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耐震防災新科技:智慧型建築防災技術

對一般民眾來說,智慧型建築防災技術可降低地震造成的影響,在震後能夠立即恢復生活品質。安心待在安全的家中,是目前世界上地震防災概念的趨勢,也就是所謂的「提升震後恢復力」。
 
 
 
16年前的921地震帶給我們莫大的震撼與傷痛,但隨著科技的發展,已經能夠運用防災科技降低地震造成的損害。

不可避免的宿命

台灣位於環太平洋地震帶上,地處歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界處,地質活動頻繁,平均每年發生四千多起的大小地震,包括兩百多起有感地震。自西元1904年迄今已發生10次以上災害性的地震,平均15至20年就有一起,共有超過8,000人罹難。

台灣的地震歷史最早可追朔至明朝萬曆年間。西元1935年,新竹台中發生了災情慘重的烈震,造成3,323人死亡,一萬兩千餘人受傷,房屋一萬七千餘棟全倒、三萬六千餘棟半倒。爾後陸續有民國30年的嘉義地震、35年的台南地震、53年台南嘉義地震,以及88年的921集集大地震。其中尤以後者共造成2,505人罹難、近11萬戶房屋倒塌,直接災害損失逾新台幣3,600億元,占國民生產總值(GDP)的5%,是近百年來地震規模最大的。今年2月6日又發生了重創台南的強震。

上述強烈地震都造成大量的人員傷亡以及財產的損失,然以現今的科學技術仍無法事前預測地震而先行避難。但我們可以運用智慧型全方位建築防災技術,以減低生命財產的損失。

建築防災

若把地震防災分成為平時、震前、震時與震後四個部分來看,智慧型建築防災技術可以為我們做什麼呢?

「平時」智慧型建築防災技術可以提供「地震防災服務」與「結構安全評估與耐震規劃」。依據建築物的使用方式,可以規劃地震災害時的避難位置、疏散動線、防災救難用品等,統整相關防災服務,適當規劃防災計畫,並協助使用者的地震防災演練,確保大家能在地震來臨時正確、有秩序地疏散。目前這部分在各個學校、政府機關都已經執行,未來可以逐步擴大與推廣。

「結構安全評估與耐震規劃」可以為老舊的建築做一系列的耐震安全評估,並針對有安全疑慮的建築提供多種的耐震補強規畫。對於新的結構也可以提供新式的耐震技術,如近年來的豪宅多大力宣傳具有隔震、制震的結構,強調其除了基本的耐震結構外,還可以因為耐震性能的提升減低地震所造成的其他不便與損失,如卡在電梯間、天花板掉滿地、沒電沒瓦斯等。

其實好的耐震規畫除了結構不受地震損壞外,還要能保持其功能性,如醫院可以繼續開刀、銀行可以繼續上班、在家裡可以繼續看電視等,提供更優質具保障的安全環境。

「震前」指的是地震搖晃前的數秒到數十秒的關鍵時刻。智慧型建築防災技術可以在人們尚未感知強烈地震波將到來時,運用「地震預警系統」中的地震偵測儀器先行偵測到地震前導波「P波」,並立刻預估這個地震是否會造成危害。如果只是小地震就不發警報,如果是大地震就會透過廣播、跑馬燈、電視插播、電子看板、手機簡訊等方式通知大家立刻避難。

同時會啟動「自動化減災控制」把逃生動線的燈光打開、使電梯停下來並開門讓電梯內的人不致受困、把瓦斯關閉免得引起火災、使電動門開啟方便逃難人員快速離開。這些動作可以在幾秒鐘內自動完成,大幅減低地震所造成的損傷。此外,在自動化生產的工廠可以與自動化製程一起連動,在強烈震波來臨前預做準備,大幅減低地震所造成的財物損失,震後也可以快速回復生產以減少損失。

「震時」則是指地震搖晃的剎那間,智慧型建築防災技術可以即時偵測並顯示建築結構物的受震反應,提供管理者即時的安全資訊。此外,可記錄結構受震反應,提供後續的結構安全評估之用。

「震後」智慧型建築防災技術會運用「結構安全監測與評估」系統在短時間內完成結構安全評估,讓使用者快速得知結構物的安全狀況,迅速恢復生活秩序與生活機能。不至於重演日本311地震時,所有人因為不知道建築結構是否安全,只好一直遠離建築物而受困在街頭一整天。

即使結構物確實受損,由於平時已經做過結構勘查以及地震防災計畫,也確實監測並記錄建築結構在地震下的動態反應,因此服務團隊的專家可以依據這些資訊,在數日內提供「結構安全補強與修復」計畫書,提供完整的結構安全補強與修復計畫,增加使用者的安全保障以及建築結構的使用價值。以往沒有這套系統時,在大規模地震之後,有太多的建築受損需要做結構安全判定,光是判定全倒、半倒就要耗時數月,遑論補強修復更是耗時費日。

地震預警

地震預警的原理在於運用地震波傳遞的特性。地震發生時,地震波由地底下的震源傳出,可以分為速度較快,但比較不具破壞力的P波,以及速度較慢但較具破壞力的S波。P波的傳遞以有如前後伸縮的彈簧般的方式傳遞,體感比較像是上下的震動。S波的震動比較像是左右甩動彈簧的方式,感覺上就是要把房子左右搖倒的波動。這也是一般人會覺得地震先上下震動,再左右劇烈搖晃的原因。

地震預警系統就是運用高精度的地震偵測儀器,偵測一般人感受不到的微小地震P波,並依據偵測到的P波訊號進行分析,預估這個地震的強弱。如果預估是一個強烈地震,就立刻發出警報提醒大家儘速避難。

地震預警系統依據運作方式的不同,可以分為區域型地震預警與現地型地震預警兩種。前者是運用散布在全台灣的地震偵測站偵測,一旦發生地震,離震央附近3到5個以上地震站偵測到地震波後,就會啟動警報計算程序,預估地震的位置、規模、深度等。

一旦預估的規模超過警報門檻,就把地震警報傳送到會遭受地震襲擊的區域。由於這類系統運用一整個區域的地震觀測網做預警,因此稱為區域型地震預警。世界上大多數的地震預警系統都是這一類,如美國、日本、墨西哥、羅馬尼亞、土耳其、義大利、中國大陸與台灣。其中,日本是第一個官方正式啟用地震預警系統的國家,並透過廣播、電視、網路等多種方式把地震警報傳遞給使用者,據以帶動許多防災產業的發展。

另一種地震預警的方式是現地型地震預警系統,它是運用一組在現地的高精度地震儀自行偵測地震微小P波,並預估其後續S波的大小,一旦超過警戒值就立刻發出警報。這一類系統最具代表性的當屬日本新幹線在50年前就啟動的UrDEAS系統,因為新幹線列車速度很快,地震來臨前如果沒有提前煞車,火車可能會出軌導致重大傷亡,所以會在軌道沿線布設地震儀。日本的地震大多發生在外海,因此新幹線在沿海岸邊每數十公里就設置一組地震儀,類似在前線偵測地震,可提早因應。

由於當時的網路並不發達,因此每一個現地型地震預警系統各負責一段鐵軌的防護。惟近年來因為網路通訊技術發達,所以區域型的地震預警系統發展較發達。

比較上述兩種預警系統,前者由於有多組地震儀做交叉比對,因此準確度較高,但比對所需的時間較長,這些時間包括地震傳遞至各地震站的時間,資料收集時間與網路傳輸時間。至於後者,由於系統只依靠本身的地震儀做預警,因此速度較快但準確度較差。

我們來分析一下在台灣區域型預警系統的警報需要多少時間。以台灣每30公里的密度就有一個地震偵測站來說,P波的傳遞速度約為6~8秒,3到5個地震偵測站都接收到地震P波約需5~10秒,假設取10秒的P波做為警報的預估(一般取1~10秒),地震預警的計算時間如果需2~3秒鐘,地震發生後18~20秒就可以發出警報。

當然如果只取3秒的P波做計算,而且只要3個站就可以發布警報,時間就減低至10秒。甚至若單一個測震偵測到地震就可以發布地震警報,警報發布時間更可降至4秒,但是這樣預警的準確度也會降低,由此可見預警時間與準確度是有絕對的負相關。

再進一步比較日本與台灣這兩個同受地震威脅的難兄難弟。試以日本311地震與台灣的921地震為例做比較,若把震央當作圓心,分別以半徑100公里、200公里及300公里畫三個同心圓。依據地震波速(P波6~7 km/s,S波3~4 km/s)估算區域型地震警系統可以提供的預警時間,在100公里的圓圈可以提供約10秒的地震預警時間,200公里的圓圈可以提供約45秒的預警時間,在300公里的圓圈可以提供約80秒的地震預警時間。

由此可見,在311地震當時,沿海地區約有二、三十秒的預警時間,較遠的成田機場的預警時間則長達80秒以上。但是311地震規模大,遠在300公里外的東京地區仍有4到5級的震動,因此從媒體上可以發現東京地區的民眾大多是先收到地震警報,而能預先做好準備等待地震來襲,日本的地震預警能力也就聲名大噪。

反觀台灣的921集集地震,一樣畫上100公里、200公里與300公里的三個同心圓,並以顏色表示各地的震度大小,發現921地震的重災區(中部縣市,紅色、粉紅色部分)都在100公里的同心圓內,也就是說區域型地震預警系統能提供的預警時間不到10秒鐘。這一點跟日本有天大的差別,日本的災區至少有30秒以上的預警時間,但台灣的災區不到10秒,因此快速警報的現地型在台灣就變得非常重要。

在日本因為地震震央很遠(外海),因此花較多時間但是較準確的區域型地震預警系統十分有效。但是在台灣,地震都是發生在腳下(內陸),離人口稠密處可能連50公里都不到。對近震央的地區來說,快一點但沒那麼準確的現地型地震預警可能比較實際。但如果現地型與區域型地震預警系統可以整合,提供快速與準確的地震預警就更理想了。

由此可見整合區域與現地型的地震預警,可以提供快速、準確的地震預警訊息。國家地震工程研究中心(國震中心)歷經十餘年的研發,包括從理論的分析、電腦的模擬、實驗室的三軸向地震模擬振動台整合測試,到現地示範站的長期驗證測試。近5年國震中心已經在全台灣建置超過20個現地型地震預警示範站,也接受教育部與科技部委託在一百多所學校完成整合區域與現地型地震預警系統的建置,預計在未來3年可以完成全國三千餘所國中、小地震預警系統的建置。

經過多年在全台灣各地的校園地震預警示範站的測試,發現這系統確實能在真實地震下發揮提早預警的功效。如104年中央氣象局編號10411號的地震,各個示範站離震央距離約83~230公里遠,各學校的現地型地震預警系統分別可提供18~30秒的預警時間。距離震央越遠,預警時間越多,由此可見校園地震預警系統確實可以發揮預期功效。

十幾秒的預警時間

地震預警系統再怎麼進步,在台灣的重災區大概只能提供十幾秒的預警時間。因此收到警報後,該如何快速、正確地掩蔽才是重點。有鑑於此,智慧型建築防災技術十分重視「地震防災服務」。它包含平時地震防災計畫的擬定以及地震防災演練的執行,與震後的結構安全評估和補強修復建議等。

目前這一部分在台灣已經有一些雛型,例如在教育部與科技部補助下的「校園地震預警建置實驗計畫」便把地震預警系統融入校園地震防災計畫中,並透過地震防災演練,指導師生如何應用十餘秒的預警時間做有效的避難疏散。

以智慧型建築防災技術進行校園的結構安全評估時,會考量學生活動區塊,在收到地震警報時做兩類的避難動作。第一類是一樓的空間如果有倒塌的疑慮,計劃團隊就會規劃出適當逃生動線,讓師生可以在15秒內疏散至戶外空曠地區。這類的空間使用者必須在收到警報後,快速依演練的逃生動線疏散到戶外空曠地區。第二類則是其他的空間使用者(如結構不安全或動線不良的一樓,以及其他樓層)在收到地震警報後必須立刻就地掩蔽。等待地震結束後,師生再疏散至集合地點做點名、檢傷等動作。

結構安全監測

建築物安全評估的關鍵 建築物的安全主要受到地震波水平分量的影響,當地表左右搖晃時會造成柱子變形,如果搖晃過大,柱子的變形量超過其所能負荷的程度,柱體會破壞以致無法承載樓板重量,房屋便跟著倒塌。

此外,就算地震沒有造成柱子破壞及房子倒塌,仍會使建築物內部的東西損壞,建築物因而無法發揮應有的功能,例如造成瓦斯管線破裂引起火災,因此居民必須儘速撤離。又如過大的側向變形會造成天花板掉落、水管漏水、電梯卡住等災害,雖然未必影響生命安全,卻影響到建築物的使用,尤其像醫院、高科技廠房等較敏感的建築。

但要如何判斷建築物在地震下是否受損,以及受損的程度有多嚴重呢?其實,有一個簡單的方法,那就是利用建築物「層間相對側向位移角」,也就是每個樓層之間的側向變位相對於該樓層高度的變形角度。

如何量測層間相對側向位移角 要計算層間相對側向位移角,必須量測樓層之間的側向變位。一種是直接的量測方式,例如利用光學的位置探測器可以非常精確地測得動態的側向變位。然而這類的量測儀器所費不貲,成本太高。另一種是間接的量測技術,即利用裝設在各樓層的加速度計把在地震力作用下的樓層振動反應訊號記錄下來,再對加速度訊號積分,積分兩次之後就變成位移訊號了。接著把上下兩層樓的位移訊號相減,就可以得到樓層之間的側向變位。

第二種方法好像很單純,事實上加速度訊號積分成為位移訊號時,由於在特定頻率下位移訊號是加速度訊號除以頻率的平方,導致低頻的加速度訊號除以很小的頻率平方之後,會變成很大的位移訊號,而且加速度訊號多少會包含低頻的含量,因此這種低頻訊號不可避免地會影響訊號的品質。為了減少低頻訊號影響所造成的計算誤差,必須針對訊號進行濾波,利用高通濾波器(也就是只有高頻訊號會通過的濾波方式)適當地去除位移訊號中的低頻訊號,所得到的結果才不會誤差過大。

層間相對側向位移角與建築安全 由於建築物的變形與層間相對側向位移角有一定的正向關係,而且結構物變形越大,代表受損的情形越嚴重。在地震工程的研究中,根據數值模型、實驗室試驗驗證、實際建築物受損觀察等方式,已經大致了解結構物的變形程度、受損程度與健康狀態的關聯。

建築物的健康狀態大概可以分成正常運作、可立即使用、危害生命安全、幾乎倒塌等數種狀態。其中,所謂正常運作狀態,就像是平常小地震過後,雖然有東西掉落,或牆壁某處發生非常微小的裂縫,但我們仍然繼續日常的生活。所謂可立即使用,代表當稍微劇烈一點的地震發生後,牆壁或柱子上可能有許多明顯的裂縫,電梯可能停止運作,但只要簡單地整修,就可馬上恢復使用。

所謂危害生命安全,表示大地震後建築物有些殘餘變形,隔間牆可能受損失效,除了梁柱、斜撐、牆體之外的東西可能都受損了,建築物維修的經費頗為龐大,但是還不至於倒塌。所謂幾乎倒塌,顧名思義就是建築物幾乎倒塌,僅殘存些許的強度並有較大的殘餘變形、逃生出口可能受堵的狀況。

結構安全監測系統 典型的結構安全監測系統的硬體,包括訊號擷取主機、控制自動化以太網集線器(EtherCAT HUB)、以太網集線器(Ethernet HUB)、量測模組、監控工業電腦、加速度計、GPS天線等。每一個量測模組都有數個量測通道,如此可以有數十個通道與感應器連接,並藉由GPS天線校時與同步化。

這系統的優點是採用分散式量測,主機與模組之間利用控制自動化以太網(EtherCAT)通訊協定連接,能夠大量地減少訊號線的長度,讓安裝變得更容易,也減少了安裝的費用。量測的訊號可同時儲存在訊號擷取主機端與監控工業電腦端,確保資料的安全性。

要評估建築物是否安全,最簡單與直接的方式就是透過層間相對側向位移角來判別。但在沒有結構安全監測系統的情況下,一旦發生稍微大一點的地震,要了解建築物是否可以繼續使用,通常要等到土木技師或結構技師到現場勘查,判定建築物處於哪一種健康狀態,待確定安全才可以繼續使用。這樣的做法耗時費力,試想大地震發生後,在有限的人力下,卻有數量龐大的結構物等著現場勘查,這一方式實在沒有效率。

相反地,建築物一旦有了結構安全監測系統,就可在地震後迅速判斷建築物是否可立即使用,受損的樓層大概是哪幾層,受損的程度大概屬於哪一種健康狀態。如果受損超過一定程度,還是需要技師現場勘查,如此可以自動把系統所收集到的資料提供給配合的顧問公司進一步分析,而能更快速準確地判斷建築物的健康狀態。

安裝結構安全監測系統 對於一般使用者而言,結構安全監測系統可以在地震發生後迅速確認建築物是否安全,不必擔心受怕而露宿街頭。即使建築物需接受檢查,也有配合的顧問公司可根據資料迅速研判受損程度,提出結構安全補強與修復計畫,使日常生活不至於受到太大的影響。

對金融大樓的業主而言,結構安全監測系統的效益更是非同凡響。一棟金融大樓每天的交易額動輒數百億,若是僅因為懷疑地震可能造成建築危險,而使得金融大樓數天無法運作,損失可就大了!相反地,如果裝設了結構安全監測系統,並在地震過後立即告知建築物結構的資料,則使用者僅需進行一些簡單的確認,例如逃生路線、電梯、水電瓦斯管線的功能若未喪失,就可在短暫時間內恢復金融大樓的正常運作,如此可大幅降低地震造成的間接損失!

同樣地,對於一些高經濟產出的工廠,例如高科技園區的廠房,每天的產值也是動輒數十億,因為中小地震而造成產能降低,所受到的損失會很可觀。為了使工廠能夠在地震過後儘速確認安全並恢復運作,智慧型建築防災技術可以根據結構的數值模型,預先分析地震時可能最易受損的區域。一旦結構安全監測系統判斷廠房的健康狀態可能在受損的邊緣,業主只要檢查最易受損的區域,就可迅速確認廠房的安全,以加速工廠恢復運作的時程。

智慧型建築防災技術可降低地震造成的影響,在震後能夠立即恢復生活品質。安心待在安全的家中,是目前世界上地震防災的概念趨勢,也就是所謂的「提升震後恢復力」。對產業界而言,這一技術更是至關重要,因為時間就是金錢,這項技術能夠藉由迅速恢復建築物的功能,大幅降低地震導致的間接損失。在不久的未來,隨著科技的進步以及人民對於生活水準期望的提升,智慧型建築防災的技術會大幅應用在日常生活中!

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