107 高普考高考二級 建築工程 建築構造與施工 考古題詳解

核心觀念

本題考查新拌混凝土之材料特性與施工品質控制，核心在於**「混凝土的泌水（Bleeding）機制、其衍生之微觀與巨觀工程缺陷，以及在材料配比與施工層面的防制對策」**。

1. 泌水定義：依據 CNS 3090〔預拌混凝土〕與 ASTM C232（CNS 13961）〔混凝土泌水試驗法〕之學理定義，新拌混凝土在澆注、搗實後至初凝發生物理硬化前，固體粒料（粗細骨材、水泥顆粒）因比重大於水，在重力作用下逐漸下沈，迫使多餘未參與水化反應的自由水（Free Water）向上置換並浮出混凝土表面的固液分離（分層偏析，Segregation）現象。
2. 力學與耐久性原理：泌水伴隨毛細通道形成、局部水灰比改變，並於橫向鋼筋及粗粒料下方形成局部孔隙（水囊），直接劣化混凝土之抗壓強度、耐久滲透性與握裹強度。
3. 法規與規範依據：以命題當年（民國 107 年）行政院公共工程委員會《施工綱要規範》第 03310 章「結構用混凝土」及建築技術規則建築構造編相關規定為準。

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解題方法

本題為典型結構性申論題，命題結構包含三個明確子問，解題宜採「學理定義 $\to$ 損害影響 $\to$ 防制工法」三段式架構破題：

1. 第一問（定義與物理機制）：簡明界定泌水之成因（重力沈降差）、發生時間區間（澆置搗實後至初凝前）及產生的自由水特性。
2. 第二問（對混凝土之影響）：採「多維度影響分析法」，切入點包含：

• 表面品質（浮漿、起砂、耐磨性劣化）。
• 界面力學行為（粒料界面與頂層鋼筋握裹力折減）。
• 體積穩定性與缺陷（塑性沈陷裂縫）。
• 耐久壽命（連續毛細孔通道、抗滲與抗凍融性降低）。

3. 第三問（減少泌水之方法）：採「材料配比設計」與「現場施工操作」雙軌分類條列，展現具體工程可行性與規範實務概念。

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選項分析

本題為國家考試二級高考之申論題，無單選或複選選項。評分重點在於答題之完整度、層次條理及專業術語之精準度。若答題未將「材料端」與「施工端」分開說明，或遺漏對鋼筋握裹力（Top-bar effect）之影響，將被閱卷委員酌予扣分。

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解題技巧

1. 關鍵術語必備：答案務必帶出「浮漿（Laitance）」、「水囊（Water Pocket）」、「塑性沈陷裂縫（Plastic Settlement Cracking）」、「頂層鋼筋握裹折減（Top-bar effect）」與「毛細滲水通道（Capillary Channels）」。
2. 常見陷阱：

• 切忌將「泌水」與「浮水/乾縮裂縫」混為一談，泌水是垂直向的固液偏析，乾縮是硬化後的水分散失收縮。
• 避免單純回答「少加水」，需從級配、粉體（微矽粉/飛灰）、化學摻料（AE劑、減水劑）全面構思。
• 施工面不可忽略「抹光時機」，在泌水尚未蒸發或清除前逕行抹光，是工地產生起砂浮漿的最主要人為錯誤。

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【答案】

一、泌水現象（Bleeding）之定義與機制

1. 定義： 新拌混凝土於澆置、搗實完成後，至水化初凝（Initial Set）階段之前，內部未化合的自由拌合水受內部固體組抗（粗粒料、細粒料、水泥等膠結料）受重力沈降之擠壓，沿微細孔隙向上浮升並聚集於混凝土表面的自然沉降分離現象，為材料分層偏析（Segregation）的一種形式。
2. 機制： 各固體材料之比重（水泥約 $3.15$，粒料約 $2.6\sim2.7$）遠大於水（比重 $1.0$），在無外力擾動下，懸浮顆粒依司托克定律（Stokes' Law）傾向於重力沉澱，置換出相對質輕之自由水向上滲流。

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二、泌水現象對混凝土產生之不良影響

泌水若超出正常蒸發速率或配比容許限度，將對硬化混凝土造成以下結構力學與耐久性劣質化：

核心觀念

本題考查土木與建築工程中**「深開挖工程（Deep Excavation）」之路盤變形機制與鄰近結構物之相互作用（Soil-Structure Interaction）**。涉及之核心學科包括大地工程學（土壤力學、基礎工程）及施工學。

1. 應力重分配與側向變位：開挖移除土體造成側向側向土壓力解壓，擋土壁（連續壁、排樁等）產生水平側移，帶動壁後地盤產生沉陷槽（Settlement Trough）。
2. 有效應力原理（Terzaghi's Principle of Effective Stress）： $\sigma' = \sigma - u$ 開挖區內外抽降地下水造成孔隙水壓 $u$ 降低，使土壤有效應力 $\sigma'$ 增加，引發非彈性之壓密沉陷（Consolidation Settlement）。
3. 鄰房損害指標（角變量與拉伸應變）： 相鄰兩柱或壁體之不均勻沉陷差 $\Delta \delta$ 與跨距 $L$ 之比值，即角變量（Angular Distortion）： $\beta = \frac{\Delta \delta}{L}$ 當 $\beta$ 超過容許界限（如磚石造 $\beta > 1/500$、RC 框架 $\beta > 1/300 \sim 1/150$）或伴隨地表水平拉伸應變（Lateral Tensile Strain, $\varepsilon_t > 0.05\% \sim 0.1\%$）時，建築物即產生剪力斜裂縫、傾斜甚至結構損壞。
4. 法定規範依據： 以命題當年（民國 107 年）之《建築技術規則》建築構造編第六章「基礎構造」及內政部《建築物基礎結構設計規範》為準，明定深開挖工法須檢核擋土壁強度、貫入深度、底面穩定性（抗隆起、抗砂湧、抗破底），並應設置觀測安全系統防止鄰地或鄰房沈陷、破壞。

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解題方法

本題為標準的**「圖文整合申論題」**。解題邏輯採「變位力學機制 $\rightarrow$ 開挖施工因素 $\rightarrow$ 鄰房受損型態」三層次切入：

1. 圖解鋪陳：繪製整體開挖斷面，包含擋土壁變形、支撐系統、水位洩降、地表沉陷槽，以及鄰房因基礎不均勻沉陷產生裂縫之連鎖機制。
2. 成因分類剖析：歸納四大物理成因（壁體側移、地下水抽降、壁體瑕疵漏水漏砂、開挖底面剪力失穩）。
3. 損害關聯連結：說明地盤變位之「垂直沉陷差」與「水平位移牽引」如何轉化為鄰房結構剪力與拉應力。

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示意圖說明

 【鄰房】 (淺基礎產生不均勻沉陷與斜裂縫)
 +-------+
 | 裂縫 | 地表沉陷槽 (Settlement Trough)
 | ／ | .~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (原始地表)
 +---+---+ .' 
 | | .' 
 =======+===+=======v====================+ 原始地下水位 ▼
 ////// [獨立/條形基礎] |
 |
 土壤流失/壓密沉陷區 | 擋土壁 (連續壁)
 |
 ==> 水平位移場牽引 | <--- 水平支撐 (Strut)
 |
 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - | 開挖面 (Excavation Line)
 洩降後地下水位 ▽ |
 +~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 | 隆起(Heave)/湧砂(Piping)
 |
 | 貫入端

圖中關鍵變位機制剖析

1. 壁體變位曲率：支撐未架設前之開挖呈「懸臂式側移」；支撐施加預力後續開挖轉呈「凹腹形（深層）側移」。
2. 沉陷槽範圍：沉陷槽最大沉陷點常位於壁後 $0.5H \sim 1.0H$ 處（$H$ 為開挖深度），鄰房若跨於沉陷斜率最大處，承受之角變量最為劇烈。
3. 水位洩降線：抽水使水力梯度由外向內流動，帶動水壓消散與細料流失。

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造成地盤變位導致鄰房損害之可能原因

一、 擋土壁體側向位移（Lateral Wall Deflection）

1. 機制：每階土方開挖至支撐架設並施加預壓力（Preload）之前，開挖面以上之擋土壁處於暫時無支撐狀態，土壓解壓促使壁體向開挖區內凸出。
2. 後續影響：土體為不可壓縮性塑性介質，壁體內移必造成壁後土體向開挖方向側移並向下滑陷，於地表形成沉陷槽。

核心觀念

本題旨在評量考生對「金屬帷幕牆」（Metal Curtain Wall）構造分類、構件組成、工廠預製程度及現場組裝工序之掌握度。

1. 法規與規範標準：依據《建築技術規則》建築構造編第 130 條之 1 至第 130 條之 6「帷幕牆設計專章」（以命題當年民國 107 年法規為準，現行法規維持此專章核心架構）以及 CNS 10209「建築用金屬帷幕牆」標準，帷幕牆定義為懸掛於建築物主體結構外側之非承重外牆，其結構安全性取決於將風載重、地震位移與自重傳遞至主結構之錨定扣件（Anchors）。
2. 分類判準：金屬帷幕牆依「構件工廠預組裝程度」與「工地現場裝配安裝方式」，國際通用與國內工程慣例標準歸納為四大系統：

• 桿件式系統（Stick System / Grid System）
• 單元式系統（Unitized System）
• 單元桿件式系統 / 半單元式系統（Unit and Mullion System / Semi-Unitized System）
• 柱樑遮板式系統（Column-Cover-and-Spandrel System）

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解題方法

本題為典型的「申論與製圖題」，答題版面配置應採「結構定義 $\to$ 四大系統個別論述與簡圖 $\to$ 綜合比較彙整」之三段式架構：

1. 系統剖析切入點：每一種系統均從「構成原理與現場工序」、「構造特點」、「適用時機」三維度切入，證明具備工程實務整合思維。
2. 考場繪圖標準：考卷繪圖不需繁瑣之細部螺栓，但必須以「剖面」或「立面軸側」示意標示出關鍵核心構件：結構體樓板（RC Slab）、錨定件（Anchor/Bracket）、立柱（Mullion）、橫樑（Transom）、金屬／玻璃面板（Panel/Glass）、嵌合部／填縫處，展現力學與氣密止水機制。

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選項分析（系統構成分類剖析）

本題為申論題型，無選擇題選項；依題意對四種構成系統進行對比辨析：

1. 桿件式系統（Stick System）：

• 機制：現場組裝率最高。將零散的擠型桿件運至現場逐一鎖固，再嵌板填縫。
• 特性辨析：材料體積小、運輸成本最低，但現場高空作業工時最長、品管最受氣候天候影響。

2. 單元式系統（Unitized System）：

• 機制：工廠組裝率最高。工廠完成全單元（含面板與防水膠條），現場以公母榫卡扣。
• 特性辨析：現場無須外部施工架即可自室內吊裝，耐震變形容量最大，但工廠模具成本高且需大型運輸吊裝機具。

3. 單元桿件式系統（Unit and Mullion System）：

• 機制：介於前兩者之間。立柱先安裝並校正鉛直度，單元板片再滑入立柱軌道定位。
• 特性辨析：現場誤差容許度較單元式高，適合樓層挑高特大、立面有特殊裝飾凸條之建築。

4. 柱樑遮板式系統（Column-Cover-and-Spandrel System）：

• 機制：以建築結構梁柱位置為分割依據，金屬板外包結構體，採窗帶方式填補開口。
• 特性辨析：強調建築外立面明晰的梁柱框架語彙，多用於重現現代主義網格立面之商辦。

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解題技巧

1. 配分與時間分配：國家考試 25 分題，作答時間嚴格控制於 22～25 分鐘之內。圖文比例控制在「40% 圖、60% 文」。
2. 精準得分圖面關鍵：閱卷老師閱卷極快，圖面務必使用直尺，清楚標記拉線引出構件名稱。單元式圖面務必畫出「公母公差接頭（Male-Female Joint）」，桿件式務必畫出「立柱貫穿多樓層伸縮縫（Expansion Joint）」。
3. 避坑指針：切忌只寫桿件式與單元式兩種；四種系統寫齊並輔以綜合比較表，為取得 20 分以上高分之關鍵。

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【答案】

一、金屬帷幕牆依構成方式之分類說明

金屬帷幕牆依其構件在工廠製作之完整程度及工地的組裝程序，主要劃分為下列四種系統：

1. 桿件式系統（Stick System，又稱構架式／元件式）

• 構成方式：所有構件（立柱、橫樑、面板、背襯板、保溫材及密封膠條）以零組件狀態運抵工地。施工時，先在主結構預埋件上固定支撐角鋼，接續安裝垂直立柱（Mullion），再組裝水平橫樑（Transom），最後嵌入金屬板或玻璃，並於現場進行防水密封填縫。
• 優缺點：
• 優點：構件體積小、運輸及儲存容易；現場組裝彈性大，能即時修正主體結構之公差。
• 缺點：現場高空作業繁多，受天候影響劇烈；現場施打矽利康（Silicone）受工人技術影響，品質一致性與防水性掌控較不易。

2. 單元式系統（Unitized System）

• 構成方式：以「一個樓層高 $\times$ 一至兩個柱跨寬」為一個標準模組單元。在工廠無塵及恆溫環境下，將鋁合金框架、金屬面板、玻璃、保溫隔熱層及密封氣密膠條完全組裝並打膠完畢。整塊單元運至工地後，自樓層內部以專用吊具外吊，透過上下相鄰單元邊框之「公母榫槽（Male & Female Split Mullion）」互相卡扣，掛載於結構樓板邊緣之預埋調節錨定座上。
• 優缺點：

核心觀念

本題以既有建築物耐震評估與補強實務為核心，評量考生對鋼筋混凝土（RC）柱震害機制與結構補強工法的掌握度。

1. 法規與規範依據： 依據內政部營建署（現為國土管理署）發布之《既有建築物耐震能力評估與補強規範》（以命題當年民國 107 年版本為準）及《混凝土結構設計規範》，既有建築物之耐震補強旨在補足結構之耐震能力差距，確保達到「小震不壞、中震可修、大震不倒」之性能目標。
2. 柱構件之常見震害破壞機制：

• 剪力破壞（脆性破壞）：剪跨比較小（短柱效應）、箍筋量不足或間距過大、未配置耐震彎鉤（$135^\circ$ 耐震彎鉤），受反覆剪力作用引發對角 $45^\circ$ 剪力斜裂縫而驟然破壞。
• 撓曲破壞與主筋挫屈：柱底或柱頂塑性鉸區圍束不足，核心混凝土壓潰剝落，縱向主筋受壓挫屈。
• 主筋搭接失效：搭接長度不足或搭接處無足夠箍筋圍束，受震時產生劈裂滑移喪失握裹力。

3. 柱補強的核心力學機制：

• 提升圍束效應（Confinement Effect）：利用外部套覆限制混凝土側向膨脹，由主動/被動側向壓力（$\sigma_l$）提升核心混凝土抗壓強度與極限壓應變（$\epsilon_{cu}$），提高構件之延展比（Ductility）。
• 增強抗剪容量：補足或增加橫向受剪剪力筋/剪力面，消除脆性剪力破壞，引導構件呈現塑性鉸之韌性破壞模式。
• 擴大斷面承載：增加有效受壓面積與縱向受力鋼筋，提高軸向受壓與雙向抗彎承載能力。

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解題方法

柱構件補強主要採「原位局部補強工法」，實務與規範中最標準且廣泛應用的三種工法為：鋼筋混凝土包覆工法（RC 外套工法）、鋼板包覆工法、纖維強化高分子複合材料（FRP）貼附工法。作答時須配合斷面構造圖，並依「工法原理、斷面圖解、材料與配件、施工步驟」條列說明。

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工法一：鋼筋混凝土包覆工法（RC Jacketing / 擴大斷面法）

1. 原理與適用性

在既有 RC 柱外圍配置新增縱向鋼筋與閉合圍束箍筋，並澆置新混凝土（通常為自充填混凝土 SCC）。此法可同時大幅提升柱之抗彎強度、剪力強度、軸壓容量及剛度，適用於構件受損嚴重、剛度嚴重不足或強柱弱梁檢討不合格之柱。

2. 構造斷面圖

 ┌───────────────────────────────────────────────┐
 │ 新澆置混凝土（自充填混凝土 SCC） │
 │ ┌─────────────────────────────────────┐ │
 │ │ ● ● ● ● ● │ │ ● 新增縱向主筋
 │ │ ┌───────────────────────────────┐ │ │ ─ 新增外圍閉合箍筋
 │ │ │ 舊柱表面全面打毛（深度≧5mm）│ │ │
 │ │ │ ┌───────────────────────┐ │ │ │ ▲ 化學植筋（剪力錨栓）
 │ │● │ │ ○ ○ ○ ○ │ │ ●│ │
 │ │ │ ▲ │ │ ▲ │ │ │ ○ 既有柱主筋
 │ │ │ │ ○ 既有 RC 柱核心 ○ │ │ │ │ ─ 既有柱箍筋
 │ │ │ │ │ │ │ │
 │ │● │ │ ○ ○ ○ ○ │ │ ●│ │
 │ │ │ └───────────────────────┘ │ │ │
 │ │ │ ▲ │ │ │
 │ │ └───────────────────────────────┘ │ │
 │ │ ● ● ● ● ● │ │
 │ └─────────────────────────────────────┘ │
 └───────────────────────────────────────────────┘

3. 關鍵施工步驟與細部要求

1. 表面打毛處理：清除粉刷層，將既有混凝土表面以水刀或小口徑氣錘均勻打毛至粗糙面（粗糙度深度 $\ge 5\text{ mm}$），清洗飽和並保持面乾內飽和（SSD）狀態。
2. 植筋與剪力傳遞：

• 沿柱身表面鑽孔並注入無收縮環氧樹脂，植入 L 型或 U 型剪力剪力釘（剪力錨栓），確保新舊混凝土介面完全剪力傳遞。
• 新增縱向主筋需穿透樓板至上下層柱或於梁板內完整錨定；若主筋不穿板，則柱頂柱底需留緩衝縫，避免承受非預期之局部軸力。

3. 組裝鋼筋籠：安裝外圍閉合箍筋，末端彎折角須符合耐震規定之 $135^\circ$ 耐震彎鉤，且平直段長度 $\ge 10d_b$ 且 $\ge 7.5\text{ cm}$。
4. 灌注混凝土：組模後澆置自充填混凝土（SCC）或膨脹性無收縮砂漿，避免骨材分離與蜂窩現象。

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工法二：鋼板包覆工法（Steel Jacketing）

1. 原理與適用性

利用兩片或四片裁剪成型之厚鋼板（通常為 $4.5\text{ mm} \sim 9\text{ mm}$）包覆於既有柱外部，接縫處以電焊滿焊封閉，並於鋼板與舊混凝土間隙注入無收縮水泥砂漿或環氧樹脂砂漿。此法顯著提高剪力強度與圍束延展性，但柱尺寸增加有限、自重增加極小。

2. 構造斷面圖

本題以命題當年（民國 107 年）內政部頒布之《鋼結構設計技術規範》（含參考之 CNS 7068 與 AWS A2.4 標準）為準。現行法規在基本銲接符號之定義與幾何繪法上完全一致，維持國際通用之標準體系。

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核心觀念

1. 銲接符號之組成體系： 依據《鋼結構設計技術規範》第十四章「接合」與工程製圖規範，標準銲接符號主要由「基準線」（水平橫線）、「箭頭指示線」以及位於基準線上／下方的「基本銲接符號」所組成。基本符號係用以指示接頭開槽（Groove）斷面形式或特定銲接種類。
2. 開槽幾何與象形原則： 開槽銲接符號大多採用接頭邊緣加工形狀的斷面「象形縮影」表示（例如 $V$ 形、開 $X$ 形、$U$ 形等）。
3. 定位繪圖鐵則（左直右斜）： 依規範規定，凡具有垂直邊之符號（例如單斜形、槽 $K$ 形、$J$ 形、雙 $J$ 形、斜喇叭形、填角銲接等），其垂直邊永遠固定繪於左側，傾斜邊或圓弧邊則位於右側，不得隨箭頭方向左右任意翻轉。

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解題方法

本題為標準的技術規範記憶與工程圖學符號對應題。解題關鍵在於掌握以下兩大類別之幾何特徵：

1. 開槽銲接（溝銲接）類：

• 單面開槽：依邊緣加工形式繪製幾何剖面，如直線雙邊（方形）、單斜邊（單斜形）、雙斜邊（$V$ 形）、單圓弧（$J$ 形）、雙圓弧（$U$ 形）、管或彎角單弧（斜喇叭形）、管或彎角雙弧（喇叭形）。
• 雙面開槽：將單面開槽符號沿水平軸上下對稱繪製。雙 $V$ 形即為「開 $X$ 形」；雙斜形即為「槽 $K$ 形」；其餘依序為「雙 $J$ 形」、「雙 $U$ 形」、「雙喇叭形」、「雙斜喇叭形」。

2. 非開槽特種銲接類：

• 填角銲接（直角三角形，直角邊固定在左）。
• 塞孔或塞槽銲接（橫向矩形長方框）。
• 背後銲接（單一隆起半圓形）。
• 堆積銲接（相鄰並列之雙半圓形）。
• 凸緣銲接：雙凸緣（兩平行線頂端各向外側折彎）、單凸緣（單邊為垂直線，另一邊頂端向外側折彎）。

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項目逐項解析

1. 方形開槽（Square groove）： 母材邊緣不作斜角加工直接對接，符號為兩條互相平行的垂直短線（$| \; |$）。
2. $V$ 形開槽（Single-V groove）： 兩母材接合面皆倒單邊斜角，組裝後呈 $V$ 字形，符號為頂端張開的字母 $V$ 形。
3. 開 $X$ 形開槽（Double-V groove）： 即「雙 $V$ 形開槽」，兩母材雙面均倒角，符號為上下相連對稱之英文字母 $X$ 形。
4. 單斜形開槽（Single-bevel groove）： 僅單側母材倒斜角，依「垂直邊在左」原則，符號為左側一垂直線、右側向下傾斜之斜線（$|/$）。
5. 槽 $K$ 形開槽（Double-bevel groove）： 即「雙斜形開槽」，單側母材雙面倒斜角，依「垂直邊在左」原則，符號為左側一垂直線、右側上下對稱之兩道斜線（類似去除左豎筆之 $K$ 字形，記為 $|<$）。
6. $J$ 形開槽（Single-J groove）： 單側母材加工呈圓弧凹槽，符號為左側一垂直直線，右側為底部帶圓弧彎起的凹線（形如 $|J$）。
7. 雙 $J$ 形開槽（Double-J groove）： 單側母材雙面皆加工呈圓弧凹槽，符號為左側一垂直直線，右側為上下對稱之兩道圓弧凹線。
8. $U$ 形開槽（Single-U groove）： 兩側母材邊緣加工組裝後底部呈圓弧槽，符號為底部為圓弧之英文字母 $U$ 形。
9. 雙 $U$ 形開槽（Double-U groove）： 兩母材雙面均加工呈圓弧槽，符號為上下對稱背對背之圓弧 $U$ 形（中央收縮呈雙弧槽，似沙漏外輪廓）。
10. 喇叭形開槽（Flare-V groove）： 兩側構件均具圓弧彎角（如兩圓管相接），斷面呈向外展開之雙弧，符號為兩道背對背、向外開展之對稱圓弧（記為 $)($）。
11. 雙喇叭形開槽（Double flare-V groove）： 兩側構件雙面相接處均為圓弧彎角，符號為上下各一組背對背雙弧之對稱圖形。
12. 斜喇叭形開槽（Flare-bevel groove）：