109 年 國立臺灣大學土木系碩士班營建管理組《土木建築施工》

本題主要考驗考生對於品質管理工具，特別是特性要因圖（Cause-and-Effect Diagram），在建築工程問題分析上的應用能力。考生需理解特性要因圖的架構，並能將建築物漏水的原因，系統性地歸納至其不同的潛在要因。

解題思路：
特性要因圖，又稱魚骨圖 (Fishbone Diagram)，是一種用來找出問題根本原因的方法。它將問題（結果）放在魚頭，然後將可能的原因分類，並沿著魚骨延伸。在建築物漏水的情境下，我們可以將「建築物漏水」作為結果，並將可能的原因歸類為幾個主要面向，例如：材料、設計、施工、環境、人為因素等。

以下為利用特性要因圖分析建築物漏水原因的步驟與內容：

1. 確立問題 (魚頭)：建築物漏水。

2. 決定主要要因分類 (大骨)：常見的分類方式可涵蓋：

   • 材料 (Materials)：指建材本身的品質、規格、選用等問題。
   • 設計 (Design)：指建築圖說、施工圖說的規劃、細部設計等問題。
   • 施工 (Construction/Workmanship)：指施工過程中的技術、操作、品質控制等問題。
   • 環境 (Environment)：指施工或使用期間的氣候、地質、周遭環境等影響。
   • 管理 (Management)：指專案管理、品質管理、人員調度、溝通協調等問題。
   • 維護 (Maintenance)：指建物啟用後的日常保養與修繕狀況。

3. 分析潛在的次要原因 (中骨、小骨)：針對每一個主要要因，進一步細分可能導致漏水的具體原因。

   • 材料 (Materials)

     • 防水材料品質不良（老化、脆化、滲透性高）。
     • 水泥、砂、石等拌合料比例不當或品質不符規定。
     • 鋼筋、預埋件等防鏽處理不足。
     • 填縫材料（如矽利康、發泡劑）選用錯誤或品質不良。
     • 磁磚、外牆塗料等飾面材料滲水性高。

   • 設計 (Design)

     • 防水層細部設計不完整（如陰陽角、落水口、管邊處理）。
     • 給排水管路系統設計不良（管徑、坡度、排水口位置）。

本題考驗考生對現代混凝土技術發展趨勢的了解，特別是其在節能減碳方面的應用。這需要結合材料科學與施工技術的知識，提出具體的解決方案。

解題思路：
混凝土是全球使用量最大的營建材料，其生產過程（特別是水泥製造）是主要的碳排放源之一。因此，從材料的選擇、配比的優化到施工方法的改進，都是實現混凝土節能減碳的關鍵。

以下是從材料與施工技術兩個面向，闡述混凝土節能減碳的方法：

一、 材料面向 (Material Aspects)

1. 減量使用水泥 (Reduce Cement Content)

   • 使用高性能水泥或預拌混凝土 (High-performance Cement / Ready-mixed Concrete)：透過精確配比控制，在滿足強度與耐久性要求下，降低單位混凝土的水泥用量。
   • 採用高性能混凝土 (High-performance Concrete, HPC)：HPC 通常使用較低的 w/c 比，並配合高性能減水劑，可以在較低的水泥用量下達到更高強度，間接減少水泥消耗。
   • 利用混凝土強度等級的優化 (Strength Grade Optimization)：根據結構需求，選擇最適合的混凝土強度等級，避免過度設計，減少水泥用量。

2. 使用再生或替代膠結材 (Use Recycled or Supplementary Cementitious Materials, SCMs)

   • 飛灰 (Fly Ash)：燃煤電廠的副產品，可部分取代卜特蘭水泥，降低碳排放，同時改善混凝土的和易性、耐久性。
   • 爐碴 (Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBS)：鋼鐵業副產品，可部分取代水泥，增加混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力和抗氯離子滲透性。
   • 二氧化矽粉末 (Silica Fume)：電弧爐煉鋼的副產品，具有極細的粒徑和高反應活性，能顯著提高混凝土強度和耐久性，並減少水泥用量。
   • 天然火山灰 (Natural Pozzolans)：如矽質岩、板岩等，經研磨後可部分取代水泥。
   • 再生骨材 (Recycled Aggregates)：利用建築廢棄物（如混凝土塊）處理後作為粗骨材或細骨材，減少天然砂石的開採，節省運輸能源。
   • 再生細骨材 (Recycled Fine Aggregates)：從拆除的混凝土中回收的砂，可部分取代天然砂。

3. 開發低碳水泥 (Develop Low-Carbon Cements)

   • 摻合水泥 (Blended Cements)：例如 Portland-Limestone Cement (PLC, Type IL)，其水泥熟料含量較低，生產過程碳排放較少。
   • 地質聚合物混凝土 (Geopolymer Concrete)：使用工業廢料（如飛灰、爐碴）作為主要膠結材，不含卜特蘭水泥，可大幅降低碳足跡。

4. 優化骨材使用 (Optimize Aggregate Usage)

   • 使用輕質骨材 (Lightweight Aggregates)：在某些結構（如保溫牆）中，使用輕質骨材可以減輕結構自重，節省整體材料用量。

本題主要考驗考生對橋樑施工特殊工法的了解，特別是節塊推進工法 (Segmental Construction with Pushing Method) 和支撐先進工法 (Incremental Launching Method, ILM)。考生需要能清楚闡述這兩種工法的原理、優勢與劣勢。

解題思路：
這兩種工法都是用於橋樑上構的施工，尤其適用於跨越河流、山谷、道路等難以設置橋墩的區域。它們的核心在於如何在橋墩上或橋台上分段建造橋面板，然後將其推進至最終位置。

一、 節塊推進工法 (Segmental Construction with Pushing Method)

此工法通常指預鑄節塊懸臂工法 (Precast Segmental Cantilever Construction) 或現澆節塊懸臂工法 (Cast-in-place Segmental Cantilever Construction)。節塊預先在橋旁或橋下製作，然後透過吊車、龍門架或專用推出設備，逐一吊裝或推出，並在支撐架（或稱為平衡懸臂）的輔助下，向對岸推進，最終在中跨合龍。

優點 (Advantages)：

1. 適用性廣泛 (Wide Applicability)：適合跨越各種障礙物，如河流、深谷、繁忙交通幹道，以及水深難以設置橋墩的區域。
2. 施工速度快 (Fast Construction Speed)：節塊可在橋旁或工廠預製，可與橋墩施工平行進行，縮短整體工期。
3. 品質控制佳 (Good Quality Control)：節塊在陸上或工廠環境下預製，便於精確控制尺寸與品質。
4. 減少對下方交通或環境的干擾 (Reduced Interference)：相較於傳統支撐架工法，此工法對下方交通、航運或生態的影響較小，因為所需臨時支撐較少。
5. 結構效率高 (Structural Efficiency)：透過節塊的預應力綁結，可形成連續梁或箱梁，結構剛度與承載能力佳。
6. 節省臨時支撐 (Less Falsework)：相較於滿跨支撐架工法，此工法所需的臨時支撐（稱為支撐架或吊架）較少，尤其適合高架橋。

缺點 (Disadvantages)：

1. 節塊預製與運輸成本高 (High Cost of Segment Precasting and Transportation)：尤其是在節塊體積龐大或運輸距離遠時。
2. 節塊合龍技術要求高 (High Demands for Segment Alignment and Joining)：中跨合龍時，對節塊的精確定位、預應力施作及黏結強度要求極高，一旦出現偏差，修正困難。
3. 需要專用設備 (Requires Specialized Equipment)：如大型吊車、龍門架、懸臂推出設備、預應力系統等，設備投資成本高。
4. 對橋墩頂部空間要求 (Requirement for Pier Top Space)：需要足夠的空間來放置節塊和推出設備。
5. 懸臂施工的應力問題 (Stress Issues during Cantilever Construction)：懸臂施工階段，梁體承受不對稱荷載，容易產生較大的彎矩和應力，需妥善設計並考慮臨時支撐。

本題考驗考生對鋼結構工程中焊接施工的專業知識，包括施工前的準備、過程中的操作細節，以及如何預防常見的焊接缺失。

解題思路：
鋼結構工程中，焊接是連接鋼構件的重要手段。良好的焊接品質直接關係到結構的安全與耐久性。因此，焊接施工必須嚴格遵守相關規範和標準，並注意一系列細節。

以下是在鋼構工程焊接施工過程中應注意的重要事項，以及可能發生的施工缺失：

一、 施工前應注意之事項 (Pre-Construction Preparations)

1. 焊工資格審查 (Welder Qualification)：

   • 應注意：確保所有進行焊接的焊工都經過合格的培訓和認證，並持有有效的焊工資格證書。
   • 避免缺失：未經認證的焊工操作可能導致焊接品質不穩定，產生各種缺陷。

2. 焊接材料的選用與保管 (Selection and Storage of Welding Materials)

   • 應注意：根據母材的材質、厚度、焊接方法及預期的結構性能，選用符合規範要求的焊條、焊絲、焊劑等焊接材料。焊接材料應妥善存放於乾燥、清潔的環境，並按照規定進行烘乾處理（特別是焊條）。
   • 避免缺失：使用不匹配的焊接材料可能導致焊縫強度不足、延性差、產生裂紋等。潮濕的焊接材料會引入氫氣，增加冷裂紋的風險。

3. 母材表面處理 (Base Metal Surface Preparation)

   • 應注意：焊接前，應徹底清除母材待焊表面的油污、鏽蝕、油漆、焊渣、水分等雜質。使用砂輪機、鋼絲刷等工具進行清理，確保焊道清潔。
   • 避免缺失：表面處理不當會導致焊縫夾渣、氣孔、表面缺陷，並影響焊縫強度和韌性。

4. 焊接程序規範 (Welding Procedure Specification, WPS) 與施工說明 (Welding Procedure Qualification Record, WPQR)

   • 應注意：嚴格按照經過驗證的 WPS 進行焊接，包括焊接方法、電流、電壓、焊速、坡口形式、焊道順序、預熱溫度、焊後熱處理等參數。
   • 避免缺失：未遵循 WPS 可能導致焊縫金相組織不良、強度不足、變形過大或產生裂紋。

5. 預熱與焊後熱處理 (Preheating and Post-Weld Heat Treatment, PWHT)

   • 應注意：對於高強度鋼、厚鋼板或在低溫環境下焊接，可能需要預熱以降低冷裂紋的風險。根據材料和結構要求，某些焊接可能需要進行焊後熱處理以消除殘餘應力、改善焊縫金相組織。
   • 避免缺失：未按規定預熱或進行 PWHT，在高強度鋼材上容易產生延遲裂紋（Hydrogen Induced Cracking, HIC）或冷裂紋；未進行 PWHT 可能導致焊縫區域殘餘應力過大，影響結構的抗疲勞性能和韌性。

6. 焊接坡口準備 (Preparation of Welded Joints)

   • 應注意：坡口形式（如 V 型、U 型、X 型等）應符合設計要求，坡口面應光滑、無毛刺，且坡口角度和根部間隙應符合 WPS 規定。
   • 避免缺失：坡口不符可能導致焊透不足、根部夾渣、焊縫尺寸不均等。

二、 施工過程中應注意之事項 (During Welding Operations)

1. 焊接環境控制 (Control of Welding Environment)
   • 應注意：避免在雨、雪、強風、低溫（低於規定溫度）等惡劣天氣下進行焊接，必要時應採取防護措施（如搭設臨時雨棚、加熱）。確保焊接區域通風良好，但避免強風直接吹襲焊弧。