豆腐渣工程?(3)

災難過後, 要面對未來. 災後重建的房子一定要有考慮抗震設計.

第一: 使用預力混凝土預製件作橫樑或樓板.

當然除要使用合規格的鋼筋和混凝土之外, 預製件的製造方式需要改善, 我們應使用預力預製件(Pre-stress concrete), Pre-stress concrete是鋼筋在未加入混凝土之前,先被拉緊至較高的拉力,令鋼筋可以乘受更大的受壓力, 因為當混凝土受更大的壓力時, 壓力可以被預加的拉力抵消.

第二: 減少採用磚作結構牆

儘管用混凝土磚牆都有潛在危險因為磚牆始終接合點太多, 磚與磚之間的水泥的份量和水份都難以控制, 在香港砌磚牆的技術可以說是失傳, 能夠只用雙手和灰持就能造出一幅完全垂直的結構磚牆的師傅, 在香港應沒有多少人, 有的都已退休,所以磚牆在香港只是用作間隔牆.

第三: 加強結構,減少震幅

上圖是東京的一角, 為何這大廈的窗口會這麼細少, 因為窗與窗之間都是柱和橫樑, 令整個大廈無論在彎力(Bending force) 和剪力(Shear force) 都可加強, 最重要是令大廈的震動週期縮短,盡快達至Simple hamonic motion (S.H.M.)的平衡點(Equilibrium). 一大堆名詞,即是什麼? 大廈就好像垂直的跳水板, 當運動員跳在板上的一刻, 跳水板便會由大震動然後慢慢變為餘震, 愈強的跳水板餘震的幅度便少, 時間亦會較短, 所以加強大廈四周的柱和橫樑就是令餘震的幅度減少, 減少倒塌的危險.

除此之外, 可在大廈的頂層加入阻尼(Damper),Damper是一個大約數百噸重的混凝土塊, 四邊用彈簧連接, 當大廈在搖動時Damper會移至另一方以減少震動的幅度如上圖示.

另外, 日本研制出免震建築設計, 大廈的底部與地樁之間由多個大型彈簧連接, 當地震時, 彈簧會吸收大廈的震動, 避免地樁與大廈的結構受到保護如上圖示.

最重要是室內的家具和門窗沒有受到破壞; 因為在日本, 地震帶來的傷亡不是樓房倒塌而是室內的雜物和窗口跌下來而導致傷亡, 所以日本學校教學生當地震時先躲在椅子之下, 當第一次地震完結後才疏散至室外.

今日全國合力重建四川, 不過如過沒有做足夠的抗震設計, 當下一次災難來到的時候, 這些不合格的房子將是殺人的凶器, 四川需要是重建家園的安樂窩而不是用混凝土製造的棺材.

豆腐渣工程?(2)

今次地震有數以萬計的房屋倒下來, 其中一個原因是房屋相信沒有進行抗震工程設計,我需沒有進過災場但從上圖中可以看到這房子是用紅磚造結構, 而結構磚牆是放在兩則, 樓板放在磚牆之上,這便形成雙向性結構(Bi directional spanning). 簡單一點, 就好像兩本書垂直站立, 一本書放在兩本書之上, 在靜止的狀態下當然沒有問題, 但當地震時, 房子會左右搖擺, 便很可能令房子失去平衡,只要一幅磚牆倒下來, 整個房屋都可倒下來就好像這房子的高層部份.

上圖中房子的高層在地震中完全倒下來, 是沒有使用四向性結構(Introverted spanning) 即四邊都是磚牆, 磚牆只在個別的位置開洞作門和窗. 如房子四邊都是磚牆的話, 搖擺的幅度可以減少特別在高層搖擺的幅度較大的位置.

不過奇怪的是, 為何用紅磚作結構? 我入行以來都未見過用紅磚作結構牆, 結構牆多數是由 混凝土磚組成,在我記憶中香港只有英皇書院是紅磚結構, 不過亦是四向性結構.

除磚建築外, 混凝土建築物亦有倒塌, 為何連混凝土建築物也不堪一擊? 首先,混凝土是什麼? 混凝土是水泥 + 石粉或河沙 + 水 + 石組成, 整個過是一個化學反應(Chemical process). 所以,混凝土中的水份、酸鹼值(pH value) 都會影響混凝土的硬度, 混凝土的一般是pH~13.記起50,60年代的香港曾出現鹹水樓的結構問題, 就是混凝土的酸鹼 值出現問題導致硬度不足. 而水泥有分325級、425級、525級、625級, 這是什麼意思? 325代表混凝土的受力度為325m²·kg^-1; 所以, 級數愈高, 硬度愈強, 香港和英國是用525級的水泥, 日本和美國個別州份特別在地震帶是用625級. 在內地是用425級, 但我一些工程師朋友相信四川部份建築物是用325級甚至更低.

今次災難中最令人痛心很多學生在學校上課時被活埋, 為何預製件建築物出現這麼大的問題? 預製件是各混凝土的建築部件會先在工廠製成, 然後在工地裝置,好像是Lego屋一樣, 好處是快而便宜, 因為不用在工地扎板、扎鐵, 部件可在工廠大量生產. 另外, 由於生產過程的溫度、酸鹼值和氣壓都得到控制, 所以,混凝土的硬度可以提高, 因此香港的天橋、Y形屋、學校都是用預製件的方式建造. 但四川的問題就出在部件與部件之間的接口, 因為新舊的混凝土很難完美地接合,當混凝土凝固後未必能與新的混凝土產生化學作用. 所以,香港公屋漏水的地方往往都在這接口位置, 現在雖然有新方法接合新舊的混凝土, 不過程況未完全改善.如果接口的強度不足, 在地震時儘管柱和樑夠強,上層的樓板一樣可以壓至導致大量師生傷亡如上圖示.

有一點我需然不肯定但一定要提出大家思考, 混凝土的受壓力強, 但拉力弱, 而鋼筋受壓力弱, 但拉力強, 而它們的熱漲泠縮情度一樣, 天衣無縫的配合, 所以工程界別都說鋼筋和混凝土是上帝給予人類的禮物. 至於,豆腐渣工程除水泥的問題外,極可能出在鋼筋上, 第一鋼筋數目可能不足, 或可能不夠粗, 不過現在不得而知, 因為沒有計算過. 但根據我在國內建房子的經驗, 儘管鋼筋數目、大少符合規格, 但鋼筋接合 都可能出現問題, 因為在柱中的鋼筋必需一枝鋼筋直上, 特別在柱中的四角, 如果要接合都必需經工程師批准. 偷工減料的情況極可能是他們沒有用完整一枝鋼筋而用一些碎料接合而成的鋼筋, 從上圖中的柱是從中間斷開, 這根柱需有9根鋼筋與我們常見的設計相同, 但會如此斷開有點奇怪,我需不能斷定柱是豆腐柱, 但我推斷這根柱的鋼筋很可能有問題.

我和一眾工程師們需沒有進過災場, 亦不是這方面的專家, 但從圖中的情況可以令我們相信這些倒下來的建築物是沒有作抗震設計. 大家請提出自己專業的見解.

待續

豆腐渣工程?(1)

四川地震發生近一年半, 什麼豆腐渣工程、短樁、偷工減料、預製件、抗震設計等字眼都在報章上看到. 而亦在這時開始搜集資料, 為這篇文章足足用了兩個月時間準備, 因為在香港和英國建房子,不如日本般要考慮抗震設計, 所以我在英國讀大學時老師沒有詳細說明. 不過,在日本的建築系是屬於工程學系的一部份, 抗震設計是考試必考的題目.

首先, 什麼是地震? 地是上下震,還是左右震? 大家都知道地殼是會移動, 當兩個不同板塊互相向對方移動便會形成壓力, 壓力不會立即釋放出來, 能量會貯起來直至超過地殼之間的磨擦力便一舜間爆出來, 所以地震只是60秒, 便可造成重大傷亡. 因此,地震不單只是上下震、 左右震、 連前後都會震, 即X、Y、Z軸都可能震如圖示.

地震能否預知? 我問過很多工程師都坦白對說現在只能計算那板塊之間的壓力有多大, 但何時爆出來真的不能如天氣報告般準確預測.

災難發生後, 有些人說地震不能抗衡, 是真還是假? 在兩個情況下, 地震是不能抗衡.

第一: 共振現象(Resonance)

共振現象這名詞我在介紹倫敦千禧橋時曾提及這名詞, 今次我再加解釋,當地震的震動頻率與建築震動頻率相同時, 便會發生共振現象. 這樣任何結構都會倒下來,因為正正得正, 負負得正, 結構除要承受地震的能量外, 還要承受自身震動的能量, 所以,結構荷重能量可以說是無限大. 如大家記起中學時物理課所說的Interference, 就是這現象, 建築物可能會是除地震的波幅3D方向扯爆整個結構.

擴展基礎(Footing)

第二: 地殼液化(Lique Faction)

當泥土中的水份在地震情況下, 沙便會和水混成泥令其荷重大幅減低. 具體來說,你把沙和水放入杯中, 過一段時間後, 水便會停留在沙層的低部, 在大力搖晃下沙和水混成泥, 而沙層的表面的張力便大大減低. 如上圖中的建築物, 由於建築物沒有打樁的關系, 只用擴展基礎(Footing). 擴展基礎是低層建築常用的結構, 香港大部份村屋都是用這基礎結構.所以當地殼液化時, 儘管建築物的結構沒有破壞的情況下,整個建築物便如骨牌一樣倒下來,不過在屋內的居民都有機會在建築物後逃出來.

待續.

為殺人而興建的建築物—Auschwitz-Birkenau集中營

毒氣倉

我近日發現原來我很久沒有講過歷史建築，今日就不如為大家介紹一座為殺人而興建的建築物Auschwitz集中營。Auschwitz集中營是位於波蘭的，是納粹德軍在二次大戰時最大的集中營，亦相信是歷史殺人最多的建築物，亦相信是人類史上最大型的刑場。

Auschwitz集中營原為波蘭一個空置了的軍營，當波蘭戰敗後，德軍於1940把這裡開發成集中營，興建的工人多數是來自德國的囚犯和波蘭的政治犯。Auschwitz集中營共分為三期，佔地大約40平方公里（即半個沙田 / 半個北京內環的面積 ）。

Auschwitz集中營是德國為解決猶太人問題的最終方案（Final Solution of the Jewish Question），因為在希特拉領導下的政府當時是奉行純種日耳曼民族政策，都歧視一切非日耳曼民族，特別是所有的猶太人。在德軍統領下的猶太人被人看成賤民、需要在手上結上絲帶，亦禁止德國人與猶太人性交並剝奪了猶太人的德國國民身分及公民權利，禁止他們出任多數的專業職位。

之後，大部份的猶太人都被送到6個不同的集中營，分別是Belzec、Chelmno、Jasenovac、Maidnek、Sobibor、Auschwitz。而Auschwitz是最大的一個集中營，當這些「囚犯」被送至集中營時，首先會將男女分開、然後老幼分開。年青力壯的男丁便會被安排至作苦工，協助德國生產戰爭需要的東西，而老人和小孩便分批被安排處決。

起初的處決方式都是用槍和一氧化炭，但是之後為節省資源和提高效率，在Auschwitz 集中營第一期的第11倉(Block 11)便開始使用毒氣Zyklon B (氰化氫)，當Zyklon B (氰化氫) 接觸到空氣時會釋放出含生埃的氣體(HCN) ，令人在20分鐘之內死亡。這方法不單可以減少德軍在子彈上的耗用，而且可以誘騙猶太人其實是洗浴，因為當他們被處決前都會被迫脫光衣服，所以以為是洗浴。

處決後，他們的衣服就被循環地再用作戰爭用的衣服和相關物料，金屬皮帶就自然被溶爐再燒來制造戰機、戰船和子彈等東西，之後德軍連死囚的金牙都同樣不放過，需要拔出來循環再用。

至於婦女，大家可能以為她們的下場如中國婦女一樣需要成為慰安婦，但是大部份的婦女的下場是比這個更慘，可能因為禁止德國人與猶太人性交的關係，婦女同樣需要被處決，但是她們的頭髮需要剪下來織成衣布。

 

JOSEF MENGELE

 

Carl Clauberg

除了殺人的第11倉之外，另一個舉世聞名的倉便是第10倉，因為這是進行優生學和人體試驗等研究，這處進了很多關於雙胞胎、侏儒等遺傳學等研究，但同時亦進行了大劑量X-光實驗和毒氣等試驗，當中最有名的醫生是JOSEF MENGELE和Carl Clauberg。

之後，Auschwitz 集中營不斷發展了第二期和第三期，當中第二期為最大規模的，亦是大眾最深刻的一道門— Auschwitz的正門。因為這處是由3條火車路軌匯合成一條路軌而成的，當他們進入了這門之後，就除了火車司機和德軍之外，便不可能再次出來，完全是死亡之路 (Road to death) 。

講到底，為何德軍可以如此冷血地做出這樣的事情呢? 負責執行集中營的是納粹的Schutzstaffel部隊 (簡稱SS部隊) ，是納粹黨近親精銳部隊，所有的成員都是純種的日耳曼民族的，但在戰爭後期SS部隊已由很多烏合之眾組成。當中最臭名遠播是負責管理集中營的SS-Totenkopfverbände(骷髅總隊) 和Gestapo(秘密國家警察) ，當中不少成員是來自殺人無數的重犯，所以他們可以每天強迫不同的囚犯來處決其他死囚。

在這麼多年來，有700人嘗試逃出成功Auschwitz 集中營，當中300人成功，之後SS部隊便在每個營隨機抽出10人來把他們活活餓死，務求殺一警百。

在1944年尾，集中營的總建築師Heinrich Himmler下令在蘇聯紅軍進城前銷毀所有集中營，特別是所有的毒氣倉和殺人的罪證，並下令處決餘下的囚犯。在1945年1月，Auschwitz 集中營中還有近67,500多名囚犯，SS部隊便把60,000趕至德國境內Bergen-Belsen集中營，在步行過程中大量囚犯因此死亡，只有20,000囚犯可以到達目的地，這便是歷史上有名的「Death March」(死亡步行) ，最後在1945年被英軍獲救。餘下留在Auschwitz 集中營的7,500名老弱囚犯，之後被蘇聯死軍322部隊釋放。

由於很多資料不齊，估計在Auschwitz 集中營被處決的最少960,000猶太人、74,000名波蘭人、21,000名羅馬利亞人、15,000名蘇維埃人、15,000名法國、意大利、匈牙利人等，不過，總處決的人數應該是250萬至400萬人。

希望這種集中營永遠不再重開。

後記：在二戰時，德國最出名的時裝設計師是Hugo Boss，他曾為德軍的SS特種部隊、希特拉青年軍和不同的秘密警察部隊設計軍服，所以現在的Hugo Boss的廣告中還不時有希特拉或納粹軍的圖案。

關於集中營的資料:

重燃希望的舞台 - 淡路夢舞台

1995年、安藤忠雄、淡路夢舞台、Pritzker Architecture Prize 、神戶地震. 這一大堆的名字好像沒有關系, 但其實是非常有關系. 1995年安藤忠雄奪得建築界的最高榮譽 -Pritzker Architecture Prize , 同年神戶大地震造成重大傷亡,

於是他把從Pritzker Architecture Prize拿得的10萬美元的獎金捐給地震後的孤兒. 另外,他亦參與了在神戶地震的震央 - 淡路島(Awaji Island) 設計了「淡路夢舞台」.

淡路夢舞台是一個綜合性的發展項目, 當中包括兵庫縣立淡路夢舞台國際會議場渡假村＆會議中心、餐廳、商店、瞭望台、橢圓廣場、野外劇場、圓形廣場、溫室、百段苑等多種設施.

淡路夢舞台的總發展面積是21公頃, 是安藤忠雄最大規模的建築. 安藤忠雄的信念是「經過地震的災難後，倘若人民不能覺得住在這裡很好的話，這裡就會變成一個廢墟。」

 

所以他的設計理念希望人可以盡量感受大阪灣景觀, 整個項目依山而建盡量發展室外的空間,只在個別空間營造比較寧靜的室內環境.

 

由於安藤忠雄不是出身正統的建築系, 所以對總體規劃來說可以說是最弱的一環, 在複雜的建築很難單以觀感來組織不同層次的空間. 由於淡路夢舞台有多種的功能, 用家亦有各種不同的需要和期望, 很難帶出單一的觀感.

 

安藤忠雄的成名絕技是”清”和”靜”, 但在人流多、流量高的大形建築很難做出寧靜的空間. 在多種不同的需要的建築群中要做出”簡約” 更是難上如難, 以往介紹過的水の教会和茨木春日丘教会都是單人功能, 今次安藤忠雄要面對多層功能要求的空間, 要從複雜中做出平凡是非常困難.

 

另外,安藤忠雄喜歡用基本幾何圖形縱橫交錯來組合空間, 在小規模建築是沒有問題但在這麼大型的建築群, 看起來比較淩亂, 缺乏了一個核心. 以往安藤忠雄被人最大的評擊是建築物與建築物之間的空間處理, 今次由於規模更大而且建築物數量較多, 所以建築物與建築物之間的多餘空間亦自然多, 問題空間亦相對較多.

 

淡路夢舞台受到很多人的批評是規劃上欠缺清楚的序列, 個別空間還有感覺, 但總體而言看不出”清”和”靜” 的精髓. 所以, 如果要做簡約的建築處理便一定要做到極點, 否則便很容易做成四不像, 吃力不討好.

與牆融合的建築—Darmstadtium (2)

今日繼續上一會關於Darmstadtium的設計，這大廈的設計理念是很簡單，大廈的通道成一個S型，包圍了一個大的劇院和一個小的劇院，一進主入口便自然是入口大堂，大堂旁便是不同的會議和展覽廳。

這大廈最大的特點便是大堂的玻璃成一個V型的空間從屋頂直插至地庫，這個天窗不單為室內空間帶來陽光，並且是用於收集雨水，這些雨水便用作洗手間沖水之用。據我所知原有的設計是希望利用雨水來用作空調系統的冷卻系統之用，但是德國的降雨量不甚多，所以最後都只把雨水用作沖水之用。

另一個特點是劇院，由於這劇院並沒有特定的用途，所以坐位、舞台和音效情況都必須靈活地調節。首先，舞台是可以升降的，如果用作大學研討時，舞台便降至平地，讓講者與觀眾沒有太大的距離。如果是用作藝術表演時，舞台便升高來制造多層的出場空間。

低座座位

中座座位未升起前的地板

至於坐位，整個劇院的坐位分為高、中、低坐，現在照片中的坐位只是低座的空間，當進行較大型一點的活動時，便拉開中間的間格牆，並升起中座的地板再放上臨時的坐位。當進行最大型的活動時，便再拉開中、高座之間的間格牆，讓中座的坐位連接至高座。

亦為了不同情況的需要，劇院天花的高度亦可以調節，用以調整室內的Reverberation time.

如果大家記起，我上一會曾經提及過這大廈的建築師的手法其實相當外行，原因是他在柱的分佈之上實在很明顯沒有仔細考慮。

一個有經驗的建築師便會知道柱網是設計一座大廈的關鍵部份，因為柱是連接大廈所有層數的部件，所以柱的位置便必須要盡量配合各層空間上的需要，而最經常發生的問題是柱在首層的位置與地庫停車場的位置未能配合，分分鐘鐘便需要柱位轉移(column transfer) 。

柱位轉移的意思是當上層的柱位與下層的柱位不能配合時，上層的柱便會坐在下層柱與柱之間的樑之上，所以這部份的樑便需要加粗，成本當然增加，而大廈結構穩定性自然減少，所以柱位轉移(column transfer) 當然愈少愈好，而且一條柱通常只會轉為一次。

如果不做柱位轉移(column transfer) 的話，便唯有犧牲了其中一層的空間，令這層的實用空間降低了。在一般心中，相信首層以上的空間是比較重要，因為比較多人會使用，但是大部份的大人物、VIP都是乘坐駕到場的，因此停車場的設計一點也不可以馬虎，而且這是整個建築物給予大人物的第一觀感的地方，建築師的前途很可能取決於這一刻。

至於Darmstadtium，由於它的平面通道空間成一個S型，而大和小劇院的外型都三尖八角，所以柱位是相當混亂，地庫停車位自然是因為柱的位置而亂七八，最奇怪的是建築師不只是使用了典型的直柱，還使用了V型柱，這不單令成本增加，亦令室內空間變得更不實用，柱子數目亦增加不少，因而柱網變得更混亂。

由於柱網混亂，在高層的會議廳之中是包含了不少柱子，令室內空間的觀感和視線都大受影響，而行人通道上亦因為有不少柱子的關係而不時需要急轉彎，因此很明顯地這建築師的手法是相當外行。

有經驗的建築師是會先定出柱網(Structural grid) ，通常是把柱與柱之間的距離定為8.4m – 9m ，在香港機場就特別地定為27m。在9m之內的柱網，不會需要特別粗的樑，這令天花有更多的空間讓水管和空調管道通過，而在9m之內可讓3部私家車停泊，而兩行的停車位之間亦有足夠的空間讓車倒頭。

這樣便基本地把柱的位置定好，如果首層通道空間成S型的話，柱的位置便再調整一點，但是萬變不離基本格局，室內空間都同樣是根據這柱網來設計。

雖然Darmstadtium的柱位很混亂，但是當陽光照映下得出來的倒影亦因V型柱的關係而變得相當特別。

下會將是介紹一座為殺人而建的建築物。

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