揭開不同層面的問題,本書從山區、市區到原鄉,帶出不同的重建面向,包括重災區南投埔里、雲林草嶺村、大安溪沿岸原住民泰雅部落、台中集合式住宅太子吉第等。當時,許多宗教與社會組織在重建工作中擔任要角,本書特別以台灣基督長老教會為例,從二十年歷程回看九二一經驗是如何讓教會青年與年輕社工陪同災民一起摸索、操練能力,從此改變了這一代人,改變了他們未來要走的路,不論是社工或是災民,都成為台灣非常珍貴的資產。

九二一地震不僅將全球地震學研究推往新的里程碑,更促使台灣在社會重構、災害防治上進步,例如:地震參數本土化研究的防災應用、耐震設計標準法規化、建立常備緊急應變系統,以及建立大規模地震情境模擬機制等。當防災可以直接進入日常生活,面對注定再來的地震,我們將有更多的瞭解與準備,不再恐懼。

春山《地震:火環帶上的臺灣》立體書封
Photo Credit: 春山出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰