本章將闡述研究背景與動機、研究目的、研究方法及論文架構。簡單敘述過去研究 情形及本研究所要討論問題。
1-1 研究背景與動機
房屋結構傳統設計方法普遍是採用以極限強度設計法，近十年來有鑑於全球各地發 生的強大地震（如 1994 美國加州北嶺地震、1995 日本神戶地震及 1999 台灣九二一集集 地震等）均造成為數不少的人員傷亡與結構物崩塌與嚴重損壞，經濟損失更是異常的大，
迫使工程界與學術界重新對現行傳統設計規範進行檢討，認為過去的耐震設計只以生命 安全為目標是遠遠不夠的，耐震設計不僅應考慮人身安全，並且要考慮因建築破壞所造 成的巨大經濟損失的控制準則。因此基於性能需求的耐震設計(Performance-Based Seismic Design)就是在這種背景下產生，此法是一種全新工程設計概念，包含工程結構 物之設計、施工和維護以及設備監測過程要滿足其預估的性能目標。1992 年美國聯邦危 機災害管理局（Federal Emergency Management Agency, FEMA）贊助由應用技術委員會
（Applied Technology Council, ATC）與其他機構研究引進耐震性能設計理念。
傳統耐震設計要把結構物設計成能抵抗強震時仍不發生破壞是可以完全做得到的，
況且這樣極不經濟又不必要。因此傳統耐震設計主要設計概念是以考慮結構物在強震下 不至於倒塌保障生命安全為主要目的，即為設計「小震不壞、中震可修、大震不倒」的 房屋結構。但是這樣的設計在地震作用下並沒有辦法去預估結構物的損壞情況，雖整體 結構並未崩塌，但非結構構件、設備毀損或無法運作等等，所造成之經濟損失更是異常 的大。
性能設計法是以控制結構破壞程度為目的耐震設計方法，其概念就是使所設計的 工程結構在其使用期間應該滿足各種預期的性能目標要求，而具體的性能要求可根據建 築物或結構物的重要性來確定。對於結構工程師來說，性能設計法並非完全排斥以力量
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為主的極限強度設計法或工作應力法，而是希望在考量結構承受荷載時各階段的受力與 變形行為，在選擇適宜的設計方法與分析工具下，除了考量傳統的強度外，還可選擇其 他表達性能的參數（如：力、位移、速度、加速度、能量或損傷等）作為設計之依據，
以使結構物在不同規模地震力作用下能夠滿足業主、使用者與社會的各種＂使用＂、＂
運作＂、＂安全＂、＂經濟＂或＂歷史文化＂等性能目標要求【1】。所以在 2004 年在 第十三屆世界地震工程會議提出耐震性能設計為未來建築物規範遵循方向，其中＂位移＂
是表達建築物耐震性能的重要指標之一。
Kusakabe 於 2002 年指出結構設計理念的演化過程是由剛開始符合單目標的容許應 力法進化到具多目標功能的極限設計法，再演化到現今強調的性能設計法【2】。
圖 1-1 結構設計理念的演化過程【2】
而在滿足了單目標的性能設計後，開始有人提出在符合性能目標下進行考慮最小成 本的性能設計目標。日本建設省於 1995～1998 年間進行的「建築結構之新工程架構發 展」研究報告指出，可由經濟方面考量，設定性能目標為成本最少之方法，此法一般稱 為最小成本原則，此報告提出當性能水準關係於人命安全時並不能只於經濟上考量，但 若要求的性能水準已經確保生命安全的性能要求時，則可以考慮以最小成本原則來決定 建築物的性能目標水準，其中最小成本為施工成本加上服務期間的維護成本【3】。
Min Liu 等人於 2003 年提出基於性能耐震下多目標最佳化在設計於抗彎鋼構架之研
究，並以側推分析在考量滿足性能設計與最小成本（施工成本與維護成本）兩者為設定 目標進行鋼結構房屋結構的多目標最佳化設計【4】。
基於上述文獻的觀念下，本研究室呂怡廷學長在 2008 年也進行了相關的研究【5】， 使用基因演算法（Genetic Algorithm, GA）進行鋼筋混凝土房屋結構之多目標最佳化設 計：首先進行房屋結構斷面尺寸規畫配置，再利用SAP2000 進行該側推分析並得其容 量震譜；之後將此容量震譜存入案例，作為類神經網路訓練的訓練案例，其研究之類神 經網路模式為一離線系統；接下來進行房屋結構基因演算法多目標分析得最佳化設計解，
其中設定的兩個目標分別為：建造成本與維護成本。建造成本可由最初斷面配置後進行 材料與斷面尺寸的計算而得。使用後的維護成本很難定義計算得知，所以假設當地震來 臨時，房屋的結構位移量越大，震後房屋結構受損與物品損壞的程度會越大，其維護成 本也越大。因此假設地震下的最大位移代表房屋結構使用後的維護成本，而地震下的最 大位移則可由離線系統架構的類神經網路求取容量震譜，並與需求震譜相交產生的性能 點得到。
圖 1-2 呂怡廷(2008)流程圖
而在 2008 年呂怡廷【5】之研究中留下了一些值得再探討的議題，首先，當初為了
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譜建立案例庫。再將此案例庫訓練相關之類神經網路架構，建立類神經網路模擬房屋結
6 震設計方法（Performance-Based Seismic Design）就是在這種背景下產生，此法是一種 全新工程概念，包含工程結構物之設計、施工和維護以及設備監測過程要滿足其預估的 性能目標。
耐震性能設計（Performance Based Design，PBD）方法要求能夠預估結構承受不同 強度地震作用時，這些結構在地震作用下的需求值（Demand），以及結構自身的能力 值（Capacity）。尤其當結構進入非彈性階段時，若以承載力作為單獨的指標難以全面 描述結構的非彈性性能及破損狀態，因此目前基於性能耐震設計方法的研究主要用位移 指標對結構的耐震性能進行控制，稱為基於位移的耐震設計方法（Displacement Based Design，DBD）。功能法著眼於設計程序和最後使用目標，建立出一套設計標準，以期 能確保結構物之耐震能力，使結構物具有可預期之耐震性能和安全性與經濟性；主要觀 點為將不同安全度要求之各類建築物設定不同之性能目標，並針對各種地震設計水準下 結構物之表現進行評估，以確認是否符合結構物之欲其性能水準。
所以，現在在美國、歐洲和日本等國，結構工程界都正在將基於性能或位移的設計 概念引進新一代的設計規範中，例如 1995 年美國加州結構工程協會SEAOC（Structural Engineering Association of California）的 Vision2000【6】、1996 年美國應用技術評議會
（Applied Technology Council）ATC-40【7】和 1997 年美國聯邦危機災害管理局（Federal