如何讓受傷(有裂縫)的混凝土,自行修復痊癒呢?
『......最近發表的一項新發明是具有「自癒合」或「自行修復」(self-healing)能力的混凝土,其中含有包覆乳酸鈣的微小膠囊。這些膠囊混入液態混凝土之後,會發揮令人驚奇的神秘功效。膠囊裏含有一種細菌(通常出現在火山附近的強鹼性湖泊中),即使長達五十年無法吸收氧氣或養分也能存活。加入這種細菌膠囊的混凝土在澆置後會固化,如果混凝土出現裂縫且有水滲入,水就會將膠囊中的細菌釋放出來。自膠囊中逃脫而出的細菌很習慣強鹼性的環境,所以即使遇到強鹼的混凝土也不會死亡。它們甚至能以膠囊為養分,讓鈣、氧和二氧化碳反應形成碳酸鈣,也就是純的石灰石。當新生成的碳酸鈣填滿混凝土裡的裂縫,結構也就自行修復了。』*
用鋼筋加混凝土蓋大樓,可以兼具鋼筋的靭性和混凝土的剛性,而且鋼筋和混凝土的膨脹係數幾乎相同,因此成為傳統的首選。
摩天大樓為了防震防風,會在大樓的中央部分,用鋼筋混凝土打造堅固的中央核心筒,電梯和共同管道、逃生樓梯就巧妙地容納在其中。這種設計的缺點就是靠樓下的鋼筋混凝土往往要做得份外厚實,為了支持撐大樓的重量,樓地板的跨距也不能太大。
建築師法茲勒汗,首創把穩定大樓的結構,蓋在大樓的外側。『他利用很長的斜撐構件組成穩固的三角形,為建築物打造出高勁度的外骨架,其實就是將傳統的摩天大樓結構內外翻轉。這種設計常稱為「管式結構系統」(tubular system),因為整個結構就像一根中空的管子,由外部「皮層」來支持,只是皮層的形狀不一定要是圓柱形。
管式結構,把摩天大樓的穩固系統擴展到建築物本身的四周,使得大樓更穩固。可以把大樓蓋得更高,建材用得更少,成本變得更低了。
管式結構之所以可行,跟鋼鐵建材的演進很有關係。鐵是地球上十分容易取得的元素,但是問題就是鐵的強度有限,也容易氧化生銹,使得鐵製品變得脆弱。增強鐵的物理性能,就是在煉製的過程中,加入微量的碳(0.02%-2%不等),把鐵原子之間的空鏈結填補起來,形成既堅靭又不容易生銹的鋼了。鋼經過形變,成為I型H型鋼,在建築物交錯斜撐的各種三角型結構,就可以形成十分穩的結構了。
摩天大樓承受風壓和地震的時候,會來回擺動,結構技師在設計的時候,要特別注意那個頻率不可以和大樓自然擺動的頻率相同,否則形成了波峰、波谷的節點,將可能弄跨大樓。這可以透風洞實驗蒐集資料,電腦程式也可以協助計算。台北市的101大樓,還特地在高樓層的中間,擺置了一個重達660公噸的阻尼器,當大樓擺動的時候。阻尼器就會朝相反方向擺動,來產生穏定的效果。
摩天大樓很重,必須建在穩固的地盤上,有些還得把基椿深打到岩盤上,以求萬全。有些地方得天獨厚,譬如香港,地下就是花崗岩的岩盤,把地基打至那兒,摩天大樓就可以蓋得既高又穩。
反觀台北盆地,自古就是一個湖泊,排水之後形成的盆地,地下的泥土是十分鬆軟的。在蓋台北101大樓的時候,它的基樁必須穿過泥土層,到達50公尺下的岩盤,並再深入岩盤20−30公尺,主建築的部分打了380支直徑1.5公尺的基樁,用所費不貲的工程方法,解決了土層鬆軟的問題。
如果大樓不是真的那麼高,基椿打入泥土層之後,在上面興建平板,平臺上再豎起粗大的梁,排成像格子鬆餅的網格狀,成為建物柱子和牆壁的基礎,這種基礎稱為「筏式基礎」(raft foundation),建物的重量,就分散到地板,再由地板分散到基椿,透過基椿和土壤的摩擦力以及椿底承點直接去頂住土壤。筏式基礎在較軟的地層,是很合適的工法。
然而,在一個泥土十分鬆軟的地方蓋大樓,那是連筏式基礎都沒有辦法克服,建物和整個基礎都會一起下沈。墨西哥市就是這樣一個地方,以前墨西哥市只是一個湖泊中的一個小島,大部分地方是後來填入的土方,非常鬆軟潮溼,所以有人說墨西哥市是「一碗上面蓋了建築物的果凍」,非常危險。
在蓋大樓之前,要對地質進行鑽探,以決定基椿大小及鑽打的深度,這關係到建物基本的安全,是非常重要的事。避免脆弱的土壤是最大的基本原則。台北101是用工程的方式來補強克服,所費當然不貲,並不是最明智的決策。
『假如真的要刻畫我這輩子看不到的未來世界,我想像後代子孫都會住在水中艙室,艙室則用薄如紙張但打不破的玻璃打造。那時候的橋樑跨距將可達到現今的十倍之多,因為以後的人將會利用未來的「超級材料」石墨烯築橋。也許我們甚至可以利用生物材料自己「種」出房子,形狀等等都可以依照個人需求調整。』*
向生物模仿學習,所謂的「仿生」,不只是模仿其外型,還要能產生其特定的功能。蜂巢、蟻窩,都有值得學習的地方。除了突顯工程的進步,現代建築師也講究建物充分融入周圍的環境,甚至用木材、竹料等容易腐敗的建材,來強調建築物本身和人一樣,都是有生命的,在有生之年我們都看得到它的生老病死,在有限的時間裏,我們在建物上構築充分的謙卑。
*:《如何在果凍上蓋城市?》,羅瑪·艾葛拉瓦 著,王翎 譯
2021/2/7 如何在果凍上蓋城市? Damakey
