結構安全
 
一、建築物的基礎
 
(1)首重地質要好
基地地質的好壞會影響建築物的結構安全,因此當建築物位處於軟弱地質時,地質愈鬆軟,愈容易發生坍塌;傾斜、隆起、滑動等現象,反之,地質愈好,被地震震垮的風險愈低。
台灣北、中、南三個都會區中,以台中地質最佳,高雄次之,台北盆地最差。
台北盆地山勢緩和、交通便利之處適合建築
台北盆地是由淡水河、基隆河、新店溪三條河流沖積而成,屬沉泥層、砂層、黏土層互相交錯、重疊而成。其土壤含水、砂、粉土和粘土質,屬於比較軟弱、易受擾動的地質,因此,容易因工地開挖施工,造成附近民房龜裂下陷。反倒是台北盆地近山坡的地質會比盆地內的區域地質要好,因此,反而在山勢緩和、交通便利之處,更適合建築。
高雄市的地質屬於砂層地質,透水性高,地下水又豐富,深基礎開挖時很容易造成鄰近房屋損壞、傾斜。
台中、桃園、新竹一帶地區,皆屬於卵礫石層,地盤堅硬,尤其是台中地區,地質佳,土壤之承載強度更是全台之冠,嘉南平原則屬砂土層地層,土質強度都比台北市好。
 
(2)陡峻的編波不適於建築
我國現行建築規範規定,山坡地坡度高於30度禁止開發,若為順向坡,則坡度高於20度時也不得開發。早期因為缺少管制,山坡地蓋了很多房子,這些房子並不安全,所以,住在這些山坡地上的住戶,有必要從一些小地方,去觀察自己的居住環境是否安全,例如,要留意房子周圍的路面是否有龜裂?擋土牆上排水管是否正常?排水管流出的水如果是黃色的土石水,或地下有土石堆積,則代表擋土牆後方的土石正在流失,有地基淘空的潛在危險。另外,亦可觀察邊坡上的樹木生長方向,如果數目傾斜代表地層位移,地層不穩定,這些都屬於危險的地質狀況。
 
二、建築結構的抗(耐)震方式
 
3種抗震方式
(1)耐震:主要利用房屋主體結構(梁、柱及板)直接對抗地震,直接利用「強柱弱梁」的結構變形來抵消地震能量,使建築物具有韌性(即縱然發生一些變形、變位,仍不會立即破壞),因此,地震時結構體縱然變形,但整體結構仍未遭破壞。所以,現今一般依耐震規範設計、施工的建築結構均屬耐震結構。
(2)制震:係在柱梁構造中安裝「吸收震動能源」的裝置,如制震壁或斜撐型制震器,來減弱、吸收地震能量,以減少地震對建築的直接衝擊。
制震設備分為主動控制與被動控制系統
制震建築又稱為「減震建築」,其實就是在原有的結構中,加裝制震壁或斜撐型的阻尼器,當地震發生時,阻尼器可以幫助主結構吸收地震力,減少建築物的搖晃幅度。由於施工較為簡易,因此大多訴求「耐震」的建案,都採制震結構。
制震設備可分為主動控制與被動控制系統,主要運用在高層建築居多。其中被動控制最著名的就是101大樓上方的阻尼球,它是利用重物與建築物的相對擺動來消能,以達到降低建築物振幅的目的,但是101的阻尼球式設計來抗風力而不是抗震,因為超高層大樓帕的是風力不是地震力。此外,被動控制還有利用油壓阻尼桿或是耐震壁來吸收能量,重點都是利用吸收能量來減少振(動)的幅(度)。
而主動控制則是把被動控制加上高科技電腦,藉由探測器探測出地震,並經過電腦迅速算出數據後,傳送至油壓控制器,藉以控制頂層重物「主動的」與地震做「相對擺動」,或是利用油壓桿做相對擺動,以減少建築物的左右擺動,如VASS、AMD系統。
阻尼器的類別
阻尼器有數種類別,其中「液流阻尼器」、「軟塑性體阻尼器」、「黏彈性組尼器」、「摩擦阻尼器」、「金屬降伏阻尼器」屬於減震技術,裝置於相對的上下樓層,被動調諧質量阻尼器、主動調諧質量阻尼器則裝在建築的高樓層(例如台北101的阻尼器),這些都是用來降低建築物在地震時的擺動反應。
目前在台灣較常使用的制震設備有「制壁器」及「軟塑性體阻尼器」兩類。「制壁器」屬於速度型制震器,依據速度與瘦立大小產生大小不同的阻力,能減少風力對建築的影響,且耐久性高、不需維修保養,並可依建築的規模及制震性,自由設計,且保有安定的抵抗阻力,基地條件也不受限制。
「軟塑性體阻尼器」則是一長條型裝置,安裝在梁柱之間,內有特殊的填充材料及活塞,在地震或強風發生時,相對運動互換,能產生抵抗力來吸收震動能量。這種制震器佔據空間小,填充材料不易燃燒,可配合各種結構特性來設置,是優良的制震產品。
傳統耐震建築與新式制震建築的差異
傳統耐震建築與新式制震建築最大的差異是,前者仍脫離不了硬碰硬的結構設計概念,也就是地震時雖然能確保建物安全,但梁柱仍不免會被破壞。目前最新的制震壁,則可將地震能量引導至預設的阻尼器中加以吸收,以保護建築結構的安全,另一方面,因為阻尼器可以減少地震位移,因而可降低建築物搖晃的程度。
 
(3)隔震 / 免震:戲再結構基座和基礎間設置一個隔震墊,以隔離的概念吸收能量。因此在這種結構系統,僅有少量的能量會傳到建築的上層結構,因而利用隔震裝置可以減少建築物的晃動。
隔震又稱為免震,是在基礎、地面層或2~3樓設置隔震層,整個建築物就像坐在隔震墊上,當地震來時,隔震器將地震時建築物的擺動,轉換為建築物對地面的橫向位移,可大幅度降低建築物的扭曲及彎取,降低搖擺程度。
由於隔震建築是整棟建築一起搖晃,所以在隔震層中,要特別留意管線配置,以及預留搖晃的棟距。其中,管線必須為軟管,在搖晃的過程中,才不會斷裂,電梯及隔震層也都必須留有搖晃的棟距,否則無法隔震。
隔震 / 免震可分為基礎隔震與中間層隔震兩種,兩者都是利用彈性阻尼絕緣(鉛心、橡膠與鋼板互層)的方式,來延長建築物的自震周期,避免與地震共振。要注意的是隔震對較高的建築物(通常20F以上)並沒有顯著的效果。「隔震裝置」可支撐的荷重範圍相當廣泛,約(100~3700 ton/座),亦可藉著調整鉛心直徑大小,維持建築物振動衰退的機能,也因為鋼板和基層橡膠、鉛心係一體成型,不占空間,在地震波的反覆作用下,擁有優越的耐久性。
 
隔震裝置的特色
1. 荷重支持機能:能在橡膠與基層交疊的本體上,安全之稱建物。
2. 水平彈性機能:本體在水平方向相當柔軟,降低建物搖晃速度及損壞的發生。
3. 復元機能:在地震後能將建物回復到原來的位置。
4. 鉛心擁有震動衰減機能:可隨著積層橡膠的變形而產生塑性變形吸收地震能量。
5. 制動機能:可讓建築物具有相當程度的剛性與穩定性,能防止建築物劇烈搖晃。
 
正確的制震器施作法
建築物的擺動周期和地震來臨時所引發的地震力有關,樓層較低時,擺動幅度小,裝制震器效果不佳,相反的,樓層較高,周期較長的建物,制震設備才能發揮效果。制震器正確的施作法,是在每個樓層至少裝設四個以上,並且樓層面積愈大要裝愈多。而且愈高的房屋裝設的層樓數要愈多,通常10樓以下每層都應裝設,否則抵抗地震力的效果有限。
隔震墊則是每個柱子下都應裝設,且要再加裝制震器,否則地震過後,建築物會移位跑掉。
無論是制震還是隔震,都必須能夠消除25%以上的地震力,才算真正有效,以制震來說,其阻尼器必須安裝2/3以上的樓層,才能有效消除地震力,因為當地震來臨時,低樓層受到的地震力最大,因此,阻尼器必須由低樓層開始往上安裝。
若是想要購買有制震器的大樓,建議盡量避開購買低樓層的房子,因為地震發生時,高樓層搖晃幅度不大,反倒是牆壁的破壞都集中在低樓層。
 
三、房屋不安全的主要原因
(1)房屋的施工品質不佳
除了建築物在從事結構設計時所應遵循的法規規定,另一個影響建築物耐震和抗震能力的就是建築物的施工品質。
台灣的建築工程品質存在著不少問題,尤其因施工不良產生的問題最為嚴重。例如,許多施工者並非科班出身缺乏結構概念,所以對一些會影響結構安全的重要施工細節並不了解或加以注意,有些則是有意偷工減料或貪圖施工方便,於是未依規範要求嚴格施作進而造成危險。如梁柱搭接位置不對、變更鋼筋間距、箍筋間距過大、彎鉤不符規定、在混凝土施工時任意加水(使易於施工)、或搗築不實等,均會影響結構物的效能,這都是施工上的重大瑕疵,而這些重大施工瑕疵都是現今建築工程施工中隨處可見的普遍現象,這些瑕疵會使建築物在完工後無法符合最初的設計要求,是造成建築物損害的最主要原因。
 
(2)結構系統設計不良
很多房子雖然號稱依規範設計,但是其結構系統配置不良,以致於在受到外力(如地震力)侵襲時,其力量的傳遞並不流暢,很容易因此受損,尤其早期的設計,甚至是由建築師依經驗配置,並未考量到結構上的力量傳遞,這樣所蓋出來的房子,縱使通過一些地震的考驗,但因其結構強度會隨時間逐漸弱化,因此難保其仍能通過以後的地震考驗。
在地震過後,首先要檢查整棟大樓的情況,查看整棟大樓是否有異常傾斜、沉陷的現象?接著看看梁柱是否有嚴重裂縫?或是混凝土壓碎剝落、鋼筋外露等現象,尤其對於一樓為開放空間的挑高、挑空大樓、或一樓住宅牆壁打掉,變成超商、餐廳、停車空間或大賣場的建築物,更需注意其結構系統的安全性。
 
(3)開放空間不利於抗震
開放空間的特色就是沒有強,讓一樓空間保持暢通,於是樓上房屋的隔間牆、隔戶牆,甚至柱子到了一樓大部分都被拿掉,加上一樓通常又比其他樓層為高,剪力最大的地方反因開放空間的配置,成了結構系統上最軟弱的地方,結果地震時,只有柱子極少量的牆來支撐整個外力,這時整個建築物的勁度中心容易偏離質心,導致壓力集中,柱子也因少了牆的側向支撐,而容易扭斷。
1995年的阪神地震就出現許多因一樓做開放空間(停車場或花園)使用,建築物被震塌的先例,台灣921地震也有類似情況。
倘若開放空間在做結構設計時,能強化一樓的結構系統,加強結構強度,如適當使用牆體,用厚實的牆面,那就另當別論,因為這有助於改善開放空間的缺點。
 
四、鋼骨結構VS.鋼筋混凝土結構的耐震度
傳統觀念中,總認為鋼骨結構是柔性結構,最耐震。直到1995年日本阪神大地震,造成至少35萬戶以上的房屋倒塌毀損,其中毀損率最高的就是鋼骨構造的樓房。
鋼骨結構
鋼骨(Stell structure, SS),柱及大梁、小梁都是純鋼骨,沒有外包混凝土,梁上方鋪設「鋼承鈑」,再在其上方鋪設樓板鋼筋或點焊鋼筋網,然後澆置混凝土。其特點為:結構具較強之柔軟性,換言之,遇地震或強風時能靠結構之擺動吸收結構側向水平力,較不易產生結構性之破壞。缺點是因結構擺動大,所以,各層之間的「層間位移」相對也較大,其非屬結構體部分(如:牆)與結構部份無法密接,所以須留設伸縮縫以控制其裂縫的產生,所以一般此等結構系統的室內裝修多採用輕型材質(如:輕鋼架板隔間、輕質磚…),即因鋼骨具備高強度的特性,最適用於超高大樓及大跨度的結構物,例如體育館之類。
鋼骨鋼筋混凝土結構
鋼骨鋼筋混凝土結構(Steel Reinforced Concrete Constructure),是鋼骨 + 鋼筋混凝土的混合構造。特點是主要結構擷取鋼骨結構具較強之柔軟性,次要結構則採用剛性較高之鋼筋混凝股構造,遇地震或強風時,其依靠結構物之擺動吸收結構側向作用力之能力較小,所以結構體擺動較小,內部裝修用材料仍可採用與鋼筋混凝土結合度較高的濕性材料(如:磁磚、石材、水泥砂漿粉刷+油漆…)。
鋼筋混凝土結構
鋼筋混凝土(Reinforced Concrete Constructure),柱、梁、板皆為鋼筋混凝土,藉綁紮鋼筋組模貫將組成結構主體。特點是遇地震或強風時,其靠結構之擺動吸收結構側向作用力之能力最小,因其結構擺動最小,剛度最高,但也因為鋼筋混凝土結構是靠自身的結構強度來抵抗外力,所以,通常結構尺寸較大、跨距也較小。這類建築的優點是內部裝修用材,可採用一般市場常見、容易與鋼筋混凝土結合的濕性材料(如:磁磚、石材、水泥砂漿粉刷+油漆…等),做室內裝修時有最多樣的材料選擇性。
在日本阪神地震中,鋼筋混凝土及鋼骨鋼筋混凝土造建物嚴重損壞及倒塌的比例只有5%,但純鋼骨構造的建物則接近30%,可見鋼筋混凝土造的建築物其耐震力、強度不比鋼骨差。
中低層建築採RC構造、中高層建築採SRC構造、超高層建築採SC構造
「鋼骨結構比鋼筋混凝土結構耐震」,如此簡單說法是不正確的,應該是在按現行法規設計、施工的情況下,中低層樓建築使用鋼筋混凝土構築其安全性不遜於鋼骨鋼筋混凝土及鋼骨結構,但若以居住的舒適性來比較,鋼筋混凝土明顯優於後二者,所以,一般15層樓以的房子適合用RC(鋼筋混凝土)還構築,中高層建築(15~25層)則可使用RC(鋼筋混凝土)或SRC(鋼骨鋼筋混凝土)來構築,而超高層建築則適合用SC(鋼骨構造)。
 
因此,在房產市場有部分15樓以下的建案,雖宣傳是用SRC建造做為賣點,但基本上這既不經濟也不能達到預期效果,民眾不須一窩蜂隨之起舞,既不經濟又不實用。
 
五、房子的裂縫和漏水問題
房子要完全沒有裂縫不太可能,像混凝土乾縮或水泥表層砂漿粉刷不良造成的裂縫都是正常現象,無礙房屋結構安全。但如果是其他原因造成,如建築物傾斜、地表不均勻沉陷、濕公佈家、結構體系不良、或混凝土的含氧量過高所造成,且裂縫傾斜成45度角,寬度在0.3釐米以上,那就要格外小心。
 
梁分大梁、小梁和基礎梁,基礎良因為埋在土哩,施工完成後也看不到,它主要作用在傳遞結構系統受到外力時的水平力,大梁則是連接柱子的梁(只要有一端接連柱子即為大梁),而涼的兩端沒有連接柱子的就是小梁。小梁只承受垂直方向的重力,再將垂直力傳至大梁上。大梁則同時承受水平(像地震力、風力)與垂直(像自重)方向的外力,因此當裂縫發生在大梁上,其危害性是遠大於小梁的。
因此,要檢查梁的安全性時,亦查看梁端(靠近柱子的地方)或梁靠近牆的地方是否有近似45度或交叉的斜度裂縫,甚或出現混凝土剝落、鋼筋外露的情形。如果有,則可能是結構破壞,要做結構補強,以確保安全。
 
柱是承受房屋所有載重的重要構件,其裂縫也是最被關注的。檢查柱子時,要查看梁柱接合處,是否有45度或交叉的斜向裂縫。柱子的頂端或底部是否有明顯的水平裂縫,如果有,需做結構補強,以便恢復它的強度。
 
樓板
檢查是否有混凝土嚴重剝落,鋼筋外露的情形。樓板裂縫對結構安全的影響較小,倒是樓板發生裂縫所隱含的原因才是要詳加探究的。
 
牆的裂縫
大部分從事房屋設計的設計人員,都不會把強納入結構設計中作為結構要件。但是牆在房屋受力變形時,其實是承擔最多應力的構件。一來牆的剛性(度)最大,是最先承受外力的構件,當它受力變形或列開時,才會把原先承擔的外力逐漸分散出去。所以當房子傾斜、基礎不均勻沉陷、或大地震侵襲時,先產生裂縫的幾乎都是牆體(壁)。
牆就其功能性可分為結構牆和非結構牆兩種,結構牆通常是15公分以上厚度的鋼筋混凝土造結構,而非結構牆則包括了內外牆(包括隔戶牆)與間隔強(浴廁、房間隔間)。外牆與隔戶牆大多是鋼筋混凝土造,雖然在結構設計時未計入其對地震的貢獻,但是實際上再結構物受到地震時,它們卻能發揮很大的作用。至於結構牆,則屬結構設計時考量的結構元件,當然更不可以讓它受到破壞。
尤其是剪力牆(厚度超過20公分的鋼筋混凝土牆,周圍有梁柱框架起來,無窗戶開口),應檢查是否有近似45度的一編或多邊裂縫或交叉裂縫,甚至混凝土剝落、鋼筋外露的現象,一發現有損壞的情形時,就應該立即修復,以免發生危害。
 
六、山坡地住宅的安全問題
 
山坡住宅的安全等級
為加強山坡地住宅安全維護,內政部營建署於民國99年制定「加強山坡地住宅安全維護執行要點」,明文規定直轄市、縣(市)政府應定期檢視及更新列管山坡地住宅的資料,並且每年在防汛期前,應該委請各相關專業公會,依照「山坡地住宅社區安全檢查紀錄表」作為檢查的依據標準,並且規定於每年4月前完成檢查工作。而檢查結果會將山坡地安全住宅依照A、B、C這3個等級來評定。A即表示具有危險性,需要「限期改善」,必須立即委託專業技師或團體進行深入鑑定工作,如果有危險之虞,依法限期改善,該社區無力自行改善或無作為時,得依法勒令停止使用,或依行政執行法規定代為履行。
相較之下,B級表示狀況較輕微,會通知該社區管理委員會或管理負責人及建築物所有權人,以「持續加強監測」。若是C級則為「注意維護」的狀態,只需要自行檢視設施狀況即可。由檢測後的分類方式,可清楚判定山坡地住宅的安全情況,作為購買時的參考依據。
 
重點觀察山坡地住宅的安全性
找到喜歡的山坡地住宅,又擔心安全是否足夠,可以經由下列幾個重點來初步判別住宅的安全性。
(1) 房子是否在陡坡上?
依建築技術規則規定,任一25×25公尺範圍內,平均坡度在55%以上者為陡坡。理想的山坡地住宅最好蓋於坡度30%以下的緩坡上,超過30%的坡度,表示沖刷的情況較為嚴重,超過60%的坡度則較易崩坍,因此房屋的坡度也可以用來作為判別安全性的依據。
(2) 社區擋土牆是否太高?
山坡地住宅社區,通常會興建擋土牆以確保住宅安全。擋土牆的高度以4公尺以下為宜,6公尺以上則就算太高,擋土牆太高時,容易在大雨時導致排水不及,造成土層含水量過高,形成極大的水壓力去擠壓擋土牆,而使擋土牆出現裂縫,甚至崩塌的情況。另外,也要注意擋土牆上的排水孔是否功能正常,或是排出來的水是否有渾濁帶泥的現象,這些都有可能是擋土牆排水不佳的前兆,是不可忽略的潛在危機。
(3) 房子是否距離擋土牆太近?
除非有其他安全防護措施,否則建築體與擋土牆之間應保持擋土牆高度一半以上的距離,才符合長期居住的安全需求。因此在看屋時,必須注意整個建築體四周和山坡、擋土牆的距離關係。
(4) 房子是否未在崩積層之上?
崩積層指的是不具層理、或土層中含較多孔隙且排水不佳的地質,因而易發生沉陷及坍滑,此種地質並不適合居住。想要判斷建築物是否位於崩積層上,一般來說較難用肉眼觀察,一定要請專家勘察,因此,在購屋前務必要請屋主或仲介提出建物所在處的土質層證明。
(5) 有無危險徵兆?
很多人以為土石流或山崩都是一瞬間發生的事,其實不然,只要細心觀察,還是可以發現蛛絲馬跡。例如山坡面上,原來垂直生長的樹木或電線桿,是否已經出現傾斜的現象,如果有則表示有淺層滑動的可能,還有坡面或大馬路上是否出現同方向、成群的長裂縫,或是局部發生陷落,這表示地層可能產生滑動,或地底已掏空,如果是前者表示情況嚴重,而後者雖然不會有立即的危險,但仍應以填縫料填補,以防止滲水軟化土壤。另外,還可以從社區擋土牆是否過於傾斜、擋土牆腳或坡腳是否有落石,以及是否有長期漏水,造成地下水位升高、和地質交互影響,連帶影響地基沖刷、地錨繡蝕等問題。由於大地保護設施與自然環境緊密連結,所以這些情況通常都可是為災變前的徵兆,可作為判別安全與否的重要依據。
 
了解住宅是否安全
台北市有135處住宅社區位於山坡地順向坡,其中30處更是12年以上的老舊社區,台北市政府已決定裝設地質監測設施,提早預警邊坡滑動。此外,台北市山坡地占55%,市民可以利用門牌號碼與地籍、地號上網查詢是否住在順向坡,網址http://gisweb.ed.taipei.gov.tw,進入後點選左欄「GIS」查詢。
該系統採開放式免費,民眾可以隨時上網查詢了解住家的地質情況,假如對於地質資料不了解,可以撥打1999轉台北市大地工程處,有專人說明。
民國87年以後,只要是地質敏感區、坡度30%以上都不得開發,建照審核較嚴格,所以一般而言,12年前的山坡地社區較需要提高警覺,例如北市列管的135處山坡地順向坡住宅區中,就高達7成、102處屬於12年前的建物,而且102處中就有30處位處山坡地順向坡。
民眾可上營建署網站下載「坡地社區安全居住手冊」,依手冊上的步驟自行檢查,例如岩層傾斜如滑梯時,就是「順向坡」,順向坡的坡腳完好,就不易坍滑崩壞,此外,房子也不可蓋在陡坡上,依建築技術規則的規定,凡是25公尺×25公尺的範圍內,平均坡度在55%以上就是陡坡,由於超過30%的坡度沖刷力道強,因此,理想的山坡地住宅,最好蓋在坡度30%以下的緩坡上。
 
擋土牆或岩錨等邊坡防護應定時檢修維護
有時候,基於成本考量,很難完全避開順向坡的房屋建蓋,當挖斷順向坡的坡腳時,應以人造邊坡、擋土牆或岩錨方式,進行結構補強。當山坡地有安全性顧慮時,則不宜使用生態工法。
至於擋土牆或岩錨等邊坡防護,都應該定時檢修維護,否則當其支撐力不足以承載上方地層滑落的應力時,將會產生「順向坡滑動」的現象,千萬要謹慎。