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，參與高雄 85 大樓及台北 101 等大樓結構設計。

 

摩天大樓最早出現於十九世紀末的美國，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 1,800 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。

▲圖一：外伸桁架及帶狀桁架示意圖。圖片提供／作者

 

▲圖二：筒狀結構示意圖，重建前的紐約世貿大樓採用此結構。圖片提供／作者

▲圖三：束筒結構示意圖，位於芝加哥的威利斯大廈採用此結構。圖片提供／作者

▲圖四：斜撐筒結構示意圖，位於芝加哥的約翰漢考克中心採用此結構。圖片提供／作者

 

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。

 

摩天大樓的施工

臺灣摩天大樓採用鋼骨為主體構件，然而鋼骨構件的製造必須經由鋼板加工、組立、電銲成型和檢驗後，再運至工地組裝、校正和接合，因此決定大樓結構安全的不僅是鋼材的規格與構件的斷面大小，還必須考慮鋼材與構件的施工性，並確保施工後之品質可以符合設計的預期。由於摩天大樓所需構件尺寸相對較大，導致施工性較差，所以鋼結構工程的施工，包含鋼材加工的銲接工作性、構件分節的長度與重量運輸可行性及工地現場安裝時揚升設備規劃等，說明如下：

鋼材選用

若鋼材的規格採中華民國國家標準（Chinese National Standards, CNS）銲接結構用的 SM 系列鋼料時，可適用於小梁及其他不具太大韌性需求的構件，而大梁、箱型柱則必須選用 CNS 建築結構用鋼材，或含特殊協商規格之銲接結構用鋼料。

工廠製造加工的銲接工作性

鋼構件於工廠製造加工時的銲接，一般採自動電銲或半自動電銲，以提高效率與降低成本。而摩天大樓常使用高強度鋼材及較厚板材，其銲接性相對較差，銲接拘束性也高，因此電銲施工的管控要求更為嚴格。銲接前會依照鋼材規格選擇與強度相稱的低氫系銲材種類、設備及程序等，並進行必要檢定。

構件分節的長度與重量運輸可行性

工廠生產的構件長度愈長，可減少工地的接頭數，但考慮運輸與吊裝作業限制應予以適當分段，對於超長（18 公尺）、超寬（2.5 公尺）、超高（4.2 公尺）及超重（35 噸）者，除應事先協調主管機關並符合公路運輸法，對於運輸路線、工地進出動線、施工構台迴轉與坡度及暫存區域等都需事先妥善探勘檢討、規劃安排與進行必要補強措施。

工地揚升設備規劃

摩天大樓工地的垂直吊運揚升設備主要為塔式吊車（tower crane），其基座固定於主體結構的大、小梁與補強梁上，並配合鋼結構吊裝進度往上逐節次爬升，規劃塔式吊車數量與位置，以確保施工的安全。依規定塔式吊車屬於危險性機械，起重機組裝時，塔柱基礎螺栓每次拆裝必須使用符合原設計強度的新品，竣工檢查時應檢具出廠的設置時間、地點、主要組件維修記錄、災害狀況等檔案，及經專業技師檢核簽認之強度計算書，始可取得安裝竣工證明，並進行材料的吊裝作業。

 

除了主體結構為鋼骨，樓板則採用鋼筋混凝土，並以鋼承鈑作為模板，而以 CFT 共同承擔載重的柱型式也普遍被採用。因此摩天大樓的混凝土泵送也是重要的施工項目，尤其是鋼柱內灌混凝土由柱節底端加壓向上擠昇方式施工，必須採用高流動性混凝土，並需確保所採用機具及泵送方式足以垂直壓送混凝土至高樓層，而經泵送的混凝土流動性與坍度等工作性與填充性，仍需滿足施工前廠（試）拌的工作性試驗規格要求。

 

摩天大樓比一般大樓不安全?

對於摩天大樓，人們自然會關心其結構安全，所幸摩天大樓的物理特性及建造時嚴謹的品管，在安全上反而有許多優勢。

以常發生地震的臺灣為例，當地震波傳至地表時，與地盤振動週期相近的震波會有放大現象，結構體週期如果與地盤週期接近，容易產生共振，使結構在地震時劇烈晃動。一般地盤主要振動週期大約介於 0.5～2.5 秒間，以臺北為例，臺北盆地屬軟弱地盤，盆地內主要振動週期最長約 1.65 秒，而鋼結構大樓的基本週期約 0.1×樓層數，如 50 層樓的結構主要振動周期約 5 秒，遠大於所有地盤週期，因此不會有共振的現象；反之，低層建築有可能與地盤產生共振，以致在較小的地震時損壞。

臺灣每年平均遭受 3～4 個颱風的侵襲，摩天大樓的結構設計往往會受到風力控制，因此目前規範要求 100 公尺以上的建築需做風洞（wind tunnel）試驗以進行較耐風規範可靠的設計；多功能的摩天大樓有時會因應建築物的重要性而將風力及地震力等設計載重放大，提高其設計安全性；一般規則的中低樓層建築只做彈性分析，而結構工程師會針對摩天大樓進行縝密的結構非線性分析，其可以更明確探討結構體經歷地震時的反應。

符合上述規範設計完畢後，業主會要求將結構設計送到較嚴謹的結構審查單位審查，審查單位也會依個案特性，指派相關專長的審查委員，摩天大樓設計案便會歷經較長及專業的審查過程。基於摩天大樓開發案的重要性，需要執行確實的基地地質調查、構件實體試驗、試樁及施工中的材料試驗和品質檢測、查驗，且不論業主、專案及施工管理顧問、建築師、各個專業顧問及營建單位的團隊都是由經驗豐富的業界頂尖專業人員組成，都會嚴格遵守設計及施工規範的要求，施工過程依據品質保證計畫監督，完工後會是安全可靠的建築物。

 

摩天大樓的未來

近年來全球建築業界熱衷競逐世界第一的頭銜，因此摩天大樓的高度一再被超越，2004 年世界第一的台北 101，目前的排名已被超越，而沙烏地阿拉伯正在施工中的吉達塔，預計在 2020 年完工時將達 1,000 公尺。因此人們或許想問：究竟摩天大樓的高度極限為何？答案則因地區而異，在中東沒有強風及地震且地質也不差的地區，甚至有團隊設計出高度約為 1 英哩（1,609 公尺）的大樓。然而在天然條件嚴苛的臺北，姑且不提消防防災及電梯的需求可否解決，光是考慮結構安全，以目前的科技，要大幅超越台北 101 並不容易。

以往結構工程師對於處理對稱規則結構較有把握，因此在安全的原則下，往往要求建築造型配合結構規劃。而目前摩天大樓的設計趨勢已朝向自由型態（free-form shape）發展，不再侷限於傳統的造型，亦即兼具設計感較強的外觀及高效率的內部使用機能，所幸目前工程師可藉助電腦分析解決過去做不到或是費時的工作，要分析某些不規則的結構不再艱難。常用的結構系統應用在這種建築時，當然要仔細檢討其適用性，有時仍需做出修正，甚至要開發新的系統才能解決。總之，今日建築師已在嘗試各種前所未有的建築造型以引人注目，而工程師勢必要接受多樣性的挑戰，在滿足建築師及其他專業顧問的設計需求下，找到最優良的結構方案。

 

註一：側向勁度為產生單位水平變形需施加的力量。

 

⇠上一篇：直衝雲霄的高樓競賽

與地牛翻身的對抗賽：下一篇⇢