﹝54期技師報﹞本期主筆:鍾立來、黃志勇
(第一版)社論
工安事件何時了
南化水庫下游二期工程(高雄縣大崗山給水廠)新建配水池的池頂支撐鋼架與模板坍塌事件,造成七死十二輕重傷的慘劇,再一次暴露出我國長久以來「立法從嚴、執法從寬」的大毛病。目前國內對於維護勞工安全衛生的相關法令規章甚多,計有勞工安全衛生法、勞工安全衛生法施行細則、勞動檢查法、勞動檢查法施行細則、危險性工作場所審查暨檢查辦法、營造安全衛生設施標準以及勞工安全衛生設施規則等等,法令相當繁雜,可謂多如牛毛。然而工安事故卻接二連三,憾事一再重演。究竟是法令不夠周嚴?還是法令執行不力?工安事故的癥結所在,值得吾人深入探討。
迄今為止,土木界及營造界的重心大都集中在工程主體的設計,而往往輕忽了施工過程中之假設工程的設計。承包商僅須就該工程主體部份向業主交差,至於施工過程中的輔助工程,諸如鷹架、模板及支撐鋼架等等,業主多半不加聞問。然而,營造業的工安事故卻多數都與假設工程有關,其中又以勞工的不安全動作及雇主的不安全設備為主要因素。
政府部門雖有勞委會安全檢查處負責就施工過程的工安把關,遺憾的是,全台勞動檢查員僅有區區二百一十一人,檢查率僅達百分之三點七,平均每位檢查員需掌握三萬多名勞工,再加上勞動檢查權往往受制於地方政經生態而未能徹底伸張,因此勞動檢查難以發揮多大功效。以營造廠的通例而言,假設工程部份的設計都是事先以書面送審即可順利過關,礙於人手匱乏,鮮少能指派專人到工地現場檢查,施工過程中的工安得仰賴監造單位。例如此次配水池工程的模板支稱高度高達廿七公尺,屬於非經勞動檢查機構審查或檢查合格,不得使勞工從事作業之危險性工作場所。因此,儘管台灣自來水公司與承包商新宏興營造公司均一致表示,該支撐鋼架業經勞檢所檢查合格,不可言喻只是書面審查合格,肇事關鍵實在於有無切實依照規範施工?結構有否瑕疵?模板支撐是否不良?施工方式有無不當?
此次慘劇的發生,實在令人扼腕。因為混凝土澆置時的荷重乃是可預期的,而模板支撐的強度也是可逆料的,故只要事先進行妥善的設計分析,並確實按圖施工,就斷不會發生如此嚴重的傷亡事件。因此,吾人再次沉痛的呼籲政府相關單位,對工安檢查的執行程序應予重新規範,以便確實監督工安程序,並進一步地保障基層勞工的生命安全。如果能對工安檢查的執行明確界定:一、何人負責,二、如何執行,三、執行依據,四、執行結論,則一旦遇有工安事件發生,便能迅速釐清原因,追究責任,進而產生警惕作用,避免再度發生類似情形。政府應在目前有限的工安檢查人員之外,借重各個業別的專業人員,施予不同業別的工安教育訓練,賦予工安檢查的權責,徹底落實工安檢查,以求早日降低工安意外發生的機率,給予基層勞工一個更安全的工作環境。
我國有傲人的外匯存底,眩目的經濟奇蹟,然而這張亮麗的成績單卻是用舉世聞名的斷肢接合手術、技工及血淋淋的職災紀錄換來的。曾有一位外科名醫悲傷的說:「我寧願不常有機會練習接合斷肢手術,也不願前來觀摩的外國醫師常常問我,為何台灣的斷肢接合手術會那麼成功」。期望各位技師本此悲天憫人的胸懷,共同提昇營造業的工安水準。
大崗山配水池坍塌 突顯勞檢問題
﹝本報訊﹞省自來水公司南區工程位在高雄縣岡山鎮的「南化水庫下游加壓站配水池」工地,十三日進行池頂混擬土作業,突然崩塌,現場工人從廿七公尺高空跌下,造成七人死亡,十二人輕重傷,原因是模板支撐鬆動所致,水公司南區工程處處長曾浩雄表示,頂架載重係數均報勞檢單位核準後才施工,現場也裝置超音波監測儀,掌握泥漿鬆動情形,為何會發生事故,令他不解。
大崗山給水廠配水池工程池頂模板坍塌事件,已突顯勞工工作安全及勞動檢查的問題,台灣省土木技師公會技師暨理事王欽漳表示,台灣並不是沒有保障勞工安全及勞動審查的法令,但檢查制度卻出了問題,法令並無法規範審查之作業程序,導致作業程序完全依照文化習慣執行,現行審查作業通常只要求專業人士負責,但實際工程作業細節卻沒有確實督導和審查設計不好或施工不良的部份,才會造成有作事前的審查,還會發生工安事故。
李咸亨教授檢討山坡地破壞機制:
「雜項執照」審查不嚴謹是災難主因
﹝本報訊﹞林肯大郡災難後,山坡地的居住安全成了重要課題,台灣科技大學營建系李咸亨教授十二月四日在該校演講「北台灣坡地社區的破壞機制與檢討」,李咸亨教授表示,依山坡地開發建築管理辦法開發山坡地,「雜項執照」階段之審查不如「開發許可」階段嚴謹,而且雜項執照審查完全比照「建造執照」方式,工程完全委由建築師全權負責,對於熟悉傳統建築設計的建築師尚須承辦包括挖方、填方、擋土牆、地錨、植生等大地工程和水土保持工作,此舉非常不適當,也是促成災難發生的原因之一,正統建築師不少認為,建築法及山坡地開發建築管理辦法等法令應儘快修訂,讓各類專業人員各歸其位,克盡職責,才能避免類似的災難發生。
內政部營建署委託台北市建築師公會,在台灣科技大學舉辦「山坡地開發建築與建築物節約能源法令」講習會,討論山坡地最新修改法令及檢討事項,共有近千人參加,李咸亨教授就北台灣日前發生過的災難,檢討日後開發山坡地應有的方向。
李咸亨表示,回首八十五年汐止瑞士山莊馬路龜裂、八十四年三峽萬代別墅崩滑、八十三年淡水米蘭山莊傾倒及剛發生的林肯大郡事故,顯示出山坡地開發失敗的訊息,可歸納:1、錯把坡地當平地開發2、建商強以濫建求暴利3、不信賴專業4、商人重利輕別離等因素。李咸亨表示,山坡地並不是不可以開發為建築用地,但必須有嚴謹的設計與審查流程,才可保障建築物的安全。
李教授並表示,不管是大地工程或水土保持的觀點,水的疏導、防制和利用均為防災的重點,用水的策略非常專業,必須長期的維護管理,才能避免長期累積的浸水所造成的災難,但以林肯大郡為例,業主委託的工程顧問公司原先設計並未考慮地下水壓力,而且所設計的地錨支數需468支,而業主實際交付營造廠施工的地錨僅有344支,顯然這是一段沒有嚴謹設計與審查流程的人為失誤。
李咸亨表示,山坡地開發之前應針對基地本身及周圍進行完整的大地工程調查,經由合格且有經驗的大地工程技師負責策劃,參與試驗工作,並取得合宜的設計參數,以進行適當的設計規劃,但目前山坡地「開發許可」階段之鑽探工作,通常僅有初步地質調查程度,在「雜項執照」階段又因審查規定的漏洞,本應針對擋土牆或其它設施進行的工程鑽探,往往在能省則省的心態下被犧牲了,以致於弊端連連。
李咸亨強調,台灣有三分之二的土地屬於山坡地,「與林爭地」的現象非常急迫,我們不得不重視山坡地開發的問題,法令若無法規範人為的疏失與工程應有的分工,將造成災難再度發生,政府應儘速修改法令,正視「雜項執照」審查不嚴謹的問題,讓建築、土木、結構、大地、水保、環保、水利、地質等各項專業人員各歸其位,克盡其職,才能保障山坡地居住的安全。
(第二版)
「老胡開講」
老胡是誰?講的又是什麼?當然啦!「胡」可不是胡說八道的「胡」喔!老胡他可是位專業的技師;營造廠的總經理;更是橫跨數公會的常務理事、執行理事;同時也是台大土木系校友聯誼會會長…,瞧!老胡夠忙了吧!
老胡有鑑於工程界不應只拘限於本業,更應宏觀天下,瞭解天下事,所以在本報不定期的闢一專欄「老胡開講」,談談工安,講講財經…,只要是能講能說的都是老胡的範疇。首先就工安問題為您拉開老胡開講的序幕∼
老胡開講(1)
不當的招標制度是工安意外的最大禍源
前兩天接連發生了中油大林廠氣爆、崗山配水池崩塌事件,兩起工安意外都造成了不少傷亡,尤其是崩塌事件造成了七死十二傷的重大慘劇,可謂災情慘重。
近年來,每年發生的約450件重大職業害中,超過60%以上歸屬於營造業,並且毫無下降的跡象;追究原因,常不脫人為疏失、業務過失。
營造業每年八千億元以上的產值中,經常有一半以上來自公家工程;同時因為這個產業,屬於「特許」行業,政府訂有一些法規來規範業者的運作。因此,政府政策和法令的良寙直接關係到這個行業的經營和發展。
當今的營造業,在一般民眾的心目中,似乎總是不脫圍標、綁標、偷工減料、品質不佳、環境髒亂、工作場所危險、職災頻傳的印象。因此,不管怎麼樣的災變,到了最後,大家總是把責任推給營造業者一肩承擔,而對政策、法令的缺失則略而不談;類似的災變,因此一再發生,難有改善。
每一個災變,其實都是本質或源頭缺失所造成的結果,只有正本清源才能對症下藥。
台灣營建業的本質缺失,不一而足,其中最重要的,或許就是表面公平的最低價決標制;目前的最低價決標制,使得廠商不分好、壞,不論過去的工程執行成效,一律站在相同的基礎上,共同競標。結果得標廠商經常是不重品質、膽大冒險、借牌或初生之犢的業者。重視品質、有相關工程經驗的,反而因為懂的愈多或投入成本較高而愈沒有機會得標。
當今很多相關部門的首長,常常誇口指當今的公開招標制度,由於競爭機制的發揮,已節省了公帑若干云云,並以此沾沾自喜。在大型公共工程中,因為有政府龐大的監造體系做後盾,監管工安、品質加上參與的營造廠商規模較大,較易維持工安、品質,因此由此衍生的問題也許還不太嚴重;但在一般中、小型的公家工程,廠商在搶標的情況下,只求儘可能的縮減開支,以求得標,故而對品保、工安、環保費用,大多略而不計;畢竟,在最低價決標制下,工程做的好或壞,都無關下個工程的得標與否,做得好沒有獎勵,做的不好也沒有懲罰。在這樣的一個市場環境下,廠商被迫以最低價位,求取得標,而得標後,品質能省則省,工安全靠運氣,執行工程宛若賭博(賭風險、賭運氣);在這麼一個純粹以價格做為唯一依據的競爭機制下,自然形成層層轉包(成本最低)。
像老胡的公司,雖然通過了ISO (9002,14001)的驗證,但在投標公家工程中,屢戰屢敗。因為我們把維持品質、環保和工地安全的費用計入了標價,縱然不再加計任何的利潤,依然沒有辦法得標。試問,在這種狀況下,對於一些問題或缺失的發生,又豈應苛責於廠商呢?
沒有基準的最低價決標制該改了,政府單位主政的長官們,該做做好事,解救一下工程界吧!更何況,我們的工程環境離進步太遠了,只要有勇氣真正的去執行改革,成效是很容易顯現的。
技師論壇
請蕭內閣儘速打開台灣的營建瓶頸
知行
林肯大郡慘劇廿八人罹難,中央主管及立法機關尚未提出一勞永逸的解決對策。南化水庫下游二期工程配水池工程又發生意外,造成七人死亡,十二人輕重傷,又造成了廿多個家庭悲劇,真正應了國防部長蔣仲苓在軍中意外死亡事故頻傳的時候,脫口而出的一句名言「那裡不死人」!!
中央主管機關難道沒有人仔細想過如何減低這些工程公共安全事件?台灣的工程架構應可概分兩大類,第一類為建築工程,第二類為公共工程。建築工程目前表面上看來有建築法規的規範,而事實上只要真正從事營造業的人員都十分清楚,建築行為依建築法規定應有至少兩個專業技術人員把關,第一個是承造人(營造廠)的專任工程人員(主任技師),負承攬工程之施工責任。第二個是設計監造建築師,任何建築物只要確實經過這兩個專業技術人員的關卡,相信可以將天災人禍降至最低;而十分遺憾的,法規所規定的兩個關卡,根本形同虛設。營造廠的專任技師事實上是營造廠一年花二、三十萬元聘的「人頭」,營造廠根本不願意技師真的到場負責,因為專業人員到現場絕不可能讓營造廠胡作非為,因此有些營造廠寧可冒著偽造文書的罪名,擅自替技師簽名。第二關卡是設計監造人,負責每一樓層施工勘驗的建築師,然而真正在工地施工的人員,絕對難得看過建築師親自至現場查驗鋼筋,有良知的建築師或許還會指派職業學校剛畢業的高工生到現場裝個樣。而事實上,絕大多數均將勘驗表事先蓋好章、簽好名,交由建設公司或營造廠自行申報,這就是整個台灣建築界的生態,也就是台灣消費者所買房屋的整個施工、監造過程。
林肯大郡,經過多少專家學者實際勘查過,診斷出各種設計施工上的缺失,只要一位稍有工程理念,受過專業訓練的工程師,實地在施工過程中前往監督,相信這些悲劇可以減至最低,或許是林肯大郡建商李宗賢及盧正堯建築師比較倒楣,因為溫妮颱風的大雨下在台北,若下在全省各地,只要有類似大型開發的山坡地建築照樣發生慘劇,因為台灣的所有建築物品質、安全就建立在建商的良知,但是台灣有多少有「良知」的建商?
台灣的「公共工程」更是一絕,建築物雖然幾乎無人監工,但是學校要蓋一間廁所還必需由建築師設計,依法取得建築執照方能發包施工,而公共工程不管是道路、橋樑或大型的港灣、治山防洪工程均只要主辦單位審核通過就可以發包,不管主辦單位是否有能力審核,審核人資歷背景更不拘,只要有人層層蓋章,工程就可以發包,更妙的是所有設計只要想設計的人花個幾千元請個顧問公司或技術服務之類的公司,就可以憑關係取得工作,所以我們才會發生類似四汴頭抽水站之弊案。工程安全維護更無完善法規可供依循,出了問題無人能負起全部責任。
當今社會的亂象災、難頻傳多半是因為各個行業的人不能各司其職所引起,我們仔細檢討各項重大工程之所以推動不暢,進度延宕,其原因多半是源自於專業的不受尊重,制度面讓專業人員不夠自重,無法發揮其客觀的專業角色。
我們建議,建築工程部份,應將營造技師獨立於受聘營造廠之外,由專業技師的簽證落實施工品質,由專業技師督導營造廠施工。建築師的監造責任亦應確實落實,不得假借未具執照的初級工程人員代打,否則就必須另委託其他專業建築師或專業技師負責,我們絕不同意醫師不足就由護士代為操刀,律師不足就由律師助理代為出庭。
惟有落實專業技術人員的專業責任,加重專業技術人員應有的角色規範,給予應有的待遇、應有的尊重,才有辦法打破社會長久以來的不正確觀念「工程就是利益分配」的迷思,讓所有的工程回歸它的基本面,讓該負責的人去負責,違法的人馬上受到應有的懲罰。
公共工程應儘速確立設計、監造、審核、請照制度,讓公共工程在一定的規範下建立安全的標準,不論建築工程或公共工程均應善加利用民間的專業技師或經過高考的土木建築專業人員,賦予更高的社會責任,共同為公共工程的品質奮鬥,才是真正解決之道。
我們要誠摯的呼籲行政院蕭內閣,應儘速組成產、官、學界跨部會單位,來針對目前不合時宜的建築法規、營造法規、公共安全法規主要病癥一一革除,否則台灣的建設完全要看建商的「良心」、營造商的「能力」,必將把台灣帶上更大災難之路。
(第三版)
省府86優良營造廠評選記實
張長海 技師
一年一度,由台灣省政府建設廳主辦之優良營造廠選拔,本年度之獲獎名單早已出爐,並由建設廳廳長林將財於11月25日假台灣區營造公會第22屆會員大會中頒獎,圓滿落幕!但這項活動自民國71年舉辦以來,歷經15屆,選拔出不少優良營造廠,也對施工品質之提昇,有立竿見影之效。
本年度之評選活動,自9月30日第一次會議討論後,便由九位委員組成評審委員會,針對今年度全省提報參選46家49件作品,分成七梯次,每次2∼3天,風塵濮濮的趕赴各地,實地勘察作品!由於15屆下來累積之經驗,本年度之評審作業更公平、更周延、更嚴謹,再加上各委員會實務經驗豐富,工程細節,鉅細靡遺,不輕易忽視,故最後之評分階段,煞費苦心!雖經反覆檢討,始能擬出名單,但相信受名單囿限,終有遺珠之憾!
此次各工程評審程序為:簡報、文件審查、實地評鑑及檢討會。獲獎之廠商機幾乎都有共通之處,譬如說由主任技師扼要報告施工及品管計畫,確實指出工程之特殊工法或實際克服工程困難之情況,此外,文件資料記錄,包含品管計畫、材料品質檢驗報告、勞安環保等均保存完整,確實施行,至於實地作品,一磚一瓦,堆砌合宜,磁磚計劃完整,大處整體美,渾然一體,小地方收尾更見細緻……。所以得獎之廠商,都是平時肯確實下功夫去施工,絕無半點僥倖,值得我們尊敬!特別是人照合一,主任技師駐場之廠商,其作品更隱然可見技師血汗與技術合一之結晶!
為落實評選制度,力求公平公正,本年度評分方式採用如附表之評分表,由各委員會評分後,累積得分,並加排序;再經評選委員會開會決議,擬定得獎名單,敘述得獎理由工作特點,呈報主管官署核定,過程十分嚴謹。
86年度各得獎廠商及工程名稱、工程特點,詳如附表,提供業界參考。
總之,優良營造廠之選拔,對工程品質之提昇絕對有其正面的效用,尤其對技師和工程人員,以技術血汗投注於工程之施工中,更有表彰、鼓勵的作用,一個良好的工程成果,必是分工合作、團隊努力的結晶,所謂「有真、有善、始成美」其意義便在此!本人忝為評造委員之一分子,恭逢其盛,特記數語,聊表對所有參與人員之敬意,更希望明年度之選拔,能朝向廠商分級工程規模分等方式,並將得獎分類如金、銀、銅牌獎……必能使本活動更周延完美圓滿成功。
台灣省政府選拔優良營造工程評分表
項目 |
細
目 |
權數 % |
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外觀 與 品質 |
整體外觀、結構功能 |
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細部品質(品管計畫、自主檢查表、材料或品質檢驗報告) |
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營 建 過 程 |
施工計畫及紀錄 |
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工法及材料 |
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克服困難新工法或技術 |
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環境維護 |
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簡報內容 |
負責人、主任技師、工地主任到場說明情形及資料準備 |
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綜合分數與 評述 |
綜合分數 |
10 |
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評 述 |
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合計分數 |
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80分權重評列分數 |
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1.平均80分×件數 2.各件總分之和 3.若不相等,則計其調整值做調整。 相等 |
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評分成績說明:(一)每位委員就其所評採平均80分權重新分別計列核算各作品成績。
(二)成績評定應俟評審委員綜合評權數後決定入選工程。
評分委員:
會員名錄即將更新
﹝省公會訊﹞為加強公會與會員間之互動及服務會員之需,本公會將於87年更新會員名錄,俾使公會資料皆能確實寄達會員手中,會員資料若有異動,請填寫下表,並於87年1月10日前回傳或寄回省公會。
傳真電話:02-29641159或02-29634076
公會地址:台北縣板橋市三民路二段37號12樓A3
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會員資料更新調查表
姓 名 |
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會員証號 |
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出生年月日 |
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籍 貫 |
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學 歷 |
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電 話 |
(O) |
(H) |
傳 真 |
(O) |
(H) |
E-MAIL |
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地 址 |
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新拌混凝土中氯離子含量檢測訓練班
主辦單位:朝陽科技大學營建工程系所
協辦單位:國立中興大學土木工程系所
台灣省土木技師公會
時 間:87年1月19、20日
地 點:朝陽科技大學(台中縣霧峰鄉吉峰東路168號)
費 用:3,000元(含講義、餐點及證書)
聯絡電話:(04)332-3000轉7005洽王弘義先生
◎學員受訓合格者,經內政部營建署核備後,由朝陽科技大學授予結訓證書。
「APEC基礎建設需求資料庫」已設置完成
﹝本報訊﹞行政院公共工程委員會已設置完成「APEC基礎建設需求資料庫」(Infrastructure Demand Information Database,簡稱IDHH2)及其網頁,為第一座提供亞太地區基礎建設中長程商機之網站,使用者可透過http://www.pcc.gov.tw/id**2免費查詢。
IDHH2之建立,係我國積極參與APEC基礎建設議題之成果,由我國問卷調查APEC各會員體一九九四至二OO二年計畫經費在新台幣十億元以上之大型工程計畫相關資訊,包括計畫名稱、金額、辦理時程、融資需求、主辦單位及民間參與投資情形等,並藉以提供國內廠商有關亞太地區之基礎建設市場需求及投資現況。如有需要可傳真(02)361-9039洽工程會企劃處陳明山技士索取簡介,該簡介對IDHH2資料庫內容及網頁使用均有詳盡的介紹。
台灣地區舊煤礦區及坑道分佈圖
﹝本報訊﹞台灣地區原屬偏僻坡地,現已大量開發利用,但因部份地區存有昔日坑道開採之廢棄煤礦區分佈,為了解坡地地質狀況,台灣省礦務局特予整理以往各煤礦場提供之坑內資料加以建立圖面,提供做為初步參考資料;有業務需要者可去函免費索取,但晒圖所需之成本需自行負擔。有疑問者請洽該局礦政組第三課吳金權先生(02)391-7341轉115。
地滑問題之探討
主辦單位:中興工程顧問社
時 間:87年元月14、15、16日
地 點:台灣大學理學院思亮館國際會議廳
主 講 人:Edward N.Bromhead教授
-英國Klngston upon Thames大學大地工程學教授
洪如江 教授
-台灣大學土木系教授
費 用:4,000元
洽詢電話:(02)769-2131轉2953朱康妮小姐
第六屆東亞太平洋結構工程與營建會議
主辦單位:台灣大學土木學系
時 間:87年元月14∼16日
地 點:台北國際會議廳
會議內容:結構分析 地震工程
橋梁工程 營建工程與管理
振動力學 營建材料
大地工程 混凝土結構
結構動力 結構穩定
鋼結構 風工程
材料工程 結構可靠度
結構修復與補強 結構非破壞檢測
疲勞與破壞 鋪面工程
費 用:11,500元
洽詢電話:(02)362-3356劉民瑄小姐
(第四版)
摩擦單擺支承於結構隔震之應用
國立交通大學土木系副教授 王彥博
國家地震工程研究中心研究員 鍾立來
前言
地震之威力足以傾城,一個繁華的都市可能在數秒鐘內毀於大地震,減緩震災就成為我國防災體系中重要的一環。近年來,土木工程界致力於耐震、減震與隔震等技術之發展,雖然三者之設計原理未盡相同,但其目標則是一致的,就是力求將地震災害降至最低,此乃土木工程師的使命。
結構之隔震將『以柔克剛』之哲理發揮得淋漓盡致,以柔性的隔震器來隔絕地震之傳輸路徑,使結構在強震中依然可以屹立不搖,安然無恙。
結構隔震技術自1970年代發展至今巳相當成熟,它不但可應用於新建結構之耐震設計,亦能應用於老舊房屋及橋樑之耐震補強上。在1982年,紐西蘭發展出鉛心橡膠支承於橋樑隔震之應用,其後,隔震技術遂成為結構耐震設計中相當可行的一種選擇。美、日等國之產業界均先後向紐西蘭取得鉛心橡膠支承之製造與銷售權,並大力推廣其應用。
如今先進國家的建築法規均巳容許結構藉由延長其周期或增加其消能機制而達到減震的目的。我國建築技術規則有關耐震設計之修訂條文亦容許隔、減震系統之使用。隔震系統的發展其實十分地多元化,除了鉛心橡膠支承(LRB)外,尚有高阻尼橡膠支承(HDRB)、摩擦單擺支承(FPB)等不同之隔震裝置,本文將針對摩擦單擺支承進行介紹。
隔震之原理
隔震裝置之形式可以區分為兩種,一為類彈簧式;一為滑動式。類彈簧式隔震系統改變了結構之基本周期,來避開地震之主要振頻,而達到減震的目的,鉛心橡膠支承隔震系統即為類彈簧式。滑動式隔震系統則係以滑動界面來隔絕地震力之作用,傳遞至上部結構之地震力不會超過界面間之最大摩擦力,滾軸支承即屬此類隔震系統。
摩擦單擺支承既是類彈簧式,也是滑動式隔震系統。單擺動力造成結構基本周期之改變,而摩擦界面則隔絕地震之傳輸路徑。該支承為一非線性系統,地震強度愈大時,隔震效益愈明顯,使得其在結構隔震之應用更具優勢。
一個實際可行的隔震系統應具備的條件包括:一、在垂直向有足夠之承載力,以承受上部結構的重量。二、在水平向有足夠的柔性,以隔絕地震之傳遞。三、具消能機制以減緩上、下部結構之相對位移。四、須有足夠的水平勁度抵抗風力。五、須有足夠的回復力,使結構在地震後仍可復位。摩擦單擺支承正具備了這些條件。
摩擦單擺支承之構造
摩擦單擺支承係由頂盤、底盤及關節式滑動器所構成。頂盤之上端平整,且與上部結構相接,而下端則為凹圓球面。底盤之下端平整,且與下部結構相接,而上端中央有一圓柱,圓柱頂部呈一臼狀,關節式滑動器即嵌入其中。
摩擦單擺支承之三個組件皆由不鏽鋼加工製造而成,故其垂直勁度高。為求降低滑動界面之摩擦力,以達隔震之效果,所有滑動界面均以鐵弗龍複合材料被覆之,該種被覆材料具有低摩擦、低磨損、高承載力與自動潤滑等特性,其摩擦性質對溫度並不敏感,而其承載力更可高達一萬多公噸。
由於摩擦單擺支承在高度與側位移之比值上,並無任何限制,故支承之淨高不大,有利於支承之安裝及其與結構之整合設計。無論在滑動或非滑動狀態,摩擦單擺支承之高剛度使其應變量可以被忽略,因此,支承之穩定問題並不存在。摩擦單擺支承所採用之材料均具有良好的防蝕性與耐久性,並無材料老化之虞。總而言之,摩擦單擺支承之材料取得容易,加工簡單,安裝方便,故其製作與施工之成本低廉。
摩擦單擺支承之隔震與消能
地震來襲時,上部結構可在凹圓球面來回運動,且其力學特性與單擺相同,亦即運動周期僅與滑動曲面之曲率半徑有關,而與上部結構之質量無關﹔就像單擺之周期僅與擺長有關,而與擺錘之質量無關一樣。藉此得以改變結構的基本自然周期,發揮隔震之功能。若以二公尺之球面曲率半徑為例,無論結構本身之類型與系統為何,於安裝摩擦單擺支承後,其基本自然周期均增長為2.84秒。
當上部結構離開支承之中心而沿著球面滑動時,結構之高程略微上揚,部分動能亦轉換為重力位能,在重力作用下,上部結構將釋放其位能而向支承之中心移動。因此,摩擦單擺支承具有回復原位的功能。關節式滑動器置於支承頂盤與底盤之間,其設計使支承在滑動的過程中,頂盤與底盤始終保持水平,上部結構因而不致傾斜。
摩擦單擺支承透過滑動界面之摩擦力來消散因地震而傳入之能量,以減緩上部結構之側位移量。因此,摩擦單擺支承同時具備隔震與消能兩種機制,前者與球面之曲率半徑有關,而後者則與滑動界面之摩擦係數有關。由於兩者之特性互不相關,可以分別獨立設計,故不難獲致摩擦單擺支承之最佳設計。摩擦單擺支承之水平勁度及摩擦力與載重成正比,因此剪心與質心重合,可降低結構之扭轉效應。
摩擦單擺之試驗驗證
美國自1986年起在業者積極參與資助下,進行一系列有關摩擦單擺支承的實驗計畫,其內容包括:隔震元件的性質測定、隔震房屋及隔震橋樑之耐震評估等。該系列研究計畫獲致肯定的結論及豐碩的成果,其中重要結論歸納如下:
(a)
摩擦單擺支承隔震系統適用於各類型的結構。基底剪力、樓層剪力、橋墩剪力及結構位移的折減係數為4~6。
(b)
無論是質心、剪心有嚴重偏心之結構、細長結構或是韌性差之結構,裝置摩擦單擺支承均有顯著之減震效果。且摩擦單擺支承之行為十分穩定,其結果可用理論及數值分析準確地預測。
(c)裝置摩擦單擺支承可消除結構之扭轉效應。
(d)由於在北嶺地震中,人們體驗到垂直向地震之不容忽視,該系列研究計畫亦針對這個問題加以考量,結果證明了摩擦單擺支承隔震橋樑在垂直地震的影響下,仍然可以有效減震。
摩擦單擺支承之應用實例
目前摩擦單擺隔震支承在美、日兩國已進入實際應用的階段,茲舉其重要之應用實例說明如下:
(一)美國高等法院之補強
位於舊金山之美國高等法院(U.S.Court of
Appeals)建於1905年,為一鋼骨磚牆結構,建築面積共3.25萬平方公尺。該結構於1989年Loma Prieta地震中受損後,立即關閉,並進行耐震補強之工作。
該建築向以其歷史悠久與裝璜華麗著稱,由於已劃歸為古蹟級建築,因此主管當局決定採用對其外觀影響最小的隔震方式進行補強。參與競標的隔震系統包括鉛心橡膠支承、高阻尼橡膠支承及摩擦單擺支承等各種形式之系統,經過激烈之競爭,最後摩擦單擺支承以其構想新穎、材料耐久、施工容易及造價低廉等優勢脫穎而出。
根據美國公共工程委員會(General
Services Administration)的官員表示,摩擦單擺支承系統係因比其他系統節省了美金800萬元的龐大工程費用而中選。該建築為目前全美面積最大的隔震結構,總共用了256個摩擦單擺隔震支承。這項整建計劃並贏得1995年美國工程、技術、發明之國家設計獎。
(二)希臘液態天然瓦斯儲存槽之隔震
希臘公共瓦斯公司建於Revithoussa之大型液態天然瓦斯儲存槽,因位於地震帶而考慮以摩擦單擺支承隔震。該儲存槽直徑69公尺,高32.5公尺,其容量為1.44億公升,共用了212個摩擦單擺支承。這些隔震支承的設計必須滿足下列各項要求:
•考慮水平與垂直向地震力同時作用
•在近海環境下容許至少35年之使用年限
•工作溫度在-12℃至30℃間
此外,由於摩擦單擺支承隔震結構之周期與質量無關,因此無論瓦斯儲存量多寡對於該結構之周期毫無影響。其它的隔震裝置幾乎無法同時達到前述之設計標準。
結語
摩擦單擺支承完全具備與鉛心橡膠支承相同之隔震功能,而造價較低。摩擦單擺支承隔震系統結構概念簡單,設計流程得以簡化;且耐震性佳,應用範圍甚廣。其材料主要為低摩擦、耐磨的鐵弗龍以及不鏽鋼,以國內廠商現有的技術要自行生產並不困難,筆者嘗自行開發摩擦單擺支承,並完成橋樑隔震之振動台試驗,成功地驗證其耐震功能。
因摩擦單擺支承係鋼材製品,防蝕性及耐久性遠較橡膠為佳,長期維護費用相對也較低。且體積小、淨高低、垂直承載力大、安裝容易,因而可降低施工成本。
國內對於隔震的觀念已有深刻的認知,無論工程界或學術界均致力於相關研究及推廣工作,目前已由國工局引進鉛心橡膠支承於橋樑隔震之應用。惟吾人應同時發展如摩擦單擺支承等替代性系統,藉由多元競爭,以防止市場之壟斷,進而有效提昇公共工程品質及經濟效益。