從《結構之書》談找回建築的結構思維

＃土木哲學 ＃造成結構斷裂的是能量而非應力

　　結構是建築系的必修課程，更是公務員高考建築工程或建築師高考之必考科目。以筆者大學時的必選修為例，結構相關課程就有八學分，其中必修六學分為「應用力學」、「材料力學」與「結構學」、選修兩學分為「建築結構與造型」。有此可知結構之重要性，然而，以去年（111）的建築師高考為例，「建築結構」一科及格率創新低僅4.46%，而實務上建築師之結構簽證又多委由技師（結構、土木）辦理。筆者推薦本書作為建築系之結構入門讀物，欲重新喚回以結構思考建築的可能性。

　　何謂結構？有人將結構定義為－「任何以承載為目標的材料組合。」然而，並非所有大自然的結構都是以承載為目標，如：蝙蝠高彈性的皮膜所覆蓋的骨架，為的是減輕重量與代謝消耗。若說結構是各種力作用的結果，各種可見或不可見的力作用的結果，那麼所有東西都是一種結構，如：為了抵抗重力或重力作用下的結果。結構的神奇之處在於，上天賦予各種生物剛剛好、不多也不少，該生物一生中需對抗之力量的結構。故生物並無「安全係數」的問題，即理論強度與實際強度的落差，此問題的來源，源自人類的發明，即人造的結構物，如：建築、橋樑、船隻、飛機。於是「結構」成為了一門學科，一門可計算、可量化、可見、可觀察、可經驗的學科。

　　關於結構的十個小知識：

1. 螺絲長短並無差異，因為幾乎所有荷載會落在頭一兩個螺紋上。

2. 若棒桿的勁度（產生單位變形所需要的力，勁度大，即不易變形或撓曲）遠高於固定底座的材料，應力的分布可能會相反，應力集中落在棒桿底部，即插入部分的端點。

3. 假如不裝箭就硬讓弓「發射」弓很有可能就會斷掉，因為儲存在弓裡的「應變能」無法轉變成「動能」安全釋放出去，使得部分「能量」會在弓的材料內產生裂縫。

4. 古代晚上會將由馬拉乘的雙輪戰車斜靠在牆上，讓車輪不必承受重量，避免車輪長時間荷載而「潛變」（在應力作用下固體材料緩慢且永久的變形）。

5. 任何材料潛變都會導致應力重新分配。

6. 軟組織柔軟，楊氏模數低（楊氏模數：法國工程師克勞德－路易・納維，於1826年提出，亦稱彈性模數、勁度、E（應力／應變））。

7. 結構會破壞，不是因為強度不夠，而是因為不夠穩定。

8. 水壩基岩裡的鋼製預力拉桿，作用等同在水壩上方增加重量，能限制推力線偏移，哥德式建築之飛扶壁上的雕像具有同樣功能（增加重量降低推力線的偏心程度）。

9. 船會漏水、桌子會搖晃、衣服會在不該凸起的地方凸起，都是因為剪力，剪力關乎滑動。

10. 重物遲早會掉到地上，結構的作用就讓這件事情延遲發生。

　　我們都知道結構安全與否，完全是一種統計下的數字，如：耐震規範以「小震不壞，中震可修，大震不倒」為原則訂定，然而，何謂小震、中震、大震？依據《建築技術規則》建築構造編第四十一條之一規定訂定之《建築物耐震設計規範及解說》，第一章通則之1.2 耐震設計基本原則規定：「本規範考量的三種地震水準及耐震設計目標為：(1)中小度地震：為回歸期約 30 年之地震，其 50 年超越機率約為 80 %左右。(2)設計地震：為回歸期 475 年之地震，其 50 年超越機率約為 10 %左右。(3)最大考量地震：為回歸期 2500 年之地震，其 50 年超越機率約為 2 %左右。」（回歸期：指地震一定規模的天災再發生的間隔。陶朱隱園即是以「最大考量地震」來規劃）故地震完全是統計下的結果，既然是統計的結果就不會是絕對不變、必然的結果，而是機率的問題。故以一般使用年限約50~60年的RC造建築，在經濟成本考量下，不可能無限上綱將建築做到百分之百安全、保有永久的壽命。

　　結構設計重點在於避免造成裂縫，然而，裂縫是怎麼開始的？平整的固體裡一旦出現孔洞或裂縫，應力會局部增加，如：門框、艙門等開口的銳角，應力會集中在角落處。故過去一般認為，結構之所以會破壞，是因為應力集中的關係，即抗拉強度，亦稱極限拉應力。然而，實驗卻發現玻璃易碎，其抗拉強度甚至高於木頭。這才知道裂縫的關鍵在於「破裂功」（破壞材料截面所需的能量值）對應的是「能量」（做功的能力），而非抗拉強度對應的應力。

　　所有結構的斷裂都是由裂縫開始的，該裂縫將材料一分為二，創造出兩個在斷裂前並不存在的新表面；即破壞將兩個新表面結合在一起的全部化學鍵，這些化學鍵中蘊含的「能量」，即等於「破裂功」。而玻璃的抗拉強度是木頭的1.7倍，但破裂功卻僅爲木頭的千分之一，故玻璃比木頭有「脆性」，即被破壞時僅需較小的能量。木頭則較玻璃有「韌性」，即材料更深處的分子會吸收能量，抵抗斷裂（低勁度、高延展性）。爰此，結構的荷載增加時，直接造成的效應只是儲存在材料內的應變能增加而已，不一定會產生斷裂，關鍵在於應變能是否轉換成破裂功，即應力集中僅是一種將應變能轉為破裂能的「機制」。

　　然而，有裂縫就一定不安全嗎？關鍵在於「格里菲斯臨界長度」；比此長度短的裂縫是穩定的，反之裂縫則會持續擴展。而彈性能越高，安全無虞的裂縫長度就越短，相反的，彈性能越低，則安全的裂縫長度就越長。如：橡膠能儲存龐大的應變能，但其破裂功相當低，故其拉伸開時，裂縫臨界長度相當短。此與韌性正好相反，韌性越高則越不容易產生裂縫，最好的材料是兼具彈性能與韌性，讓物體裡的接合處多少是鬆動的、可彎的，使能量在摩擦的過程中被吸收掉，如：布料、編織籃子、木船、馬車。

　　綜上，在材料的世界裡，所有的事件都是能量從一種形式轉換成另一種形式，並保持能量守恆，此概念直到19世紀晚期才被廣為接受。結構不只適用於建築，生活中亦充滿「結構思維」。如：剪應力就是拉力與壓力以正負45度作用，故衣服布料的剪裁方向，剪裁方向與垂直應力呈45度，即能利用布料大幅橫向收縮的特性，讓衣服貼緊身體。然而，隨著結構標準化、科學化，越來越少以「結構思維」思考事物。科技看似越來越進步，使用材料的多樣性、對力的思考卻越來越少，如：建築縮減成少數幾種（鋼或混凝土）標準化又堅固的材料，而忽視傳統建築木料與榫接的韌性。或建築的形式與結構分離，鋼筋混凝土被藏在建築內部，使得人們僅看到表面薄薄的玻璃或磚塊，而無法感受到力，進而無法對認識與思考結構。

　　維特魯威的建築三元素：堅固、實用、美觀。堅固是建築之首，沒有堅固就談不上實用或美觀與否。一般民眾對於建築的價值亦以安全為第一考量。然而，這樣的重要卻是不可見的或被忽視的。建築應該找回「結構思維」，讓形式與結構合一；除了美感上避免都市、建築越來越鬱悶、乏味、平庸外，更在於讓建築的思維有新的可能性。如同《老子·》所言：「知其榮，守其辱。」、「知其白，守其黑。」唯有認識結構，形式與結構相濟，才有可能解構、重構建築，邁向最「強」、對有力的新建築。 

2023/4/5