第二章 蒐集之資料、文獻分析
2.2 文獻分析
2.2.1 工程設計規範之演進與發展趨勢
工程設計之目標是設計一經濟安全且適合使用之工程結構物或設施，隨著 工程知識的累積與經驗之驗証，設計理念與方法隨著時代逐漸進步，目前使用 的方法大致可分為以下三大類：
1. 工作載重法
早期之工程設計基本上採用容許應力法，即先求取結構物或基礎的極 限強度，將其除以一合理的安全係數得到設計容許值，要求設計載重或應 力小於容許值，以確保工程設計之安全性，這就是「容許應力法」的基本 理念與架構。這種設計法之設計載重原則上應取工作載重作計算，所以亦 稱為「工作載重法」，設計原則可寫為
Q ≤ Qa (2-1)
其中，Q 為設計載重，而 Qa為容許載重，是以極限強度除以安全係數計 算，一般大都會落在彈性或近乎彈性反應範圍內，所以這種設計法可以說 是彈性設計法。目前大地工程或基礎工程之設計大多仍採用此種方法，現 行我國建築物基礎構造設計規範(2001)亦採用此種方法。
2. 極限強度法
在結構設計領域裡，隨著對鋼筋與混凝土材料行為之了解，更能掌握 其極限強度，因此鋼筋混凝土之設計早已由工作應力法(Working Stress Design, WSD)演進至極限強度法(Ultimate Stress Design, USD)，分析時以 混凝土極限強度f c與鋼筋降伏強度 fy 為參數，設計考慮已包含了材料之 非線性行為，已不再拘限於彈性設計了。在結構設計與分析方面亦是如此，
早已採用載重阻抗係數法(Load-Resistance Factored Design, LRFD)，簡單 可表為
ߛL ≤ ߶R (2-2)
其中，L 為設計載重，ߛ為載重因子，R 為結構物之阻抗強度，߶為阻抗折 減因子。此法之基本架構即為極限強度設計法，已考慮結構物進入塑性反
第 二 章 蒐 集 之 資 料 、 文 獻 分 析
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應的範圍。
3. 性能設計法
上述兩設計方法都是以力為基準的設計法(Force-Based Design)，設計 時主要檢核力與應力之需求須小於容許容量與強度，對於位移或變形程度 則未直接檢核。近年來，結構設計理念開始演變為重視結構物之性能，設 計時必須兼顧結構物之安全性與使用性，甚或遇極端載重情況產生損壞後 之修復性，對於不同等級之設計載重，應考慮不同之性能需求，因此朝性 能設計之方向發展，採用以位移為基準的設計法(Displacement-Based Design)。欲掌握結構物之性能，必須了解各設計情況下結構物之位移反 應與構件之變形狀態，設計時需驗證各等級載重作用下結構反應均符合性 能要求，可簡單用下式表示，
I(Fd) ≤ Ilim (2-3)
其中，I(Fd)為在設計作用力 Fd作用下之結構物反應值，而 Ilim為反應值之 容許限度值。所謂結構物反應值當然包括力(或應力)與位移(或變形)之反 應，所以檢核之項目更加全面化，以結構物與構件之反應行為為設計目標，
會是一更合理之設計方法。
目前世界各國正大力推動性能設計法，已成為世界潮流，其主要原因是基 於實務需求。近二、三十年來的幾次大地震諸如美國北嶺地震(1994)與日本阪 神大地震(1995)，造成結構物與設施嚴重之損壞，財產損失非常鉅大，造成社 會與經濟之衝擊。從震災的經驗中，工程界開始體認到結構物之設計不僅需講 究安全性，亦必須兼顧震後的使用與修復性，遂開始積極推動性能設計法。性 能設計的推動，主要以歐、美、日等先進國家較積極，其工程設計規範已逐步 性能設計化。
性能設計規範之發展始於歐洲，1975 年歐盟委員會提議擬定一套共同設 計規範，以消除歐盟各國間營建工業之貿易壁壘，歷經三十年之發展與修正，
於2006 年發表了歐洲構造物設計規範(Eurocode)，已有丹麥正式採納，亞洲的 新加坡、馬來西亞與印尼等國已相繼採用。此規範之架構為設計時應分別作極 限限界狀態(Ultimate Limit State)與使用限界狀態(Serviceability Limit State)之
建築物基礎構造設計規範之修正研擬
考慮，採用分項係數法(Partial Factor Design)進行設計(JRC, 2008)。
在美國方面，建築物耐震設計規範IBC 2006 係以 FEMA 450 (BSSC, 2003) 為藍本，採取「耐震性能設計」之分級管控措施，針對不同之耐震用途群組，
在不同等級地震作用下，建築物所應具有之性能水準如圖2-1 所示。
圖2-1 FEMA 450 規範之耐震性能目標
日本在阪神大地震以後，各種設計規範都朝性能設計的方向發展，咸認為 工程設計應兼顧使用性、安全性與修復性，其中道路橋與國鐵在2012 年的新 設計規範已採性能設計法(JSCE, 2003; JRA, 2012; RTRI, 2012)，圖 2-2 為日本 國鐵性能設計規範之架構，對一基礎之承載性能曲線，標示其使用性能、修復 性能與安全性能狀態之限界範圍，作為性能檢核之指標，圖示各種不同之設計 情況與載重，均有不同之設計檢核目標。
綜觀目前國際上結構物設計規範之發展，有兩大潮流趨勢：其一為多樣化，
賦予設計上更多的自由度，也因應1995 年世界貿易組織技術性貿易障礙協定 (WTO/TBT)，對所有工業產品只採用以性能為準之規格要求，而不限制其製 程或製造方法；另一則為區域性或國際性之標準化與融合，如歐洲共同設計規 範(Eurocode)，將區域或國際上之設計及驗證方法予以標準化或一致化。目前 國際潮流已朝向性能規範發展，在法規上對於結構物之性能要求予以界定，而 在設計方面則增加設計之自由度，由市場競爭機制提供合理經濟之解決方法，
以符合WTO/TBT 協定之精神。
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圖2-2 日本鐵道構造物性能設計規範之架構(RTRI, 2012)
2.2.2 國內「建築物基礎構造設計規範」之檢討
性能設計法已是世界工程設計規範發展之潮流，世界先進國家均在積極推 動中，其中機械設備之設計大都已性能化，以土木工程之設計而言，其中結構 設計之發展較快，而基礎工程之設計則顯然很慢，仍在起步當中。
現行大地或基礎工程設計大都仍停留在容許應力法（或工作載重法），而 上部結構之設計早就已採用極限強度法，兩設計方法在載重與驗証項目都不一 致，導致無法真正驗証整體結構（含基礎）之性能表現，是工程性能設計化的 一大障礙。
工作載重法的設計原則簡單易行，但其中有一潛在問題，設計採用相同之 安全係數是否具有相同之安全度呢？安全係數法只檢核載重需求須小於容許 強度，對於相同強度但不同勁度的兩結構物，顯然此種設計方法沒有考慮到兩 結構物勁度不同所產生之不同變形程度，在安全性與使用性的性能表現其實是 不一樣的。
國內尚無性能設計規範，尤其是大地工程規範，仍採用工作載重設計法，
以安全係數為主要之設計依據，要馬上採用性能設計法仍有很大之困難。考慮 到目前基礎工程之工程慣例與設計經驗，故建議目前修訂之方向仍維持採用工
建築物基礎構造設計規範之修正研擬
作載重設計法，惟仍應順應世界潮流，適度引入性能設計之觀念，對於不同之 設計情況(載重)，分析設計時應考量所設計結構物與基礎之性能需求，針對容 許載重與位移作適度之考量與規定，使其逐步走向性能設計之方向。