作者

秦中天

摘要

在全球化與自由化浪潮襲捲的21世紀，隨著各國貿易障礙籓籬撤除，國際經貿互動往來日漸頻繁，工程設計及規範之國際融合儼然蔚為風尚。為順應此一趨勢，各種新設計理念如雨後春筍般地成長。這些新的設計理念，不但影響未來新規範之制定，衝擊未來工程設計實務；更重要的是這些新觀念從根本上探求大地工程各項不確定因素的來源，期以更系統化、數量化的方式來處理這些問題。這將對大地工程思考問題、解決問題的方式，造成根本上的轉變。
這些新設計理念中，以結構物性能為設計宗旨的性能設計(Performance Based Design, PBD)概念可謂異軍突起，為當代大地工程設計挹注一股新的動能。PBD係指在結構物設計階段，考量結構物遭受各種外力作用時，其反應行為仍能維持預期之性能或功能的概念。此概念之推廣不但有助於縮小橫亙各國設計規範間的鴻溝，俾利工程規範之區域整合及全球標準化；更為設計者與業主建立共同語言，賦予設計者更多的自由度與彈性空間，同時提昇整個設計流程的透明度，開啟設計方法之歷史新頁。
PBD概念最早可溯及70年代北歐建築法規，90年代初期於美國蓬勃發展。1995年世界貿易組織/技術性貿易障礙(WTO/TBT)施行後，PBD與現有設計方法之關係益顯清晰：性能設計扮演的是一個設定結構物性能要求的角色，需要由如ISO等國際標準所規範之可靠度設計(Reliability Based Design, RBD)、限度狀態設計(Limit State Design, LSD)、載重與阻抗係數設計(Load and Resistance Factor Design, LRFD)或其他設計方法佐以驗證；易言之，PBD概念的提出並不是用來取代現有的設計方法，而是為設計方法及規範提供遵循方向，使之融合為一整全設計規範。
中華民國大地工程學會有感此一世界潮流趨勢，特於去年大地工程研討會及今年大地工程年會，開闢論壇時間討論此一饒富實務及研究旨趣的議題。今年11月在台北舉辦的新世代大地工程設計規範國際研討會(International Symposium on New Generation Design Codes for Geotechnical Engineering Practice, 簡稱Taipei 2006)，則是延續2002年日本Kamakura及2003年美國Boston的國際研討會，使國內地工界能進一步瞭解此設計理念當今之發展。我們出這本專刊的目的，一方面希望在國際專家來台之前提供基本概念，另一方面則作為日後推廣時的參考資料。
這本專刊主要是採邀稿並以編撰一本書的方式來進行；各篇作者都是學有專精，在文章撰寫前後亦有充分的互動與討論。首篇文章由陳皆儒博士等人就地工性能設計作一論述，內容涵蓋性能設計概念、此概念與其他設計方法(如RBD、LSD及LRFD)之關係、以及利用性能設計為基礎所發展出來的性能設計規範-日本Geo-Code 21，俾使讀者對PBD有基本且正確的瞭解。
PBD、RBD與LSD三者可謂為整全設計規範不可或缺之要件；PBD理念為整全設計規範勾勒出性能要求規範的藍圖，RBD與LSD則為落實PBD理念最適當的驗證方法。在第二篇文章中，謝佑明教授等人以此觀點切入，深入剖析RBD與LSD之理念、基本意涵及其發展與現況介紹，冀能釐清過往未臻完全之觀念。
欲將PBD付諸實作於大地工程系統誠非易事，主要原因之一為大地工程問題中存在諸多不確定因子；如何量化這些不確定因子，以從事相關性能設計是個頗富挑戰性的重要議題。卿建業教授等人所介紹的大地工程系統性能可靠度分析方法，即為前述議題提供了實用的解決對策。該文評析五種分析方法之適用性及優缺點，並佐以大地工程範例驗證。
因著WTO/TBT協定之施行，大地工程規範之最新發展近年來備受矚目。透過引入符合世界潮流趨勢之新設計理念，融合傳統與先進的工程實務法則，不僅能促使規範內容與國際標準趨近一致，消弭貿易技術壁壘；同時配合先進技術之採用，亦可收降低營建成本之效。歐美國家在這個領域的發展相對較早，諸多經驗值得國內效法；潘以文教授等人與張德文教授等人分就歐盟Eurocode 7以及美國AASHTO公路橋樑標準規範進行深入討論，俾使讀者能瞭解其要點和應用性，並供未來國內纂修相關規範之參考。
他山之石，可以為錯。展望未來，國內大地工程產業應稟持國際宏觀視野，汲取先進國家科技發展經驗，發展本土化之性能設計規範。林宏達教授等人一文針對濱海地層中PC樁進行載重與阻抗係數分析，並比較國內外相關規範，其研究成果可資國內未來訂定基樁LRFD規範之參考；另陳正興教授等人一文基於性能設計導向觀點，結合學術理論與工程實務需要，研提交通結構物基礎之耐震與抗液化分析及設計程序，實為此領域創新前瞻之先驅研究。
此外，我們也對黃俊鴻教授提供路堤耐震分析與性能設計之研究特別表示感謝。欲將這些新觀念應用於國內的工程實務之中，是需要大家一起努力推動的。願以本專刊諸多寶貴見解，與所有地工人共勉之。

作者

林美聆

摘要

大地工程(Geotechnical Engineering)在土木工程領域中，是一個較為年輕的領域，從Terzaghi(1923)提出一系列相關於大地工程土壤力學行為理論後，開始逐漸成形，一般咸認為是大地工程的創始。國內之大地工程領域，則先後於幾位前輩之引領下，設立了國內的第一套三軸試驗設備，之後各大學土木系相繼設立研究所之大地工程領域等，而逐漸成形。而在80年代初，當「地工技術」刊行了創刊號後，可說是樹立了新的里程碑。大地工程一直以來，與其他工程領域有密不可分的關聯，與整個人類生活空間與自然環境，更是息息相關。
在地工傳統領域的分析理論及設計上，長久以來沿襲使用工作應力的觀念，而工程師也常以選取安全係數值做為工程性能與行為是否滿足的依歸。然而，是否有恰當的安全係數，就可以確保工程之性能與安全無虞呢？也有不少的實例反映出實際地工材料的行為，並無法與安全係數的大小產生直接關聯，因而亦無從評斷地工材料所發揮的效能等級。這樣的現象，其中大地工程的主要特色，即在自然環境條件下生成的地工材料，具備了非均質、非線性及具連續性的特質，則是主要的關鍵因素之一。考慮到地工材料這樣的特質，實難以用簡潔單一的性質參數及安全係數加以表示，因此，在80年代，即有學者提出應考量加入參數分布情形及引入可靠度分析方式，以反應出其不確定性之概念，然而此一構想並未形成風潮，許多大地界人士對於此一分析觀念則仍抱持疑慮。
近年來隨著時代演進，在歐洲、北美及日本等地區逐漸提出以性能導向做為評估地工行為之構想，並引入可靠度之概念。此一概念遂將前述之困難點逐漸引向更能反應日常實務中，對於工程構造物功能之要求，並納入對於參數不確定性之考量，同時也朝向各不同地區與工程領域間之設計理念能逐漸接軌而努力。
「地工技術」自創刊的里程碑開始，一直以來陪伴著國內眾多的大地人成長，在許多大地人專業領域的發展過程中，更從「地工技術」得到許多新觀念與新技術的啟發。「地工技術」在本期推出「性能設計方法」的專題，領先反應了這項趨勢，也將重要的設計理念引介給國內的大地界，更發揮了引領風潮的作用，對於國內在性能設計的認知與未來相關理念推動工作上，將產生重大的影響。在未來也期許「地工技術」能持續引領新的觀念與技術，使國內大地界能更為受益而向前邁進

英文篇名

NTRODUCTION OF GEOTECHNICAL PERFORMANCE BASED DESIGN

作者

陳皆儒、張榮峰、賴昀暉、姚大鈞

關鍵字

性能設計、性能矩陣、性能要求、Geo-Code 21

摘要

自1995年世界貿易組織/技術性貿易障礙(WTO/TBT)協定實施以來，WTO會員紛紛引入符合區域性整合乃至全球化標準之設計理念。在這一股改革聲浪中，以結構物性能為設計宗旨所發展出的性能設計(Performance Based Design, PBD)概念可謂大放異彩。本文旨在說明PBD架構及目標，以及此概念與其他設計法(包括LSD、RBD及LRFD等)之關係，並以鄰近日本的Geo-Code 21為例，詳述PBD規範之發展。文末筆者提出國內工程業界如何因應此一世界潮流趨勢之淺見，期能拋磚引玉，吸引更多大地工程領域之專業人士投入這個有趣且具挑戰性的課題。

英文摘要

Due to the implementation of WTO/TBT agreement in 1995, design code tends to be standardized among the WTO members and, further, harmonized with the international standards. It is found that Performance Based Design (PBD), which uses the performance of the structure as the design philosophy, has become the center of the whole standardization and harmonization and has emerged implicitly or explicitly in many countries’ design codes. This paper introduces the concept of PBD, including its origin, structure, relationships with existing design codes, and development around the world. The paper further introduces the development of PBD code in Japan by using a geotechnical design code, namely Geo-Code 21, as an example. The characteristics of Geo-Code 21 are presented, including its future works. Suggestions of our response to such a world trend of design code are provided at the end of the paper.

英文篇名

LIMIT STATE DESIGN AND RELIABILITY BASED DESIGN

作者

謝佑明、陳皆儒

關鍵字

設計理念、限度狀態設計、不確定性、可靠度設計

摘要

新世代設計規範之發展是近一、二十年來大地工程重要議題，而近期研究經整合後已可提出一個合理且全備之規範的架構。日本學者Honjo等人(2005)提出了整全設計規範(Comprehensive Design Code)的觀念以清楚扼要的闡明此架構。在這個架構下，合理之大地工程設計規範是以幾個新的設計理念為基礎來發展的；其中包含性能設計(Performance Based Design, PBD)、限度狀態設計(Limit State Design, LSD)與可靠度設計(Reliability Based Design, RBD)等觀念。整全設計規範包含兩大部分，其一為性能需求(performance requirements)之規定，而性能設計理念能有效地架構出此部份之規範，本專輯已另有專文加以介紹。第二部份是關乎大地工程師進行設計檢核(design verification)之規定，學者們認知到較合理之設計理念應為限度狀態設計與可靠度設計，此有別於地工界過去慣用的工作應力設計(Working Stress Design, WSD)方法。本文將針對大地工程限度狀態設計與可靠度設計之理念、基本內涵及其發展背景與現況進行介紹，期能提供國內地工界面對新世紀設計規範議題時能有正確之基本概念。

英文摘要

Development of new generation design code is one of the significant topics in geotechnical society. Recent studies have evolved to suggest an integrated framework for a rational and complete code structure. This is best known by the concept of “comprehensive design code” proposed by Honjo et al. (2005) in the work to unify various Japanese geotechnical design codes and standards. Under this framework, a rational and complete geotechnical design code is developed based on a few new design philosophies, which include performance based design (PBD), limit state design (LSD), and reliability based design (RBD). The comprehensive design code essentially consists of two main components. The first part is the specification of performance requirements, and PBD is the sound concept for devising codes at this level. Relevant discussions on PBD have been given by another paper in this issue. The other part of the comprehensive design code concerns about regulations of design verifications. Researchers have been suggesting that rational approaches for geotechnical design verification are LSD and RBD, rather than the traditional working stress design (WSD) approach. To facilitate local geotechnical engineer to better understand and grasp these two design concepts, background of development and fundamental principals of LSD and RBD are discussed in some details in this paper.

英文篇名

SYSTEM RELIABILITY METHODS IN GEOTECHNICAL ENGINEERING-A REVIEW

作者

卿建業、謝宜宏

關鍵字

可靠度分析、破壞機率、極限狀態、性能工程、隨機模擬

摘要

近年來由於世界貿易組織(WTO)明文規定各會員國在工程規範訂定時，應當使用性能設計法以減少對自由貿易干擾，因此性能工程逐漸受到各界重視，也成為未來工程設計的趨勢。性能設計法在國內結構工程界已行之有年，但在大地工程界仍處萌芽的階段。大地工程系統之行為相當複雜，主要原因之一為大地工程問題中有極多不確定性，包括模型不確定性、材料性質的不確定性、土石空間分布之不確定性等。如何在這些不確定性下做性能設計是個重要的議題，也就是地工系統可靠度分析。在這篇論文中，我們介紹目前發展較成熟的系統可靠度分析方法，包括一階二次矩法(first order second moment method)、一階可靠度分析(first order reliability method)、蒙地卡羅模擬(Monte Carlo simulation)、重要性取樣法(importance sampling)及子集合模擬法(subset simulation)。並藉由案例分析比較各分析方法之優劣及限制。

英文摘要

This paper reviews the state-of-the-art methodologies for performance reliability analysis. Due to its nature, geotechnical engineering systems are full of uncertainties in their performance, such as material properties, spatial variability, modeling uncertainties, measurement uncertainties, etc. The recent trend is to treat these uncertainties more rigorously, i.e. consider the probability of failure (or reliability) rather than just safety factor. Five well-developed reliability methods, including first order second moment method, first order reliability method, Monte Carlo simulation, importance sampling, and subset simulation, are reviewed, and their capacities of evaluating reliability for geotechnical systems are examined by using three examples.

英文篇名

AN INTRODUCTION TO EUROCODE 7

作者

潘以文、董家鈞

關鍵字

大地工程技術規範、極限狀態設計、作用力、阻抗、部份係數

摘要

歐洲自80年代開始推動構造物設計規則(規範)Eurocode，即將在2010年起要正式取代各國習用之技術規則。Eurocode系統共含十套子規範，其中Eurocode 7 為大地工程設計之技術規範。Eurocode 7並不排斥大地工程實務許多傳統不得不然的作法與需求。Eurocode之制訂旨在希望促成歐洲各國相關之技術規則趨於統一，以達到調和化(Harmonization)的目標。就傳統之土木構造物設計來說，因為Eurocode從頭到尾都是以極限狀態設計計(LSD)的觀念為基礎，因此上部結構與下部結構之設計能自然地達到統一與調和的設計原則。本文簡介Eurocode發展之大略過程，陳述Eurocode 7的內涵及設計精神，並以幾個範例示意說明其設計途徑。歐洲推動LSD或LRFD的構造物設計規則，其實也曾經歷許多挑戰，十分值得我們的借鏡與學習。

英文摘要

Since 80s, Europe commission (EC) started to promote a structural design code to harmonize the design practice for members in EC. After two decades of development, a structural Eurocode has recently been published and will soon replace the existing designing codes of the member countries in EC by 2010. Among the ten codes contained in Eurocode, Eurocode 7 is the design code relevant for geotechnical engineering. In principle, Eurocode 7 does not exclude the conventional geotechnical approaches commonly used in practice. The framework of the Eurocode is based on the concept of limit state design (LSD); following the same concept, harmonization in the design of superstructure and foundation design becomes natural. This article introduces the development, principles, as well as general designing concepts of Eurocode7. A few simple designing examples are also included to demonstrate the design approaches in Eurocode 7. The development of Eurocode 7 has encountered numerous challenges before it reaches the current status; the experience is precious for similar code development in other countries in the future.

英文篇名

RECENT DEVELOPMENTS OF AASHTO LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN (LRFD) FOR DEEP FOUNDATIONS

作者

張德文、鄭世豪、楊恆偉

關鍵字

樁基礎、載重和阻抗因子設計、AASHTO

摘要

載重和阻抗因子設計(Load and Resistance Factor Design, LRFD)已為許多先進國家結構設計規範所採行，該項設計法主要目的係將工程中許多不確定因素加以統計考量，使載重和結構阻抗評估之不確定性能夠適度考慮，進而提昇工程效益；近十年該項設計法已逐漸引入地工設計之相關課題和規範中，其中，樁基礎承載力之評估可為代表。本文旨在介紹AASHTO橋梁樁基礎LRFD近年之發展要點，俾使國人能了解其要點和應用性，以供未來修編規範和設計使用參考。

英文摘要

The load and resistance factor design (LRFD) has already been adopted as design specification in many developed countries. It takes into account the uncertainties in engineering design through rigorous statistic analysis, in which the performance is improved by more precise estimations of loads and structural resistance. For the past decade, this method has become more popular in relevant issues via design codes, representing by the pile foundation. This paper aims to discusses the recent developments of the AASHTO LRFD method for pile capacity, which is hoped to access and facilitate the possible applications of this method.

英文篇名

RESISTANCE AND LOAD FACTORS OF LRFD METHOD FOR PC PILES IN RECLAIMED SOILS

作者

林宏達、郭紘志

關鍵字

基樁、PC樁、承載力、安全係數、可靠度

摘要

LRFD設計法（載重阻抗係數設計法）是以可靠度分析為基礎之極限設計法，這個方法可以分別考慮基樁載重及土壤阻抗之變異性大小而給予不同的載重放大係數及阻抗折減係數，是基樁軸向承載力設計之新趨勢。本文簡述LRFD設計法之基本理念，並針對濱海地層中PC樁求取設計所需之載重係數及阻抗折減係數，然後再與國內外相關規範比較探討。

英文摘要

Load and resistant factor design method (the LRFD method) is an ultimate design method based on reliability analysis. This method, a new trend for axial pile capacity design, can assign pile load factors and soil resistance reduction factors separately according to different level of uncertainty. This paper describes the LRFD method, presents a rational approach for the determination of the resistance and load factors for PC piles embedded in reclaimed soil stratum, and then compares the results with some current design codes.

英文篇名

STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE DESIGN FOR FOUNDATIONS OF TRANSPORTATION SYSTEM

作者

陳正興、楊鶴雄、黃俊鴻、李維峰、王淳讙

關鍵字

交通結構物基礎、耐震性能、分析模式、樁基礎

摘要

內政部2004年頒佈之「建築物耐震設計規範」，以及研議中之鐵路、公路橋梁耐震設計規範，均將設計地震提高為三級地震，增加考慮2500年回歸周期的地震，這對土壤液化與基礎設計產生相當大之衝擊。為因應此種趨勢，本文摘錄交通部科技顧問室研究計畫「土壤液化對交通結構物之影響及液化潛能評估方法與災害分析模式之研究」中所研議交通結構物基礎針對各地震等級之基礎耐震性能要求，並說明適用之分析模式與程序，以供工程界參考應用。

英文摘要

In Taiwan, the new seismic design codes for buildings and bridges have incorporated a higher level of design earthquake, the earthquake with a return period of 2500 years. It will have great impact to the analysis of soil liquefaction and design of foundation structures. Therefore, a study is conducted to propose a rational design basis for foundation structures of transportation system. Besides, associated methods of analysis and design procedure are provided for engineering applications.

英文篇名

SEISMIC PERFORMANCE-BASED DESIGN OF EARTH EMBANKMENT

作者

黃俊鴻

關鍵字

地震性能設計、路堤、液化

摘要

地震性能設計法(Seismic Performance-Based Design，SPBD)是目前世界各國工程設計規範的主流，將是台灣工程設計規範未來要走的方向。路堤則是鐵、公路交通工程中不可或缺的土石構造物，一般對於橋樑與建築等構造物之耐震性能設計法有較多的探討，對於路堤構造物則較少論及。本文將詳細說明路堤性能設計法的觀念，耐震能力與受震變形分級，介紹各種受震穩定與變形分析方法，其中，特別提出以二維數值分析方法為工具之液化地盤路堤變形簡易分析法，並提供一些耐震設計細節，供工程界參考應用。

英文摘要

Seismic Performance-Based Design (SPBD) has become the main stream of the civil engineering design codes in earthquake countries since the end of the last century. It will be the future trend of the engineering codes in Taiwan. Although earth embankment is one of the common structures in railway and highway engineering, there have been more studies concerning SPBD for bridge and building structures than for embankment structure. This paper summarizes the concept of SPBD, the performance rank, and the analysis methods used in assessing the seismic stability and deformation of the earth embankment. In particular, a simple two-dimensional numerical method is proposed for analyzing the embankment deformation due to the liquefaction of foundation soils. Some design details for improving the seismic capacity of the earth embankment are also provided.

作者

廖惠生

摘要

作者

王泰典

摘要