玉樹臨風穩如山
93/02/03
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李潁｜
《科學發展》特約文字編輯
浩瀚的宇宙中，能量無所不在。地球板塊的推擠與地下能量的釋放，使渺小的生靈剎那間灰飛煙滅，流離失所。在一次次大自然的「震撼教育」中，我們經歷了「九二一」的創傷，領悟到為了保障生命的安全，除了要強化結構物本身的架構韌性外，還可以加裝「隔震」與「消能」的輔助器具，提升建築物的耐震性，在災難發生時維持結構的強韌，或是延遲建築物坍塌的時間，將損失降到最低。
除了地震的破壞力，強風也使高聳雲霄的超高大樓產生搖晃，身處其間，可能會讓人「暈船」。當然地震時，柱狀外形更容易產生鐘擺效應，一旦位移超過了臨界點，就會使結構受損。為了使「玉樹臨風穩如山」，增加安全性與舒適性，「結構控制系統」已逐漸形成高樓建築不可或缺的配備，透過多樣的阻尼器（damper）達到「消能」與「隔震」的目的。常見的消能裝置透過變形能或熱能，來轉移或消減地震的能量，藉以減少對結構本身的傷害。就功能上可區分為主動、被動、半主動三種型態。
讓堅硬的建築物產生塑性
簡單地說，「結構控制系統」就是建築物的避震器，原理就如同汽車的避震器一樣，吸收能量減少震動，增加舒適性與安全性。「阻尼器」就是使堅硬的建築物產生塑性的工具，吸收能量並且減少與地震力正面的接觸與衝擊。我們可以把它安裝在樓層間，達到「消能」的目的，也可以安裝在基底，發揮「隔震」的效果。
這種概念源於地震頻繁的日本，最早是用石頭做基座，將房子「放置」在上面，一旦發生地震，利用基座與房子的隔離與相對位移，可以有效遞減地震的能量，使損害減至最低。地震瞬間的加速度力量，是破壞建築物最大的推手。為了吸收並削減它的能量，土木工程師們運用降伏鋼、黏彈性材料、黏性流體、孔徑流及滑動摩擦來達成目標。
現在我們可以主動地掌控情勢，運用電腦系統，測量及推算地震力以及風力對結構產生的影響，配置適當的「阻尼器」去消減能量。當這些外力來臨時，我們運用電力或是燃油去驅動這些裝置，發揮預期的功能。
經由電腦設定的「控制演算法」測量，一般小型結構，大約需要10千瓦的電力來驅動，而大型的結構，動輒需要數百萬瓦，要在地震發生的瞬間，供應那麼龐大的驅動力，真是驚人。當然為了要保持「驅動力」零故障，平日的維護保養絕不能有疏失，開銷自然龐大，裝置費用也十分昂貴。更讓人憂心的是，當地震瞬間能量超過原始設定數據時，這個主動控制裝置很可能會失效呢！
大樓裡抗風消能的鐘擺
高雄市地標東帝士大樓就是採用「主動質塊阻尼器」（active-mass-damper, AMD）來抗風，它像鐘擺般的質量塊裝置在第85層。因為是運用電力驅動，可以用80噸的重量，發揮八百噸的功能，所以在外型上比「臺北101」金融大樓的鐘擺（質量塊）小了許多，節省許多寶貴的空間。
再看看總高度達508公尺的「臺北101」金融大樓，在第87～92樓間，吊掛一顆680噸的大鋼球（質量塊），這個大鐘擺就是超高大樓抗風的主角。不同於高雄東帝士大樓的抗風裝置，它不用電力驅動，而是直接計算樓板重量來設計的，所以在外型上要壯碩許多，但是原理是一致的。它是運用物理慣性，當大樓搖晃時，這個懸吊的大鋼球當然也會擺動，當大樓向右擺動時，大鋼球會向左擺動，因為移動的方向正好相反，可以達到平衡的作用，減少結構的位移。
這個抗風裝置稱為調和質塊阻尼器（tuned-mass-damper, TMD），其中類似鐘擺的質量塊直徑5.5公尺，是由很多塊鋼板，經由精密計算，準確施工，像橫切西瓜般，一片片焊接成的實心鋼球。在施工時，先在四周鋼梁上架上一個碗狀承托架以及座托、斜撐，等到完成焊組後，鋼球直接以四組纜索懸空固定在第92層，下垂高度達22公尺，球體位於第87樓夾層。在鋼球下方裝置有斜撐及水平各八支油壓型阻尼器，用來控制鋼球擺動的幅度，避免它搖晃幅度太大，反而對結構造成傷害。未來這個大鋼球計畫漆成金色，在規劃為餐廳的第87樓用餐時，可以欣賞到它的「律動」喔！
如果要省錢，又要效果好，那麼可以選擇被動型結構控制系統。這種阻尼器通常都不需要維護，成本也較低廉，在興建過程中裝置在樓層間，可以一勞永逸。因為運用材質的日新月異，發展出多樣的面貌。目前比較常見的是黏彈性阻尼器（viscous-elastic-damper, VED）。
一九六九年，黏彈性阻尼器第一次使用於美國紐約市世界貿易中心，運用它來降低風力造成的側向位移，減低建築物的擺動。由10樓至110樓，每一層裝置有一百個阻尼器，位置在支撐樓板的桁架樑下，整棟建築物共置放一萬個阻尼器。
「黏」住地震能量確保安全
傳統上，黏彈性阻尼器大多以斜撐形式裝置在結構系統內，也就是建築物的梁柱間。它是一種局部性、離散性的消能裝置，藉由其中黏彈性的材質吸收地震能量轉化為熱能，減少對建築物結構的損害，而外層的「鋼材」也可以發揮韌性以及變型能來共同增加結構系統的勁度與強度。在造型上，經常以三角型、X型、圓柱型等模式呈現。
一九九四年，臺北捷運系統劍潭車站由於採用倒吊式建築工法，在懸吊式屋頂下裝置了八個黏彈性阻尼器，藉以守護車站在地震、強風暨行車晃動下，結構的安全與舒適。它的形狀是由數個較薄的黏彈性層附著在突出的鰭狀鋁金屬板上，藉由黏彈性材料所產生的熱能，來消散在風力作用下結構產生的動能。
卡車司機舒適的油壓座椅引發了科學家研發的興趣。嘗試運用油壓來改變阻尼器的強韌度，達到我們的需求。這種阻尼器通常也是以斜撐的方式裝置在建築物梁柱間，稱為斜撐式油壓型阻尼器。因為體積比較龐大，通常只有辦公大樓會選用。內湖科技園區臺新銀行大樓，在橫向及縱向面均可以看到它的身影。看起來就像放大的汽車避震器，因為裸露在外面，萬一發生問題，隨時可以檢修。下回經過時，可別以為那像「八字型」的兩根粗大鋼管是裝置藝術喔！
還有一種運用類似原理叫做「挫屈束制斜撐」阻尼器，臺北縣府大樓、板橋新站都是運用這種阻尼器來做為消能避震的工具。
一牆能兩用，制震靠得住
寸土寸金的住宅要裝置「結構控制系統」，當然要選擇外型美觀、節省空間、效果長遠的裝置，制震壁就符合上述的要件。
位於臺北東區鋼骨結構的高級住宅大廈就裝置了制震壁，並且成為銷售的賣點。制震壁裝置在上下樓層橫梁間，它是一種槽化的阻尼器，由一片內部鋼板及兩片外部鋼板所構成的Ｕ形結構，在內外鋼板間注入有若瀝青狀高黏性高分子的特殊物質。地震發生時，利用黏性物質的遲滯力與熱能轉換來消減地震能量，減緩建築物結構上的晃動，發揮制震效果，讓損失降至最低。
大直明水路一棟興建中的高級住宅，雖然是採用搖晃度比鋼骨小的RC結構，也在挑高的一樓短向面牆各加裝一片制震壁，藉以消減地震位移，增加結構安全係數。經過高級石材包覆後的「制震壁」，在外觀上完全不影響建築物整體的美觀。
隔靴搔癢，地震威力銳減
接下來我們把視線放到建築物的基底去，在那裡也有一些獨特的裝置，讓地震的力量有如隔靴搔癢，無法百分百施展威力。隔震型的「結構控制系統」大多裝設在建築物的基底，也就是上部結構與基礎間。運用橡膠、黏彈性材質，增加系統的自然振動周期，達到阻隔地震能量的效果。在地震的瞬間作用力下，減少上部結構的加速度，增加結構柔性位移量，再搭配阻尼器控制位移度。在型態上，可以採用摩擦型或是結合兩種隔震裝置的複合型，當然最好的是裝置磁流變消能器之類的智慧型裝置。
所謂磁流變消能器，是運用一種高科技的組合液體，由極微小的磁性懸浮物散布在礦物油或矽樹脂中所組成，只要運用微小的電力施加適當的磁場後，這些懸浮物就會串聯起來，由原來可以自由流動的液體，一變而為半固態的形式，配合電腦晶片的判讀，能夠在磁力作用下進行物理性質的改變，進而提升消能隔震的效果。
慈濟醫院新店分院擁有嚴密的隔震系統，主要運用鉛心橡膠支承墊同時搭配多項基底隔震設施，達到安全防護的目的。這種隔震系統也適用於古蹟、矮胖造型的體育館。如果房屋整棟遷移，也適用加裝。
另外一種隔震系統就像把房子放在一個碗上，房子可以在碗中前後左右柔性緩慢的滑動，但是不會破壞結構，摩擦單擺系統就是應用這種理論去達到隔震的目的，當然還要同時搭配適量的阻尼器來控制建築物滑動的範圍。它的缺點在於需要較大的空間來迴轉，通常較適用於局部隔震。例如臺北縣政府的資訊室，高科技的晶圓廠，藉此裝置確保電腦運作不會因為強震而中斷，珍貴的資料不會流失。故宮的國寶展示櫃也作了高標準的局部隔震裝置，以確保珍貴的先人遺產受到完善的保護。
以小搏大，半主動型奏功
我們了解主動型與被動型阻尼器都各有優缺點，截取兩者長處就是「半主動型控制系統」。它運用極微小的動力，去驅動「結構控制系統」中的樞紐，改變阻尼係數，而不是直接用動力去驅動整個「結構控制系統」，一般只需要數十瓦電力即可，所以通常一個汽車電池就可以搞定。
目前研發的有四種型式。摩擦型：運用電力控制樞紐的鬆緊。油壓型：運用電力控制孔洞的開或閉。油壓第二型，二段式控制蓄壓閥的開合。磁力型：以電磁感應的方式，可以隨心所欲地掌控「結構控制系統」中流體的軟硬度，在最短的時間內，達到預期的目標，效果最好，當然在費用上稍稍要高一些。
另外一種是結合主動與被動的混合控制。在結構物上分別安裝適當的黏彈性阻尼器與主動控制裝置。由於有阻尼器的協助，使主動控制器所需求的輸出能量可較單一裝設主動控制時要小。萬一地震威力太大，使主動控制失效時，仍有阻尼器作為第二道防線，確保結構物在地震力作用下的安全性。
神經網絡，掌控地震威力
智慧型控制系統已是未來的發展趨勢，科學家運用光纖量測器具有多點量測的優點，並且可以配合結構混合控制與類神經網路的訊號分析能力，發展出一個完美的結構控制系統。
光纖感測器具有高靈敏性、高耐蝕性、可撓性、細徑質輕、不受周圍環境雜訊干擾的特性，易於設計成分布式監測網路，利用網路直接傳輸量測資訊，並建立反應回饋系統，可以長期監測結構的安全性，也可以即時診斷警示。
產品規格化，守護你我他
由於臺灣位處地震帶，九二一大地震雖然已經過了四年，但是大自然摧枯拉朽的震撼，仍然深深震攝著人心，而它對整體社會的影響，至今仍未消散。我們不能改變地理位置，卻可以運用智慧來建構人身的安全。
目前臺灣並未將裝置「結構控制系統」規範於建築法規中，只有少數高價位建築物採用。如果未來可以將「結構控制系統」規格化，降低生產成本，穩定品質，相信將更具有商業競爭力，一旦普及化後，對你我生命的安全將更有保障。
