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天下文化首頁 主題 財經企管 面對颱風與地震的挑戰,台北101仍屹立不搖的秘密
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2022.02.11
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「大家都想為台灣做一點事,讓台灣站上世界舞台。另外,透過讓世界一流廠商與台灣在地廠商合作,將國際工程...
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面對颱風與地震的挑戰,台北101仍屹立不搖的秘密


面對颱風與地震的挑戰,台北101仍屹立不搖的秘密_img_1
圖片來源:TAIPEI 101 MALL 台北 101 購物中心   設置於87F~92F中央位置的風阻尼球

強度和韌性的表現

2001年9月11日,兩架飛機撞擊紐約世貿中心雙塔。在災難電影中才會看見的畫面,竟真實的出現在眾人眼前,震驚了全世界。被撞擊一小時之後,世貿雙塔先後倒塌;而倒塌的兩大主因,分別是飛機撞擊造成的結構損害,以及爆炸所引發的火災。

911發生的時候,台北101已經在施工中。世貿中心雙塔倒塌的畫面怵目驚心,輿論開始質疑與檢討台北101的結構。

許多懷疑的聲音從各方湧入,「如果遇到和紐約一樣的攻擊,台北101到底能不能承受得住?」

台北要興建一幢世界第一高樓,不只是各方輿論不看好,連先天的地理條件都設下難題與考驗。

放眼世界,沒有一幢超高建築像台北101這樣,要同時面對強風與地震的挑戰。

於是,以地震帶上2500年週期為防震安全設計,以及可以備援的發電系統,還有光纖架上微波、衛星通訊、最強供電通訊設備,並設置三座風阻尼器減緩建築物的晃動幅度等,這些頂尖的設計都因應而生。

台北101不但是地震帶上最高的大樓,也是最堅固的建築,其建築設計與結構規劃,更成為之國外高樓建築經驗,台灣無法全然適用後許多超高大樓學習的對象與範例。

謝紹松說,「在最初的設計階段,台北101曾經參考原本要蓋在芝加哥的一棟125層高的大樓結構。但是,芝加哥沒有地震,大樓只需要抗風,主要構造採用鋼筋混凝土,只需要強化建築物的強度就能達到目的。」

除了參考芝加哥的案例,也向杜拜和紐約的摩天高樓取經,發現許多高樓建築使用的結構技術,也都無法全然適合台灣。謝紹松說,「台北101的結構需要又堅固又有韌性。當時世界上的超高大樓,幾乎都建在沒有地震的城市,不必考慮韌性這個條件。」

物體在不受外力影響下的振盪,稱為自然振盪,對應的頻率稱作自然頻率。物體以自然頻率隨著振動源大幅振動的現象,就稱為共振。

風和地震發生時,建築物會跟著搖晃,如果遇到強風,或是地震波的振動頻率,剛好和建築物的自然頻率一致,建築物就會發生劇烈振動。

風力和地震對高樓的作用,會隨著建築物的高度增加而增強。建築要對抗地震,愈輕愈好。但是超高建築除了要考慮強風的影響,也要兼顧季節風作用時的舒適性,建築物的自重對不同的結構的影響各不相同。

讓台北101更安全的巨型結構

謝紹松說,經過安全、機能與經濟等各項條件考量,最後確定要採用巨型結構做為整體結構系統。

「台北101的結構設計,和1973年啟用的世貿雙塔相比,不但更加先進,在面對自然條件及強大衝撞力攻擊時,也更加安全。」巨型結構中的巨型柱、巨型樑,原本就是用來對抗強風;而為了因應位在地震帶上的特殊條件,更進一步結合混凝土的堅硬與鋼材的韌性,採用高性能混凝土與鋼骨構造結合成為內灌混凝土箱型構件做為支柱。

對於結構工程師而言,設計結構時,最重要的關鍵是了解力的傳遞路徑,並且確保建築物的結構強度與韌性足以承受。

力的種類和傳遞方式,取決於結構的組合方式。組合方式較常見的是承重牆系統、構架系統或是樑柱系統。

樑是樓地板的骨架,當樑承受重量時會稍微彎曲,將重量分散、傳遞到支撐樑的所有柱子上。柱子承受壓力後,則會再將重量傳到地面。

許多工法與建築材料的開發在當時都是創舉。林鴻明說,「例如,台北101是台灣首次在鋼製箱型柱內灌入一萬磅混凝土建築。現在一萬磅混凝土比比皆是,可見對台灣整個工程界的影響有多深遠。」

特製鋼骨高韌性接頭

謝紹松說,「在沒有地震的城市建造超高大樓,只需要考慮樑、柱的強度。」但是在台灣,不只樑、柱的材料,還有接頭,也就是整個系統都必須要有消散地震能量的能力。

台北101在樑柱接合處,採用特製的鋼骨高韌性接頭,這種新創的特別工法,比傳統加固能消散更多的地震輸入能量。而巨型桁架的設計,不只是為了讓建築物更加穩固,也有控制晃動的功能。謝紹松說,「遇到地震的時候,建築物跟著左右搖擺而不被破壞,就是韌性的表現。」

27樓以上,每八層形成一個結構單元,將每一個結構單元視為一個超大樓層,而且都要犧牲一層樓的空間來做為巨型樑,以固定的巨型桁架強化結構強度,增加建築的穩定性。李祖原說,「目的只有一個,就是做到最佳化。」

台北101就像是一個巨人,巨人自然是骨骼粗勇,才撐得住龐大的身體。林鴻明說,「把同一棟樓放在紐約,用鋼量大概只需台灣的一半。」使用兩倍的用鋼量,就是要確保建築物結構安全。林鴻明強調,「這麼多專家,想出了好的解決方案。無論多麼昂貴,也一定要做。」

【書籍資訊】
《從0到101》
面對颱風與地震的挑戰,台北101仍屹立不搖的秘密_img_2
出版日期:2022.02.15