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2019-04-01起造通天巴別塔─ 一窺建築結構與工法 592 期

Author 作者 謝紹松/永峻工程顧問(股)公司董事長及臺灣大學土木系兼任教授,台北101、臺中國家歌劇院及臺北藝術中心結構專案負責人 。張敬昌/永峻工程顧問(股)公司副總經理,臺灣科技大學營建工程系兼任助理教授 。
摩天大樓最早出現於19 世紀末的美國,指的是樓高及樓層數 出眾的大樓,但是建築物多高才能稱為摩天大樓呢?最早的摩天大樓僅10 多層樓,隨著時代演進,高度門檻一再被突破, 時至今日,依據《大英線上百科全書》(Britannica Online Encyclopedia)定義,樓層門檻為40 或 50 層,或高度超過 150 公尺。為了方便討論,本文採用150 公尺的高度標準, 依此定義,目前棟數最多的國家為中國的1800 餘棟,美國的 700多棟則屈居第二。而臺灣從30年前開始建造高樓,目前已 累積44棟摩天大樓,分布在臺北、高雄和臺中等地。

高樓結構規劃的基本概念

摩天大樓內住戶人數眾多且所在位置離地面很遠,造成逃生費時,因此結構安全性特別受到關注。高度在結構上也代表設計及施工的挑戰程度,尤其是考慮到強風及地震侵襲。為了使大樓結構具備抵抗大地震的能力,結構系統的選擇受到限制,設計需更周全,也因此,雖然美國非地震帶都會區有許多摩天大樓,但位處環太平洋地震帶的西岸,其商業區的天際線相對較低。世界各地的條件不同,促使工程師需選用不同的材料及各具特色的結構系統構築摩天大樓,本文則將聚焦在臺灣的現況。

臺灣的天然災害多又強烈,諸如地震、颱風及臺北都會區軟弱黏土構成的地盤,都是必須納入考量及克服的不利條件。在經濟因素允許的條件下,除了載重設計標準要有合理的上限,使用性與極端條件下的安全性也要適度考慮。國內耐震規範要以大地震後「容許部份結構毀損,但建築物不能倒塌」為原則,以保障住戶人身安全;中度地震後,容許結構體輕度毀損,但是能夠在修復後繼續使用;小地震後則結構不得有毀損;強颱過後建築結構不得有損傷;一般季風侵襲時,住戶不能有持續頭暈等不舒適感,平時大樓也不能有過大的沉陷或傾斜而產生安全疑慮或使用上的困難。一般而言,結構體要輕,以免加重基礎之下土層的負荷及衍生過大的地震力,並控制結構尺寸可以符合室內空間的使用需求,所以臺灣的高樓絕大部分採用純鋼骨結構,設計重點在於增強側向勁度〔註一〕,以降低結構的風力反應,同時防止強風及小地震之下結構變形太大而使室內裝修及帷幕外牆等結構受損,
也要進行韌性設計以維持結構體在大地震時的安全性。

結構系統的選擇

一個設計案的建築結構規劃從選擇結構系統開始,而結構系統為各種結構形式的稱謂,不同結構形式的行為及性能差異甚大,如純由樑、柱組成的韌性立體剛構架系統就是一種吸收地震能量的優良耐震結構,耐震設計規範中甚至量化各種系統預期吸收地震能量的能力。結構系統的選擇除了成就建築美學與機能需求,首重結構效率,效率高便在可達到相同的性能目標下,讓結構體所占空間較小,室內可用空間增加的同時也節省營建成本。在臺灣,樓高越高或高寬比(即結構體總高∕建築平面短向長度)越大的建築,風及地震等短期側向載重造成結構的負擔也會增加,因此鋼骨摩天大樓的結構不但要講求平面及立面規則對稱,且大樑、柱和斜撐等主要構件要依力學原理做高效率的組合, 像是額外加上外伸桁架(outrigger truss)及帶狀桁架(belt truss,圖一),外圍採用密柱深樑的筒狀結 構(tube structure,圖二);束 筒結構(bundles tube structure, 圖三);外圍大斜撐組成的斜撐筒 結構(braced tube structure,圖 四),巨型柱及巨型樑組成的巨型結構(megastructure), 如台北101 及高雄85大樓。這些特殊結構系統 的配置可能會影響建築機能及立面造型,需及早與建築師協調,在概念設計階段確立。

結構成本的控制

摩天大樓結構成本約占總造價30%,而鋼骨又居結構材料的最大宗,因此控制單位面積鋼骨用量的價值工程,是每個案子的重要例行工作。工程師欲降低鋼骨用量有以下措施:

(一)規劃高效率的抵抗側力系統,盡量讓大樓結構形成一個從地面往上懸挑的巨大桿件,如此,外柱主要承受軸向力,而較少彎矩,可以減少樑、柱尺寸的需求,設計結果成本降低。

(二)選用高強度鋼材。短跨度的小樑由強度控制尺寸,可選用一般的高強度鋼,大樑、柱、斜撐等抗震構材可選用高強度高韌性鋼材。高強度鋼單價較高,尺寸縮減時總價仍較低。但是高強度鋼材的韌性與施工性較普通鋼材差,施工限制多,因此品質控制更為重要。

(三)採用鋼骨及混凝土複合桿件, 使 2 種結構材料分別發揮其 抗彎及抗壓的優勢。箱型鋼柱內灌高強度混凝土(concrete filled steel tube, CFT)即屬 經濟效益很高的複合柱。

(四)說服建築師選用較輕的帷幕牆、隔間牆、地坪和天花板等非結構體材料,可同時減輕垂直載重及地震造成的側向力。
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