杜風 56 期 特別報導

國家地震工程研究中心之 過去、現在與未來 許丁友 財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心 副研究員

設立緣起

台灣位處環太平洋地震帶，自西元1736年迄今，平均15~20年發生一次劇災型地震，平均每年因地震死亡人數超過70人，年經濟損失亦超過300億元，災害規模高於以農業損失為主的颱洪損失；且災後政府尚須耗費天文數字般的經費，來進行善後重建工作。然而，若透過加強地震工程相關研究，運用其成果以修訂各種結構物（新建、既有）耐震補強法規及相關配套措施，並提升各項結構（如建築、橋梁及維生線等）之抗震能力，據估計至少可減少20%的地震災害損失。以九二一集集大地震的震災損失而言，即可減少900億元以上之直接損失。

行政院國家科學委員會（以下簡稱國科會）為有效推動我國地震防災科技之研究與發展，於民國79年擇定於國立台灣大學校園內設立國家地震工程研究中心，其設立之宗旨為設置地震模擬試驗室，採用大比例尺或實尺寸靜動態試驗方式，提昇國內地震工程之研究與落實，並結合國內與地震工程有關之學者及工程師，從事有關地震工程之基本研究和應用研究，從理論或試驗方面解決國內工程之耐震問題，並帶動地震工程科技研究之創新，提升學術研究地位。

國震中心為此被賦予之主要任務有以下五項：

• 實驗技術與數值模擬：建置與管理地震工程共同實驗研究設施，開發實驗與數值模擬技術，增進實驗研究效能。
• 震災風險評估與應用：研發台灣地震損失評估系統，精進震災境況模擬技術，提昇地震應變與風險管理能力。
• 規範相關研究與技術手冊研擬：研提耐震設計與補強等規範建議及技術手冊，確保結構系統耐震性能，降低地震災害損失。
• 前瞻耐震技術研發：開創綠色及智慧型之新材料新工法新技術，提高結構系統使用效能，減緩台灣自然環境之負擔。
• 教育推廣與成果落實：普及地震工程與防災教育，落實研發成果之應用，強化全民抗災能力。

近年來，國家科學委員會為強化所屬國家實驗室之運作彈性，更於九十二年六月設置財團法人國家實驗研究院，並將所屬國家實驗室納入其下成為非營利性質之財團法人機構，國家地震工程研究中心（以下簡稱國震中心）即成為其所屬國家實驗室之一。

近年重大成果

國震中心近年來已長期投入人力、經費於地震災害防治上，累積許多研發能量，目前已經將研究成果落實於實務應用上，不論是在耐震設計、評估與補強、地震災損之風險評估與管理，以及地震工程教育等方面，均有一定之成果。以下摘要國震中心之近年重大成果：

在耐震規範修訂方面，近年來協助內政部及交通部研擬之規範條文草案主要包括「建築物實施耐震能力評估及補強方案」、「既有建築耐震評估及補強促進條例草案」、「公路橋梁耐震設計規範之修訂草案與複審作業」、「公路橋梁耐震評估與補強準則」、「公共工程性能設計準則及驗證機制」。此外，亦對於現行耐震設計規範之實務問題進行檢討，研擬具體建議修正條文，提送內政部營建署及交通部等主管機關審議，包括「地盤分類標準」、「建築物間隔規定」、「土壤液化條文修訂」、「台北盆地微分區震區重新劃分」、「建築物耐震設計規範隔震設計及含被動消能系統設計專章研修與示範例研擬」、「結構系統分類及其韌性容量修訂」、「金門地區設計地震參數」等。國震中心目前正積極進行新一代的性能耐震設計規範研發，藉由持續提出與更新目前建築及橋梁耐震設計規範，提升國內建物及橋梁之耐震水準，以經濟有效之方式確保耐震安全。

在既有建築耐震能力提昇方面，國震中心協助國科會陸續推動各種重要建築之耐震評估與補強研究，並與教育部、內政部建築研究所合作，將成果落實應用於各類結構之耐震評估與補強作業，主要包括國中小學校舍建築、警政消防建築、醫院建築以及高科技廠房等等。以校舍建築耐震能力提升為例，國震中心開發校舍耐震能力評估與補強技術，完成國民中小學校舍耐震能力簡易調查、初步評估、詳細評估與補強設計等技術之研發，並透過實驗室及現地實驗（圖1）驗證其有效性。研究成果已編製成「校舍結構耐震評估與補強技術手冊」，分別於台北、台中、台南、高雄及花蓮等地區召開多場講習會，提供技師與學校總務人員專業訓練，進行技術推廣。目前並成立專案辦公室協助教育部全面推動「加速高中職及國中小老舊校舍補強整建計畫」，進行補強設計審查、資料庫建置及人員訓練及技術諮詢。該計畫自98年起執行以來，已完成1,415棟校舍耐震補強，可保障近29萬名師生之安全；此外，採用補強方式來提升校舍之耐震能力，與重建校舍所需之經費比較，將可節省政府財庫近930億元。

圖1、雲林口湖國小校舍耐震測試現地試驗

在既有橋梁耐震能力提昇方面，透過「RC橋柱耐震補強對策之研發與應用」、「橋梁功能性支承系統耐震性能設計與評估補強方法之研究」、「橋梁結構考慮地震與洪水之多重災害之整合性研究」等整合型計畫進行既有橋柱之耐震能力評估與補強研究，相關成果已協助交通部進行橋梁耐震評估與補強準則之研擬，並已落實於國道一號、國道三號、以及公路總局所屬之橋梁補強作業上。交通部100年度已完成72座省道橋梁及50座高速公路橋梁耐強工作，提升用路人安全。

另外在橋梁安全監測研究方面，為減少河川沖刷對橋梁造成之危害，國震中心完成「感測裝置及其應用於大地與河川監測系統」等多項橋梁監測技術研發，並獲得國內外專利。目前正利用該技術協助高公局於國道一號及三號經過大甲溪之橋梁、新建之后豐大橋以及雙園大橋進行橋梁檢測系統建置與測試（圖2），驗證其成效及可靠性，期能針對如封橋作業等急迫性高之問題提出建議解決方案，並發展先進監測及橋梁延壽技術。此外，整合台大、交大、中央、北科大、雲科大等10位教授進行跨領域研究，完成宜蘭牛鬥橋現地橋梁耐震實驗（圖3），此為全球首次橋梁現地實驗，藉此可更深入瞭解橋梁實際耐震行為。

圖2、橋梁颱洪安全監測預警系統

圖3、宜蘭牛鬥橋現地橋梁耐震實驗

在先進耐震技術研發方面，為建構優質耐震結構系統，研發新材料、新工法及新技術，並將其應用於提昇醫院及高科技廠房等重要結構之耐震性能。近年來開發之新技術包括「鋼造挫屈束制支撐技術」、「鋼板剪力牆構造系統」、「鋼管鋼筋混凝土技術」、「後拉式預鑄節塊橋柱技術」等等。以鋼造挫屈束制支撐技術為例，其優越制震性能已獲多項專利認證與獎項肯定，並將技術授權國內15家廠商，相較於傳統抗彎構架得以大幅降低鋼用量，可大幅降低建築結構成本，目前已超過55項工程採用（圖4），使用量超過10,000組。又以「後拉式預鑄節塊橋柱」技術為例，可應用於環境敏感地帶及都會區，降低施工對於環境及交通之衝擊，目前已應用於台中四號生活圈之橋梁工程（圖5），並獲得第十屆公共工程金質獎肯定。

圖4、鋼造挫屈束制支撐技術應用於台中市政府大樓新建工程

圖5、後拉式預鑄節塊橋柱應用於台中四號生活圈之橋梁工程

在震災緊急應變與風險管理方面，國震中心長期以來致力於開發「台灣地震損失評估系統」（Taiwan Earthquake Loss Estimation System, TELES），可模擬大規模地震作用下，工程結構物損害、人員傷亡、震後火災、避難需求和經濟損失等的數量和分佈。藉由量化的震災境況模擬和風險評估結果，可提供各級政府研擬因地制宜的地區災害防救計畫。目前已結合中央氣象局的地震速報系統，可於收到該系統電子郵件2分鐘內推估可能之災情規模並發出簡訊（圖6），可作為災害應變之依據。此外亦提供完善的地震風險評估工具，可應用於住宅、商業或高科技產業之合理地震保險費率和風險分散對策的研擬。目前該技術已提供各地方政府政府規劃地區防救災計畫，以及住宅地震保險基金建置「台灣住宅地震保險風險評估系統」，作為保險費率及早期理賠金額估計之參考。鑑於日本東北地震引發海嘯造成極大傷亡，正整合相關學者專家，建立台灣海嘯早期預警和損失評估模組，減少海嘯可能引致之災情。

圖6、台灣震災損失評估系統之災情規模預估電子簡訊範例

此外，國震中心完成現地型強震即時警報系統雛形開發（圖7），該技術可爭取約數秒至數十秒預警時間，配合強地動即時預估及潛勢評估系統及地震前兆研究成果，可望藉由提早預警時間，減低人員傷亡以及經濟損失。以921地震為例，現地型強震即時警報系統可以分別為台北、新竹以及台中爭取27秒、17秒與7秒的預警時間。而且系統偵測到地震後，可自動透過廣播、字幕、電視插播、簡訊等方式發佈地震警報，同時亦可自動關閉瓦斯、開啟門、啟動逃生路線指示燈等，在有限的預警時間下，有效減低地震可能造成的災害。目前已和北市芳和國中、宜蘭縣宜蘭國小、南安國中、嘉義縣中正大學、港坪國小、花蓮玉東國中、光復國小、花蓮火車站及中興保全公司合作，建立應用示範站，進行長期現地測試，未來將持續與學校、醫院、保全、電梯及運輸業者合作，推廣落實相關技術。

圖7、現地型強震即時警報系統爭取之反應時間 — 以921地震為例

在地震工程教育推廣及落實研發成果方面，國震中心每年持續透過舉辦研討會、講習會及教育活動方式，強化各項研發成果之推廣與落實。除每年約20場研討會及講習會外，目前已連續舉辦11屆國際抗震盃邀請賽，並兩度成為APEC活動，每年參與之高中、大專與研究生約100隊，包含約20餘組國際隊伍，累計參加人數4,121人（圖8）。此外，亦連續舉辦10屆國際防災耐震訓練班，每年約有東南亞及中南美洲等13個開發中國家參加， 累計參加人數329人，積極推展科技外交。

為加速防災教育推廣，編撰「安全耐震的家—認識地震工程」科教手冊，並以教育手冊為基礎，配合探究科學系列所蒐集到的教材，歸納並整理成幾個部份，如邊坡穩定、土壤液化及防治、結構共振、盆地效應、房屋的不當使用、施工細節、先進地震工程技術、居家抗震知識等內容，建置地震工程科學探索及教育網站（圖9），除了圖文並茂的解說之外，亦配合動態模型影片拍攝，彌補教育手冊以靜態方式呈現的不足部分。

為強化校園地震防災意識，依據各校特性、校園規劃、校舍結構以及學生分佈等條件，結合現地型強震即時警報系統，與校方合作研擬地震防災標準作業程序，並進行校園地震防災演練。目前已協助嘉義港坪國小、花蓮玉東國中、宜蘭宜蘭國小、台北芳和國中完成舉辦地震防災實地演練。其中並配合嘉義港坪國小的防災演練，舉辦嘉義地區地震防災演練講習會。

除上述方式外，亦透過各種方式推廣地震工程防災知能，包括編寫國中小認識地震工程教案、舉辦「地震工程科學探索體驗營」、舉辦蘭嶼地區地震教育活動、協助國立自然科學博物館921地震教育園區「地震教育博物館」之內容規劃、指導國中小學生參與科學展覽、與傳播媒體合作製作地震工程教育影片等，對於地震工程防災教育不遺餘力。

圖8、國際抗震盃邀請賽

圖9、「安全耐震的家—認識地震工程」網站首頁

檢討與展望

近年來，地震工程耐震減災策略的世界趨勢，由最基本的「結構大震不倒、小震不壞」基本要求，進而要求「震後功能性的維持」，已發展到最近的「強化國家震後恢復力」。本中心檢視過去執行成果及目前國內外現況，歸納出目前尚待解決的問題包括：

1. 關鍵性設施（救災、避難設施及維生管線系統）耐震性能有待檢討，城鄉震後恢復力有必要提昇：救災及避難設施耐震研究尚待落實及強化，目前校舍耐震評估與補強之成果目前已落實於全國性的補強工作，消防及警政建築則已有若干成果，尚待進一步落實，醫院則因涉及設備管線等耐震研究較少，尚待進一步研究。另一方面，維生管線系統為維繫城鄉震後功能之關鍵設施，過去著墨較少，有必要強化此方面研發，例如電廠及自來水管線等，但由於管線模擬時涉及多支承地震輸入，現有振動台無法模擬，須建置多支承振動台以加速研究來解決管線設施耐震問題。另核電廠耐震能力自日本331地震後，已成為國際矚目的重點，過去國內相關設計及評估多有賴國外，實有必要建立本土之研發能量。
2. 複合型災害嚴重，整合研究不足：導致災害之發生非屬單一因素，而造成所謂之複合性災害。以橋梁為例，其同時受到地震、洪水、土石流及老劣化等多重災害，應整合各領域進行橋梁之複合型災害研究，始可研擬防治對策。大地震後之震災應變亦屬複合型災害之範疇，例如火災與自來水管線系統及電力系統交互影響，另福島核電廠即屬多重災害所造成之問題，此類整合研究尚待強化。此外，多重災害之防制與解決，亦提供跨領域跨單位整合研究的契機。
3. 節能減碳的世界趨勢有待因應與推動：為了節省原物料之使用，為了節省原物料之使用，應發展如超高強度鋼筋混凝土及複合材料等耐震新材料及技術，因其應用於土木結構之影響及耐震行為有待進一步釐清，例如規範之研訂均需重新檢視，有待進一步研究始可推廣。
4. 地震工程實驗設施能量不足：我國的地震工程的研發與實務應用，長期以來在國際上居於重要地位，然而，雖然我國地震工程研究的成績斐然，但仍有許多進步的空間。近年來，國內與國外的環境與局勢不斷地變化，這些變化使得我國地震工程研究技術具有更多機會可以貢獻於社會經濟的發展。另一方面，與臺灣同樣遭受地震威脅之先進國家，均積極投入人力與經費，以提升地震工程之研究設施與能量，但相較我國因設備逐漸老舊，更新功能之速度不足，尚待積極投入，才能保有地震工程研究之國際地位。

為解決上述相關問題，本中心擬持續提升核心技術與設備之能量，支援與整合國內產官學界，針對「結構耐震設計、評估與補強」、「地震境況模擬與風險評估」、「監測預警與快速診斷」、「災害應變與災後復原」、「創新材料與結構技術」等五大研發主軸進行研發（圖10），並將成果落實應用，提升國家整體之耐震能力，期能達到打造耐震永續家園的願景，此五大主軸分別為：

圖10、長期目標 — 以五大研發主軸打造耐震永續家園

1. 結構耐震設計、評估與補強：此為強化設施本身之耐震性能之技術，設施主要可分為一般建築、救災及避難設施、維生管線系統，以及重要特殊結構等四大類，藉由瞭解設施（含結構、非結構構件、設備及管線）之耐震需求與耐震性能，研發經濟有效之耐震設計、評估與補強技術，確保地震來臨時設施具有足夠之耐震性能。
2. 地震境況模擬與風險評估：藉由各項地震災害相關資料庫的建置與維護，以及地震的境況模擬，從斷層的破裂、震波的傳遞、設施的損壞情形、各項設施的交互影響（例如電力系統、瓦斯系統與自來水系統）到地震風險的評估等等，建立地震境況模擬的能力，可瞭解地震可能造成的災害，此為研擬相關因應策略之震前準備關鍵性技術。
3. 監測預警與快速診斷：此為臨震應變的關鍵性技術，包括斷層錯動前的地震預測，以及斷層錯動後強震波尚未到達前的地震預警，或是設施受震破壞倒塌前的警報，可爭取寶貴的應變時間，提早進行必要之反應。地震發生時監測設施之受震反應，對於關鍵性重要設施進行快速的建康診斷，有助於迅速恢復震後復原社群之關鍵性功能，加速城鄉震後復原之速度，減少地震帶來之衝擊。
4. 災害應變與災後復原：震後立即對於可能之受損情形進行預估，並據以採取緊急之應變措施，優先針對急迫性較高之事件進行處理，妥善分配救災資源，並對於關鍵性較高之受損設施進行必要之緊急復原，此為震後復健之關鍵性技術。
5. 創新材料與結構：根據歷次震災的經驗以及耐震觀念的演進，並隨著機電、光電、材料等領域的技術突破，因應節能減碳與跨領域整合等世界性趨勢，各式耐震新技術得以有所創新，發展新一代耐震減災技術。

在硬體方面，由於現有地震工程實驗設施能量不足，本中心正積極規劃第二實驗設施之建置，期能滿足未來二十年地震工程研發所需之實驗能量。該第二實驗設施之特色為具備一「高速度長衝程單軸向振動台系統」，可應用於近斷層效應研究，以及設備物於中高樓層之耐震性能研究。該第二實驗設施之建置經費擬爭取公共建設經費補助，目前正進行設置空間之選址程序。

展望未來，國震中心為兼顧研發、服務及育才，減輕國內地震災害之損失及衝擊，將持續配合震前準備、震時應變、震後復建之需要，利用實驗設施、實驗方法及地震相關資料庫之優勢，整合及培訓國內相關研究人才，強化國際合作管道，期為國際地震工程研究之重鎮。