台灣地震環境與耐震設計的重要性
台灣位於太平洋地震帶，地震發生頻率極高，因此無論是建築結構、廠房結構，或是建築技術規則所定義的雜項工作物（如煙囪、水塔、招牌等非結構物），均需考慮耐震設計。
耐震設計的規範依據為內政部國土管理署頒布的《建築物耐震設計規範及解說》，此規範屬於《建築技術規則》的附屬規範文件，為耐震設計提供標準依循。無論是新建建築物或舊有建築物的增建、改建，皆需符合建築法規中的耐震規範條文，確保建築物在地震作用下的安全性。
地震對建築物的影響，主要來自於慣性力的作用。這種現象可類比於當人站在公車內，當公車突然急煞或加速時，乘客的身體會因慣性而前傾或後仰。造成這種現象的原因，是公車對人體施加了一個明顯的加速度變化，使得人體產生相對位移。
同理，當地震發生時，大地產生往復擺動，並透過地基傳遞給建築物，使其來回晃動。這種震動產生的加速度，會引起建築物內部的慣性力，進而導致結構變形，甚至發生損壞。因此，耐震設計的核心即是確保建築物能夠承受這種地震引發的動態力學行為，降低地震帶來的危害，確保建築物的穩定性與安全性。
了解地震力的作用方式後，下一步即是設計建築物的結構強度，因為強度是建築物抵抗地震的第一道防線，能有效降低構件在地震中受到破壞的可能性。以下將進一步探討結構強度的設計原則與考量要點。
耐震設計要點說明
法規對於建築物之耐震設計要點，主要著重於『結構強度』、『結構韌性』以及『結構規則性』三大面向，以下逐一探討
結構強度
強度可簡單定義為建築物梁、柱系統抵禦外在力量的能力。這些外力可大致分為垂直力量與水平力量兩種：
- 垂直力量：包括建築物本身的自重、人員活動荷重、家具設備，以及外掛裝飾材等附加重量。
- 水平力量：最廣為人知的即是地震力，會對建築物產生劇烈的側向作用。
在耐震設計中，強度是建築物抵禦地震的第一道防線。若建築物強度不足，即使面對較小的地震，也可能產生過大的位移，導致梁、柱、牆面出現明顯裂損，進而引發民眾恐慌與安全疑慮。
因此，結構工程師在進行耐震設計時，必須優先確保構件具備足夠的強度，作為抵抗地震力的第一道盾牌，確保建築物在地震來襲時能夠維持結構穩定，減少損害與潛在風險。
結構韌性
結構韌性的重要性與耐震設計的應用
結構韌性指的是建築物在地震作用下的變形能力，即非線性變形能力。這可透過竹子與電線桿的比較來理解：
- 當我們用力推動竹子時，它會彎曲變形，但仍能恢復原狀或維持不破壞，展現良好的韌性與吸能能力。
- 相較之下，電線桿幾乎不會變形，然而當外力超過其承受範圍時，可能會突然脆裂倒塌，缺乏吸收能量的能力。
因此，韌性可以比喻為竹子的彈性，能夠吸收並消散地震能量，而剛性結構如電線桿則僅能抵抗外力，卻無法透過變形來減少受力衝擊。這使得韌性成為結構設計中不可忽視的要素，為建築物提供額外的地震保護機制。
韌性在耐震設計中的角色
上述的比喻能幫助一般大眾理解韌性的作用。當我們用力推動竹子，竹子會產生變形並消散能量，因此我們不會感受到持續增加的回饋作用力。同理，建築物若具備一定的變形能力，則可有效吸收並消散地震力傳遞至結構體的能量，成為抵抗地震力的第二道盾牌。
然而，建築物的構件畢竟與竹子不同，一般民眾也難以接受建築物在外力作用下如竹子般產生過度明顯的變形，這將會大幅提升心理恐懼與不適感，並非理想的耐震設計。因此，在設計建築結構時，工程師須優先考慮結構強度，並輔以韌性設計，確保建築物在地震時既能承受足夠的外力，又能適當變形以減少衝擊，達到兼顧安全性與舒適性的耐震設計標準。
結構規則性
結構規則性與耐震設計的重要性
結構規則性與結構韌性息息相關，在建築設計時，我們期望建築物在地震來襲時能夠發揮足夠的韌性容量，而這其中，建築結構的規則性至關重要。
規則的建築結構（包括平面與立面規則）在受震時，能夠讓各個構件產生較均勻的變形與受力，避免局部受力過大，導致應力集中與嚴重破壞。在1999 年 921 大地震中，雖然許多房屋倒塌，但仍有不少老舊但結構規則的房屋成功承受住地震，避免嚴重損害。這顯示了結構規則性對於耐震性能的影響極為關鍵，是不容忽視的重要設計原則。
耐震規範的要求
然而，建築物不同於飛機、汽車等標準化工業產品，無法做到完全對稱與規則。每棟建築物的設計會受到土地空間條件、建蔽率與容積率的法規限制、業主需求、建築師規劃，以及營造商的施工品質等諸多因素影響。因此，建築物幾乎都是獨一無二的，並非所有建築物都能完全符合理想的結構規則性。
因此，在耐震設計規範中，工程師在評估建築物的耐震性能時，需納入結構規則性檢討，包含：
- 平面規則性檢討：確保建築物在水平方向上受力均勻，避免應力集中。
- 立面規則性檢討：評估樓層結構的均勻性，避免因樓層退縮或質量分布不均而影響耐震能力。
對於較不規則的建築物，耐震規範要求須進行結構動力分析，甚至針對某些極度不規則的建築物（如結構極軟層），規範可能直接禁止其設計與施工，以確保建築物在地震時的安全性。
平立面不規則建築物的檢討
平面不規則建築物（如凹字形、L 字形或 T 字形的建築）容易在轉角位置產生局部應力集中，尤其是在地震作用下，建築的延伸側翼可能產生甩動效應，導致轉角處的結構損壞。
立面不規則建築物則包括：
- 樓層退縮：某些樓層面積突然縮小，導致應力分布不均。
- 樓層質量不規則：不同樓層之間重量相差過大，影響建築的耐震行為。
- 軟層與弱層建築：如一樓設計為開放空間（如挑高大廳、停車場等），上層為一般樓層，易形成軟弱層，導致地震時該樓層優先發生嚴重變形或倒塌。
在進行耐震分析時，工程師必須對這些不規則建築進行特別檢討與補強設計，確保建築物在地震來襲時能夠維持結構穩定，避免局部破壞導致整體倒塌。
耐震設計基本原則 : 小震不壞、中震可修、大震不倒
耐震設計如何考量地震力？—小震、中震、大震的設計邏輯
耐震設計涉及許多專業知識與艱澀術語，因此專家學者常以簡單易懂的方式向社會大眾解釋耐震設計的目標，即：「小震不壞、中震可修、大震不倒」。
至於何謂小震、中震、大震，則涉及地震危害度分析等較為複雜的理論，此處不多詳述。民眾只需理解，地震專家會根據台灣各鄉鎮市區的地震歷史紀錄、地盤條件及斷層距離等因素，進行地震危害度分析，制定各行政區域的設計反應譜，設計反應譜中T=0的譜加速度即為所對應的設計等值地表加速度(EPA)，以此反應譜作為建築物耐震設計的依據。
更直白地說，政府依據歷年來各地區發生的地震歷史，透過統計學分析方式，訂定各行政區應抵抗的地震力大小，確保建築物能在不同強度的地震下維持結構安全，達到「小震無損壞、中震可修復、大震不倒塌」的設計目標。
筆者於下圖中列出三種耐震設計規範所定義的地震水準及耐震設計目標 :
根據《建築物耐震設計規範及解說》中所述，耐震設計遵循『小震不壞、中震可修、大震不倒』的原則，其實質含義如下：
- 小震不壞： 對應50年回歸期的小地震（設計地表加速度約0.1~0.2g），建築物應保持完全彈性狀態，無需維修即可繼續使用。
- 中震可修： 對應475年回歸期的中等地震（設計地表加速度約0.25~0.35g），建築物可發生局部損壞，但經修繕後仍可恢復使用。
- 大震不倒： 對應2500年回歸期的罕見地震（設計地表加速度約0.4~0.5g以上），建築物可能遭受嚴重損壞，但結構不應全然倒塌，需保留逃生空間以確保生命安全。」
在建築物的耐震設計中，工程師會分別計算小震、中震、大震三種等級的地震力，並取其中最大者作用於建築結構上。然而，你可能會好奇：「既然大震是 2500 年一遇的罕見地震，難道它的地震力不會比中震、小震還要大嗎？」
關於這個問題，我們可以用貼近社會大眾的方式來說明。
簡單來說，耐震設計中所考量的小震、中震、大震的地震力，並不等同於真實地震發生時，地表震動加速度對建築物造成的實際地震力。如果你在想：「那為什麼不直接使用真實的地震力來設計建築呢？」——這就與結構韌性的概念息息相關。
1. 為何不直接採用真實地震力進行設計？
如果完全依照真實的地震力進行設計，建築物所需承受的地震力將會非常大，導致梁、柱等構件的尺寸過於龐大，不僅影響建築美觀，也會大幅壓縮使用空間，使房屋難以居住與使用。
因此，耐震設計規範認為：
- 建築物具有韌性，能夠消散地震能量，因此在設計時可以對地震力進行適當的折減。
- 透過韌性折減係數，將地震力適度降低，使設計出的建築物既能達到耐震要求，又不會因為過大構件而影響實用性。
- 折減後的地震力則可透過結構力學的線彈性理論，計算建築結構中梁、柱、牆等構件的受力狀況，並據此進行設計。
換句話說，規範的耐震設計方法，並非單純根據地震發生時的真實地震力來設計建築物，而是先假設建築物能夠具備一定的韌性消能能力，計算小震、中震、大震時的地震力，並進行韌性折減，再使用線彈性設計方法來設計結構物。這樣的設計方式，能夠兼顧建築安全與實用性，確保建築物在地震發生時，既能有效抵禦地震力，又不會因過度設計而影響居住品質。
2. 建築物如何具備法規建議的韌性容量？
要讓建築物真正具備韌性容量，必須依據耐震規範的要求，從局部構件設計與整體結構系統配置兩方面進行優化，包括：
- 局部構件韌性設計：細部設計時，確保梁、柱等構件能夠發揮足夠的非線性變形能力，以吸收與消散地震能量。
- 整體結構系統配置：
- 強柱弱梁設計：確保梁在地震中先行屈服，而柱仍維持穩定，以維護整體結構安全。
- 梁柱接頭剪力強度檢討：避免梁柱接頭成為結構的弱點，影響整體耐震能力。
- 避免弱層現象：防止特定樓層因剛度或強度不足而形成軟弱層，增加建築物倒塌的風險。
3. 為何大震地震力可能小於中震、小震？
耐震設計所考量的三種等級地震力大小，取決於建築物的韌性容量：
- 當建築物具備較高的韌性容量時，大震時的地震力折減幅度較大。
- 由於規範允許在大震時發揮更多韌性來消散能量，因此作用於建築物的設計地震力反而可能小於中震、小震時的地震力。
換句話說，耐震設計所考量的地震力大小，並非單純來自地表震動加速度所引致的地震慣性力，而是經過韌性折減後的結果。因此，當考慮大震時，若建築物的韌性折減能力較高，則折減後的設計地震力可能不會比中震、小震時來得高。
這樣的設計方式，能夠確保建築物在小震時保持完整、中震時可修復、大震時不倒塌，同時不會因過度設計而導致結構過於龐大、影響使用空間，實現安全性與實用性的最佳平衡。
4. 圖文解說
我們可以利用下圖說來進行簡易說明，下圖為建築物側推分析後之容量曲線圖，所謂容量曲線即是建築物屋頂位移對應建築物基底剪力(可以想像為地震力作用於建築物的總合力)。
圖表中綠色線段代表完全線彈性行為的結構（如僅考慮強度設計的結構），其對應的設計地震力為 Ve，即建築物完全依靠強度抵抗地震，變形較小，但構件尺寸通常過於龐大，影響使用空間。而紅色線段則代表考慮結構韌性設計的建築物，對應的設計地震力為 Vu。此類結構在發生大地震時，通過非線性變形吸收並消散地震能量，構件雖有損壞但變形能力充足。兩種設計方法下的建築物，雖然抗震性能相同，但考慮韌性的設計更具經濟性與實用性。
狀況1 : 房屋結構設計的非常粗壯，地震來時僅完全倚賴強度抵抗地震力，如圖綠色線段，為完全線彈性曲線，對應的設計地震力為Ve (稱為彈性地震力)
狀況2 : 房屋結構除了強度設計，亦考慮結構韌性可以發揮，如圖紅色線段，為一個考量韌性設計的房屋受地震力後的側推曲線圖，對應的設計地震力為Vu(稱為極限地震力) 狀況1與狀況2所設計的房屋，一個是以完全線彈性做設計，只考慮結構強度；另一個是考慮結構強度與結構韌性，此兩者所設計的房屋，承受一樣規模地震力作用時，將具有相同抵抗地震力之能力，差別在於，前者僅以強度抵抗地震力，變形較小，但梁柱需設計相當粗壯令人難以忍受；後者則以強度+韌性一同抵抗地震力，韌性充分發揮時變形較大。
5. 耐震設計與實際結構行為的差異
關於耐震設計的理論與實務應用，筆者推薦讀者參考張博竣技師所編著的《建築結構耐震設計》一書，其中對相關概念提供了詳盡的說明。
耐震設計的核心概念在於將建築結構轉換為單自由度系統，並透過線彈性設計來確保結構系統的非線性行為能夠符合耐震要求。在設計地震力的計算中，主要考量以下兩項關鍵係數：
- 韌性折減係數（Fu）：透過等值單自由度系統，考慮完美彈塑性的力與變形關係，再經過非線性歷時分析統計所得。然而，這個係數與真實建築結構所能發揮的韌性折減能力仍有一定的不確定性。
- 超額強度因子（1.4）：規範中已認定上圖中的 Vu/Vd 會超過 1.4 倍，因此保守取值為 1.4，以確保設計時考慮足夠的安全裕量。但這個強度因子的假設前提是結構能夠順利依照預想的破壞模式發揮塑性鉸機制，即：各樓層的梁端先發生塑性鉸，最終才是柱底發生塑性鉸。然而，實際結構物的破壞模式可能無法如設計預期，導致設計理論與真實受震行為有所落差。
另外，耐震設計中，一項重要檢討項目是強柱弱梁設計，希望在地震發生時，梁端能夠優先破壞，以保證結構韌性非線性變形的發揮，使得整體結構能達到預期的韌性容量。然而，在實際結構行為中，強柱弱梁的設計目標往往難以完全實現，主要原因包括因一般建築工程中，梁與樓板通常為共同澆築成一體，形成T 型梁結構，使得梁的強度高於柱的強度設計，造成強梁弱柱行為，此行為即容易造成軟弱層破壞。
針對上述現象，日本防災科學研究所曾進行振動台試驗，驗證建築物在實際地震作用下的行為模式。該試驗影片由中興大學 翁駿民教授所提供，透過實測結果具體呈現了強柱弱梁設計在現實應用中的挑戰與結構破壞模式，值得深入探討。
這些研究結果提醒我們，在耐震設計時，雖然可以透過理論計算來確保結構的設計強度與韌性，但實際建築物的行為仍存在不確定性，因此在進行耐震補強或設計時，應透過詳細評估、動力分析與實驗相互驗證，確保建築物能夠真正發揮預期的耐震能力，提供最佳的結構安全保障。
