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比地震更致命的「建築殺人」──關於耐震,我們必須知道什麼?

921地震中部倒塌的大樓。(攝影/Reuters/達志影像)
【精選書摘】

本文為《地震:火環帶上的台灣》部分章節書摘,經春山出版授權刊登,文章標題與文內小標經《報導者》編輯所改寫。

台灣位於環太平洋地震帶、板塊交界處,《地震》一書由國家災害防救科技中心與春山合作出版,以921地震為核心,構築出一部因山崩地裂所寫下的台灣當代自然環境與社會史,更盤點全球與台灣重要地震與海嘯事件如何牽引國際科學合作與社會重構,多視角重新理解地震。

本文節錄自第四章,本文作者深入分析台灣921建築損壞、導致傷亡災情的主因,並盤點這些年來的耐震法規變化和建築補強成果,試圖對平均一生至少經歷兩次大地震的台灣人,提出與震共存的法則。

盤點921地震「建築殺人」3原因

921時,柯孝勳還是中央大學土木工程學系的博士班學生,現為國家災害防救科技中心地震與人為災害組組長的他,回憶起那一夜的震撼,仍感到有些不真實。

地震發生後,國家地震工程研究中心集結全國一千多位大專院校教授與研究生、工程顧問公司技師與民間團體成員,分成9個組別進行勘災調查,包括地質及斷層、強地動觀測及分析、交通設施、工業設施與建築物震害等,柯孝勳參與了建築物震害調查小組,被分配到重災區之一台中石岡勘災,他想起讓他印象深刻的一幕:「我們在路口等紅燈時看到一車車棺木往災區送,又聞到還沒被挖出來的遺體氣味,當下我突然就愣住了,直到那時,我才真切感覺到大災害的沉重感。」

2個主因:一樓成軟弱層、施工品質不良

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傳統的土角厝耐震能力差,直到921地震前,全台灣建築總數還有約5%是土角厝,但住在這5%土角厝中的居民,卻占了921罹難者總數的41%。(圖片來源/國家地震工程研究中心)
地震工程界有句老話:「地震不會殺人,建築物才會。」

這句話當然不是絕對,因為地震引發的山崩、海嘯一樣會致命,但不可否認,地震時大部分的傷亡都是因建築倒塌或嚴重損毀所造成。1906年梅山地震與1935年新竹-台中地震造成上千人死亡的主因,就是當時普遍的土角厝建築耐震能力太差,雖然日本殖民政府因此不再將土角厝列為合法建築,但因民眾普遍經濟能力不高,實務上無法禁止繼續使用、興建。直到921地震前,全台灣建築總數還有約5%是土角厝,但住在這5%土角厝中的居民,卻占了921罹難者總數的41%。

另外有28%的罹難者,是居住在理應較為堅固的鋼筋混凝土建築中。根據國家地震工程研究中心的勘災結果,鋼筋混凝土建築達嚴重破壞以上程度者占了48%,導致民眾產生「鋼筋混凝土建築不安全」的印象,使得921地震後的房產市場吹起一陣鋼骨鋼筋混凝土構造風潮,其實這是個迷思,在1995年的阪神地震中,嚴重破壞比例最高的反而是鋼骨構造樓房,這個例子很能說明不同的建築材料各有不同特性及優缺點,事實上只要設計得宜,不論鋼筋混凝土、鋼骨鋼筋混凝土或鋼骨構造都可以有良好耐震能力。

那麼為何鋼筋混凝土建築在921地震中會被破壞得如此嚴重?其中一個主要原因是「軟弱層」的問題。台灣因氣候炎熱多雨,沿著馬路或街道興建的街屋通常會有騎樓供行人遮陽避雨,這類建築形式一樓與道路平行方向的牆壁量本就較少,早期甚至還有一種連柱子都沒有的懸臂式騎樓,導致底層耐震能力不佳,而街屋一樓常做為店鋪使用,商家為了展示商品、打造開闊的賣場空間,常會把隔間牆敲除,這種種原因使得一樓成為整棟建築最脆弱的軟弱層,地震發生時最先受到破壞,因此921地震後處處可見一樓整個被壓垮而矮了一截的房屋。當時損壞的各種不同型態鋼筋混凝土建築中,有騎樓的建築所占的破壞比例最高,達到84%。

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懸臂式建築懸空的樓板下,通常做為遮雨騎樓或商家營業使用。(圖片來源/國家地震工程研究中心)

施工品質不良或監工不實是另一個使房屋倒塌的重要因素,誠如英國地震學家穆森所言:「你可以賄賂建築督察員,但是你無法賄賂地震!」鋼筋混凝土建築中的鋼筋就像房屋的骨架,有良好的「骨本」就不容易被地震摧毀。在一根混凝土柱子中,直立的鋼筋稱為主筋,再加上外圍的一圈圈箍筋、內部的繫筋將主筋圍束起來。為了便於運送,一般鋼筋大約會裁切成12至15公尺長,蓋房子時再將兩段鋼筋搭接起來。

由於搭接處是柱子相對脆弱的地方,鋼筋混凝土構造施工規範中,對於鋼筋的搭接長度、位置都有要求,有些在921地震中倒塌的建築就有鋼筋搭接長度不足、或相鄰主筋搭接位置沒有錯開的問題,台北新莊「博士的家」大樓就是一例。其他如箍筋間距過寬、兩端僅彎折90度而未伸入混凝土中的施工方式,都容易使箍筋在地震時鬆脫,導致混凝土崩落,進而使房屋倒塌。

另一個隱因:不完備的耐震規範

不可否認,人為因素是921地震中大量建築倒塌的原因之一,不過不一定所有受損的建築都是故意偷工減料,也可能與早期耐震規範尚不完備有關。在探討耐震規範沿革前,必須先有一個觀念:不管遭遇多大地震,都完全不會受損的建築並不存在,就算技術上有可能做到,經濟上也不允許,因此耐震規範是以「小震不壞,中震可修,大震不倒」的原則訂定的。

小震、中震與大震在耐震規範中的正式用詞分別是:中小度地震、設計地震、最大考量地震,這三種地震水準並非直接對應某個規模或震度,而是考量建築形態與建材、建物所在地所屬震區、地盤性質、距斷層遠近等眾多因素計算而得,會因地而異。以一棟建築的使用年限約50年來看,它會有80%以上機率遭遇「小震」水準的地震,如果它完全按照耐震規範設計,結構體理應完全不會損壞。

而一棟建築在未來50年內遭遇「中震」或「大震」的機率,分別是10%與2%,在中震水準下,建築所受到的損害必須是要可修復的,萬一不幸遇到大震,則要求建築至少不能倒塌,以避免人命傷亡。中震與大震指的就是回歸期
回歸期是指颱風、地震等一定規模的天災再發生的間隔。
475年與2,500年的地震,但回歸期並沒有固定週期,對一棟建築物來說,大震可能發生在50年的頭一天,也可能發生在最後一天。
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以一棟建築的使用年限約50年來看,它會有80%以上機率遭遇「小震」水準的地震,如果它完全按照耐震規範設計,結構體理應完全不會損壞。
而一棟建築在未來50年內遭遇「中震」或「大震」的機率,分別是10%與2%,在中震水準下,建築所受到的損害必須是要可修復的,萬一不幸遇到大震,則要求建築至少不能倒塌,以避免人命傷亡。(圖片來源/國家地震工程研究中心)
以一棟建築的使用年限約50年來看,它會有80%以上機率遭遇「小震」水準的地震,如果它完全按照耐震規範設計,結構體理應完全不會損壞。 而一棟建築在未來50年內遭遇「中震」或「大震」的機率,分別是10%與2%,在中震水準下,建築所受到的損害必須是要可修復的,萬一不幸遇到大震,則要求建築至少不能倒塌,以避免人命傷亡。(圖片來源/國家地震工程研究中心)

921後,不斷進化的台灣耐震規範

軟弱地盤、斷層效應被納入考量

耐震規範的演進,是從一次次地震經驗中學習而來。例如1985年墨西哥外海發生震矩規模8.0的地震,竟導致遠在400公里外的墨西哥城有大約35%建築受損;1986年11月花蓮外海地震,造成距震央100多公里的台北中和華陽市場倒塌,這兩場地震促使耐震規範於1989年將盆地效應的影響納入考量。

盆地效應又與建築物的「共振現象」有關。假設一座鞦韆來回擺盪一次的時間是3秒鐘,這3秒鐘就是它的「自然振動週期」,只要有外力每隔3秒推一下鞦韆,就會與它的自然振動週期形成共振,讓鞦韆愈盪愈高。由於台北盆地鬆軟深厚的沉積層會使長週期震波顯著放大,因此與新店、陽明山等山區的0.3至0.5秒相比,盆地內的地表震動週期為1.2至1.6秒左右,恰好容易與樓高12至16層的建築形成共振效應,因此耐震規範特別針對台北盆地高度相近的建築提高耐震標準。

耐震規範的完備程度,與我們對地震的理解息息相關。921地震前兩年,耐震規範剛做過一次修訂,除了借鑑1995年阪神地震土壤液化災情,增訂土壤液化評估方法、嚴格規定鋼筋混凝土建築施工細節之外,並將全島劃分為地震一甲區、地震一乙區、地震二區及地震三區,這4個區域的建築至少要能夠承受330、280、230、180 gal的最大地動加速度。

在這個震區分布版本中,地動加速度最大的地震一甲區主要落在花蓮、嘉南一帶,因為各界認為這兩個地帶最有可能發生大地震,而車籠埔斷層當時被歸類為第二類活動斷層,因此周邊區域未被劃為強震區,沒想到921地震一來,斷層附近區域最大地動加速度大多都超過規範要求的230 gal,達到300 gal以上,震後國家地震工程研究中心立即重新檢討震區劃分,除北北基桃、高屏部分地區劃為地震乙區外,其他區域全劃為地震甲區,所考量的最大地動加速度分別為230 gal與330 gal。

921地震暴露出我們對自己生存環境的陌生,經過5年的檢討與修正,新的《建築物耐震設計規範及解說》在2005年拍板定案,其中包括幾項重大變革,一是將軟弱地盤對地震波的放大效應納入考量;二是鑑於車籠埔斷層兩側6公里地區建築物受損分布密集,占勘災調查總數6成之多,因此建築設計上必須考慮近斷層效應。

由於各地的地震特性會受與斷層距離遠近、地盤軟弱與否等各項變因影響而有所差異,新版的震區劃分從「一視同仁」改為「因材施教」,各鄉鎮市自成一區,而台北盆地因盆地效應的影響,是以里為單位細分成台北一區、台北二區、台北三區。

如何判別自己家的耐震能力?

到這裡,也許有讀者會想問,自己居住的鄉鎮市「耐震係數」是多少呢?其實耐震係數只是一個通俗籠統的用詞,實際上從未在耐震規範中出現過。在1997與1999年緊急修正的兩個震區版本中,耐震係數可以理解為地震可能導致的最大地動加速度,例如地震一甲區的330 gal,但隨著相關知識的進展,地震工程學界理解到僅僅給定一個最大地動加速度值,並不能充分反映各地不同的地震特性,因此2005年修訂後的《建築物耐震設計規範及解說》,是對各鄉鎮市區分別訂定「震區短週期與一秒週期之設計水平譜加速度係數」、「震區短週期與一秒週期之最大考量水平譜加速度係數」,再考量建築所在地的地盤特性及與斷層間的距離後,才能換算出建築理應要能承受多大的地動加速度而不致倒塌。

雖然耐震規範的各種係數與專有名詞對一般人來說有點艱深,但依目前台灣的法規落實程度,民眾大可對規範的作用抱持信心。不過這不表示921地震前蓋的房子一定不安全,勘災經驗也顯示,原本被劃分為弱震區的南投、台中等地,大部分建築仍能倖免於難。

況且建築物是否堅固,關鍵仍在於施工品質。若民眾對自己的住家耐震能力有疑慮,可至「街屋耐震資訊網」進行簡易試算,當然最保險的方式還是委託專業單位如土木技師公會等進行結構安全評估,或至營建署網頁「老舊住宅耐震安檢專區」查詢相關資訊。(想更了解家中建築耐震弱點,請看:〈你是強震的高風險族群嗎?〉

耐震宅、制震宅、免震宅,3種差在哪?

即使房屋一開始蓋得很堅固,任意改建也會影響它的耐震能力。幾米的繪本《向左走.向右走》描述一對住在同一棟公寓相鄰房間的男女,因為一人出門總是習慣先向左走,另一人習慣先向右走而彼此錯過的故事,在繪本最後一頁,作者畫了一堵被敲出一個大洞的隔間牆,這個畫面固然很適合說明男女主角最終重逢的快樂結局,在結構安全上卻大有問題,會讓牆被打掉的這層樓成為前文提到的「軟弱層」,甚至可能危及整棟樓的安全。其他諸如拆除陽台外牆把室外空間變成室內空間、頂樓加蓋以致載重超出原有建築結構承重能力,都會增加建築在地震時受損的風險。

假設繪本中的男女主角中了樂透,有能力買新房子,那麼面對市面上五花八門的「耐震宅」、「制震宅」、「免震宅」,該如何選擇呢?在幫他們做決定前,我們得先瞭解這些名詞的意義。只要是符合耐震規範,單純以建築本身的梁、柱、牆等結構來吸收地震能量的建築,都算是「耐震」建築;「制震」為日文漢字直譯,正式中文名稱為「減震」,藉由在梁柱構架中裝設減震器(耐震規範中稱為「消能」元件),可幫助結構吸收約20%至30%地震能量,使建築在地震時晃動的時間縮短、幅度縮小;「免震」也是日文漢字直譯,正式中文名稱為「隔震」,在建築物和地面間設置隔震層,安裝隔震元件,可隔絕60%以上地震波,但施工難度及造價高。

一般來說,標榜制震、隔震的建築售價都會較高,民眾不免會想知道自己的錢是否有花在刀口上。游忠翰說,關於這個問題,即使是專家也很難光從建築外表判斷,如果是裝設減震器的制震宅,理論上裝愈多愈有效,但在結構分析上,一棟樓會有變形量較大的樓層與變形量較小的樓層,這與它的外型、設計細節有關,如果可以對症下藥,在變形量較大的樓層裝設減震器,數量就不一定要太多。這也是為何「有沒有效」很難從外表判斷的原因之一。

不過若一個建案在廣告上寫「花崗岩制震」、「SRC制震」等用語,民眾至少可以詢問賣家用的是哪個廠牌的減震器、是否有廠商檢驗報告,如果沒有裝設減震器卻宣稱是制震宅,就是將建材(如SRC
鋼骨鋼筋混凝土結構。
本身的「耐震」效果與「制震」混為一談,頂多只能算是一般的耐震建築。
三種樓房抗震原理

耐震建築每10年,都應定期檢測

921地震後,減震、隔震等技術日益受到重視,2005年修訂後的耐震規範也將相關設計內容納入,由於目前台灣在隔震建築的興建上經驗仍不多,為避免不當或錯誤設計施工,耐震規範要求隔震建築須經專業機構進行事前審查評定,消能建築之分析與設計細節應由一獨立之審查小組進行審查。民眾可詢問賣家審查機構為何、是否能提供相關證明。

游忠翰說明,隔震與減震建築的差異,在於隔震系統屬於結構物的一個樓層,一開始就包含在整體建築設計中, 而台灣目前幾乎大部分減震建築的減震器都是外加的,一棟建築裝設減震器前,本身就要符合耐震規範的要求,裝設減震器的目的是「提升性能」,就像腳踏車的避震器一樣,沒有避震器的腳踏車還是能正常使用。對一般人來說,選擇隔震或減震住宅的意義在於,遭遇「大震」時一般住宅的受損狀況會比隔震或減震住宅嚴重,等於是事先投資以節省未來可能的修繕費用,而在遭遇「中震」或「小震」時,所感受到的搖晃也較輕微,居住上更為舒適。對於災後需要確保功能不受影響的機構像是醫院、防救災單位等,採用隔震建築的效益更加明顯,例如位於新北市新店區的慈濟醫院、台北市災害應變中心等。

游忠翰提醒,不論是耐震、減震或隔震建築,都要有定期維護、檢修的觀念,並非裝了相關設備就一勞永逸。減震、隔震建築需制訂檢測、維護計畫,這在耐震規範中都有明文規定,一般耐震建築也最好至少每隔10年請結構技師檢查結構是否安全,就像人需要做健康檢查一樣。如果是地震後需緊急判斷房屋是否仍可居住,則可參考國家地震工程研究中心手冊《安全耐震的家》所列舉的裂縫型態等徵兆,以判斷是否需要立即撤離或請專業技師進一步檢查。

階段性補強,該從「軟弱層」著手

目前全台有410萬戶住家屋齡超過30年,由於1997年以前建築物耐震設計標準較低,確實存在著安全疑慮。

為了加速建物補強的腳步,鑒於高雄美濃地震中倒塌的維冠金龍大樓一至三樓是做為賣場使用,營建署透過修改《建築物公共安全檢查簽證及申報辦法》,強制規定1999年年底前興建的私有公用建築物(如學校、醫院、商場等),皆需進行耐震評估檢查及補強。

然而,針對私有住宅推動耐震能力評估與補強、或是拆除重建,困難度很高。因私有建築通常屬多重私人產權,經費需由所有權人分攤,再加上施工期間住戶必須另覓居處,因此經常難以達成完整補強或重建的共識。有鑒於此,行政院於2018年核定推動「全國建築物耐震安檢暨輔導重建補強計畫」,委託國家地震工程研究中心成立私有建築物耐震階段性補強專案辦公室,協助建物所有權人在等待整合全數區分所有權人意見以進行全面性補強或拆除重建之前,提供短期緊急性之處理措施。

階段性補強的目標是大幅降低建築物軟弱層破壞之風險,其在遭遇大地震時仍可能嚴重受損,但不至於立即倒塌,能為住戶爭取逃命時間。以高雄美濃地震中「四樓變三樓」的大智市場為例,它隔鄰一棟四層樓建築的騎樓因為增設了幾根柱子,雖仍有結構性損壞,但相較於大智市場仍倖免於倒塌的命運。

建物的軟弱底層,是921地震時就暴露出的老問題。不論是高雄美濃地震或2018年花蓮地震,都有許多建物因此倒塌或嚴重受損。有些集合住宅會將一樓做為停車場或開放式公共空間,階段性補強即可從類似這樣的開放空間著手,既可快速解決迫切的安全問題,對使用性的影響也較小。

倒了293座國中小後,台灣校舍耐震補強新頁

「九年國民教育」標準先天不良、後天又失調

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懸臂走廊這類設計,縱沿於走廊的方向皆不設柱子,導致了結構上的弱點,具體證據即是921地震中倒塌的校舍皆是沿著走廊方向倒塌。(圖片來源/國家地震工程研究中心)
懸臂走廊這類設計,縱沿於走廊的方向皆不設柱子,導致了結構上的弱點,具體證據即是921地震中倒塌的校舍皆是沿著走廊方向倒塌。(圖片來源/國家地震工程研究中心)

高中職及國中小校舍是另一批透過耐震補強大大提升安全性的建築。921地震共造成293所國中小校舍嚴重損毀或倒塌,以震央所在的南投縣為例,當時國中小學生總人數約65,000人,估計有30,000個學生在倒塌或嚴重損毀的教室內上課,若地震發生在白天,恐怕將如2005年巴基斯坦地震、2008年汶川地震一般,導致學童慘重傷亡。

為何本該培育國家未來棟梁的國中小校舍會如此脆弱,要從1967年九年國民教育開始說起。九年國民教育當時由於耐震相關知識不足,加上從宣布到實施只有一年籌備時間,許多校舍都是依據同一套標準興建,存在某些「先天不良」的設計,例如懸臂走廊,這類設計縱沿於走廊的方向皆不設柱子而形成結構上的弱點,這點可以從921地震中倒塌的校舍皆是沿著走廊方向倒塌看出。

另外為了通風採光大面積開窗,則容易產生短柱效應,一般連接天花板與地板的柱子,在地震發生時整支柱子都會變形以吸收地震力,因為能夠變形的長度較長,在相同位移量下形成的轉角較小,不容易超出柱子變形能力的極限,但舊式校舍的柱子下端左右兩側被鋼筋混凝土窗台夾住,上端兩側則是強度遠低於鋼筋混凝土的鋁製窗框,以致地震時只有上端能夠變形,轉角較大而容易產生破壞,所謂短柱效應即是指「柱子能夠變形的範圍變短」。

什麼是短柱效應?
一般柱子是以樓層全高設計,柱頂與柱底是承受地震力最大地區,配置較多的箍筋。一般狀況(左圖)下,在地震發生時,整支柱子都會發生變形,同時吸收地震力,可在達到較大的位移量時才產生破壞。然而,若因窗台與柱相連接而使得柱子能夠變形的範圍縮短(右圖),受力最大區域並非原先預設區域、且箍筋配置較少,在地震作用時,能夠變形的範圍短,可吸收的地震能量就少,在小位移量時就會因承受過大外力而產生破壞。

老舊校舍的「後天失調」,則是因為學生數量增加,原有教室不敷使用,有些學校便在舊校舍上加蓋新校舍,形成「老背少」建築,就像一個有年紀的人要站穩已經很吃力,還得背著一個年輕人一樣。如果是在水平方向加蓋,則為了便於通行而採取比鄰相接的方式,但新舊校舍在地震來襲時振動頻率不同,又因相距過近而容易彼此碰撞、進而崩塌。

「訂書針」、鋼骨框架,工法因地制宜

校舍不僅是學生求學場所,災害發生時也常用於避難,結構安全性更不容輕忽,不過考量到費用與時間成本,耐震能力有疑慮的校舍不一定都要拆除重建,補強原有建物不僅較經濟,也能減少碳排及廢棄物。國家地震工程研究中心2009年成立老舊校舍補強專案辦公室,協助教育部執行全國高中職以下校舍補強事宜,因地制宜採取不同補強工法。

對於具明顯軟弱底層的校舍,可在建築既有框架內增設整片鋼筋混凝土剪力牆;或將原有牆體置換為鋼筋混凝土牆,因為對採光影響較大,可選擇配置於像是視聽教室之類採光需求較低的教室。如果想降低採光、通風的影響,可以在柱子單側或兩側增設翼牆。擴大柱補強則是將原有柱子加粗,特別是在原有柱之混凝土品質不佳、箍筋量不足,或原有校舍長向、短向耐震能力皆不足時,更適合採用此工法。

由於上述提到的3種工法有共通的缺點,主要是必須破壞既有門窗,需要額外經費復原,因此研究人員經實驗提出隔間牆增設複合柱這種工法,複合柱中的鋼筋穿過隔間牆,像是訂書針一般把牆牢牢釘住,使之能承受更大地震力,既不影響採光、通風,也不像擴柱補強可能影響動線。還有一種工法是增設鋼骨框架斜撐,與其他工法相比具有工期短、減少噪音汙染的優點。也可以利用重量輕、強度高的碳纖維布包覆梁柱,這樣一來即使柱體開裂,混凝土也不易脫落,進而提升柱子的耐震能力。

台灣校舍補強的最後一哩路

2010年甲仙地震時,距離震央約30公里的玉井國中有多棟被評估為耐震能力不足、但尚未進行補強的校舍受損狀況達到無法使用的程度,但與玉井國中相距一公里的玉井工商,因已完成補強而完好無損;2016年高雄美濃地震時,台南市歸仁國中尚未完成補強的2棟校舍受到結構性破壞,已完成補強的4棟則不受影響,這些實例都顯示出耐震補強的效益。目前台灣校舍耐震補強已來到最後一哩路,2019年耐震指標低於80的校舍皆已逐步完成補強,耐震指標介於80至100間的校舍,預計於2022年全部完成補強。

921地震前的校舍外觀較為千篇一律,震後重建的許多學校都展現獨特風格,如台中市東勢區具客家聚落特色的中科國小、全木造建築的南投縣中寮鄉和興國小、布農族風格的信義鄉潭南國小等等,此外像是南投市營盤國小、中寮廣英國小也在校舍二、 三樓設置斜坡道,兼具無障礙空間與逃生功能。地震雖然會造成破壞,但也同時帶來改變的契機。也許下一次大地震發生時,至少在學校師生傷亡多寡的層面,我們不必再仰賴幸運之神的眷顧。

地震書封
《地震:火環帶上的台灣》(圖片提供/春山出版)
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