智能設計:保障建築安全

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紐約世界貿易中心(世貿中心)在去年九月受到襲擊倒塌後,著名鋼鐵結構專家、城大建築系講座教授陳錦順教授指出,我們有必要加強培養建築工程學生有關結構特性的分析能力。

 

「我們愈來愈重視教導學生有關結構的知識。從前,在設計過程中要靠人手作很多複雜的計算,但現在卻有許多分析工具可以協助有關工作,加快設計的過程,讓我們有更多時間教導學生有關結構的特性以及如何抵禦不同的考驗,例如火災、地震和強風等。」陳教授強調,設計工程師必須在安全與成本之間取得平衡。然而,世貿中心遇襲事件,卻令人更加意識到加強結構的重要性。換句話說,建築物不僅須具備可以充分預防倒塌的安全設計,更須在發生部分受損或破壞時,有其他可承受衝擊的支柱。現在,愈來愈多人關心的建築課題是防火安全、逃生通道以及如何確保建築物延遲倒塌。

 

智能材料與智能結構

目前建築界在建築控制方面著力研究配用智能材料,以建造智能結構。理想的目標是,這些材料可以在有需要時加強建築物抵禦意外的衝擊,而並非像傳統的結構設計,按預期的「最壞情況」而增加建築材料,結果令成本增加。智能結構將來應像生物的神經系統般,能夠對可能出現的問題作出自行調整。

 

「智能材料能夠對環境作出相應的調整,例如在建築物老化時自行改變本身的結構特性,甚至在受到破壞時自行修復。」陳教授說:「要是不能自行調整修復,智能材料應可在建築物受到破壞初期便發出警告。」

 

促動器是智能的器材,能夠協助結構調整本來的形狀、硬度、位置、自然頻率和其他機械特性,以適應溫度、電磁場或其他環境衝擊的轉變。這些器材運作起來,就像人體的肌肉和神經。

電流變液(electrorheologica fluid)及磁流變液(magnetorheological fluid)是當今最常用的促動材料,在受到電流或磁場衝擊時,這些液體可在萬分之一秒內轉化為固體。該項技術多年來主要運用於汽車的制動器、離合器以及水壓活門等控制器上。在地震或強風等難以預測的天氣情況下,工程師應用電流變液和磁流變液,以穩定高層建築。原理是將這些液體放進建築物的減震器或平衡器裡,當建築物搖擺震動時,就會引發減震器的磁力,促使促動器內的液體快速往復轉變形態。這種形態轉變有助穩定結構,因為減震器所發出高達20噸的力量,可以抵消衝力,減低搖擺震動。

 


雖然採用這種技術可以加強建築物的安全,但是陳教授認為這並不能完全消除高層建築物倒塌的可能。他說:「並不是所有建築物都適用智能結構,我們說的是幾年以後的事情,目標是建造可以應付自然衝擊的結構。目前最成功的建築結構已可應付地震及減低建築物在強風中搖擺。不過,我們還未能結合使用智能材料,設計出可以防止建築物坍塌的功能。」

 

更佳的防火設計

除了智能材料和結構,陳教授認為建築師應可改良防火設計以加強建築物的安全。「我們必須設計防火性能更佳的材料。我們之所以使用鋼建造高層建築物,是因為鋼比水泥輕,兼且較柔軟,可以抵受更大的壓力而不會折斷。不過,鋼在500度以上的溫度會變得柔軟無力;相反,水泥雖然較脆和易碎,卻不會像鋼般遇高溫而變軟。」

 

此外,陳教授認為沒有必要興建太高的建築物。「像世貿中心那樣高的建築物在七十年代很流行,不過,現在美國和歐洲都不大流行了,反而亞洲較熱衷。」他覺得現在興建摩天大樓,主要的考慮並非實用,而是身分象徵。「現在有了電子郵件和互聯網等通訊工具,再沒有必要一大群人在同一幢大廈內辦公了。當然,香港的情況較特別,因為這裡的土地資源有限,所以有很多高樓大廈。可是,在美國等其他國家,摩天大樓的需求是愈來愈少了。」

 

 

 

 

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