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建築與防災(五):101如何抗震?

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

台北101是臺灣的高樓結構與工程技術的巔峰之作,面對臺灣頻繁的地震颱風,台北101如何解決問題?(圖片來源:Flickr用戶Antonio Tajuelo)

台北101是臺灣的高樓結構與工程技術的巔峰之作,面對臺灣頻繁的地震颱風,台北101如何解決問題?(圖片來源:Flickr用戶Antonio Tajuelo)

李柏昱 | 國立臺灣大學地理環境資源學系

台北101於2004年風光落成,榮登當時世界第一高樓寶座,除了展現台灣的經濟活力與高超的工程技術外,首當其衝的自然是台灣頻繁且劇烈的天災,包括地震或颱風,加上基地位於地質鬆軟的台北盆地,台北101如何克服這些難關?這次專訪邀請永峻工程顧問公司甘錫瀅總工程師,甘工程師曾參與許多臺灣高層建築的結構設計,台北101更是其代表作,請他介紹台北101結構匠心獨具的抗震防颱設計。

颱風地震夾擊,台灣高樓必須「軟硬適中」

甘工程師說,要在台灣新建高樓,先天環境本身便困難重重,因為臺灣同時面對地震跟颱風的威脅,兩種應對的結構設計迥然不同,甚至可說剛好相反:如果結構體設計的太硬,地震來時容易脆性破壞;如果結構體設計的太軟,颱風來時大樓又會晃動得太厲害。所以在台灣要建造超高層大樓,必須先解決結構軟硬的問題,也就是說大樓結構體不能設計的太軟,也不能設計的太硬,才能同時面對地震和颱風兩大勁敵。

台灣專利,韌性接頭提昇鋼構耐震力

甘錫瀅說,台北101使用台科大陳生金教授發明的專利:高韌性接頭(High Ductility Connection)。在建築結構中,柱與樑的接頭若損壞是非常嚴重危急的問題。過去的設計思維,傾向不斷加固接頭,但每次大地震鋼骨結構仍然會從此處開始損壞;正因這個節點太過堅硬而缺乏彈性,地震時反而會發生脆性破壞。

高韌性接頭反其道而行,從鋼樑距離與柱子接頭 12 公分處開始將鋼樑翼板順著彎矩梯度去做削切,透過削弱該處強度,將地震的破壞力控制在削弱的地方。只要確保鋼構的品質,這種工法吸收的地震能量,能比傳統的接頭多吸收7 到 8 倍的能量,這也就是大樓結構設計上讓結構體不要太硬的有效方法。

巨型結構確保101安全無虞

台北101的巨型結構示意圖,貫串整棟建築的巨型柱,以及每隔幾個樓層就會設置的巨型樑,是101結構抗震抗颱的秘訣。(圖片來源:甘錫瀅)

台北101的巨型結構示意圖,貫串整棟建築的巨型柱,以及每隔幾個樓層就會設置的巨型樑,是101結構抗震抗颱的秘訣。(圖片來源:甘錫瀅)

巨型結構(Mega structure)居台北101結構設計的首要之功,巨型結構包含「巨型柱」與「巨型樑」。「巨型柱」每根斷面長 3 公尺、寬 2.4 公尺,外圍鋼板厚高達 80毫米,內部灌滿高強度混擬土,這樣的巨型柱一共八根,建築外側每面有兩根。除巨型柱外,還有 16 根核心柱,也就是電梯等核心基礎設施放置處。

「巨型樑」則呈現雙十狀,在水平面利用巨型桁架把所有柱子串聯起來,每個斗最上方的設備層各有一組巨型樑,最下方 26 層樓的底層則有 3 組巨型樑。一共 11 組巨型樑把整棟台北101分為 11 個大層,強化台北101的結構強度。

基樁深入岩層,讓101站得穩

台北101塔樓底下一共打了380支群樁,皆深入地底80公尺,比岩盤還要再深入20到30公尺,讓101得以站穩。(圖片來源:甘錫瀅)

台北101塔樓底下一共打了380支群樁,皆深入地底80公尺,比岩盤還要再深入20到30公尺,讓101得以站穩。(圖片來源:甘錫瀅)

甘總工程師說,台北101的結構基礎,先透過現場鑽探 151 個孔,找出底下岩盤的深度與樣貌。高達 508 公尺的塔樓,一共打了 380 支直徑 1.5 公尺的群樁。而只有 5 層樓高的裙樓(旁邊五層樓的商場),打了 167 支直徑 2 公尺的基樁,深入岩盤約 2~3 公尺。

不過,裙樓的基樁是直接銜接上方的柱子,塔樓又該如何將建築物的重量傳達給底下 380 支的群樁?甘總工程師回答,在台北101的塔樓基礎底層,透過厚達 3到4.7 公尺的實心混凝土基礎板,承載上方巨型柱以及核心柱的重量,再透過這些實心板把大樓重量傳遞至 380 支基樁,再透過這些群樁傳遞到地表下50公尺之岩盤,再深入岩盤20~30公尺,達到地下80公尺,才能夠把大樓穩穩的支撐起來。

黃金大圓球「調諧質量阻尼器」,減緩晃動不適

高懸於 88 層至 92 樓、造價高達 400 萬美元、總重達 660 噸的金黃色大圓球是台北101另一大賣點。這顆大圓球全名「調諧質量阻尼器」( Tuned Mass Damper,TMD),主要目的是減緩建築物內人員因建築物晃動感到的不適。甘總工程師自豪地表示,即便不裝阻尼器,台北101面對 17 級強風也絕對在結構安全範圍內。不過,位處高層的人在風大的日子恐怕會暈頭轉向。

根據研究,只要大樓擺動的加速度達到5cm/sec2時,人們便會開始察覺到搖晃並感到頭暈,所以臺灣的建築法規定在回歸期半年(一年內可能會發生兩次的機率)的風力作用下,頂樓的加速度值不得超過 5cm/sec2。如果台北101沒裝組尼器,頂樓加速度會達到 6.2cm/sec2,超出法定標準,因此藉由裝設阻尼器減緩 40% 的加速度,降到 3.7cm/sec2 左右,這也就是大樓結構設計上讓結構體不要感覺太軟的有效方法。

斗斗高昇,寓意深遠兼具高層避難功能

遠觀台北101,一路往上堆疊八個「斗」的建築造型,象徵「才高八斗」的意象,平均每八層樓一個斗,每個斗外層傾斜七度,經過實驗是視野最佳的角度,同時也創造珍貴的高樓層避難空間。一般超高建築如果發生火災,建築裡的人只能前往地面層或屋頂疏散避難,這代表位於高樓層的人必須爬數十層樓的階梯,疏散時間又長又難熬。而斗與斗之間創造的環狀避難空間,寬約兩公尺,讓建築物內部的人員能就近前往避難。

透過各種嚴謹的結構設計,台北101在結構上擁有史無前例的高樓抗震規模。儘管甘總工程師所屬的永峻工程顧問全程派員參與建築施工過程,但甘總工程師仍然對未來台灣高樓施工現場的嚴謹程度憂心忡忡。「目前政府審查高樓只有在設計的部分很嚴謹,建築高度達到 50 公尺以上(約 15 層樓以上)就需要進行結構外審,但如何將設計的圖說充分落實到施工現場,這是高樓結構監造政策中必須再加強的。」台北101是業主自行出資、請結構設計人員一同參與施工過程,但在其他許多高樓工程中,施工現場經常僅由建築師一人負責全部監造,並未要求結構技師與電機技師一同參與。目前台灣在落實建築法規中對施工監造過程的要求,尚不比對於設計圖的要求更嚴格,使得設計和施工兩端的審查程度嚴重失衡。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。