108 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

本題旨在評量考生對於既有鋼筋混凝土（RC）結構耐震補強工法中「纖維強化高分子聚合物（FRP，本題特指碳纖維 CFRP）」材料力學機制、施工特性及結構適用性的掌握程度，並考驗能否將工法特性與特殊建築物使用機能（公有市場）相結合進行工程判斷。

1. 核心力學機制：

• 橫向向心圍束效應（Confinement Effect）：碳纖維貼片環向包覆於柱身，提供側向被動拘束應力（Passive Confinement Pressure $f_l$），抑制核心混凝土側向膨脹開裂，提升混凝土等效受壓強度（$f'_{cc} > f'_c$）與極限壓縮應變（$\epsilon_{cu}$ 大幅提高），進而顯著提升構件之韌性容量（Ductility Capacity）。
• 剪力強度提升（Shear Strengthening）：橫向纖維可視同外加之閉合箍筋，提供額外剪力強度 $V_f$，使柱標稱剪力強度由 $V_n = V_c + V_s$ 提升為 $V_n = V_c + V_s + V_f$，促使破壞模式由脆性剪力破壞轉化為延性彎矩降伏，落實「強剪弱彎」之耐震設計原則。
• 彎矩與勁度特性：環向包覆對柱的抗彎強度及初期側向勁度（Stiffness）提升極為有限，不會顯著改變結構物之振動自然週期，亦不大幅額外吸引地震力。

2. 法規與技術依據（以命題當年民國 108 年規範為準）：

• 《建築物耐震設計規範及解說》
• 內政部營建署《既有建築物耐震能力評估及補強作業要點》
• 國家地震工程研究中心（NCREE）《鋼筋混凝土建築物耐震補強技術手冊》 （現行法規與技術指引架構延續此一力學評估準則）。

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解題方法

本題為公職申論題，解題切入點應分為四個維度開展：補強特性（材料與力學機制）、優點、缺點及限制條件。答題時務必扣合「鋼筋混凝土公有市場」的空間機能與結構特點（如：底層挑高通透、商業動線繁忙、攤位空間受限、環境潮濕多水、短柱效應顯著、營業不易長期中斷等）進行申論。

一、碳纖維包覆柱補強之特性

1. 材料特性：

• 質輕高強：抗拉強度約為一般結構鋼材的數倍至十倍，比重僅約為鋼材之 $1/4 \sim 1/5$。
• 非等向性（Anisotropic）：沿纖維排列方向具有極高的抗拉剛度與強度，正交方向則僅依賴基底樹脂黏結。

2. 結構與力學特性：

• 提供被動側向圍束：當柱核心混凝土受壓膨脹時，CFRP 產生環向拉應力並對混凝土施加側向拘束壓應力 $f_l$，大幅延緩混凝土崩解壓碎。
• 剪力補強顯著、剛度變化極小：顯著提升抗剪承載力與位移延散能力，但構件截面慣性矩 $I_g$ 幾乎未變，故柱之彈性側向勁度幾乎不變，不改變整體結構之地震力分配。

3. 耐久與物理特性：

• 高抗蝕性：不具金屬生鏽腐蝕問題，耐酸鹼鹽腐蝕。
• 熱敏感性高：基底含浸與黏結樹脂（Epoxy）受熱易軟化裂解。

二、優點分析

1. 空間利用與外觀影響極小：

• 補強厚度極薄（每層約 $0.1 \sim 1\text{ mm}$，含批覆通常僅數公分以內），完工後柱截面幾乎不擴大，完全不縮減公有市場的攤位面積、走道淨寬與通風採光。

2. 施工迅速、可分區分期施作（減輕營業衝擊）：

• 無需大型重機具（如吊車、預拌車）或大量支撐架，材料搬運容易，可於夜間或市場休市時段進行局部乾式或濕式作業，利於「維持營業狀態下補強」。

3. 不增加結構自重與基礎負擔：

• 因材料極輕，補強後建物自重幾無增加，不會對下部結構基礎、地盤承載力造成額外負擔，基礎結構通常免予開挖補強。

4. 耐水氣與化學腐蝕性佳（高度適應市場環境）：

• 公有市場之生鮮魚肉、蔬果沖洗區水氣重、鹽分與油脂含量高，傳統鋼板包覆易生鏽剝蝕，碳纖維則具備極佳的耐濕氣與耐腐蝕能力。

5. 有效解決短柱剪力破壞與開裂問題：

• 公有市場外圍或夾層常有局部磚牆、通風窗矮牆，形成危險的「短柱效應」。環向包覆可針對短柱之剪力缺陷進行精準補強，防止大震下發生脆性剪斷。

三、缺點分析

1. 耐火性與抗高溫能力極差：

• 用於黏結與傳遞應力的環氧樹脂（Epoxy），其玻璃轉移溫度（Glass Transition Temperature, $T_g$）通常僅在 $60^\circ\text{C} \sim 80^\circ\text{C}$ 之間。火災高溫下樹脂迅速軟化失效，失去應力傳遞界面。因此必須額外施作厚實之耐火披覆（如防火石膏板、防火砂漿或膨脹型耐火漆），徒增額外工序與成本。

2. 無法提升側向抗側力勁度與彎矩容量：

• 環向包覆僅提升剪力強度與延性，若公有市場具備底層挑空之「軟弱層（Soft Story）」缺陷、整體剛度嚴重不足或側向變位過大時，CFRP 包覆柱無法有效降低結構層間變位角，無法防止因 $P-\Delta$ 效應引發之倒塌。

3. 施工工藝與介面品質敏感度極高：

• 補強成敗高度取決於原混凝土基材之表面處理（噴砂研磨、除油、修補平整度）、底漆附著力、含浸飽和度與脫泡排氣。一旦施工不慎產生空隙，極易發生局部提早脫黏剝離（Debonding Failure）。

4. 材料成本高且檢查維護不易：

• 碳纖維布及專用結構膠單價偏高；包覆完成後，內部混凝土之劣化、裂縫發展或內部鋼筋鏽蝕無法以外觀直接目視檢查。

核心觀念

本題的核心觀念為土壤力學與基礎工程之「地下水浮力與抗浮力平衡機制」（Archimedes' Principle in Geotechnical & Foundation Engineering）以及《建築技術規則》建築構造編「基礎構造」之抗浮穩定性檢算。

1. 基本物理機制與力平衡： 地下室為一封閉或半封閉之中空箱型構造（如筏基），當基礎開挖完成並澆置地下室結構後，結構體排開地下水即產生向上浮力 $U$： $U = \gamma_w \cdot V_{\text{disp}} = \gamma_w \cdot A \cdot h_w$ 其中 $\gamma_w$ 為水之單位重（$1.0 \text{ tf/m}^3$ 或 $9.81 \text{ kN/m}^3$），$A$ 為受浮力作用之底版投影面積，$h_w$ 為底版底面至地下水位面之靜水水頭高度，$V_{\text{disp}}$ 為排開水體之體積。

2. 抗浮安全係數（Factor of Safety against Uplift, $FS$）： 依據內政部《建築物基礎構造設計規範》（以民國 108 年命題時有效之規範版本為準），結構體抵抗浮力之安全係數定義為： $FS = \frac{\sum W + \sum R}{U}$ 其中：

• $\sum W$：結構體本身總自重及作用於其上之土壤或永久載重。
• $\sum R$：與土壤界面之抗拔阻抗力（如外壁周面摩擦力、抗拔基樁、抗浮地錨之極限拉拔力除以安全係數）。
• $U$：總浮力。 規範規定在施工階段通常要求 $FS \ge 1.1 \sim 1.2$，於長期永久使用狀態則要求 $FS \ge 1.2 \sim 1.5$。若施工期間 $\sum W + \sum R < U$（即 $FS < 1.0$），結構體即發生上浮（Flotation）。

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解題方法

本題為高考二級標準之申論專題，答題邏輯應秉持「力學破壞機制 $\rightarrow$ 逆向恢復平衡 $\rightarrow$ 事前工程防禦」三部曲進行開展：

1. 原因分析：從浮力力平衡公式 $U > \sum W + \sum R$ 切入，拆解成「向上浮力 $U$ 異常激增」與「抗浮重力 $\sum W$ 及抗拔力 $\sum R$ 不足」兩大維度，結合施工現場情境（暴雨、降水失效、回填未做、自重輕）進行論述。
2. 緊急應變：著眼於「以最短時間恢復力平衡並控制損害」，優先採行最直接有效的「內部注水加載」與「底版洩壓」，並配合降水與監測，防止浮力持續破壞結構或損及鄰房。
3. 預防方法：按工程生命週期分為「規劃設計階段」（地下水位評估、配置抗浮構件、洩壓工法）與「施工管理階段」（分層降水管控、工序配重、雙迴路監控預警），提出具體可行的工程對策。

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解題技巧

1. 破題重點——辨識「施工階段」的致命弱點： 許多考生常誤以永久完工狀態思考，但本題特別強調「施工地下室結構體階段」。此時建築物上部地上層尚未興建，整體結構處於自重極小期，且外牆周邊往往尚未回填，一旦抽水系統中斷或暴雨水頭驟升，極易達到浮力臨界點。
2. 應變判斷竅門——「內部注水」優於「盲目抽水」： 發生上浮時，若僅在基地外側盲目加大抽水，可能因周邊水位遽降導致鄰近道路或鄰房發生過大沉陷（引發二次公害）；最安全、迅速的應變是「立即向地下室或筏基內注水」，直接增加 $\sum W$ 壓制上浮。
3. 結構體答題綱要化： 申論題切忌一段到底，善用工程專有名詞（如：抗拔樁、抗浮地錨、筏基回灌、底版洩壓閥、觀測井），採列點分項呈現，有助於閱卷委員快速掌握給分要點。

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【答案】

一、施工地下室結構體發生上浮之可能原因

結構體上浮之本質為「向上之總浮力」大於「結構自重、附加載重及地盤抗拔力之總和」（即 $FS < 1.0$）。於施工階段，主要原因歸納如下：

1. 地下水位異常抬升（浮力 $U$ 驟增）：

• 極端氣候影響：颱風或連續暴雨使地表逕流下滲，造成淺層或承壓地下水位劇烈暴漲，超出原設計預估之施工常態水位。
• 外部水源入滲：基地周邊大型自來水幹管、雨污水箱涵破裂漏水，使連續壁外側孔隙水壓短時間內急遽聚集。

核心觀念

本題核心在於考驗考生對「多孔質無機基層（鋼筋混凝土／水泥砂漿）」與「有機高分子防水層（如 PU 塗膜、改質瀝青防水氈、高分子薄片）」界面作用機制之掌握。其物理機制牽涉到氣體與水氣受熱膨脹之蒸氣壓（Vapor Pressure）、材料固化（揮發）過程之流變特性以及界面黏結強度（Adhesion Strength）。 相關工程規範依據包括：

1. 行政院公共工程委員會《施工綱要規範》第 07110 章「防水材料」、第 07120 章「薄片防水」、第 07140 章「塗膜防水」。
2. 中華民國國家標準 CNS 8644「建築用聚氨酯防水材」及相關檢驗標準。
3. 命題當年（民國 108 年）之《建築技術規則》建築構造編與相關施工規範：基層乾燥度檢驗標準通常要求基層含水率須降至 $8\%$ 以下，方可進行有機防水塗層施作。

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解題方法

本題為高普考典型之構造施工「病態診斷與防制對策」申論題。解題架構採「機轉剖析 $\rightarrow$ 因子分類 $\rightarrow$ 對策對應」三階段切入：

1. 成因分析：自「水氣物理膨脹（熱力學）」、「基層處理不良（接著界面）」、「材料與施工瑕疵（工藝與環境）」三大構面逐一剖析鼓起與氣泡之成因。
2. 對策擬定：依照工程施作生命週期，由「基層品質管制（事前）」、「施工環境與工法控制（事中）」、「構造排氣系統設計（物理排壓機制）」給出對應具體技術作法。

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選項分析

本題為申論題，無選擇選項。評分時閱卷委員著重於「成因」與「對策」是否具備邏輯對應性，其評析對照如下：

• 成因一：基層含水率過高 $\longleftrightarrow$ 對策：嚴格檢測含水率（$\le 8\%$）與塑膠布覆蓋測試。若未乾即覆蓋不透氣防水層，烈日直曬下水汽化膨脹產生極大壓力。
• 成因二：基層封閉不良與孔隙吐氣 $\longleftrightarrow$ 對策：高滲透型底漆（Primer）封孔與固化脆弱面。混凝土多孔質毛細管內空氣遇熱膨脹，突破尚未硬化之防水層形成氣泡（針孔）。
• 成因三：材料攪拌與塗佈工藝不良 $\longleftrightarrow$ 對策：低速攪拌、避免烈日高溫暴曬下施作、採薄塗多道工法。攪拌過快包風或單道塗膜過厚，表面過早結皮（Skinning），使內部溶劑無法揮發。
• 成因四：無氣體消散管道 $\longleftrightarrow$ 對策：採用「通氣工法」設置脫氣筒（排氣盤／通氣管）。大面積屋面缺乏水蒸氣消散機制，勢必在最脆弱弱面產生鼓起。

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解題技巧

1. 破題關鍵口訣：「水、氣、熱、界面」。

• 水：潛在水分汽化。
• 氣：混凝土孔隙吸附之空氣或攪拌捲入之空氣。
• 熱：日照太陽熱能導致內部體積膨脹（依理想氣體方程式 $PV=nRT$，密閉水氣汽化後體積膨脹逾千倍，產生極大破壞性蒸氣壓）。
• 界面：黏著力小於蒸氣壓即形成鼓起。

2. 易犯陷阱：

• 誤將「氣泡（Bubbling／Pinholes）」與「大面積鼓起（Blistering）」混為一談。氣泡多偏向材料施工當下之攪拌包風、溶劑逸散受阻或毛細孔吐氣；鼓起則多屬於防水層成型後，基層水分汽化頂起膜層之界面剝離。答題時宜清楚區分兩者層次。
• 僅回答「加強防水」或「做好乾燥」，未提出具體量化指標（如含水率 $8\%$、乾燥期 28 天）或構造構法（排氣閥／脫氣盤工法），導致缺乏工程專業深度。

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【答案】

一、屋頂防水層施工後「鼓起」與「氣泡」之發生原因

屋頂防水層（以塗膜型 PU 防水、改質瀝青油毛氈或高分子自黏薄片為代表）完工後出現之鼓起（Blistering）與氣泡（Bubbling／Pinholes），其根本機制為「受熱封閉氣體或水氣之膨脹壓力」大於「防水層與基層間之界面接著強度（或防水層本身的抗拉強度）」。具體肇因分析如下：

(一) 基層含水率過高與蒸氣壓作用（鼓起之主因）

1. 水氣相變與體積劇烈膨脹：結構混凝土打設或水泥砂漿打底完成後，養護水分未充分散逸即進行防水施工。當屋面受到強烈日照曝曬，混凝土內部未排出的自由水轉化為水蒸氣，水汽化時體積膨脹達 1,000 倍以上。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於「營造職業安全衛生」與「室內裝修施工實務」之整合應用能力，重點在於區分​「健康危害」（Occupational Health Hazards，著重於環境因子引發之生理病變或職業病）​與一般的「安全事故」（如墜落、倒塌、物體飛落等工安外傷），並依據​「控制階層」（Hierarchy of Controls）​提出合規且可行的改善工程與管理策略。

本題主要涉及之法令規章與學科理論包括：

1. 相關法規（以命題當年民國 108 年法規為準）：

• 《職業安全衛生法》及其施行細則
• 《職業安全衛生設施標準》
• 《營造安全衛生設施標準》
• 《危害性化學品標示及通識規則》
• 《有機溶劑中毒預防規則》
• 《粉塵危害預防標準》
• 《特定化學物質危害預防標準》
• 《建築物室內裝修管理辦法》

現行法規雖於後續年度針對化學品分級管理與部分設施標準有微幅文字修正，但防護體系之核心架構與規範精神均以民國 108 年規範為基準。

2. 職業衛生危害分類：化學性危害、物理性危害、人因工程性危害、生物性危害。
3. 危害控制階層理論：消除 $\rightarrow$ 取代 $\rightarrow$ 工程控制（局部排氣、整體換氣、隔離） $\rightarrow$ 行政管理（輪班、作業檢定、教育訓練） $\rightarrow$ 個人防護裝備（PPE）。

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解題方法

本題為典型的高考二級「分析論述題」，切入點應採​「危害分類辨識 $\rightarrow$ 控制階層對應防護」​之系統化架構作答：

1. 空間特徵破題：室內裝修多處於受限或半密閉之室內空間，且常有不同工種（拆除、泥作、木作、水電、油漆）交叉作業之特性，致使有害因子易蓄積不易逸散。
2. 分類剖析危害：將健康危害依職業衛生標準分為四大領域（化學性、物理性、人因工程性、生物性），精準列舉現場材料（如有機溶劑、矽酸鈣板、木粉塵、舊建材石綿）與工法引發之生理疾病。
3. 層次對應措施：依「源頭工程控制 $\rightarrow$ 管理制度 $\rightarrow$ 個人防護」三層防護網，提出具體可行的技術與法規要求，避免流於空泛的口號。

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選項分析

本題為申論論述題，無選擇題選項。作答時應注意題意之雙核心主軸：

• 健康危害（約占配分 $50\%$）：須針對「室內裝修」專屬作業進行具體論述，切忌寫成泛泛的工地常識。
• 對應措施（約占配分 $50\%$）：須與前述健康危害一一對應，並符合現行營造工程之標準防護技術。

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解題技巧

1. 破除名詞混淆陷阱：考題明確要求「健康危害」，切勿大幅篇幅論述「施工架倒塌」、「感電」、「高處墜落」等純安全/外傷事故，應將焦點鎖定在粉塵肺病、溶劑中毒、神經病變、聽力損失及骨骼肌肉病變等「職業病與生理損害」。
2. 關鍵字精準投放：答案內務必帶出法規專有名詞，如「揮發性有機化合物（VOCs）」、「游離二氧化矽」、「局部排氣裝置」、「安全資料表（SDS）」、「局限空間作業」、「手臂震動症候群（HAVS）」等。
3. 圖表化架構編排：作答時採用階層條列式（大標、中標、小標），各項危害與對策兩兩呼應，呈現邏輯清晰度。

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【答案】

一、前言

建築室內裝修工程常於相對密閉、通風不良之空間施作，且具備工期緊湊、工種重疊（拆除、水電、木作、泥作、塗裝）等特點。施工人員長時間暴露於高濃度有害物質與不良作業環境中，若無適當防護，易引發各類急慢性職業病。

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二、施工人員可能面臨之健康危害

室內裝修作業環境中之健康危害因子，依職業衛生學分類如下：

(一) 化學性危害

1. 揮發性有機溶劑（VOCs）中毒：

• 來源：油漆、防腐劑、強力膠、溶劑型黏著劑、稀釋劑（甲苯、二甲苯等）。
• 危害：高濃度揮發蒸氣易刺激呼吸道與眼睛黏膜；長期吸入可造成中樞神經系統損傷、肝腎功能受損、頭暈、噁心甚至慢性中毒。

2. 有害粉塵與呼吸系統病變：

• 來源：隔間板材（矽酸鈣板、石膏板）裁切打磨、泥作打底批土、磁磚石材乾式切割。
• 危害：粉塵含有游離二氧化矽結晶，長期吸入易導致塵肺症（矽肺症）；木作產生之細微木屑粉塵易致呼吸道過敏、氣喘，部分硬木粉塵更具致癌風險。

3. 石綿纖維危害：