109 年 國立成功大學建築學系碩士班己組《建築工程與管理》

建築的屋頂作為建築物最上層的覆蓋結構，其性能要求涵蓋多個面向，主要可歸納為以下幾點：

1. 結構安全性能 (Structural Safety): 屋頂結構必須能夠承受各種載重，包括自重、活載（如人員、設備）、風力、雪壓（若有）以及地震力等，確保結構本身的穩定性與安全性，避免倒塌或變形。
2. 防水與排水性能 (Waterproofing & Drainage): 屋頂最基本且關鍵的功能是防止雨水滲入室內。這包括有效的防水層設計與施工，以及完善的排水系統（如排水坡度、落水頭、排水管路），確保雨水能順暢排出，避免積水造成結構損壞、漏水及室內潮濕發霉。
3. 保溫與隔熱性能 (Thermal Insulation & Heat Resistance): 屋頂是建築物與外界熱交換最頻繁的部位。良好的保溫隔熱性能有助於維持室內舒適的溫度，減少冷暖氣的能源消耗。這需要透過屋頂構造中的保溫材料、隔熱層以及通風設計來達成。

建築外牆的表面裝修，旨在提供保護、美化外觀並具備特定功能（如隔熱、隔音）。常見的構造或工法有以下幾種：

1. 磚牆飾面 (Brick Facade):

   • 構造/工法說明: 在外牆結構體（如混凝土牆、鋼筋混凝土牆或輕隔間牆）外側，砌築一層或多層的磚塊（紅磚、粘土磚、清水磚、文化石磚等），並使用砂漿將磚塊連結。磚塊可直接作為飾面（清水磚），或在砌築後進行塗刷、貼磁磚等處理。
   • 細部說明:
     • 結構體與飾面層的連結: 需設置金屬錨栓（如不鏽鋼或鍍鋅鋼製的L型錨栓、U型錨栓）或磚牆拉結筋，將磚牆與結構體固定，以抵抗風力及地震力，並防止飾面層脫落。錨栓的間距與埋深需依據設計規範。
     • 防水處理: 在結構體與磚牆之間，或在磚牆內部設置防水透氣層（如防水紙、透氣膜），以阻止外部水分滲入結構體，同時允許內部濕氣排出。
     • 排水與通風: 較厚的磚牆構造（如外掛磚牆）會在磚牆與結構體之間預留空腔，此空腔的底部與頂部應設置排水孔及通風孔，以排出滲入的水分並促進空氣流通，避免濕氣滯留。
     • 砂漿: 使用的砂漿需具備良好的工作性、黏結性與耐久性，並注意砂漿的配比與養護。
   • 優點: 質感佳、耐久性好、防火性能優良、具有一定的隔熱與隔音效果。
   • 缺點: 施工較為耗時、自重較大、對結構體有額外載重。

2. 塗料飾面 (Paint Finish):

   • 構造/工法說明: 在外牆基層（如水泥砂漿粉刷層、混凝土表面、或預製板材）上，塗刷具有保護與裝飾功能的塗料。常見的塗料類型包括水泥漆、乳膠漆、彈性塗料、矽酸質塗料、仿石塗料等。
   • 細部說明:
     • 基層處理: 塗刷前需確保外牆表面平整、潔淨、乾燥、無油污、無龜裂、無粉化。若有瑕疵，需先進行補平、打磨、除塵。
     • 底漆 (Primer): 塗刷一層底漆，用於增強塗料與基層的附著力，填補細小孔隙，並提供基礎的防潮或抗鹼功能。
     • 面漆 (Topcoat): 塗刷兩層或以上的面漆，提供主要的色彩、裝飾效果及保護功能。面漆的選擇需考慮其耐候性、耐污性、彈性（如對抗微小龜裂）及環保性。

鋼構造常用的接合工法主要有三種，分別是：

1. 銲接 (Welding): 利用高溫熔化金屬，使鋼構件之間形成永久性的結合。
2. 鉚接 (Riveting): 利用鉚釘將鋼構件穿過預鑽孔連接起來，常見於早期鋼結構，現已較少使用。
3. 螺栓接合 (Bolting): 利用螺栓與螺帽將鋼構件穿過預鑽孔連接起來，是目前最常用的接合方式。

銲接的施作注意事項 (7分):

銲接是將鋼構件永久性結合的有效方式，但其施作需嚴格遵守規範，以確保接合強度與品質。主要注意事項包括：

1. 銲材與銲藥的選擇與保管:

   • 銲材 (Welding Rod/Electrode): 需根據被銲接鋼材的種類、厚度、強度等級及銲接方法，選擇符合規範的銲條或銲線。
   • 銲藥 (Flux): 銲條上的藥皮或外加銲藥，其成分影響銲道機械性質、穩定電弧、保護熔池等。需確保銲藥乾燥，避免吸濕影響性能。
   • 保管: 銲材、銲藥需在乾燥環境下妥善保管，必要時需進行烘烤（依規範溫度與時間）以去除水分。

2. 銲接前的準備工作:

   • 表面處理: 被銲接的鋼材表面必須清潔，清除油污、鐵鏽、油漆、水份、氧化皮等雜質，以確保銲道品質。可採用噴砂、砂輪打磨、鋼刷等方式。
   • 接合部位之預備: 依設計圖說要求，對接頭進行坡口處理（如V型、U型、X型等），以利銲藥完全填充，形成足夠強度的銲道。
   • 定位與固定: 將構件精確定位，並利用夾具、臨時撐條 (Tack Welding) 將構件固定，防止銲接過程中變形或移位。

3. 銲接過程控制:

   • 電弧穩定性: 保持電弧長度適當、移動速度均勻，以確保銲道寬度、熔深及連續性。

鋼構造柱梁系統房屋，以其結構單元（柱與梁）構成框架，在抵抗水平力（如風力、地震力）時，其剛度與耐震性能的提升，主要可透過以下幾種常見的結構設計與構件配置方式來達成：

1. 增加斜撐系統 (Bracing Systems):

   • 說明: 在建築物的平面或立面上，設置斜向的鋼桿件，與柱、梁形成三角形或多邊形結構，大幅提升結構的水平剛度與抗側能力。
   • 常見類型:
     • X型斜撐 (X-Bracing): 在同一框架內，兩根斜桿從相對的角點交叉連接，提供良好的抗彎與抗壓能力。
     • V型斜撐 (V-Bracing): 斜桿從柱頂（或梁頂）向下連接至柱子中間或底部。
     • 倒V型斜撐 (Inverted V-Bracing): 斜桿從柱頂向下連接至梁的中央，再由梁中央向下連接至柱子。
     • K型斜撐 (K-Bracing): 類似於X型，但斜桿在中間連接至梁。
   • 原理: 斜撐系統將水平力轉換為軸向拉力與壓力，並將其傳遞至柱與基礎，有效抵抗結構的水平變形。

2. 採用韌性梁柱接頭 (Moment Resisting Frames, MRF):

   • 說明: 設計與施工高強度的梁柱節點，使其在承受彎矩時，能產生較大的轉角而不至於破壞，進而抵抗水平力。這種框架的「韌性」是其關鍵。
   • 類型:
     • 強軸接頭 (Strong Column-Weak Beam): 設計柱的強度與剛度遠大於梁，使得地震時，塑性鉸（變形集中區域）優先出現在梁端，而柱子保持彈性，避免柱受壓破壞導致整體崩塌。
     • 全焊式接頭 (Fully Welded Connections): 採用全自動或半自動銲接技術，確保梁與柱之間的連接強度與韌性，對施工品質要求極高。

在鋼筋混凝土 (RC) 構造中，混凝土的施工品質與工作性是確保結構安全與耐久性的關鍵。為此，在施工過程中需要進行多項重要的性能測試。這些測試主要分為兩大類：工作性測試 (Workability Tests) 和 強度與耐久性測試 (Strength & Durability Tests)。

一、 工作性測試 (Workability Tests):
工作性是指新鮮混凝土在拌合、搬運、澆置、搗實過程中，是否易於操作、均勻性如何，以及最終是否能獲得密實的結構。

1. 坍度試驗 (Slump Test):

   • 目的: 測定新鮮混凝土的稠度或流動性，是判斷混凝土工作性最常用、最簡單的方法。
   • 方法: 將標準尺寸的圓錐形模具 (Slump Cone) 裝滿混凝土，振實後提起模具，測量混凝土面下降的高度（坍度值）。
   • 意義: 坍度值越大，表示混凝土越流動，工作性越好；反之則越乾硬。不同的工程、不同的澆置部位（如泵送、厚板、細筋密排），對坍度值有不同的要求。

2. 維勃稠度試驗 (Vebe Slump Test):

   • 目的: 適用於坍度值較小、較乾硬的混凝土，能更準確地反映混凝土的稠度。
   • 方法: 將混凝土置於圓筒形容器中，用振動台施加振動，測量混凝土開始流動所需的時間。
   • 意義: 所需時間越短，表示混凝土越易於搗實。

3. 坍流度試驗 (Slump Flow Test) / 擴散試驗 (Spread Test):

   • 目的: 適用於自充填混凝土 (Self-Compacting Concrete, SCC)，用於評估其流動性與擴散能力。
   • 方法: 將混凝土倒入一個帶有T型篩的杯中，提起T型篩後，測量混凝土擴散的直徑。
   • 意義: 擴散直徑越大，表示SCC的流動性越好。

4. 空氣含量試驗 (Air Content Test):

   • 目的: 測定混凝土中包含的空氣體積百分比。
   • 方法: 主要有壓力法 (Pressure Method) 和容積法 (Volumetric Method)。
   • 意義: 適量的閉鎖性空氣（約4-7%）能提高混凝土的抗凍融性能和工作性。但過多或連通的空氣會顯著降低混凝土的強度。

5. 氯離子含量試驗 (Chloride Ion Content Test):

   • 目的: 測定混凝土中氯離子含量，以評估其引發鋼筋鏽蝕的風險。

此題承接上一題關於混凝土的測試，接著探討鋼筋與其續接器在RC構造中的性能測試，以及鋼筋綁紮過程的品質控制。

一、 鋼筋及其續接器的重要性能測試 (4分):

1. 鋼筋 (Steel Reinforcement):

   • 化學成分分析 (Chemical Composition Analysis): 檢測鋼筋的碳含量、錳含量、矽含量、磷含量、硫含量等，確保其符合CNS、ASTM、JIS等相關國家標準的規定，尤其是碳含量會影響鋼筋的焊接性能。
   • 力學性能試驗 (Mechanical Property Tests):
     • 拉伸試驗 (Tensile Test): 測定鋼筋的降伏強度 (Yield Strength, $f_y$)、極限強度 (Ultimate Tensile Strength, $f_u$)、伸長率 (Elongation) 和面積收縮率 (Reduction of Area)。這些參數直接關係到鋼筋的承載能力、延展性及韌性。
     • 彎曲試驗 (Bend Test): 檢驗鋼筋在彎曲後是否會產生裂紋，評估其韌性與延展性，確保鋼筋能在施工中彎曲成所需形狀而不損壞。
   • 尺寸與外觀檢查 (Dimension & Appearance Check): 檢測鋼筋的直徑、長度、肋高、肋間距是否符合規範，以及表面是否有嚴重的鏽蝕、油污、彎折變形等瑕疵。

2. 鋼筋續接器 (Reinforcement Splices/Couplers):

   • 機械續接器 (Mechanical Couplers):
     • 拉伸試驗 (Tensile Test): 測試續接器連接的鋼筋試件，其強度應至少達到所連接鋼筋極限強度的1.25倍，且斷裂位置應在續接器之外的鋼筋母材上。
     • 重複載重試驗 (Cyclic Loading Test): 模擬地震等重複載重下的性能，評估續接器在反覆應力下的耐久性與延展性。
     • 耐久性試驗 (Durability Test): 檢測續接器在特定環境（如鹽霧、濕熱）下的耐蝕性。
   • 銲接續接 (Welded Splices):
     • 銲道品質檢查: 依銲接的相關規範進行外觀檢查、無損檢測 (UT, MT, RT) 等。
     • 力學性能試驗: 對銲接試件進行拉伸試驗，確保其強度與伸長率符合要求。
   • 搭接續接 (Lap Splices):
     • 搭接長度檢查: 確認現場施作的搭接長度符合設計要求，並有足夠的繫結。雖然搭接本身不進行獨立的性能測試，但其有效性依賴於鋼筋本身的性能和施工的準確性。

二、 鋼筋綁紮過程確保施工品質的作法 (6分):

鋼筋綁紮是RC施工中極為重要的一環，直接影響鋼筋的正確位置、保護層厚度、以及混凝土的澆置密實性。品質確保可從以下面向討論：

1. 鋼筋該有的細部 (Reinforcement Details):
   • 鋼筋規格與加工: 確保使用的鋼筋符合設計圖說的規格（鋼種、號數、表面處理），並按照圖說精確加工（彎折

本題要求說明一種常用地下連續壁 (Diaphragm Wall) 的施工程序。這裡以目前常見且廣泛應用的 MHL (Multi-Large Hole) 工法 為例進行說明。MHL工法是一種改良的地下連續壁工法，透過使用較大的鑽掘單元，可以提高施工效率並減少泥漿用量。

MHL (Multi-Large Hole) 工法施工程序：

1. 場地準備與規劃 (Site Preparation & Planning):

   • 測量放樣: 根據設計圖，精確標定連續壁的中心線、端點及導牆 (Guide Wall) 的位置。
   • 地形整平: 將施工場地整平，清除 Obstacles。
   • 導牆 (Guide Wall) 建造: 導牆是連續壁施工的重要輔助設施，其作用是引導鑽掘機具、穩定頂部土層、並提供鋼筋籠的臨時支撐。通常用鋼筋混凝土建造，其尺寸與位置必須精確。導牆通常沿連續壁的長度方向建造，中間留有間隔，供後續鑽掘單元使用。

2. 鑽掘單元 (Excavation Unit) 鑽掘:

   • 鑽掘機具: 使用專門的鑽掘機具，如旋挖鑽機 (Rotary Drilling Rig) 配合大口徑鑽頭（如直徑1.5m ~ 3m或更大），或採用抓斗 (Clamshell Grab) 進行開挖。MHL工法強調使用較大的單元，以減少單元數量，提高效率。
   • 鑽掘過程:
     • 將鑽頭置於導牆之間預定的單元位置。
     • 開始鑽掘，同時注入穩定泥漿 (Bentonite Slurry) 或聚合物泥漿 (Polymer Slurry)。泥漿的作用是：
       • 穩定孔壁: 泥漿的靜水壓力支撐開挖的土壁，防止崩塌。
       • 懸浮土渣: 泥漿能將鑽掘出的土渣懸浮起來，隨泥漿循環排出。
       • 防止地下水滲入: 泥漿的滲透壓力能阻止地下水直接進入開挖區域。
     • 鑽掘深度達設計標高後，停止鑽掘，待孔底清理乾淨。

3. 泥漿處理與循環 (Slurry Treatment & Circulation):

   • 泥漿製備: 按照特定比例（依土質、深度、泥漿種類）精確配製穩定泥漿。
   • 泥漿循環: 鑽掘過程中，泥漿會持續循環。開挖出的土渣隨泥漿從底部抽出，經過篩選、沉澱、除渣後，再循環使用。此過程需有專門的泥漿處理設備。

現代或新建的木構造建築，其構件設計與傳統木構造有所不同，更強調結構效率、標準化及工程應用。以下列舉三種常用的木質構件並深入說明：

1. 膠合角材 (Glued Laminated Timber, Glulam):

   • 說明: 膠合角材是由多層選過的木材（通常是規格材，如SPF、DF、CLT等）順著紋理方向，使用結構級膠合劑（如聚氨酯膠、酚醛膠）強力黏合而成的工程木材。它是目前最常見的一種大跨度、大尺寸的結構用木材。
   • 製造與特性:
     • 選材與分級: 根據木材的強度、彈性模量、彎曲強度等特性進行分級，並將強度較高的木材配置在受力較大的構件外側（拉力側），強度較低的配置在受力較小的區域。
     • 尺寸多樣: 可以根據工程需求，製作成各種截面尺寸（寬度、厚度）和長度，不受天然木材尺寸的限制。
     • 高強度與剛度: 相較於同尺寸的實木，膠合角材的強度和剛度更高，且均勻性更好，變形小。
     • 耐久性: 良好的膠合劑能提供優異的耐久性，抵抗濕度變化。
   • 應用:
     • 梁 (Beams): 用於支撐樓板、屋頂，可實現大跨度空間，如體育館、展覽館、教堂、公共建築的屋頂梁。
     • 柱 (Columns): 用於支撐上部結構，可製作成各種造型，如圓柱、方柱。
     • 拱 (Arches): 製作大跨度的拱形結構，具有優美的曲線造型。
     • 桁架 (Trusses): 作為桁架的弦材或腹材。
   • 優點: 設計自由度高、強度高、尺寸大、可實現大跨度、環保（可再生資源）。
   • 缺點: 成本較高、對生產工藝要求高、需注意防火處理。

2. 定向結構板 (Oriented Strand Board, OSB):

   • 說明: OSB是一種工程木材產品，由長條狀的木材纖維（Strands）經過定向排列，並使用防水性膠合劑（如異氰酸酯膠，MDI）熱壓而成。它是一種結構級的板材，廣泛應用於現代木構造建築。
   • 製造與特性:
     • 定向排列: 木纖維在板材的表面層通常沿長度方向排列，而芯層則隨機排列，這種定向排列使得OSB在兩個方向上都具有良好的結構強度和剛度。
     • 均勻性: 相較於合板 (Plywood)，OSB的生產過程更容易控制，木纖維的均勻分佈使其性能更穩定。
     • 強度與剛度: OSB具有良好的抗彎強度、抗剪強度和剛度，常用於結構承載面的應用。
     • 尺寸穩定性: 具有較好的尺寸穩定性，不易翹曲或變形。
     • 環保: OSB通常使用小徑木、農業廢棄木材等作為原料，是一種較為環保的建材。
   • 應用:

木質文化資產或木構造老房子，由於其歷史悠久、材料老化、環境因素以及過去施工技術的限制，常見的構造損壞種類繁多。以下列舉常見的損壞及其成因：

1. 結構變形 (Structural Deformation):

   • 損壞現象: 構件（梁、柱、牆、屋架）出現彎曲、扭曲、下陷、翹曲等現象。例如，梁的中央下垂、柱的傾斜、牆體的鼓脹或內縮。
   • 成因:
     • 材料老化與強度衰減: 木材隨著時間推移，會發生自然老化，強度逐漸降低，尤其是在長期承受載重的情況下。
     • 過載: 建築物的使用功能改變，或加蓋、堆放重物，超出原設計的載重能力。
     • 濕氣侵蝕與變形: 木材吸濕後體積膨脹，乾燥後收縮，反覆的濕脹乾縮會導致構件翹曲變形。長期的潮濕環境還會引起木材的變軟（如白腐菌侵蝕）。
     • 不當維修: 過去的維修方式不當，如使用不匹配的材料、不正確的連接方式，反而可能加劇變形。
     • 地震或風力影響: 歷史上的地震或強風可能導致結構永久變形。

2. 木材腐朽與蟲蛀 (Wood Decay & Insect Infestation):

   • 損壞現象: 木材出現質地變軟、酥鬆、空洞、粉末狀殘留物（蟲蛀）、顏色變深或變淺，嚴重時構件強度完全喪失，甚至斷裂。
   • 成因:
     • 腐朽 (Decay): 主要由各種腐朽菌（如白腐菌、褐腐菌）引起。這些真菌需要氧氣、適當的濕度（通常>20%）和溫度，以及食物來源（木材纖維素和半纖維素）才能生長。
       • 濕氣來源: 屋頂漏水、牆體滲水、地面潮氣、排水不良、通風不良等，是腐朽菌滋生的溫床。
     • 蟲蛀 (Insect Infestation): 主要由蛀蟲（如粉蠹蟲、天牛、白蟻）引起。這些昆蟲以木材為食，在其內部蛀蝕，形成隧道，破壞結構。
       • 環境因素: 潮濕、溫暖的環境有利於害蟲繁殖。
       • 木材種類: 某些木材種類對蟲蛀的抵抗力較弱。
       • 接觸傳播: 蟲卵或成蟲通過其他途徑進入建築物。

3. 結構連接鬆動與失效 (Loosening & Failure of Structural Connections):

對於古蹟、歷史建築或老屋進行改修前，詳盡的調查研究是至關重要的基礎工作，它能確保改修計畫的合理性、可行性，並最大程度地保護建築物的歷史價值與結構安全。調查研究的工作重點可以歸納為以下幾個方面：

1. 歷史與文獻調查 (Historical & Archival Research):

   • 目的: 了解建築物的歷史沿革、各時期增改建的紀錄、原有使用功能、與周遭環境的關係，以及其在歷史、文化、建築上的意義。
   • 內容:
     • 查閱相關歷史文獻、地籍資料、建築圖說（若有）、老照片、口述歷史訪談等。
     • 研究建築的建造年代、設計者、重要事件、文化價值認定（如指定古蹟、歷史建築的理由）。
     • 分析建築在不同時期可能經歷的改建、修繕紀錄，了解其演變過程。

2. 現況調查與測繪 (Existing Condition Survey & Mapping):

   • 目的: 記錄建築物當前的狀態，包括整體結構、材料、工法、裝修、設備狀況，並精確測繪其尺寸與空間佈局。
   • 內容:
     • 全面測繪: 進行精確的平面圖、立面圖、剖面圖測繪，記錄所有空間的尺寸、開口、高程等。
     • 構造與材料調查: 識別建築各部位使用的材料（木材、磚石、混凝土、鋼筋、塗料等），記錄其狀況、損壞程度、工法。
     • 裝修與裝飾調查: 記錄內外裝修、裝飾、藝術品等的現況、材質、工法、歷史層次。
     • 設備系統調查: 檢查現有的水、電、消防、空調、通風等設備系統的狀況、管線佈局、是否符合現行法規。
     • 損壞現況記錄: 詳實記錄所有發現的結構損壞、材料劣化、滲漏、變形等問題，並拍照存證。

3. 結構安全評估 (Structural Safety Assessment):

   • 目的: 評估建築物結構的現有強度、穩定性與抗震能力，判斷其是否能滿足現行安全標準，或需進行補強。
   • 內容:
     • 結構系統分析: 識別建築的結構體系（如磚造、木構造、鋼筋混凝土等），分析承重系統（柱、梁、牆、樓板、屋架）的受力傳遞路徑。
     • 材料性能測試: 對關鍵結構材料（如木材、磚石、混凝土、鋼筋）進行取樣測試，評估其強度、耐久性等。
     • 非破壞性檢測 (NDT): 採用超音波、回彈儀、氯離子含量測試等方法，評估材料的潛在缺陷與劣化程度。
     • 載重能力評估: 根據現有材料性能與結構形式，評估構件的承載能力。
     • 抗震能力評估: 根據建築物的材料、結構形式、年代，評估其抗震性能，必要時進行結構分析。