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回顧921 – 我國震災防治進展之路

  1999年9月21日凌晨1點47分,在台灣南投縣集集鎮郊,發生芮氏規模7.3的強烈地震,在經歷短短的1分多鐘的劇烈搖晃後,造成全台2,415人死亡、11,305人受傷,房屋全倒51,711間、半倒53,768間,經濟損失達新台幣3,600多億元。這一震,不但震碎了許多家庭,也震出許多建築、橋梁等耐震能力不足的問題。國家實驗研究院國家地震工程研究中心(以下簡稱國研院國震中心),在921地震後立即邀集學界、工程界組成勘災團隊,深入災區帶回許多寶貴的第一手資料,透過這些資料,讓學者專家們得以知道問題癥結,進而研發各項地震防減災技術。回顧這20年來,不論是在震前準備、震時應變、震後復建上,均有長足的進步,以下逐一介紹各項重要成果與落實應用情形。

圖一、921地震校舍災損。圖一、921地震校舍災損。

重要成果與落實應用

一、 建築物

(一) 建築物耐震設計規範修訂

  921地震後,內政部建築研究所協同國研院國震中心、台大地震工程研究中心以及中華民國地震工程學會等相關單位,以集集大地震後的調查結論為基礎,配合中央氣象局量測之強地動觀測資料,並參考美國IBC2000規範以及國內外之相關研究成果,針對建築技術規則及耐震設計規範進行一系列之檢討與修訂,提出大幅改版之建築物耐震設計規範及解說,於2004年12月公告,2005年7月1日施行。爾後國研院國震中心於2005年邀集國內之學者專家以及業界與主管機關代表,共同成立「規範研究發展委員會」,作為產官學研各界針對規範相關議題之交流平台,持續針對耐震設計規範實務問題,彙整各界意見提出修訂建議,並函請內政部營建署審議後,於2011年1月公告,7月施行,即為目前建築物耐震設計規範現行之主要內容。目前國研院國震中心仍持續透過規範研究發展委員會,提出具體建議,作為內政部營建署修訂參考。

(二) 校舍耐震評估與補強技術

  在921地震中,南投縣有過半校舍出現全倒或半倒的災損(圖一),幸而地震在半夜發生,若在白天師生活動高峰期間,傷亡實難想像。面對校舍耐震能力不足問題,台灣公立高中職以下學校有3,600多所,校舍建築高達兩萬多棟,必須採取經濟有效的方法,方能在有限預算內有效全面提升校舍耐震能力。 國研院國震中心透過多次實驗室結構試驗及校舍現地推垮實驗,研發校舍耐震評估與補強技術,並於2009年起協助教育部推動公立高中職以下老舊校舍耐震能力評估與補強計畫,成立校舍專案辦公室,提供計畫推動所需之技術與行政支援。在技術方面,國研院國震中心提出校舍耐震評估與補強方法,讓計畫得以依循;而行政方面,則研擬作業規範、建立並維護校舍資料庫、辦理講習、觀摩活動等教育訓練,讓主管機關得以確實掌握計畫執行進度,並藉由訂定作業標準與提升參與人員之專業知能,確保作業品質。截至2019年6月底,全國確認耐震安全無虞的公立高中職及國中小老舊校舍已達97.3%,可保障262萬名師生安全。

雲林口湖國小校舍現地推倒實驗

  而校舍耐震補強之有效性,已在歷次地震中獲得驗證,例如在2010年3月4日甲仙地震中,同樣距離震央約30公里左右的玉井工商(已補強)和玉井國中(評估需補強但未完成補強),已完成補強工程之玉井工商無結構損壞,而未補強的玉井國中則有多處柱產生明顯的結構損壞。(如圖二上)

  在2016年2月6日美濃地震中,距震央25公里的歸仁區公所(已補強)與距震央20公里的山上區公所(未補強),震後歸仁區公所無結構損壞,而山上區公所則有明顯結構損壞(如圖二下)。

圖二、(上)甲仙地震後,玉井工商與玉井國中現勘照片  (下)美濃地震後,歸仁區公所與山上區公所現勘照片圖二、(上)甲仙地震後,玉井工商與玉井國中現勘照片 (下)美濃地震後,歸仁區公所與山上區公所現勘照片
圖四、國震中心發展之街屋耐震資訊網免費提供民眾快速簡便、經濟有效的住宅耐震評估方式。圖四、國震中心發展之街屋耐震資訊網免費提供民眾快速簡便、經濟有效的住宅耐震評估方式。

(三) 街屋耐震資訊網

  國研院國震中心依據長期協助教育部推動「校舍耐震能力提升計畫」所累積9,000多棟校舍的耐震評估資料,發展出快速評估低矮型鋼筋混凝土建築物耐震能力的方法,並據以建構「街屋耐震資訊網」。民眾可以免費自行上網操作,針對五層樓(含)以下鋼筋混凝土或加強磚造建築,只要簡單幾個步驟,即可完成自宅耐震安全檢查,提供一快速簡便、經濟有效的住宅耐震能力自我檢測方式。如評估結果顯示耐震安全有疑慮時,可再洽詢專業人士進行耐震能力詳細評估。民眾可隨時上網透過街屋耐震資訊網(圖四)試算自家住宅耐震能力,為抵抗下一次大地震預做準備。

(四) 高層住宅的新首選—台灣新型高強度鋼筋混凝土結構系統(Taiwan New RC)

  台灣地狹人稠,特別是對於人口密集的都市區域而言,再加上台灣各大都市屋齡超過三、四十年的低矮樓房比例漸高,安全逐漸堪虞,若將都市住宅建築高層化,可有效改善都市老舊且高密度低矮住宅建築問題,更能增加建築周邊的公共空間,以提升都市生活品質。國研院國震中心歷經十年的材料研發與結構試驗,完成「台灣新型高強度鋼筋混凝土結構系統」研究,能將現行的鋼筋混凝土材料強度提升約1.6至2.4倍,此技術與日本並列世界唯二國家,除能有效減少結構建築的材料使用量、縮小梁柱尺寸及提升建築高度外,更能增加住宅使用空間與休閒綠地面積,大幅度提升都市生活品質,是鋼筋混凝土(RC)建築的全新里程碑。

 

圖五、積木式模組化節塊預鑄橋墩組裝。圖五、積木式模組化節塊預鑄橋墩組裝。

二、橋梁

(一) 橋梁耐震規範修訂及耐震評估與補強技術提升

  921地震造成中部地區如埤豐橋、名竹大橋、石圍橋等多處道路橋梁的損壞與倒塌,國研院國震中心依據勘災結果,經由多次的實驗室及橋梁現地實驗驗證,開發橋梁耐震評估與補強技術,並彙集學者專家建議,協助交通部完成橋梁耐震設計規範、橋梁耐震評估與補強規範之研擬與修訂。交通部亦依據2009年委託國震中心辦理之「公路橋梁耐震評估及補強準則」,完成多項橋梁耐震補強專案工程,有效提升橋梁耐震能力,近年亦通過多次地震考驗,確認其有效性。以2018年2月6日花蓮地震為例,採用2009年版耐震設計規範設計,於2013年10月完工之七星潭大橋,雖然位處本次地震主要錯動的米崙斷層旁,但僅有部分橋台及橋墩損傷,並無倒塌情形,修復後仍可正常通行,符合大震不倒、中震可修、小震不壞的設計目的。

(二) 顛覆傳統的仿生預鑄橋墩系統

  為降低橋梁施工對環境之影響,國研院院國震中心從「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,發展出「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」。(圖五)本系統模仿人體脊椎結構,在預鑄節塊加裝鋼製剪力榫卡住下方節塊,並以預力鋼腱拉住各個節塊,增加抵抗地震能力。且應用積木概念,工程師可依照設計需求,將小尺寸節塊堆疊出設計所需之大斷面型式,因此預鑄廠不需考量不同橋柱型式或尺寸,僅需製作單一規格之節塊,提升節塊生產效率,且降低鋼模製作成本。另由於設計塊體較小,便於搬運,減少對環境衝擊,當發生災害時,也可用於搭建山區臨時便橋橋墩,加快救災腳步。

仿生預鑄橋墩系統

(三) 全橋光纖監測系統

  國研院國震中心開發一經濟有效、適用於台灣一般跨河長橋的「全方位全橋光纖監測系統」,突破技術門檻,成功結合光柵、機構、物理,研發出此精密之量測儀器,不論平日或災時,可24小時全方位監測橋梁狀態,一旦發生異常狀況,可即時透過雲端通訊,藉由電腦或智慧型手機將異常地點與狀況通知橋梁管理單位進行緊急處置,亦可結合交通號誌,於第一時間內禁止人車通行。本系統兼具精確穩定、省錢省力、即時通訊等優點,能廣泛應用於高鐵、公路、鐵路、捷運等各式橋梁或高架路段,確保用路人安全。本系統已實際應用於中山高五楊高架段修復補強及載重實驗,使其能順利通車,目前正長期監測該路段,確保通車後之橋梁安全,此外也應用於台北大直橋、台灣高鐵苗栗邊坡維修工程、台灣高鐵台中烏溪橋基礎補強工程等,未來除持續應用在橋梁道路外,也可繼續推廣至維生管線,如輸油管與自來水管等,全方位隨時監控重要維生管線的結構安全。

圖六、台北大直橋即時監測畫面。圖六、台北大直橋即時監測畫面。
圖七、本系統可自動化進行橋梁危害度評估,提供橋管單位作為維護與補強排序參考。圖七、本系統可自動化進行橋梁危害度評估,提供橋管單位作為維護與補強排序參考。

(四) 橋梁全生命週期防災管理系統

  台灣橋梁健康安全面臨著地震、颱風、洪水、山崩、土石流及腐蝕老劣化等多種災害風險的高度威脅,必須有完善的防災管理系統,才能有效降低橋梁破壞的可能,確保民眾行的安全。國研院國震中心完成「橋梁全生命週期防災管理系統」,改善以往現場填寫紙本檢測表單的傳統作法,檢測人員只要經由行動裝置填寫電子表單後,資料就會自動上傳彙整,統一交由後端專業人員進行後續橋梁安全評估與維修建議,提高評估作業的客觀性及正確性。且在彙整相關資訊後,系統會計算橋梁各種特性指標分數,進行自動化的橋梁危害度分析評估排序,提供橋梁管理單位排定維護與補強順序的參考。此外本系統也可結合先進的橋梁監測系統資訊,針對重要橋梁安裝完整的監測系統,以於災害發生前或發生時,進行快速健康診斷,及時提醒橋梁管理單位因應,有效完整照護橋梁的健康安全;亦可根據平時蒐集的橋梁監測資料,回溯推估橋梁設計的問題,作為未來橋梁設計參考,藉由全方位完整照護橋梁安全,建立橋梁健康安全防災管理的全新里程碑。

(五) 斷橋預警-雲端防災互聯網

  近年來全球氣候異常,極端降雨現象明顯,加上台灣地形陡峻、降雨強度集中,導致橋梁沖刷情形嚴重,對橋梁安全造成極大的威脅,2008年后豐大橋橋墩沖毀、2009年雙園大橋斷橋的慘痛案例歷歷在目。台灣目前共約2萬多座橋梁,是交通的重要樞紐,橋梁損壞造成人命及財產的損失不容輕忽。為降低災害損失,國研院跨領域整合國震、半導體、儀科、國網等中心,成功研發「斷橋預警-雲端防災互聯網」,依據上游降雨量推估中下游橋梁沖刷情形,最早可於6小時前提出預警,並在中下游橋梁安裝耐久耐候現地型感測晶片,即時監測河川水位流速、橋墩沖刷深度、橋梁振動情形、河川現地影像等,同時發展高速網路傳輸及大數據處理技術,透過雲端告知管理單位橋梁現地狀況,可全年全天候監測橋梁安全,汛期作為封橋決策的依據,平時亦可作為橋梁保養維護之參考,已實際安裝於濁水溪流域的公路與高速公路橋梁進行長期監測資料收集與系統驗證,有助於因應複合式災害威脅提出策略,並帶領台灣橋梁安全監測技術至下個里程碑。

圖八、於名竹大橋系統安裝之斷橋預警系統可全年全天候監測橋梁安全。圖八、於名竹大橋系統安裝之斷橋預警系統可全年全天候監測橋梁安全。
沖刷監測系統
圖九、緊急救災用複合材料輕便橋可由居民運用簡單工具及台車,於數小時內自行組裝,能有效解決颱洪地震導致橋梁毀損時,造成交通中斷之困境。圖九、緊急救災用複合材料輕便橋可由居民運用簡單工具及台車,於數小時內自行組裝,能有效解決颱洪地震導致橋梁毀損時,造成交通中斷之困境。

(六) 緊急救災用複合材料輕便橋

  颱風、洪水及地震等天然災害已嚴重影響國人生命財產安全,如2009年發生的八八風災,造成全國100餘座橋梁被土石流沖斷,山地社區形成孤島,導致緊急救災不易,人員、物資亦難以運送。國研院國震中心完成緊急救災用複合材料輕便橋技術開發,可於8小時內,由1位專業工程人員指揮數十名無經驗者,運用簡單工具及組裝式工作台車,組裝完成承載5噸,橋面寬3米,跨度20米之複合材料輕便橋,具有組裝迅速、居民自救、可重複使用等三大優點,有效解決颱洪地震導致橋梁毀損時,造成部分地區交通中斷之困境,掌握黃金救援時刻,目前正發展至跨度50米之橋梁,屆時將可適用多數救災環境,提升應變效率。

三、大地工程:解決土壤液化問題-本土液化評估分析程式之開發與驗證

  921地震在中部地區發生多處土壤液化災情,而在2016年美濃地震後,土壤液化議題更成為全國關注焦點,內政部營建署因而積極推動「安家固園計畫」。國研院國震中心開發一套經評估比較並嚴謹驗證程序之液化評估程式,無償供各界下載應用。該程式經國研院國震中心大力推廣後,已為內政部營建署指定為標準分析程式。目前國內執行「安家固園計畫」之各縣市均以此程式作為液化評估之標準分析程式。此外,國研院國震中心亦協助臺北市及新北市擔任「安家固園計畫」總顧問工作,務實推動研發應用。

圖十、台灣自來水系統震災模擬系統可模擬不同地震情境下自來水管線災損情形。圖十、台灣自來水系統震災模擬系統可模擬不同地震情境下自來水管線災損情形。

  

四、維生管線:台灣自來水系統震災模擬系統—提升我國自來水系統之地震耐災及恢復力

  強烈地震發生時,自來水系統嚴重受損,可能造成重大的民生經濟衝擊。國研院國震中心特別與經濟部水利署、台灣自來水公司、臺北自來水事業處合作,發展台灣自來水系統震災模擬系統(T-water),可以研析地震情境下管線與設施的損害,評估公共給水影響範圍與衍生損失,協助作好震前減災整備規劃與震後緊急應變。目前本系統已提供全國性的通報服務,每一次地震發生後,均立即提供管線損壞推估數據予各地的應變人員,強化相關單位對於災情之掌握。

五、台灣地震損失評估系統

  台灣地震損失評估系統(Taiwan Earthquake Loss Estimation System, TELES)為國研院國震中心研發之地震災害境況模擬評估軟體,可於接收中央氣象局地震報告後2分鐘內,以手機簡訊、電子郵件、網頁等方式通報相關人員地震可能引致的災情規模和分布,提供地震初期災情研判所需的重要資訊,作為採取緊急應變作為之參考。TELES平日亦可協助防救災主管機關、公民營事業進行地震災損模擬,作為研擬地區災害防救計畫、地震風險管理策略或保險費率研擬之重要依據。

圖十一、TELES地震早期損失評估服務架構圖十一、TELES地震早期損失評估服務架構

六、複合式地震速報服務與即時災損評估系統

  複合式地震速報服與即時災損評估系統結合地震預警、結構監測、結構安全評估以及地震防災服務,可於地震發生前提供結構安全評估、協助用戶進行地震防災規劃與演練。地震發生時,複合式地震速報可在災害震波來臨前十數秒,透過警報廣播、燈號等方式協助人員避難、自動關閉危險管線與機械設備以減低災損,同時監測結構即時受震反應,以利震後自動進行結構安全快速評估,加速震後復原。從震前、震時與震後,提供全方位地震防災服務,建構智慧型地震減災生活空間。 目前複合式地震速報服務正持續公開招募產業投入,期望能吸引產業界運用速報資訊,開發地震防災產業,對社會大眾提供服務。此外,高科技廠房更可用於設備機台的緊急應變,例如化學管線或生產線機台的自動關閉,減低地震災損,加速震後復原,共同打造智慧型防災的安居家園。

 

七、耐震新技術

(一) 挫屈束制支撐技術

  國研院國震中心開發之「挫屈束制支撐技術」兼具高接合穩定性、高消能容量、易施工性等特點,能有效提升結構物抗震能力,大幅提高對生命財產保障。目前已獲得七國發明專利,技術移轉國內15間及紐西蘭1間大型鋼構廠,並已在國內外共126棟建築中應用,創造市場產值保守估計超過30億元,該項技術並榮獲「2017年行政院傑出科技貢獻獎」的肯定。 不同於其他同類型產品供應商將設計及製造技術列為商業秘密保護,國研院國震中心研發之「挫屈束制支撐技術」設計細節均對外公開,並訂定標準製程。且透過嚴謹的技術移轉管理機制、產品隨機抽樣測試的品管程序,提升國內廠商技術與確保施工品質。藉此改變國人對進口產品推崇之迷思,降低進口需求,並提升我國產業競爭力,進而擴展海外市場。

圖十二、挫屈束制支撐構造示意圖與現地安裝照片圖十二、挫屈束制支撐構造示意圖與現地安裝照片
圖十三、滾動式隔震平台能有效降低傳遞至上方設備或設施之地震力,保護重要資產。圖十三、滾動式隔震平台能有效降低傳遞至上方設備或設施之地震力,保護重要資產。

(二) 多功能滾動式隔震系統

  台灣地震頻傳,對於高科技廠房、資通訊產業、醫院等精密電子設備以及博物館、美術館存放之重要文物是一大威脅。為守護重要資產,國研院國震中心與業界合作完成滾動式隔震平台技術開發,可有效降低傳遞至上方設備或設施之地震力,能滿足不同設備或設施之耐震性能設計要求,目前已實際應用於國研院國家高速網路與計算中心資訊機房、中央災害應變中心中部備援中心資訊機房、中央研究院歷史語言研究所文物典藏設施、中央氣象局超級電腦、中華電信機房主機、中華郵政機房伺服器、高科技廠房精密設備等。期間經歷多次真實地震考驗,設備均無任何損傷,成效顯著。

隔震系統
圖十四、國研院國震中心台南實驗室外觀圖十四、國研院國震中心台南實驗室外觀

(三) 國震中心台南實驗設施建置

  在921地震之前,全世界對於鄰近斷層所造成的地震波效應,僅有少數現地觀測記錄,科學界難以深入研究。而在921地震發生後,因台灣地震測站密佈,實際記錄到車籠埔斷層錯動所造成之長週期高速度脈衝及大位移特性的近斷層效應,讓全世界學者專家開始正視這個問題。台灣地震頻繁且斷層密佈,現今全台仍有約250萬棟建物、超過860萬人住在活動斷層兩側10公里內,持續遭受「近斷層地震」的威脅。

  為解決近斷層地震對台灣民眾帶來的威脅,發展適切的耐震技術,在科技部、國家發展委員會、國家實驗研究院與成功大學共同努力下,歷時三年興建完成「國研院國震中心台南實驗室」,並於2017年8月正式啟用。該實驗室擁有「長衝程高速度地震模擬振動台」與「雙軸向動態試驗系統」兩大高性能實驗設施。「長衝程高速度地震模擬振動台」性能為全球首屈一指,可模擬近斷層地震高速度脈衝與大位移的特性,發展台灣本土化耐震技術。「雙軸向動態試驗系統」則為亞洲唯一、世界唯三可進行足尺寸隔震元件動態測試設備,我國業者無須再送至國外測試,可降低國內隔震結構興建成本並確保其優異品質。

  國研院國震中心目前正與國內產學研界共同合作,透過先進大型實驗設施,因應台灣環境特性發展尖端耐震技術,期能讓我國成為國際地震工程的研究重鎮。

圖十五、雙軸向動態試驗系統圖十五、雙軸向動態試驗系統
圖十六、長衝程高速度地震模擬振動台可協助發展近斷層耐震技術圖十六、長衝程高速度地震模擬振動台可協助發展近斷層耐震技術

  

結語

回顧921地震後的20年,國研院國震中心雖已經完成許多研究成果並落實應用,然而仍有諸多工作仍待努力,包括:

1. 仍待持續盤點並列管公有建築物耐震能力。

2. 軟弱底層建築耐震評估與補強技術仍待建立。

3. 推動都會區巨震情境模擬技術,落實都市防救災計畫。

4. 強化環境監測與地震早期預警,推動地震防災產業化。

  為解決上述問題,國研院國震中心以「結構耐震技術」、「境況模擬與風險評估」、「安全監測與預警」三大研發主軸,持續透過研究、規範及教育三大平台整合產官學研,加速研發成果之落實應用及推廣,強化產學合作創造產業價值,全面提升國家整體之耐震能力,期能達成打造耐震永續家園之長程目標,未來發展重點有:

精進耐震評估與補強技術研發與應用

  持續精進耐震評估與補強技術研發與應用,提昇關鍵設施耐震能力:除了持續擴展校舍耐震評估與補強範圍外,並參考校舍模式,協助衛福部推動衛生廳舍與醫療院所之耐震評估與補強。基於花蓮地震受損經驗,強化重要建築內部非結構系統與設備之近斷層效應研究,同時持續發展核電廠、水庫等重要設施及水、電、瓦斯、橋梁等維生管線之耐震研究,提升耐震能力,並協助內政部推動私有建築物耐震階段性補強作業,解決老舊建築物耐震能力不足問題,降低地震災損。

開發軟弱底層建築物耐震評估補強

  開發軟弱底層建築物耐震評估補強,避免類似維冠大樓之悲劇再次發生:不論是在1999年921地震倒塌的東興大樓及新莊博士的家、2016年美濃地震維冠大樓倒塌或2018年花蓮地震雲翠大樓、統帥飯店倒塌,均為軟弱底層建築物耐震能力不足問題所造成的不幸悲劇。為開發因應的適切技術,國研院國震中心正整合國內多位相關領域研究學者,與紐西蘭QuakeCoRE研究中心合作,透過一系列大型結構振動台倒塌實驗,探討近斷層地震對軟弱底層建物耐震性能的影響與防治對策,避免下一個維冠金龍大樓事件再次發生。

7層樓鋼筋混廷土受雙向近斷層地震倒塌振動台試驗

發展3D地震防災智慧城市模擬平台

  發展3D地震防災智慧城市模擬平台,作為研擬地震防救災計畫之參考:921地震、高雄美濃地震、花蓮地震均造成城市建築大量損傷,也影響維生管線使用。因為城市震損災害涉及建物、公路、橋梁、軌道、維生管線、石化廠房與設備、醫院、電力通訊設施等不同面向,實需透過3D可視化模擬,方能提供較為詳盡的資訊作為防救災規劃之參考。而國研院國震中心目前正開發地震防災智慧城市模擬平台,可模擬不同地震強度下城市各棟建築損壞情形,並輔以3D模型或VR技術,展示地震模擬分析結果,顯示地震災後建物倒塌破壞狀態,能滿足防救災單位震前研擬防救災規劃與震後快速救援之需求。

3D地震防災智慧城市模擬平台

複合式地震速報服務產業化

  推動複合式地震速報服務產業化,提升震時緊急應變能力:為解決我國地震速報產業發展問題,國研院國震中心以校園複合式地震速報系統為基礎,強化基礎建設、建置多元警報通信管道、協同國內產業進行速報應用開發、建構示範案例、整合上中下游技術、協助產業整合並逐步海外輸出。至2018年底全國已完成74個現地型地震速報主站,並以此為基礎,預計在2020年完成複合式地震速報平台維運與商業營運模式建置。期能藉由地震防災服務逐步普及與廣泛應用,有效減低地震災損與人員的傷亡,並逐步降低地震對我國當地產業發展之威脅,增加產業競爭力。