| 葉韋呈／土木結構及大地技師 |
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前言 台灣位於環太平洋地震帶受到板塊擠壓作用地震不斷，近年發生規模達6以上的強烈地震已見怪不怪，自2016年高雄美濃與2018年2月6日、2024年4月3日兩次花蓮地震以及今年2025年嘉義地震等，造成民眾生命及財產重大威脅與損失，並加劇民眾心理的恐慌。依中央災害防救會報112年災害統計資料，近10年台灣發生規模6以上地震共35起，幾乎每年至少3.5起以上，讓民眾深感不安。建築結構耐震能力若是在規劃設計階段未能充分考量，縱使有優良的施工品質仍將無法達到最佳耐震效果，甚至會過度浪費社會資源。從歷次震災案例中可以看出，許多問題源自於設計階段的未詳加考量，例如結構軟弱、不規則或結構系統配置不當等，有鑑於此，若能在設計初期便針對結構系統與構件配置進行合理、周全的規劃，將大幅降低這些問題的發生。建築結構系統配置的合理性對於保證建築物的安全、功能、經濟性以及長期穩定性有著至關重要的因素存在，尤其像台灣這樣的地震活躍區，對結構設計的要求應更加嚴格，並充分考慮到各種外力的作用影響，並選擇適當的結構方案來確保建築物的安全穩定與耐用經濟，本文將針對一般建築結構系統與構件配置的重點進行系統性探討，以期提供給各位工程專業人士參考。一、建築物受地震作用原理及設計概念 在進入結構系統配置原則之前先簡單說明建築物受地震作用原理，讓各位讀者能更加瞭解設計地震力如何產出以及耐震設計的重要概念。(一)建築物受到地震作用將產生加速度，可藉由牛頓的第二運動定律來表示建築物所承受的地震力。當建築物受到加速度作用時，會因其慣性產生反作用力，因此地震力可以用公式F=m×a來理解，其中m代表建築物的質量，a代表地震加速度，一般地震作用力將由建築物的重心(建築物重量中心)輸入並由勁心(結構抗側力系統的勁度中心)來分配抵抗地震力。依據耐震設計規範係根據建築物的重量、周期及所處地區的地震加速度反應譜以及地質條件等綜合評估，計算出建築物在地震作用下的地震力作為結構設計基準。目前設計規範中係考量中小度、設計及最大地震等三種不同的地震力在不同的計算規定之下求出，並選擇其中的最大值作為控制和設計依據，藉以確保建築物耐震能力。 (二)建築結構設計的安全性必須確保結構在規定的設計使用年限內(一般為50年)，能夠抵抗可能出現的外力作用，並且在局部結構破壞時仍能保持整體框架的穩定性，避免結構崩塌。這是目前對建築物結構安全性的基本要求。因此，為了確保結構的完整性，必須具備良好的結構系統與構件配置並符合該有的耐震能力。這包括選用優質的結構材料(兼具強度與韌性)、設計合理的結構構件(具良好的接合性)以及完善的結構系統(有效的應力傳遞與分配)。即便建築結構發生局部破壞，仍可通過強度、冗餘度、韌性及合理的耐震配筋設計來實現應力重分配，確保結構的整體穩定性，不至於產生整體性崩塌。 (三)在目前的耐震設計中，我國主要採用韌性設計原則，通過線彈性設計來確保結構系統能夠有效應對地震所帶來的非線性行為。設計時會優先考慮結構的韌性容量，並折減前面所提到地震力計算方式求得，藉以作為設計基準地震力。經過韌性折減後，建築物所受的地震力會根據折減因子進行調整，通常在設計基準或最大地震力下，分別減少達到4.95倍和6.72倍。這樣折減後的地震力約為線彈性結構所承受地震力的15%至20%[1] ；另中小度地震力則不將韌性納入折減(擔心較高韌性建築物地震力折減過多導致在中小地震就過早降伏進而產生不必要的構件破壞)。當然，要實現這些條件，必須根據結構系統與構件的設計、配置及細部設計要求，遵循耐震規範進行設計。這樣的設計確保了結構在地震作用下，能夠在特定位置形成塑性鉸，從而有效消耗地震能量，同時避免結構的局部損壞進而產生倒塌，這種韌性設計有助於降低地震作用對建築物的影響。 二、建築結構系統配置 為使讀者對於建築結構配置原則有更清楚了解，本章將著重說明結構設計上的重點，除了筆者自身經驗以外，亦藉由眾多前輩的意見彙整提供給各位參考如下[2、3、4、5]:(一)採用多道耐震系統:對於中高樓層建築物或近斷層的建築物應避免僅採用一種結構系統抵抗地震力(如抗彎矩構架)，為確保建築物有足夠耐震強度與變形能力，建議可採抗彎矩構架搭配剪力牆系統(即二元系統)或隔減震系統，可於地震初期先由剪力牆或制震設備作為第一道防線，抵抗大部分水平剪力或消耗地震能量，後續受地震力持續作用破壞後，仍有抗彎矩構架作為第二道防線，保護建築物避免倒塌。 (二)避免平立面與扭轉不規則:依我國耐震設計規範所列各種平立面不規則樣態均必須事先檢核，具規則性結構物承受地震作用下，各結構構件受力較均勻且受力行為較易掌控，較不易形成結構弱點，耐震能力佳。不規則結構易產生應力集中效應，且伴隨著扭轉作用，在不規則處將增加變形與應力，不規則結構的結構動力行為與一般規則結構的分析差異甚大，必須額外以動力分析呈現真實受力反應並適時進行額外補強措施。 (三)控制結構系統重心及勁心差異:當建築物重心與勁心不相同時將產生偏心扭轉效應額外造成應力異常增加，於地震力作用時結構抵抗作用力將不會依各結構構件勁度比例大小進行分配，可能產生勁度小構件承受較大的地震力進而有較大的變形，而勁度大構件承受小地震力且變形較小，將導致各構件產生不同程度的位移，引發扭轉現象，建築物變形量不均勻的情況下將產生額外應力集中，不同於當初規劃時的結構受力情形，而此效應在地震持續動態作用時，該效應有放大現象，使變形大的構件承受更大彎矩及剪應力，結構勁度持續降低，倘重心與勁心距離過遠，將導致各構件產生更大的變形，類似P-Δ效應，必須控制結構物的重心與勁心的偏心率不超過15%。 (四)避免單跨度[即贅餘力]:增加建築物靜不定度可以提高建築物耐震能力，具有充分應力重分配能力，可避免單一構件損壞時導致整體結構崩塌，建議雙向至少2跨以上，藉以確保結構贅餘度及安全性。 (五)控制結構長寬比<6:當建築物長寬比過大時，建築兩端部受地震作用時產生不同部的變形，使結構體變形不均勻以及局部應力集中，增加發生破壞風險。過大的長寬比亦可能導致顯著的扭轉效應，影響耐震表現。 (六)控制結構高寬比<4:建築物高寬比越大時，於地震作用時結構的整體穩定性較差、抗傾倒能力差、側向位移量與基底傾倒力矩越大，底層柱所產生拉應力與壓應力就越大，造成結構體可承受的彎矩大幅降低，導致結構承載能力變差。 (七)控制結構體兩方向勁度差異:建築物兩向(水平及垂直)抵抗能力(勁度與強度)與變形量必須均勻，以免變形差異過大導致額外扭轉效應，兩方向勁度比應控制在 20% 以內，如超過此範圍，應調整結構配置，以提升整體安全性與穩定性。 (八)控制結構豎向構件退縮尺寸及勁度變化<30%:相鄰樓層之豎向構件 (如柱、剪力牆) 的尺寸或勁度變化應控制在 30%以內，以往一般建築結構配置越往高層的混凝土與鋼筋材料強度亦會跟著降低，此時就必須注意尺寸跟材料強度的降低是否致使勁度變化差異過大，避免產生不規則建築物特性，導致扭轉效應與應力集中現象。 (九)控制基礎長寬比:儘量控制基礎長寬比<3，藉此避免差異沉陷過大。基地中土壤應力隨基礎形式及深度擴散並具有非線性性質，對長條型基礎而言當位於一倍基礎寬(1B)的深度時，應力增量約50%，當超過1B後土中應力急速衰減。另方型基礎的土壤應力增量較長條基礎衰減更快(條型應力增量0.1σ時約在6b，方型應力增量0.1σ時約在2b)，代表方形基礎對沉陷量抑制較佳。 (十)避免短梁短柱、搭梁、梁上柱及板上牆等情形:導致局部剛性不均勻，形成應力或變形集中效應，影響耐震能力，設計時應避免此類結構構件配置，或採取適當補強措施，以確保結構整體性與安全性。 三、建築結構細部配置注意事項 前章提到欲有良好結構系統必須在設計階段進行縝密的檢討以及因應措施，藉此將整體建築結構效益發揮到極致，而此章將針對結構系統與構件部分進行說明；(一)確保結構整體連續性[完整性]:結構遭受局部損壞或超額應力作用下，藉由優良的結構系統配置與鋼筋細部設置確保結構體強度、韌性、贅餘度有足夠能力承受並發揮應力重分配作用，維持結構穩定避免產生整體性崩塌: 1.結構配置規則且均勻及良好接頭連接 2.提高結構贅餘力，增加靜不定度(應力重分配能力)。 3.採用韌性設計:結構構件設計、配置及細節等依據耐震規範要求進行，使構件在地震時於特定位置產生塑性鉸消耗地震能量且不至於產生損壞倒塌。 4.韌性配筋:緊密箍筋間距、圍束箍筋量、繫筋配置及耐震彎鉤配置等。 5.符合強柱弱梁與強剪弱彎 6.有效傳力路徑[連續簡單且明確] 7.鋼筋連續性並發揮良好鋼筋懸吊作用 8.邊界構件加強配置以及應力集中範圍鋼筋補強(樓板角隅與開口處) (二)避免建物產生不規則結構(如:L、H、U、T等形式)，結構物的翼端長度越長時，扭轉不規則效應越高導致其耐震性越差，且於翼部轉角處有應力集中現象，易產生破壞必要時增加補強鋼筋因應。 (三)電梯、樓梯間配置位置應儘量以結構物中間或以對稱方式，避免設置在結構端部或轉角處，易有平面勁度不對稱，造成應力集中並加劇差異沉陷情形，避免勁心與重心差異過大而產生扭轉效應，若無法避免設置在轉角處時則設置剪力牆、加厚樓版、補強鋼筋以及邊界構材因應。 (四)樓板以剛性樓版設計為主，保障結構完整性及有利地震力有效傳遞給豎向構件，若同一樓層樓板勁度不連續或差異超過50%，將使豎向構件受地震力作用時不依豎向構件勁度進行分配，導致局部應力集中與變形過大情形，必要時進行適當補強(增設伸縮縫成規則結構、不規則處增設集力構件補強、增設剪力牆因應)。 (五)剛性樓版係假定樓版在平面內勁度無限大而面外勁度亦必須有所控制撓度，該樓層範圍內水平變形具一致性，應儘量以現澆樓版為主，當有局部樓版削弱時(如開孔)，則須局部加厚樓版、補強樓版鋼筋、設置邊梁等以保證平面內必要的整體勁度；當樓版形狀呈現不規則時，平面內勁度不均勻或削弱時則不適用剛性樓版假設，必須以柔性分析精準掌握真實結構樓板受力情形。 (六)避免同一樓層同時存在長短柱，導致勁度不均勻使短柱受力集中而提前產生破壞，必須使各樓層中的柱勁度儘量相同使受力和變形均勻。 (七)考慮非結構構件對於建築結構影響及評估，比如非結構牆配置不當造成平面不規則，勁心與重心偏差等或因開窗需求造成短梁或短柱影響，必要時進行補強或因應對策。 (八)剪力牆以對稱且均勻配置為宜，並形成良好圍束，立面配置儘量連續，並加強和梁柱間連結作用，避免短柱(梁)效應，宜配置於結構體中心，倘需抵抗扭轉作用可將剪力牆雙向配置於建築結構四周形成圍束牆體。當上下層剪力牆於不連續處或不同跨度時，連接兩個剪力牆間之梁、柱與樓版將承受較大應力(應力集中)，必須適時進行放大地震力分析和補強。 (九)建築物長度過長時勁度較大的剪力牆儘量避免設置在兩端，宜配置房屋中央位置，減少過大束制造成溫度裂縫產生。 (十)剪力牆、梁柱框架等宜於建築雙向均配置，避免有勁度差異過大情形，且其各結構構件中心線儘量重合，確保應力傳遞路徑順暢，並避免產生扭轉作用。 (十一)梁柱接合處偏心量儘量控制避免超過柱寬/4，否則將額外產生扭轉應力且於極限強度後衰減快[6]，不利耐震消能。可以增設梁翼增大梁端截面提高承載力，惟此將增加梁端彎矩及剪應力必須檢核是否符合強柱弱梁。 (十二)柱跨距儘量均勻配置:當結構柱左右跨距不均，易使較短跨中的梁受到彎矩及剪力較大，且鄰近柱受地震作用時將產生較大應力，儘量維持跨距相同或控制差異20%以內。 (十三)檢核極限層剪力: 為確保各層具有均勻極限剪力強度，無明顯軟弱層，使建築物之構件降伏均勻性，共同消散能量，不得有任一層OVn/Vu[Vp/Ve]小於上一層的比值80%以下，避免某層集中破壞。 (十四)有效結構系統傳力路徑:必須確保水平或垂直構件及接頭組成的結構傳力路徑順暢，承受載重的最有效路徑，力求簡單平順。其中橫隔板佔非常重要的角色，除主要功能為承載一般垂直向載重、水平向面內載重[尤其在不連續處更為重要，具有應力集中現象]並將豎向抗側力抵抗系統各結構構件連結在一起，形成完整三維構架。當有地震力傳遞路徑不連續處附近構材必須放大作用力25~40%，藉以確保耐震能力。 (十五)控制柱軸壓比:軸壓比較大的柱韌性較差[控制0.4以下]，於柱達極限載重後遲滯迴圈呈現下降快速，強度和抵抗變形衰減速度快，耐震消能能力差。 (十六)結構震動週期控制: 建築物自然週期必須大於土壤週期，避免因地震作用使建物產生裂縫，進而使建築物勁度降低週期上升，產生共振作用。 (十七)減少基礎差異沉陷量:儘量使基礎土壤沉陷量及結構受力作用均勻，倘地質條件相同時應儘量控制基礎形式統一；並對於坐落於不同力學性質的土層時控制差異沉陷減少對結構影響，必要時配置不同基礎因應和補強或設置伸縮縫。 四、結論 (一)合理的建築結構配置對於建築的安全性及耐震性能有直接且深遠的影響，亦可提升施工品質、效率並降低整體經濟成本，所以結構配置應著重於平立面規則、結構系統對稱性及柱跨距之均勻性、傳力有效性、結構構件軸線之一致性、垂直與水平構件之連貫性，以期減少應力集中與勁度變化過大，以確保整體結構系統的穩定性與施工的合理性，避免某個構件特別軟弱，產生應力集中及扭轉效應，將徒增後續補強工程與成本增加。(二)建築結構受到不規則、長寬比過高以及柱跨距不均勻和梁線偏斜的時候，易受到偏心扭矩、應力集中等現象，所以必須花費更多措施進行補強包含鋼筋加密或混凝土加大或加厚，造成更多碳排，依低碳(低蘊含碳)評估手冊均勻跨距減碳效果最大約13%，其次為不規則與長寬比過高約占6~10%，所以有良好的結構對稱形式對於結構安全與經濟性將有顯著挹注。 (三)根據國內外震災研究與案例分析，大部分建築破壞案例70%以上集中在低樓層(尤其是一樓與二樓)，如1999年集集地震、2016高雄美濃地震、2018年與2024年的花蓮地震災損案例中，均顯示一樓因開放空間或強度不足導致軟弱層破壞的情形。因此，應特別重視建築結構配置及施工品質之控管，強化梁柱尺寸規劃、耐震配筋之合理性並考量施工可行性，避免結構局部破壞引發全面倒塌之情形。 (四)建築結構配置為建築設計與工程規劃中極為關鍵的一環，其合理性不僅直接影響結構安全、施工效率與經濟效益，一般工程實務經驗顯示，若能在設計初期即整合建築、結構與機電等系統之配置，將能有效減少設計衝突與現場施工干擾，進而提升整體品質與成本控制能力。建築結構配置應以「安全為首、品質為本、彈性為用」為原則，透過明確原則與經驗累積建立起系統化之設計思維，進而提升整體建築品質與社會永續價值。期望本文內容能協助相關從業人員在設計初期即掌握關鍵配置要點，作為溝通、協調與決策的重要依據。 參考文獻 1.中國土木水利工程學混凝土工程委員會，鋼筋混凝土學[土木406-112]，2023年10月17日2.中國建築工業出版社，李艾群、丁幼亮、高振世，工程結構抗震設計，2018年1月 3.中國建築工業出版社，朱炳沿，建築結構設計問答及分析，2018年1月 4.文笙書局，建築結構耐震設計觀念問答，1995年 5.機械工業出版社，張耀庭、潘鵬，2018年7月 6.內政部建研所，鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討，2019年12月 |
