台灣科技大學建築工程系
在職專班期末瓄書心得報告
課 程：當代建築師評析
指導教授：施植明
學 生：張松源
學 號：M8913910
中 華 民 國 九 十 四 年 元 月 11 日
壹、導言
從前，世上有七大奇景，但如今唯一倖存的，是靠近埃及開羅的吉夫(Khufu)金字塔，其他六個奇景都已崩塌了。
人類創造的人工環境終將毀滅 但是以人類短暫的生命來看，總覺得建築物可以永垂不巧，當它們居然倒下來時，人類就顯得驚訝不已，並感到關切。我們的訝異，是由於我們觀看建築物時是以它們的外觀來判斷，愈老的建築物看起來愈美，愈新的反而愈醜，這正好與觀看人的面貌時相反，但是這種看法即粗淺並造成了誤導；比較正確的比喻應該是人的身體。
建築物孕育於設計階段，建造過程就像出生，完工後就像活著，老舊了會步上死亡，或著碰上意外而亡。它的呼吸是透過像嘴一樣的窗戶，以及如肺一般的空調系統；它的流體透過靜、動脈般的管線循環，並把訊息經由神經系統似的電線傳到各處。建築改變它的內外觀就像人腦對生理反應一樣，它由外牆的皮膚保護，由柱、樑、樓版等骨骼系統支撐，用基礎的雙腳來站立，像大多數人類一樣，有一定的生命週期，然後死亡。
一棟建築物意外的死亡，起因於失敗的骨架，亦即結構。
現在你不必是一個專家也能了解結構的行為，只要能夠經由一些平常的物理直覺就能懂得，而不必懂物理學與數學。因為不管是什麼樣的結構系統—鋼構辦公大樓或教堂的圓頂；不管用的結構材料是什麼—鋼、木材、鋼筋、混凝土、或石頭；不管所作用的外力為何—由於重力、風力、地震、溫度變化或士壤不均勻沈陷，這些結構元素對於外力的反應，只是推力或拉力而已。一旦透過本書的發現之旅，了解整個結構的行為模式之後，你就會了解建築物就像在善盡社會責任一般，它們總是盡力地不讓自己倒下來。
貳、結構首度失敗的案例
根據舊約的聖經的記載，地球上最早的定居者—古老的巴比倫人，只使用一種語言，藉著考古學者、古生物學家及遺傳學家的通力合作，語言學家已能重建約150~200個屬於當時巴比倫原始社會所使用語言的單字，這個語言是人類十萬年歷史中最早的語言。它具有一個很重要的意義—單一民族、單一語言，但這些人類的祖先並不知足，出於野心，他們想要建造一個城市滿具有直通天庭的高塔，上帝為了阻止人類的驕傲，乃變亂他們的口音，使他們彼此語言不通，而從單一語言變成多語言。阻礙產生了，高塔也因而倒塌，冒犯上帝的人民從此散居各處。該塔也因此被稱為巴別塔(Babel，從希伯來文babel【混雜】一詞而來)。這宗結構上首欠的倒塌案例，或可歸結於上帝的旨意。雖然在工程師的心裡存有天遣的想法，但這其實只是一個簡單的道理。即使是最簡單的石造建築物，也會因為重量超過負荷而壓垮。雖然神話上所傳說的高塔，並沒有達到這種高度，但地震來時，仍會倒塌，因為地震力與建築物的重量以及高度的平方成正比。其餘六大奇景如巴比倫空中花園，完成於西元前280年，因棄而遭破壞。亞歷山大大燈塔(
一、為何埃及金字塔不會倒下來？
建造埃及金字塔，主要是為了解決四個問題這對於當時的中央集權社會來說事關重大。但這四個問題本質上並不閜同—第一個是精神層面的問題，即是為了解開死已之謎；在政治層面上，是要確立法老王的無上神力；在社會層面上；則是因尼羅河洪水期雖然帶來土地的肥沃，但是龐大農民卻無事可做，建造金字塔可僱用大量人力；在科學層面上，即可利用高大大的金字塔來觀察星象。為了要建造如此崇高高達(
二、為了美達姆金字塔會倒塌？
仔細的檢驗美達姆金字塔發現兩點可以解釋金字塔崩塌的原因，以及後繼者為何仍然敢採用更加大膽的角度(圖2-1)。從美達姆金字塔還算完整的底座結構，可看出當初建造的斜角一開始就採用５２度，但是外層建築基礎是直接座落在沙漠的砂質土壤上，而不是一般蓋在岩盤上，且每一塊石塊的疊砌方式是水平的，也不像其他的金字塔用內傾式的疊砌方式(圖2-2)。因為蓋在沙質地盤上，當地震剸生時，搖晃的力量會放大；而水平式的疊砌，在地震搖晃時，也會比內傾式的疊砌容易掉下來(圖2-3)。
圖2-1 圖2-2 圖2-3
參、天搖地動的一日
一、淺盤構造學
世界上再沒有任何一種天災比地震更可怕了。當地震要發生時卻沒有任何徵兆。也許整個破壞的舉動還不到一分鐘，但卻可能留下了破碎的夢和被摧毀的建築物。但是，地震又是如何發生?最近發展出的關於地殼運動的理論：「淺盤構造學」(PlateTectonics )，對於地表上最常發生地震的這些地震帶的存在，提出了最合理的解釋。地震帶上有許多的斷層及裂縫，實際上也就正結構板塊的邊緣，主要是沿著大陸板塊的海岸線(圖3-1)。這些巨大的板塊之間相互推移的速度就如指甲生長一樣快，彼此間垂直地推擠。或水平地磨擦滑動，甚至有時候一個板塊爬到了另一個上面去(圖3-2)由於板塊的邊綠並不是一直線的，因此這些運動會受到磨擦而停止，但也使未釋放出去的能量被貯存了起來，一段時間後，當能量累積超過了磨擦抗力(崎嶇不平的板塊邊綠所產生的)，而使得被幽禁的能量然間釋放出來。結果就引起了一陣地震。可惜到目前為止還是無法預測發生的時間。
圖3-1 圖3-2a 圖3-2b 圖3-2c
二土壤液化
而地震產生了土壤的液化作用，對身處軟土裏的結構毀損更嚴重(圖3-3)。以1988年洛馬普利塔是由於結構被建在人工填士上、墨西哥城是古代湖床沖積而成的地基以及阿曼尼而是處在軟土上。這些土質會導致震波的變化，特別是使一定頻率下的地動波幅變大，延長了地震振動時間。
圖3-3
三、最慘重的地震
圖四
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時間 |
地點 |
震度 |
死傷人數 |
毀損狀況 |
財損 |
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1989年10月17日 |
奧克蘭 |
7.1級 |
62死亡 |
雙屋高速公路震垮了。 |
60億美元 |
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1906年 |
舊金山 |
8.3級 |
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1985年 |
墨西哥城 |
8.1級 |
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1988年12月7日 |
阿曼尼亞 |
6.8級 |
25000人 |
學校、公寓、公共建築 |
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1964年 |
日本新瀉縣 |
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公寓 |
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1976年 |
中國唐山 |
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35萬人以上 |
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由以上圖表我們知道位處斷層帶的區域(圖四)發生地震時，損害的程度都是最嚴重的，如果加上地震後產生的土壤液化作用，更可能將造石造、磚造以及預鑄版結構全部毀損，(圖3-4、3-5)這些例証給了我們選擇士地要遠離斷層帶以及鬆軟的土質區。結構應採抗震高的結構的如鋼構及鋼筋混凝土結構都適合的高層結構系統。
圖3-4 圖3-5
肆、摩天大樓遭飛機撞擊事件
記得30年代好萊塢經典名作的金剛大猩猩主角，牠爬上了紐約帝國大廈的石灰岩外墻以逃脫追捕牠的人，牠在帝國大廈上面一手抓著高塔，另一手揮打前來攻擊的戰鬥機的畫面嗎？這棟帝國大廈在1945年7月28日早上8點55分，大約在納粹德國戰敗結束歐戰的三個月後，由陸軍中校史密斯從麻州的貝德佛(Bedford)駕駛B-25轟炸機前往紐澤西的紐瓦克(Newark)機場，當時機上另有二名乘客。當天的天氣是灰濛濛的陰天，飛機時速約250英里(400公里)、不到一小時的時間就飛抵了紐約市途中，就在約913英尺(278公尺)的高度時，撞上了帝國大廈第79層樓的北面，在外墻上造成了寬18英尺(5.5公尺)、高20英尺(6公尺)的大洞(圖4-1)。撞擊的中點，正好對準了一根外墻的柱子，右側引擎穿過了邊上的另一根柱子，左側引擎則打穿過了反面的另一根柱子(圖4-2)，鋼柱倒沒有損傷但有根支撐磚墻的鋼樑斷了，而第二根鋼樑被撞彎折了18英寸(45公分)。整架飛機正對著79層樓的地板撞上去這口才未對鋼柱造成重大的損害。這次事件的結果可說是得力於框架結構固有的贅餘力(redundancy)。框架結構是由焊接或鉚釘將樑與柱結合在一起的剛性連結。具體來說，這次災難是100頓重的飛機撞上了8萬噸重具不能移動的帝國大廈，而帝國大廈所能受的風壓遠超過這架B-25轟炸機所帶來衝力的200倍。畢竟大樓的重量是與飛機的重量是不成比例的。且建築物被飛機撞擊時，在很短的時間內就能如剎車般的停止，這種特色我們稱之為阻尼(damping)。
圖4-3a碰撞前
圖4-1帝國大廈 圖4-2第79層撞擊區域 圖4-3b碰撞後
由此推論2001.9.11的雙子星摩天大樓遭受恐佈攻擊倒塌事件也可清楚了解分析而得知是由撞擊後產生爆炸再加上飛機上預裝的炸彈連鎖爆炸之後，對結構上部結構塌陷後而產生出共振效應，終至整棟大樓結構不敵三合一的連鎖效應，全部倒塌毀損。
伍、萬神殿會永遠屹立不搖嗎？
一、古代的圓頂建築物
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年代 |
建物名稱 |
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3300年前 |
亞述人的小圓頂房間 |
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西元200年 |
羅馬萬神殿(Pantheon)(圖5-1) |
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西元537年 |
君士坦丁堡聖索菲亞大教堂(圖5-2) |
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西元1420年 |
佛買倫斯聖母百花大教堂(圖5-3) |
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西元1590年 |
羅馬聖彼得大教堂(圖5-4) |
圖5-1 圖5-2
圖5-3 圖5-4
二、圓頂建築結構原理
圓頂建築在各式結構中最有令人印象深刻，偉大的義大利結構大師內爾維(Pier Luigi Nervi)稱其為型抗(form –resistant)建築，因為它們的曲面、連續性的外觀上具穩定性。
圓頂大略可以視為是一系列的垂直拱(或說經線)環繞著一個垂直中軸，具共有一拱心石，而根據機械原理，圓頂建築實際上還可以撐住自身及外在作用的力量，但是這些想像中的拱彼此並不是各自獨立存在，而是緊緊結合在一起，共同作用的。(圖5-5) 這些經線與緯線相互作用，使得圓頂不僅能抵抗重力作用且本身非常堅固。
圖5-5
三、圓頂建物倒塌事件
由於圓頂建築的剛性所致，建物很容易因為士壤差異性的沈陷及地震的原因而倒塌。在西元553年及557年，以及西元989和西年1436年者因為地震引起而發生部份坍塌情形。聖索菲亞大教堂倒塌的主因根據建築師特雷斯的安瑟密斯(Anthemius of Tralles)和米電特斯的衣索多利斯(Isodorus of Mletus)，他們對圓頂建築的材料在張力上的脆弱性，必須要在其底座均勻的以抉壁支持。不幸的是，基督新教的禮拜儀式要求教堂的形狀像十字架，且十字架的長寬不一，所以無法提供等長的抉壁。
四、圓頂建築倒塌補強措施
由瑞士的建築師蓋斯帕(Gaspar)和佛薩提(Giuseppe Fossati)在西元1847至1849年時，使用鐵鏈將其底座環繞以使其強固。一些早期的圓頂建築在基座以鏈條環繞加強後，甚至比近期的建築還更能長久的留存下來。相同的方法早在幾世紀前的佛羅倫斯聖母百花大教和羅馬聖彼得大教堂就曾使用過。
五、近代圓頂建築的發展過程
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年代 |
結構材料 |
結構技術 |
優點 |
缺點 |
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1850年 |
發明了鋼筋混凝土 |
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1890年 |
R.C |
以數學方程式証明表面曲率的結構特性 |
厚度與重量減少萬動力減少。 |
處理曲面用模板費用高。 |
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1940年 |
R.C |
加州建築師華萊士．內夫(Wallace Neff)將充氣式氣球的觀念應用在圓頂建造上。 |
降低成本 |
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1960年 |
R.C |
義大利建築師丹提．比尼(Dante Bini)引介了另一項源自於氣球概念採用橢圓形的塑膠纖維氣球，將鋼筋條放置在上面，同時在完全充氣前澆溼混凝土，然後加強氣球裡的充氣以舉起溼的混凝土和鋼筋。這就是比尼殼(Bini Shell)。 |
具創新及經濟性數量在世界名列第一，共超過1500幢，有23國使用。美國除外。 |
需要一組訓練有素的團隊來施工。 |
附註：R.C屬於混凝土三角形雙圓頂構造。有史以來，全世界最大的圓頂建築是巴黎的法國國家工業技術中心(CNTI，Centre National
des Industries et des Techniques)
為什麼比尼的技術沒有在美國推廣呢？若仔細的研究美國建築的演進，可以看出除了宗教目的而蓋的建築外，幾乎沒有一件圓形型態的建築是成功的(不管使用任何材料或技術)。其實我們可以說圓形的空間更為有趣且更經濟，但由於文化及歷史的理由，而在心理上產生了對於曲面空間即成的偏見。他們在建物上不使用曲牆只因宗教及社會的緣故。
陸、比薩斜塔(圖6-1)如何的傾科斜？
這座塔從來就沒有垂直過，由比薩諾(Bonanno Pisano)設計這座塔，興建於1174年(比薩的幸運年)，但一開始就因為不穩定的土質條件而在建造時即向北緩慢傾斜。很快地它又轉而斜向南邊，而且直到今天仍在傾斜當中。要了解它的傾斜狀況，先認識一下在它之下的三層土質將會很有趣(圖6-2)。
施工過程概要：
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年代 |
施工概要 |
停工原因 |
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1174年 |
進行到第三層天花板時喊停 |
經年累月的戰爭 |
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1272年 |
復工並蓋到了第三層，當時為了校正頂上1英尺的斜度；（現正往南斜）其餘塔身以肉眼能見些微往北偏的角度繼續往上建，但是塔身仍持續向南斜去。 |
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1360年∼1370年 |
以相同斜度加建了鐘塔上去。 |
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比薩斜塔的傾斜度：(圖6-3)
圖6-1 圖6-2 圖6-3
柒、結構皮膚學(structral dermatology)
談到結構皮膚學時即是我們所稱建築物的外飾材料學，首先就必順了解材料本身的特性。先以大理石及花崗石石材來作說明：大理石是屬石灰岩、沈積岩的一種，主要為碳化鈣成份，由海底無脊動物骨骼的沈積物組成，不斷受到高熱與壓力而變化，最後形成堅硬的岩石。缺點：會受濕氣及污染的酸氣腐蝕，導致強度喪失，在自載重的砠響下會產生外鼓現象。
花崗岩主要是由火山熔岩或岩漿(magma)形成的火感岩，凝固成的堅硬石英結晶體組成，是為顆粒狀的岩石，優點：比大理石更堅硬外，花崗岩更耐空氣污染帶來的化學腐蝕。
因皮膚移植創下全美高層大樓中最昂貴的亞美和(Amoco)大廈。
亞美和大廈簡介
施工期：1971年至1974年落成使用，是全球摩天大樓中高科技的典範。
基地面積：186英尺(57公尺)X186英尺(57公尺)X4=13000平方公尺。
樓層及高度：82層樓高1123英尺(342公尺)佔基地面積1/4約3250平方公尺。
整棟細長比：7.1
外墻：用卡拉拉(Carrara)大理石板裝飾
尺寸(1.27X1.144公尺)大小，厚(3.2至3.8公分)義大利進口，總共使用四萬三千片。
在本案工程設計師使用了前所未有且極富創造性的結構設計方法，而得以大幅減少鋼構建物抗重力、風力及地震的成本。通常的作法是以增加鋼構建築的硬度來達成，也就是使用厚重的鋼柱，並在樑柱間採剛性連接。用意在使高層建築的水平位移或擺動，加以克制，以免高層用戶高空症狀而感到昏眩。而亞美和大廈為解決風力和地震所導致的構架的樑柱所產生的彎曲位移，以及每一層樓版與其下樓版間相對產的生的剪力變位(圖7-1)。亞美和大廈的工程師在薄鋼版墻的外面，又建了四面墻，而形成一個管狀物(圖7-2)，使得二種水平位移都減少了，為了求好，整個鋼結構只使用兩種不同的螺栓，以免因螺栓種類太多而致更換時用錯型號。先進的技術使得這座有趣且富創意的設計獲得了如雷的掌聲。但是就在完工後不久，亞美和石油公司的工程師，注意到大理石外牆版開始外鼓(圖7-3)。
圖7-1 圖7-2
圖7-3
到了1988年，30%的大理石版都外鼓了約0.5吋(13公厘)，有些甚至超過1.5英寸(38公厘)。為了安全起見，所有的牆版立刻用鐵夾栓鎖固定在結構的構架上。經測試發現，多數大理石都失去了大部份的強度。其中原因除了化學作用的腐蝕外，外牆版還因為使用了半剛性的鋼制螺絲固定以防止熱漲作用的影響而受壓。另外在芝加哥的強風(高達每小時111公里)吹拂下，造成了大廈的水平位移而加速牆版的失效。另一方面，牆版厚度的減少毫無疑問是肇事的主要原因之一。綜合上述原因，1989年亞美和決定用北卡羅萊納州愛里山出產的2英寸厚(50公厘)花崗岩版替換所有的大理石版。
這件案例給了建築及工程設計師們一個可悲的教訓。為了這棟華麗的大樓，在其安全及經濟考量上費了許多心思，卻因為只是為了省一點成本而選錯了牆版(只佔原來成本的約百分之一)，使其功績被全部抹煞。也因為用5公分厚花崗岩皮膚移植的工程費用，佔掉了整棟工程造價一半以上，也使亞美和大廈的外墻重裝工程成為全美高層中最昂貴的一座。
捌、結論
前面各章所述各章結構案件，是從古至今各種相當典型的建築倒塌事件的始末，這些例子同時強調二十世紀後半在結構設理論及技術上的進展，是否真的降低了結構發生問題的危險性？特別是倒塌的悲劇？這樣的答案仍然是矛盾的，因為導致建物出事的因素何其多，然而我們仍然可以透過對失敗案例進行歸類研究及根據當前針對問題所做的實際對策，而提出一些合理的回答，那就是人為錯誤─通常也就是災難的主因，有時是來自知識的不足。總之，歸納會影響所有的結構設計僅有五種基本因素會對安全性有影響:
1.結構理論：除了要有高度的理論研究，更須精確的實驗研究方法
2.計算工具：雖有精密電腦計算，也須注意人為輸入的錯誤。
3.材料特性：應了解每種材料特性，才能適應那種結構設計。
4.溝通過程：在一個會議上應針對各方面的專長做多方的溝通與共識，讓人為疏失降至最低。5.經濟因素：在結構設計上，應考量經濟層面問題，以免因為時間和金錢的壓力而造成結構出問題的原因。