工程傑作:日本摩天大樓的抗震和創意

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藤本壯介設計的直島大帳篷。 圖片來源:Eric Lafforgue/Art In All Of Us/Corbis via Getty Image

摩天大樓自 19 世紀末誕生以來,可說是現代城市文明的縮影,即使日本位處板塊邊緣,地震頻發,但在興建摩天大樓方面也不例外。和其他地區相比,日本的摩天大樓工程多了一重最關鍵:必須經得起地震考驗。日本的摩天大樓,與眾不同之處,不在於堅固,而在於能夠搖晃,被公認為現代建築的傑作甚至奇蹟

2016 年的 6.4 級地震,造成九州公路的嚴重破壞,但是高樓無一損毀。東京大學結構工程學副教授佐藤淳表示,日本工程師致力使建築物抗震達到兩種不同標準:第一種是承受較小規模的地震,這類級別的地震在建築物壽命內大約會發生 3 至 4 次,要求是建築物災後毫髮無損,任何需要修補的情況都不可接受。

第二種是針對罕發的特級大地震,譬如 1923 年 7.9 級的關東大地震,造成東京、橫濱多個城市的嚴重損毀,死亡人數超過 14 萬。發生這種地震,只要沒有造成人命傷亡,則建築物出現的破損都可以接受。倫敦大學地震專家 Ziggy Lubkowski 則稱,「建築設計能起保護作用,這是最低要求。」

承受得起地震威力的建築物,需要能夠盡可能吸收地震釋放的能量。佐藤表示,如果建築物能夠吸收地震的全部能量,其實並不會倒塌。在「隔震」(seismic isolation)這一環中,建築物裝上承受或者吸收震力的裝置,這種裝置有時非常簡單,只是厚度為 30 至 50 cm 的橡膠,便能阻擋地震的作動:如果建築物內的梁柱倒塌,將由這些橡膠隔層承托。

改造建築物基座,是能夠抗震主要的原因之一。此外,在建築中增加阻尼器,也能改善建築物的韌性。Lubkowski 解釋,高層建築遭遇震動時,擺幅可達 1.5 米,但是如果每兩層就增加阻尼器,就可大幅減低擺動,避免結構損毀。

這類阻尼系統狀似單車氣泵,只不過裝的不是氣體,而是液體。建築物一旦受到擠壓,便轉而由阻尼系統受壓,整個過程便能減低建築物的震盪。譬如目前東京六本木 53 層高的新城森大樓,使用的便是油壓阻尼。

除了安裝複雜的吸震系統,以及設法減緩建築物的擺動,還有在根本上從建築物的佈局設計入手。「建築設計理應盡可能如常,如果每層的樓高、梁柱都是根據同一個網格間距,均勻分佈,則建築物在地震中的防震表現也會更好。」Lubkowski 說。

這樣的要求,對於建築師的創意而言,是一大束縛。但是任職長岡造形大學,在東京開設工程公司的江尻憲泰教授稱,雖然建築師的個人理念會受到種種限制,可幸日本建築師都會接受相關教育,對地震必須有所了解,因此在工程師和建築師的合作商討過程中,常識總是佔主導的。

目前,被稱為新東京鐵塔的晴空塔(東京スカイツリー)是全球第二高的摩天大樓,這座「新未來主義」(neofuturistic)風格的建築,融入了日本傳統木塔的元素,塔心的支柱裝有吸震的阻尼系統,是來自美國太空總署研發的技術。

對望的新舊東京鐵塔。 圖片來源:Wikimedia Commons

佐藤一向有參與研發防震工程方案,目標是兼顧性能和美學設計。他表示,在和建築師討論的過程中,總是設法令防震工程和建築設計融為一體,或嵌入建築平面圖,或採用透明或半透明材質,譬如,採用網孔結構來增加建築物屈曲時的支撐 —— 一旦發生屈曲的情況,則依靠相鄰的支撐點來緩解,以分散所吸收的震力 —— 而且,網孔結構不但能強化建築物,還十分美觀。

抗震建築的設計目標並非一成不變,而是因應觀察而不斷演變。研究人員有必要觀察現有的任何錯漏,以預測未來地震對建築物造成的影響,但是江尻教授認為,地震的規模似乎愈趨擴大,預測變得愈來愈難。但是工程師依然很樂觀,「常理來說,」Lubkowski 解釋,只要隔震基礎、軸承、阻尼系統等工程都合乎標準,「完全有可能造出足夠承受最強地震的建築物。」

關鍵在於逐一測試所有已知防震技術,以及採用更有創意的設計方案,譬如網孔結構。有時候,看似不起眼的實驗性細節也能發揮重大作用,譬如由藤本壯介設計的「直島大帳篷」(直島パヴィリオン) ,以縝密的多角幾何形的網孔設計,有效防止屈曲而著稱,此一巧思,或許日後將為建築界所借鑑。