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建築與防災（五）：１０１如何抗震？

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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

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

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）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

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