建築物的骨架–結構
95/02/07
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姚忠達｜
淡江大學建築技術系
建築物與人
隨著人類文明的進展，築屋已由原始的擋風遮雨，逐漸演變成現代生活、工作與休憩的重要場所。今天，一棟建築物須有強健的構造系統，才能抵抗大風雨的侵襲或突如其來的地震威脅；須有完善的機電系統，才能有效能地掌控屋內的電器設施；須有良好的運水幹管，人們才能舒服地在家裡享受隨時用水的便利性；須有快捷的上下輸送升降管道，才能在各樓層間垂直自由地行動；須有監視保安系統以防盜賊小偷的侵入，甚至也仿照人的頭腦，在建物內配置智慧型中央監控系統，以協助大樓的管理。
從建築物的架構來說，房屋就跟人一樣具有身體組織，例如人體是由骨骼搭配肉身而成，房屋則是由梁、柱、板、牆等所組成；人有呼吸系統，房子則有空調系統調節室內的溫度及空氣品質；人有神經系統感應環境，房子則有水電管線系統與外界生活設施連繫；人需要衣裝打扮，房子則須藉由不同的造型凸顯它的獨特風格。顯然，人在科技與文明演進中，不知不覺地仿照自身的機能，建造自己的棲身地。
房屋與結構
地球上的動物，依構造組成的不同，而有不同的形體。以骨骼為主要支撐的脊椎動物，因其強健的骨架，使得牠們的體型可以超過以覆殼為主的甲殼類動物（如螃蟹、蝦子），或以軟體為主的無脊椎動物（如烏賊、章魚）。這可以由海上的大鯨魚，或是億萬年前的大恐龍遺骸得到印證。同樣地，在人類的建築中，完整的構架系統讓建築得以巨型高樓化，例如臺北101是目前世界第一高樓，它可以提供上萬人在裡面生活或工作。
然而，地球上的萬物隨時都在承受著來自地球的引力，而人之所以能夠垂直站立，是因為人體有強健的骨架做為全身重量的支撐系統。房屋也像人一樣，要穩固地豎立在地球上，就必須有良好的支撐系統，通常是由梁及柱所組成的構架系統。
所謂「梁」就是房屋中的水平支撐系統，它的作用就像人體的肋骨。而「柱」是把梁所承受的負荷傳導到地上，它的功能和人的脊柱及雙腳一樣，負責把身體的重量傳到地上。而人體骨骼間的關節連結單元，在房屋構架中，就是「梁柱接頭」，它的作用雖然不如人的關節那樣靈活，卻是連結柱子及橫梁的重要關鍵性元件。至於人體的肉身部分，就有點像是房子的板牆系統，它們主要在形成空間，以容納屋內人員及相關設施。
關於牆的部分，依使用性能的不同，可分為隔間牆與承重牆（或稱剪力牆）。隔間牆就是我們熟知的室內分隔牆，原則上它並不負責承載房屋的重量。承重牆就須有承受垂直負載的能力，甚至也須具備抗震的功能，它的功能與立柱類似，只不過量體比立柱來得大而已。
也由於承重牆具有承載的功能，因此在進行建築物室內空間調整時，它是絕對不能任意變動的重要構件，這一點常在大樓整修時被忽略。921大地震的慘痛經驗很明確地告訴我們，房子光是可以長期地承受垂直重量是不夠的，它還必須能夠禁得起短暫強烈地震力的考驗。
健康寶寶
母親在懷孕時，對胎兒只有一個小小的心願，就是希望生出來的是個健康、活潑、可愛的嬰兒。懷孕期間的產檢，產後的細心照料，無不是為了讓小嬰兒健康，身體機能健全，將來長大成人，有好的發展；活潑可愛，人見人喜歡，人生路走得更順暢。但是，當新生兒不幸出現肢體殘障時，在往後的日子裡，父母必須花更多的心力照顧他，相信這時他們最大的心願，就是盼望他們的小孩，未來人生路只要走得平安就好了。
同樣地，一棟新建的房子就像新生的嬰兒一樣，從開始的規劃設計，到最後完工，都需要工程人員的全力投入。若在建物設計及施工階段，一味地為吸引客戶，只講求華麗的造型，省掉對建物抗震性能的檢討；為了節省成本，興建時不按施工要領進行，以致把房子抗震的健康問題，當做是最後選項，那這棟新屋將來肯定是經常生病的「弱體兒」或殘缺的「畸形兒」。
可以預知的，住在這種「不健康房子」裡的住戶，必須為這個「健康會出問題的寶寶」承擔更多的風險，或花更大的心力為它進行補強。因為抗震不足的房屋，很少能禁得起大地震的嚴苛考驗。
921大地震的震撼
人需要運動及均衡的飲食以維持健康，房子則要靠好的結構系統、施工品質、使用維修，才能滿足抗震的需求。人會因抵抗力不足而生病或因意外而受傷，同樣地，房子也會因設計不佳（專業能力可能有問題）、施工不良（偷工減料、不按圖施工）、或使用不當（破壞結構系統或任意變更用途），而產生支撐力不足的問題，以致禁不起大地震的來襲。
1999年9月21日，對生活在臺灣的人而言，是個永難磨滅的悲痛日子。那一天凌晨，大地震撼動臺灣中部，不但南投、臺中多處房屋因而倒塌，甚至也波及臺北縣市及雲嘉地區，所造成的生命財產損失，至今仍是令人心痛的一頁。大地震過後，人們再次意識到，位處強烈地震帶上的房子安全，必須建構在健康的抗震結構體上。這就如同以勞動為主的工人，其工作活動力的表現，是建立在強健的身體及「耐操」的體能上。
房子的骨質疏鬆問題
建築物裡的梁柱結構系統，就有如人體的骨架系統。老人家常因年老鈣質流失，導致骨骼容易脆化，若不小心跌倒，就有骨折的危險，而房子也是類似的。
以目前常見的鋼筋混凝土建築物（Reinforced Concrete building，簡稱RC建物）來說，由於鋼筋具有抗拉的特性，而混凝土是抗壓極佳的材料，因此結合兩者的優點形成RC構造。在工程實務上，為了使RC梁柱內的鋼筋與混凝土在受震過程中仍能有效結合，而採用「箍筋」把鋼筋與混凝土圍束起來。
若沒有箍筋妥善地把主鋼筋及混凝土圍束住，當面臨大地震的考驗時，這些混凝土便會因為失去圍束而出現爆裂分離，主鋼筋也會因為沒有箍筋的充分支撐而產生嚴重變形，於是梁柱強度急速下降，終致崩塌。這可以從921地震中，許多遭震壞的RC梁柱得到印證。這現象就好比得到骨質疏鬆症的人一樣，禁不起摔倒的傷害。很顯然地，適當地箍筋緊密圍束，有助於提高梁柱的耐震性能。
除了脆弱的骨頭會有折斷的危險外，關節也是人們活動中重要的元件之一。年輕好動，常不小心造成關節損傷，若沒有妥善治療，等到年紀大時，便可能因骨質老化，導致關節炎的痛苦。
同樣地，房屋也有關節，它就是「梁柱接頭」。在921大地震中，無論是半倒或全倒的較高屋齡房子，其中最明顯的一個破壞點，就是梁柱接頭，導致房子產生嚴重傾斜或崩塌。追究原因，就是在房子建構過程中，工程人員忽略梁柱接頭處「緊密箍筋」的圍束，以致接頭破裂，甚而讓整個房子跟著崩塌。「緊密箍筋」是工程規範用語，目的在藉由降低箍筋的間距及牢實的彎鉤施作，來強化箍筋對主鋼筋與混凝土的圍束能力。
「強柱弱梁」的耐震概念
基本上，房子受破壞，就跟人不小心跌倒受傷一樣，有人會擦傷，有人會骨折，而對房子而言，就是牆裂了，或是梁柱因裂開而折斷。
在這些破壞機制中，柱斷裂是最危險的，一旦發生柱折斷，緊接著就是房子因少了垂直支撐而發生立即性崩塌。這就如同人腿骨斷掉一樣，完全失去行動能力。至於梁出現斷裂，雖也有可能對房子造成局部破壞，卻不至於發生房子全面倒塌，主因在於尚有立柱支撐著整棟房子的重量，就好比人斷了手臂，但因腿尚能活動，還有基本的行走能力，但是提物就不行了。
比較兩者，便可知道立柱在建物抗震上扮演著極重要的角色。因此工程師在設計房屋結構時，都被要求對房子進行「強柱弱梁」的檢討，以提升建築物的耐震能力。
緊急救災
「人一旦因運動或意外發生骨折，可以利用板子、木棍等硬物固定骨折處，避免骨折易位，然後儘速送醫。經由骨科醫師診治，再決定是以石膏固定，或採用手術鋼釘板固定。」這是發生骨折時的基本防護措施及原則。
當房屋遭受大地震侵襲，出現可能發生傾倒的「危樓」狀況時，緊急的處置方式也和人對於骨折的緊急處理方式類似。只不過在救災人員進出搖搖欲墜的房子時，必須在專業工程（如結構、土木、建築）人員的指導下，先進行臨時支撐架的設置，以維護救難人員及困在屋內災民的安全。在這裡，必須強調的是，大地震過後，來得及逃出的人，仍不可冒然衝回已成危樓的房子進行財物搶救，因為緊接著大地震之後的強烈餘震，仍有可能把搖搖不穩的房子全面震倒。
「天有不測風雲，人有旦夕禍福」，這是形容大自然的多變與人生的無常。天地雖無情，人間卻有愛，大地震無情地摧毀人們安身立命的房子，卻也有一群人無私地奉獻他們的愛，為了救災，不懼危險，他們奮不顧身的情景，令人動容。若設計、建造、使用三方可以把房子當作自己的身體或孩子一樣用心地愛護，相信我們居住的房子，必定禁得起大地震的考驗。
建築物的真善美
在結束本文之前，讓我們一起回顧經典的建築：埃及金字塔所呈現的永恆性、北京天壇所代表中國自古崇天的敬意、印度泰姬瑪哈陵象徵著世人對浪漫愛情的美麗憧憬、法國巴黎鐵塔則是現代高聳建築的先驅。
它們除了是建築界的絕色美人之外，也都擁有健康的體魄。在過去千百年的悠悠歲月中，它們也曾歷經大小不同的天災考驗，至今依然堅強地佇立在那裡。它們除了外在「美」觀的造型外，也不時散發著設計者所要傳達的內在「真」性情，而從它們身上，讓人可以感受到，當時建造者「善」於運用有限的工程技術能力，完成不朽建築傑作的決心。這些建築經典，不就是當時人文藝術、工程科技與文明演進的輝煌展現嗎？
