112 年 國立成功大學建築學系碩士班戊組《建築工程與管理》

本題主要考驗學生對於鋼骨鋼筋混凝土 (SRC) 構造中梁柱接頭節點的兩種主要接合方式的理解，包含其形式、特性、以及優缺點。

解題重點在於釐清「現場銲接」與「托梁螺栓」的差異，並將其與俗稱的美系及日系工法連結。

1. 現場銲接 (Field Welding)：

   • 型態：通常是指在施工現場直接將鋼梁與鋼柱進行銲接。在 SRC 結構中，梁的翼緣和腹板會與柱的鋼結構部分進行銲接，必要時也可能涉及與預埋鋼板的銲接。
   • 特質：
     • 接合強度高，可傳遞較大的彎矩和剪力。
     • 施工靈活性較高，可適應現場狀況調整。
     • 對銲工技術要求高，品管不易。
     • 現場銲接品質受環境影響較大（如風、雨、溫度）。
   • 優劣勢：
     • 優勢：接合剛度大，抗震性能好，設計彈性較大，可實現較連續的結構行為。
     • 劣勢：現場銲接品質控制難度高，容易產生缺陷（如氣孔、裂縫），影響結構安全；施工速度相對較慢，且需專業銲工；對現場環境要求較高。

2. 托梁螺栓 (Bolted Connections)：

   • 型態：通常是指利用高強度螺栓將鋼梁與鋼柱或柱的預埋鋼板連接。在 SRC 結構中，梁的翼緣和腹板會透過預埋的鋼板，再以螺栓與柱的鋼結構或預埋構件連接。
   • 特質：
     • 施工相對簡易，對技術要求較銲接低。
     • 品質較易控制，現場檢驗相對容易。
     • 接合強度穩定，但可能較銲接略低，或需要較大的連接單元。
     • 施工速度快。
   • 優劣勢：

本題主要考驗學生對鋼構造建築中兩種主要連接工法（銲接與螺栓）的品質管理與施工現場注意事項的掌握。

(a) 銲接工法的品質管理、施工現場的注意事項

• 核心觀念：銲接是將兩種金屬材料透過加熱熔化或填充金屬結合，其品質直接影響結構的強度與安全性，因此品質管理與現場注意事項至關重要。

• 品質管理 (Quality Control)：

  1. 銲工資格認證：確保所有進行銲接作業的銲工都具備合格的證照與技能，並定期複訓。
  2. 銲材管理：
     • 銲條/銲線：需儲存於乾燥環境，避免吸濕影響銲道品質。使用前需按照規範進行烘乾處理。
     • 母材：銲接前需清潔，清除油污、鐵鏽、油漆等雜質，以確保銲道完整性。
  3. 銲接程序規範 (WPS - Welding Procedure Specification)：針對不同接頭形式、鋼材等級、板厚，制定詳細的銲接程序，包括電流量、電壓、移動速度、層間溫度等，並進行銲接程序評定 (WQR - Welding Procedure Qualification Record)。
  4. 銲道檢查：
     • 外觀檢查：檢查銲道表面是否有裂紋、咬肉、燒穿、焊瘤、氣孔、焊筋不均勻等缺陷。
     • 無損檢測 (NDT - Non-Destructive Testing)：
       • 放射線檢測 (RT - Radiography Testing)：檢查內部缺陷，如氣孔、夾渣。
       • 超音波檢測 (UT - Ultrasonic Testing)：檢查內部缺陷，如裂紋、未熔合。
       • 磁粉檢測 (MT - Magnetic Particle Testing)：檢查表面及近表面缺陷，適用於鐵磁性材料。
       • 液滲檢測 (PT - Penetrant Testing)：檢查表面缺陷，如細微裂紋。
     • 破壞性試驗：依規範抽取試片進行拉力、彎曲、衝擊等試驗，確認銲道機械性質。
  5. 層間溫度控制：在多層銲接時，需控制銲道冷卻至規定溫度以上再進行下一層銲接，避免冷裂紋。

• 施工現場注意事項 (Site Precautions)：

  1. 安全措施：
     • 消防安全：銲接火花可能引發火災，需備妥滅火設備，並清除周圍易燃物。
     • 通風：銲接會產生煙塵與有害氣體，需確保良好通風，必要時使用強制通風設備。
     • 電氣安全：銲接機具需定期檢查，電纜線路應妥善絕緣，避免觸電。
     • 個人防護：銲工需穿戴防護服、手套、面罩、安全鞋等。
  2. 環境保護：
     • 防風雨：避免在強風、雨、雪等惡劣天氣下進行銲接作業。
     • 防污染：銲接過程中產生的煙塵應妥善處理，避免對環境造成影響。
  3. 施工協調：
     • 與其他工種協調：特別是與預埋件、混凝土澆置等工種的時程與位置配合。
     • 定位與支撐：鋼構件在銲接前需精確定位，並給予足夠的臨時支撐，確保銲接過程中的穩定性。
  4. 現場紀錄：詳細記錄銲接人員、銲接日期、銲接區域、使用的銲材、檢測結果等，作為品質追溯依據。

(b) 螺栓接合的品質管理、施工現場的注意事項

本題考驗學生對鋼構造建築現場吊裝施工流程與注意事項的理解。鋼構造建築的組裝通常在地面預製構件，然後透過吊裝的方式在高處進行組合，此過程需要精密的規劃與嚴格的安全控管。

• 核心觀念：鋼構造建築的現場吊裝，是以吊車為主要機具，將預製的鋼構件（柱、梁、桁架等）精確地提升至設計位置，並進行臨時固定與最終連接。

• 施工流程 (Construction Sequence)：

  1. 施工前準備 (Pre-construction Preparation)：
     • 詳細施工計畫：包含吊裝順序、吊裝區域、吊車型號與配置、吊點選擇、鋼索與吊具選用、配重、交通管制、安全計畫等。
     • 場地勘查與整平：確保吊車作業區域平坦、堅實，能承受吊車重量與作業負荷。
     • 構件預製與堆置：於地面完成鋼構件的預製、組裝（如焊接、螺栓連接），並依吊裝順序進行堆置，方便吊取。
     • 吊裝設備進場與檢查：吊車、鋼索、吊鉤、吊耳、平衡架等吊裝設備進場，並進行詳細檢查與測試。
  2. 構件吊裝 (Component Lifting)：
     • 鋼索連結：將鋼索或吊帶牢固地連接至構件上的預設吊點（吊耳或預留孔）。
     • 起鉤與試吊：緩慢起鉤，將構件稍微離地，檢查吊點是否穩固、構件是否平衡，並觀察吊車儀表。
     • 構件提升：緩慢、穩定地將構件吊升至預定高度。
     • 構件就位與校準：將構件精確地移動至設計位置，並利用牽引繩（俗稱「放線」或「溜尾」）進行細部校準。
     • 臨時固定：構件就位後，立即利用臨時連接（如臨時螺栓、臨時銲接、斜撐）將其固定，確保其穩定性，防止傾倒。
  3. 構件連接 (Component Connection)：
     • 螺栓連接：待構件臨時固定後，依序安裝正式的螺栓，並施加預施拉力。
     • 銲接連接：若採用銲接，則在構件臨時固定後，進行永久銲接作業。
  4. 拆除吊裝設備 (Dismantling Lifting Equipment)：
     • 確認永久連接完成：待構件的永久連接（螺栓或銲接）完成並驗收合格後，方可進行吊裝設備的拆除。
     • 安全拆除：依計畫安全地拆除吊車、鋼索等設備。
  5. 後續作業：如混凝土澆置、樓板鋪設、屋頂工程等。

本題考驗學生對於現代新建木構造房屋常見結構系統的知識。木構造房屋因其環保、輕質、施工快速等優點，在現代建築中佔有重要地位，其結構系統也日趨多元與精緻化。

• 核心觀念：現代木構造房屋的結構系統，主要可分為以承重牆、梁柱、或預製構件為主的幾種類型，並廣泛應用各種連接技術與工法。

以下介紹三種現代新建木構造房屋的常見結構系統：

1. 輕型木構造 (Light-Frame Wood Construction)

   • 簡圖：可繪製一個剖面圖，顯示連續的木牆骨架，由直立的立柱 (studs)、水平的頂梁 (top plates) 和地梁 (bottom plates)、以及樓板的托梁 (joists) 和屋頂的椽條 (rafters) 組成。牆體通常填充隔熱材，外覆 OSB (Oriented Strand Board) 或膠合板牆面板，內覆石膏板。
   • 文字說明：
     • 系統特點：這是目前最普遍的木構造系統，主要由標準尺寸的木材（通常是 2x4 或 2x6 英吋的規格）組成的牆體、樓板和屋頂骨架構成。構件之間主要以釘子、螺絲或角碼等金屬連接件固定。
     • 結構組成：
       • 牆體：由規則排列的立柱 (studs) 和水平連接件組成，形成連續的牆身。牆面板（如 OSB、膠合板）提供抗側向力（風、地震）所需的剛性與穩定性，形成「剪力牆」(Shear Wall)。
       • 樓板：由水平的托梁 (joists) 支撐，托梁端部固定在地梁 (bottom plate) 和頂梁 (top plate) 上。
       • 屋頂：由椽條 (rafters) 或桁架 (trusses) 組成，支撐屋面板。
     • 優點：施工技術成熟，成本相對較低，易於整合水電管線，隔熱性能佳，對地基要求不高，施工快速。
     • 應用：廣泛用於住宅、低層商業建築。

2. 膠合積層木構造 (Glued Laminated Timber - Glulam Construction)

   • 簡圖：可繪製一個結構節點圖，顯示數根平行排列的木材（稱為「單板」或「lamellas」）透過膠水層壓黏合而成的較大斷面梁或柱。可顯示一個大跨度的 Glulam 梁支撐在兩個 Glulam 柱上。
   • 文字說明：
     • 系統特點：Glulam 是將較小的、規格化的木材（單板）經過選級、塗膠後，在壓力下膠合而成的大斷面、高強度、高剛度的結構構件。這種構件的強度和尺寸可根據設計需求進行訂製。
     • 結構組成：
       • 梁、柱：Glulam 可以製成各種尺寸和形狀的梁（直線或曲線）和柱，用於承受較大的荷載和跨越較大的空間。
       • 連接：Glulam 構件之間通常採用鋼連接件（如鋼板、螺栓）進行連接，將其組合成一個完整的結構體系。

本題考驗學生對文化資產（古蹟或歷史建築）構造調查的理解，包含調查的內容與執行時應注意的事項。這類調查的目的是為了了解建築的歷史、構造、材料、損壞狀況，為後續的修復、保存或再利用提供基礎。

• 核心觀念：文化資產構造調查是一項結合建築學、歷史學、材料學、結構學等知識的專業工作，強調非破壞性檢測與歷史資訊的尊重。

• 調查內容 (Contents of Survey)：

  1. 文獻資料蒐集與分析：
     • 歷史沿革：蒐集建築的建造年代、歷次改建、修繕紀錄、使用歷史等。
     • 建築圖說：尋找原始設計圖、施工圖、修繕圖等。
     • 相關研究報告：參考前人對該建築或類似建築的研究。
  2. 現場勘查與記錄：
     • 現況測繪：
       • 平面、立面、剖面圖：繪製精確的現況測繪圖，記錄建築的尺寸、空間配置、開口位置等。
       • 構件細部圖：針對重要的結構構件、裝飾構件繪製細部圖。
     • 材料辨識與分析：
       • 主要結構材料：記錄牆體（磚、石、土、木）、柱、梁、樓板、屋頂的材料種類（如紅磚、砂岩、杉木、檜木、土埆、石灰砂漿、水泥砂漿等），以及其尺寸、形式、砌法、連接方式。
       • 飾面材料：記錄內外牆、地面、天花板的飾面材料（如彩繪、泥塑、木飾、石材等）。
       • 損壞狀況記錄：詳細記錄各部位的損壞類型，如裂縫、風化、剝落、變形、滲漏、蟲蛀、白蟻侵蝕、腐朽等。
     • 構造系統分析：
       • 整體結構體系：分析建築的承重結構類型（如磚造、木構、石造、土造、鋼筋混凝土造等）及其相互關係。
       • 牆體構造：單層牆、雙層牆、牆體填充物、牆筋等。
       • 樓板與屋頂構造：木梁、磚拱、混凝土板、瓦、木瓦、金屬板等。
       • 基礎構造：若可觀察，記錄基礎的材料與形式。
     • 非破壞性檢測 (NDT)：
       • 影像診斷：如 X 光、紅外線熱影像，用於檢測牆體內部空洞、材料分層。
       • 超音波檢測：用於檢測材料的密實度、裂縫。
       • 回彈試驗：用於評估混凝土或砂漿的強度。
       • 鑽心取樣：在必要時，小範圍鑽取材料樣本進行化驗分析（如材料成分、木材含水率、腐朽程度）。
     • 歷史變遷痕跡調查：記錄建築不同時期留下的痕跡，如不同材料的疊砌、封閉的開口、不同風格的裝修層等。

本題考驗學生對台灣預鑄混凝土房屋（PC - Precast Concrete House）的施工流程、構件接合方式及品質管理要點的掌握。預鑄混凝土是將混凝土構件在工廠預先製造，再運至現場組裝的工法，在台灣住宅建築領域應用廣泛。

• 核心觀念：預鑄混凝土房屋的關鍵在於工廠化生產的高效率與品質一致性，以及現場組裝的快速性與構件間的可靠連接。

• 施工流程 (Construction Process)：

  1. 設計與製造 (Design & Manufacturing)：
     • 建築設計：依據建築需求進行整體設計，並將結構細部設計為適合預鑄的構件。
     • 模具製作：在工廠內製作高精度的模具。
     • 鋼筋組立：依設計圖在模具內完成鋼筋籠的組立。
     • 混凝土澆置：在模具內進行混凝土的專業澆置、振動，確保密實度與強度。
     • 養護：在特定環境下進行混凝土養護，使其達到設計強度。
     • 脫模與構件檢查：養護完成後脫模，並對構件進行尺寸、外觀、強度的初步檢查。
     • 構件標示：對合格構件標示編號，以便現場辨識與定位。
  2. 運輸 (Transportation)：
     • 將預鑄構件（如牆板、柱、梁、樓板、樓梯等）小心地裝載至運輸車輛，並運送至施工現場。
  3. 現場組裝 (On-site Assembly)：
     • 基礎施工：預鑄房屋的基礎通常與傳統建築類似，可能為獨立基腳、條形基礎或筏式基礎，但需預埋構件的錨栓或連接板。
     • 構件吊裝：利用吊車將預鑄構件依序吊起，放置於設計位置。
     • 構件初步定位與固定：將構件放置到預定的位置，並進行初步的臨時固定（如使用臨時斜撐、螺栓或點焊）。
     • 構件永久連接：依設計圖示，對各構件進行永久性的連接。
     • 填充與修飾：
       • 接縫處理：對構件間的縫隙進行灌漿（如使用高強度無收縮砂漿）或填縫處理，確保整體性與防水性。
       • 表面處理：進行必要的表面修飾，如批土、塗裝等。
  4. 驗收 (Acceptance)：
     • 完成整體結構組裝與後續工程後，進行結構安全與整體品質的驗收。

• 接合方式 (Connection Methods)：
  預鑄混凝土構件的接合是其關鍵技術，主要有以下幾種方式：

  1. 錨栓連接 (Anchor Bolt Connection)：
     • 說明：在基礎或下方構件中預埋錨栓，上方的預鑄構件（如柱、牆板）底部設有對應的螺栓孔，透過螺栓將兩者鎖緊。
     • 用途：常應用於柱底、牆板底部與基礎的連接。
  2. 乾式接合 (Dry Connection)：
     • 說明：利用金屬連接件（如鋼板、角碼）將構件連接，並透過螺栓固定。接縫處可能使用墊片或填縫材料。
     • 用途：如牆板與牆板、牆板與樓板的連接。
  3. 濕式接合 (Wet Connection)：
     • 說明：這是最常見且可靠的接合方式。構件間的接縫處預留鋼筋外露，或預埋連接鋼板。

本題考驗學生對鋼筋混凝土 (RC) 梁構造中主筋與箍筋配筋的理解，以及其與梁內力（彎矩）的關係。這是 RC 結構設計中最基礎且重要的部分。

(a) 梁主筋的配置、要點、及其與彎矩圖(moment diagram)的關係

• 核心觀念：梁的主筋（受拉鋼筋與受壓鋼筋）配置是為了抵抗梁所承受的彎矩。鋼筋的配置應與彎矩圖的分布相符，以達到最佳的受力效率與安全性。

• 梁主筋的配置與要點：

  1. 受拉鋼筋 (Tension Reinforcement)：
     • 位置：位於梁的受拉區。對於簡支梁，主要在梁的底部；對於懸臂梁，主要在梁的頂部；對於連續梁，則在支承點上方（受壓區）配置較少量的鋼筋，在跨中下方（受拉區）配置較大量的鋼筋。
     • 配置要點：
       • 數量與直徑：根據設計計算，決定所需鋼筋的總面積 (As)，以抵抗最大彎矩。
       • 保護層：鋼筋需有足夠的混凝土保護層，以防止鋼筋鏽蝕及提供足夠的黏結力。
       • 搭接與錨固：當鋼筋長度不足以涵蓋整個梁長時，需進行搭接。鋼筋端部需有足夠的錨固長度，以確保其能將拉力傳遞給混凝土。
       • 最小配筋率：為防止梁在混凝土開裂後，鋼筋應力迅速達到降伏強度而發生脆性破壞，規範要求梁必須配置最小數量的受拉鋼筋 (As,min)。
       • 最大配筋率：為避免鋼筋過多導致混凝土受壓區過早壓碎（混凝土破壞先於鋼筋降伏），規範也限制了最大配筋率。
  2. 受壓鋼筋 (Compression Reinforcement)：
     • 位置：位於梁的受壓區。主要用於抵抗較大的負彎矩（如連續梁的支承點上方），或在某些特殊情況下（如減少撓度、增加韌性）使用。
     • 配置要點：
       • 數量與直徑：根據計算需求配置。
       • 保護層與錨固：同樣需要保護層與足夠的錨固。
       • 與箍筋配合：受壓鋼筋需被箍筋約束，防止其挫屈（Buckling）。

• 與彎矩圖 (Moment Diagram) 的關係：

  • 彎矩圖的意義：彎矩圖表示梁在不同斷面上的彎矩大小與方向。正彎矩通常表示梁底部受拉、頂部受壓，負彎矩則相反。
  • 鋼筋配置的原則：
    • 受拉鋼筋：應配置在彎矩圖中受拉區域，且鋼筋量應與該區域的彎矩大小大致成正比。例如，在簡支梁跨中彎矩最大處，底部受拉鋼筋的數量應最多。
    • 受壓鋼筋：應配置在彎矩圖中受壓區域，特別是負彎矩較大的區域，如連續梁的支承點上方。
    • 鋼筋的伸展長度：鋼筋的長度應能延伸到其不再需要抵抗彎矩的區域，並有足夠的錨固長度。在彎矩值減小的區域，可以視情況減少鋼筋的數量（即「斷筋」或「減縮鋼筋」），但需遵守規範關於鋼筋伸展長度、搭接、錨固的要求。
    • 彎矩圖變化與鋼筋變化：梁的彎矩圖變化會影響主筋的配置。在彎矩較大的地方，需要較多的鋼筋；在彎矩較小的地方，可以減少鋼筋。鋼筋的「減縮」或「續接」點通常會配合彎矩圖的變化來安排。
  • 簡圖說明：
    • 繪製一個簡支梁的彎矩圖（跨中最大正彎矩）。
    • 在梁的下方繪製主筋配置圖，顯示跨中底部鋼筋數量最多，並向支承點逐漸減少。
    • 繪製一個連續梁的彎矩圖（支承點上方負彎矩，跨中下方正彎矩）。
    • 在梁的下方（跨中）和上方（支承點）繪製主筋配置圖，顯示跨中底部鋼筋較多，支承點上方也配置鋼筋。

本題接續上一題，將焦點轉移到鋼筋混凝土 (RC) 柱的配筋。主要考驗學生對柱箍筋配置、品質管理、以及新型箍筋工法的理解。

(a) 柱箍筋的配置重點、品管注意事項、彎勾等

• 核心觀念：柱箍筋的主要功能是約束柱的縱向主筋，防止其在外力作用下（特別是地震力）發生挫屈 (buckling)，同時也抵抗一部分剪力與扭力。在地震力較大的區域，箍筋的配置需要特別加密，以提供足夠的延性 (ductility)。

• 配置重點 (Key Aspects of Reinforcement)：

  1. 約束縱向主筋：
     • 目的：防止柱縱向鋼筋在高應力下向外彎曲（挫屈）。
     • 配置方式：箍筋需將所有縱向鋼筋（或至少每隔一段距離的鋼筋）包圍起來。
  2. 抵抗剪力與扭力：
     • 剪力：柱也會承受剪力，箍筋的配置有助於抵抗。
     • 扭力：對於承受扭力的柱，箍筋的配置尤為重要。
  3. 加密區 (Seismic / High-Stress Zones)：
     • 位置：柱的頂端與底部（與梁或基礎的連接處）、以及柱的中間（若有較大應力集中或為高樓層柱）。
     • 配置要求：在這些區域，箍筋的間距需要加密，以提供更好的延性，確保結構在地震時能吸收能量而不致突然破壞。規範通常會規定加密區的範圍與箍筋間距。
  4. 箍筋間距：
     • 最大間距：規範會規定箍筋的最大間距，以確保有效約束主筋。此間距通常與柱的尺寸、主筋數量及配置有關。
     • 最小間距：在非加密區，也有最小間距限制。
  5. 箍筋形式：
     • 矩形/方形箍筋 (Rectangular/Square Ties)：最常見，用於矩形或方形柱。
     • 圓形箍筋 (Circular Ties)：用於圓形柱。
     • 複合箍筋 (Composite Ties)：由多個彎折的鋼筋組合而成，用於較大的柱或需要更強約束的情況。

• 品管注意事項 (Quality Control Precautions)：

  1. 鋼筋規格與彎折：確認使用的箍筋鋼材等級、直徑符合設計要求。彎折的角度（彎勾）和尺寸必須準確。
  2. 主筋包覆：確保箍筋能有效包覆所有縱向主筋，且沒有遺漏。
  3. 間距準確：箍筋的間距必須符合設計圖說的規定，特別是加密區的間距控制。
  4. 彎勾錨固：箍筋的彎勾（通常為 135°）必須有足夠的錨固長度，並伸入混凝土保護層內，以提供足夠的拉拔強度。
  5. 混凝土澆置時的穩定性：在澆置混凝土時，箍筋必須保持其位置與間距，防止因混凝土沖刷而移位或變形。

• 彎勾 (Hooks)：

  • 目的：與梁箍筋類似，柱箍筋的末端也需要彎成 135° 的彎勾，並伸入混凝土保護層內。
  • 作用：提供足夠的錨固強度，防止箍筋從混凝土中滑脫，並加強對主筋的約束。