108 年 國立中央大學土木工程學系碩士班：防災與資訊應用組《土木工程概論》

本題主要在探討防災社區推動的核心理念，即「自助」、「互助」、「公助」三者之間的關係與意義。

核心觀念：
防災社區的推動是基於一種多層次、互相支援的防救災體系，從個人、社區到政府，各自承擔不同的責任與角色，共同構築社區的韌性。

詳解：

• 自助 (Self-help)：
  這是防災的基礎，強調個人和家庭在面對災害時，應具備基本的應變能力和準備。這包括：

  • 個人與家庭的準備： 了解居家周遭的潛在風險（如地震、淹水、火災等），事先制定家庭防災計畫，準備緊急避難包（包含飲水、乾糧、藥品、手電筒、收音機、急救用品等），熟悉逃生路線。
  • 自我保護： 在災害發生時，能夠採取適當的自我保護措施，減少生命財產損失。
  • 基本應變能力： 具備初步的救護知識（如CPR、止血包紮）、滅火技巧等。

• 互助 (Mutual Aid)：
  這是防災社區的關鍵，強調鄰里之間、社區成員之間的協同合作。當災害發生時，個人或家庭的力量往往有限，透過鄰里互助，可以有效擴大支援範圍，提高救災效率。這包括：

  • 鄰里互援： 鄰居間互相照應，協助行動不便者（如老人、小孩、身心障礙者）撤離或取得物資。
  • 社區組織： 成立社區防災組織或志工隊，規劃社區的避難疏散路線、設置臨時避難所、進行災情通報與互助協調。

本題探討的是印尼在2018年底發生的「無地震海嘯」，造成嚴重傷亡的事件，要求分析其可能的致災原因。這類型的海嘯不同於一般由地震引起的，因此需要從其他地質或氣象現象著手分析。

核心觀念：
海嘯的成因多樣，除了最常見的板塊碰撞地震外，海底火山爆發、海底山體滑坡、甚至大型隕石撞擊等都有可能引發海嘯。在印尼這個火山與板塊活動頻繁的地區，「無地震海嘯」的成因很可能與海底地質活動有關。

詳解：
2018年底印尼發生的「無地震海嘯」，主要指向的是12月22日發生的喀拉喀托火山（Krakatoa）噴發引發的海嘯，這次事件造成了嚴重的傷亡。雖然當時未偵測到明顯的大型地震，但其致災原因主要可歸結為以下幾點：

1. 火山噴發引發的海底滑坡 (Submarine Landslide)：

   • 喀拉喀托火山位於巽他海峽，是一個活躍的火山島。在2018年12月22日，該火山發生了劇烈的噴發活動。
   • 劇烈的火山噴發，尤其是伴隨的岩漿活動、火山灰噴射、以及火山體本身的崩塌，很可能導致火山島的一部分或其周邊的海底山體發生大規模的滑坡。
   • 這種海底大規模的滑坡，如同將大量土石瞬間推入水中，會擠壓周圍的水體，產生巨大的能量，進而引發海嘯波。這類海嘯通常波長較短，但能量集中，且可能在短距離內迅速發展。

2. 火山噴發直接引發的水體擾動 (Direct Water Displacement)：

   • 火山噴發時，大量的岩漿、火山灰、氣體從海底或水下噴出，會直接將大量的海水推開，產生巨大的水體擾動。

本題要求說明2018年北海道發生規模6.7地震時，所造成的土壤液化可能產生的影響。這牽涉到土壤力學中土壤液化的機制及其對工程結構的破壞力。

核心觀念：
土壤液化（Liquefaction）是指在地震或快速載重作用下，飽含水分的鬆散砂土，由於孔隙水壓力急遽升高，使得土體內部的有效應力降低至接近零，土體喪失原有的剪應力強度，表現出類似液體的行為。其影響對基礎工程、建築結構、甚至地下管線都有嚴重的破壞性。

詳解：
2018年北海道發生規模6.7的地震，確實造成了部分地區（如膽振地區）的土壤液化現象，這對當地許多建築物及基礎設施造成了嚴重破壞。土壤液化的可能影響包括：

1. 基礎沉陷與傾斜 (Foundation Settlement and Tilting)：

   • 當土壤液化發生時，原本承載建築物重量的土體瞬間失去承載力。
   • 建築物的基礎會隨同液化的土壤一起發生沉降，導致建築物整體高度降低。
   • 如果液化發生不均勻，或是基礎周邊土壤的液化程度不同，建築物可能發生傾斜，嚴重時甚至會倒塌。

2. 建築物傾覆或倒塌 (Building Overturning or Collapse)：

   • 對於高層建築或基礎較淺的建築，土壤液化會顯著降低其抗傾覆穩定性。
   • 土壤液化還會導致基礎承受的水平剪力能力大幅下降，使得建築物在地震力作用下更容易發生整體或局部的倒塌。

3. 地面上浮與噴砂 (Ground Uplift and Sand Boils)：

   • 在液化區域，地下水會被擠壓到地表，形成「砂湧」（Sand Boils）或「噴砂」現象。
   • 高壓的孔隙水將細砂、泥土等物質從地表噴出，形成類似沸騰的現象，並在地表堆積成小山丘。

本題要求分析2018年中旬日本因豪雨造成中部地區嚴重淹水並導致多人喪命的事件，探討其致災原因。這類事件通常是多重因素交互作用的結果，包含氣象、地理、以及人為因素。

核心觀念：
極端降雨事件（豪雨）是造成嚴重淹水的主要原因，但地理條件（地形、河流系統、海岸線）、土壤性質、以及都市發展（不透水面積增加、排水系統能力）等，共同決定了降雨對人類社會造成的危害程度。

詳解：
2018年中旬，日本西部地區（特別是近畿、中國地區）遭受了稱為「西日本豪雨」的極端降雨事件，這是有記錄以來最嚴重的降雨災害之一，造成了大規模的淹水、土石流，並導致數百人死亡。其致災原因可從以下幾個面向分析：

1. 極端且持續的強降雨 (Extreme and Prolonged Rainfall)：

   • 梅雨季滯留： 當時太平洋高壓和大陸高壓勢力錯開，一個稱為「梅雨前線」的低壓帶在日本上空滯留時間異常長。
   • 大量水氣匯聚： 颱風「克魯姆」（Carina）和「瑪莉亞」（Maria）的生成和路徑，將大量溫暖潮濕的空氣從太平洋引導至日本上空，並不斷為滯留的梅雨前線提供充沛的水氣。
   • 高強度降雨： 在短短幾天內，許多地區的累積降雨量打破歷史紀錄，例如岡山縣、廣島縣、愛媛縣等地區，部分測站的累積雨量超過1000毫米，遠超其排水系統和自然環境的負荷能力。

2. 地理與地形因素 (Geographical and Topographical Factors)：

   • 山區地形： 日本中部地區（如中國地方）多為山地，河流短促而湍急。強降雨迅速匯流，極易引發河流潰堤和山洪爆發。
   • 低窪平原與河口地區： 許多城市（如倉敷市、廣島市）建於河口三角洲或沿海低窪地區，這些區域地勢低，一旦河流潰決或排水不及，極易發生大範圍、長時間的淹水。
   • 海岸地帶： 部分沿海地區也因雨勢過大，加上可能伴隨的漲潮或風暴潮（儘管本次主要不是風暴潮），加劇了淹水情況。

本題主要探討「大數據」(Big Data)的觀念，以及它在土木工程領域的應用，並進一步探討如何將此觀念延伸至AI（人工智慧）在土木工程的應用。這是一個結合資訊科技與土木工程的題目。

核心觀念：
大數據是指傳統資料處理應用程式無法處理、管理、擷取、儲存、分享的大量、多樣化、快速變化的資料集。其價值在於從中挖掘出隱藏的模式、趨勢與關聯，以輔助決策。AI則是透過模擬人類智能，讓機器能夠學習、推理、感知、理解，並解決問題。

詳解：

一、 「大數據」觀念為何？

大數據（Big Data）通常具有以下幾個核心特徵，常被稱為「3V」或「5V」：

1. Volume (大量)： 資料的規模巨大，從TB（Terabytes）到PB（Petabytes）甚至EB（Exabytes）。
2. Velocity (高速)： 資料產生和處理的速度非常快，需要即時或近乎即時的分析。例如，感測器傳來的即時監測數據。
3. Variety (多樣)： 資料類型多樣，包括結構化數據（如資料庫中的表格）、半結構化數據（如XML、JSON文件）和非結構化數據（如文字、圖片、影音、感測器數據、GPS軌跡）。
4. Veracity (真實性/準確性)： 資料的準確性和可信度，需要處理資料中的不確定性、雜訊和偏差。
5. Value (價值)： 從海量數據中提取有價值的資訊，以支持決策、優化流程、創造新的機會。

大數據的重點不在於數據本身有多大，而在於如何從這些數據中提取出有意義的見解（Insights），並將這些見解轉化為行動。

二、 大數據如何用於土木工程？

土木工程領域產生和累積了大量的數據，從設計、施工、營運到維護，都可應用大數據分析：

1. 基礎設施監測與健康診斷 (Infrastructure Monitoring and Health Diagnosis)：

   • 應用： 在橋梁、建築物、隧道、水壩等結構物上安裝各種感測器（如應力計、加速度計、位移計、溫濕度計、GPS），收集結構的健康狀態數據。
   • 大數據分析： 分析這些長期、高頻的感測器數據，可以偵測結構的微小變化、判斷潛在的損壞模式、預測結構的剩餘壽命，從而實現預知性維護（Predictive Maintenance），避免災難性事故。例如，透過分析橋梁的振動模式，判斷是否有裂縫。

2. 施工過程優化與管理 (Construction Process Optimization and Management)：

   • 應用： 施工現場的物料、設備、人員、進度、環境條件等數據。
   • 大數據分析： 分析施工進度、資源使用效率、設備運行狀態，找出瓶頸，優化資源調度，提高施工效率，降低成本，確保施工安全。例如，利用GPS追蹤重型設備的位置和運行時間，分析其利用率。

3. 交通工程與智慧交通系統 (Transportation Engineering and Intelligent Transportation Systems - ITS)：

   • 應用： 車輛GPS數據、手機信令數據、交通攝影機影像、道路感測器數據、公共運輸營運數據。
   • 大數據分析： 分析交通流量、車速、擁擠度、事故熱點，以優化交通號誌控制、規劃道路網、預測交通壅塞、改善公共運輸服務。例如，透過分析大量車流數據，實現動態交通號誌調整。

4. 災害預防與應變 (Disaster Prevention and Response)：

   • 應用： 地震儀數據、氣象雷達數據、衛星影像、水文監測數據、社群媒體上的災情回報。

本題要求以苗栗縣「石虎公園」一案為例，說明公共工程的招標與審查程序。這個案例涉及環境保育與工程開發之間的衝突，因此其招標與審查過程可能更為複雜，需要納入更多考量。

核心觀念：
公共工程的招標與審查程序，是依據政府採購法等相關法規，旨在確保採購過程的公開、公平、公正，並以最有利標或最低標等方式，選出最能符合公共利益的承包商。涉及的環節包含需求擬定、預算編列、招標文件製作、公開招標、資格審查、規格審查、價格審查、決標，以及後續的履約管理與驗收。

詳解：
苗栗縣「石虎公園」（可能指的是某個開發案，例如苗栗後龍的「灣寶石虎保育專區」或類似的開發案，過程中涉及石虎棲地保護與工程開發的爭議）的案例，雖然具體細節可能因案而異，但一般公共工程的招標與審查程序，大致可依循以下階段：

一、 前期規劃與需求確立階段

1. 需求評估與可行性研究：

   • 首先，相關主管機關（如苗栗縣政府、鄉鎮公所、特定局處）會評估某項公共工程（例如公園、道路、住宅區開發）的必要性與可行性。
   • 針對「石虎公園」案例，這可能包含評估是否需要興建公園、開發區域的土地利用規劃、以及最重要的——評估開發案對石虎棲息地的影響，以及是否需要納入保育措施。這階段可能需要進行環境影響評估（EIA）的初步作業。

2. 預算編列與核定：

   • 根據工程的規模、複雜度、所需工料、預計工期等，編列工程預算。
   • 這部分預算需要經過層層核准，直至主管機關的最高層級（如縣長、局處首長）及財政單位核定。

3. 工程設計與招標文件製作：

   • 委託專業技師或工程顧問公司進行詳細設計，包含工程藍圖、規範、施工說明、材料標準等。
   • 製作招標文件（Tender Documents），這是招標的核心依據，包含：
     • 投標須知： 說明投標的資格條件、程序、期限、押標金、保證金等。
     • 契約草案： 載明工程內容、工期、付款方式、權利義務、違約罰則等。
     • 工程圖說與規範： 詳細的施工圖、細部設計圖、材料與施工規範。
     • 評選項目與標準： 若採最有利標，會列出評選項目（如技術、工期、公司信譽、環保措施、對石虎保育的承諾等）及評分權重。

二、 招標階段

1. 採購方式決定：

   • 根據工程預算、複雜度、市場狀況，決定採購方式，常見的有：
     • 公開招標： 邀請所有符合資格的廠商參與投標。
     • 選擇性招標： 預先辦理廠商資格審查，再邀請合格廠商參與投標。
     • 限制性招標： 僅邀請特定幾家廠商參與。
   • 對於較大型或較複雜的公共工程，通常採公開招標。

2. 公告招標：

   • 透過政府採購資訊公告系統（如公開招標資訊網站）或相關媒體發布招標公告，載明工程名稱、預算金額、招標方式、截標日期、地點等資訊。

本題主要探討無人機（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）在橋梁檢測中的應用方式與優勢。這是一個結合了航空技術、感測器技術與橋梁工程的跨領域題目。

核心觀念：
傳統橋梁檢測常依賴人力攀爬、吊車、或橋下吊籃等方式，存在效率低、風險高、成本高、難以到達的區域受限等問題。無人機結合了空中載具的靈活性與多樣感測器的能力，能夠克服這些限制，實現更安全、高效、全面的橋梁檢測。

詳解：

無人機（UAV）在橋梁檢測中的應用，主要體現在其能搭載各種感測器，飛抵橋梁結構的各個部位，進行高解析度的影像採集、數據量測，並能大幅提升檢測的效率、安全性與全面性。以下是其具體應用方式：

1. 高解析度影像採集與視覺檢查 (High-Resolution Imaging and Visual Inspection)：

   • 應用： UAV搭載高解析度攝影機（RGB camera），可近距離拍攝橋梁表面（梁底、梁頂、橋墩、橋台、支承結構等）的影像。
   • 功能：
     • 表面缺陷偵測： 偵測裂縫、剝落、酥鬆、鋼筋外露、混凝土損壞、表面塗層劣化等視覺可見的缺陷。
     • 幾何變形檢查： 拍攝影像進行立體匹配（Photogrammetry），重建橋梁的三維模型，分析橋梁的沉降、傾斜、變形等。
     • 初期損壞評估： 透過定期拍攝，建立結構變化的歷史影像資料庫，便於對比分析，及早發現潛在問題。

2. 非破壞性檢測技術的整合 (Integration of Non-Destructive Testing - NDT)：

   • 應用： UAV可以搭載或接近橋梁結構，使其能夠攜帶或配合使用多種非破壞性檢測設備。
   • 常見感測器與技術：
     • 熱紅外攝影機 (Thermal Infrared Camera)： 偵測材料溫度差異，可用於識別混凝土內部空隙、潮濕區域、鋼筋鏽蝕等隱藏的缺陷，這些缺陷會影響材料的熱傳導特性。
     • 雷射掃描儀 (LiDAR - Light Detection and Ranging)： 快速獲取橋梁高精度的三維點雲數據，用於精確的尺寸測量、變形分析、以及建立詳細的數位模型。
     • 超音波感測器 (Ultrasonic Sensors)： （需近距離接觸或特殊設計）用於測量混凝土厚度、內部缺陷。
     • 聲發射感測器 (Acoustic Emission - AE Sensors)： （需佈設）監測材料在應力作用下發出的聲響，可判斷材料內部微裂紋的發展。
     • 磁力計 (Magnetometer)： 用於偵測鋼筋混凝土結構中的鋼筋位置、數量和大致的鏽蝕程度。