108 高普考高考三級 建築工程 建築結構系統 考古題詳解

核心觀念

本題考風作用於建築外殼時的定性風壓分布。風迎面受阻時，局部壓力升高，形成正風壓；氣流沿屋面流動或經過建築物後方的尾流區時，局部壓力降低，形成負風壓（吸力）。

圖中左側牆面有開口，風由左方吹入，使室內壓力升高。因此，C 區為正風壓。

解題方法與各區判斷

依風向逐區判斷：

核心觀念

本題考連續梁在均布載重下的正、負彎矩分布，以及依彎矩正負配置 RC 梁主筋：

• 跨中下凹、梁底受拉處為正彎矩，主筋配置於梁底。
• 支承處上凹、梁頂受拉處為負彎矩，主筋配置於梁頂。
• 懸臂受向下均布載重時，支承處為負彎矩；自由端彎矩為零。
• 均勻斷面表示梁的抗彎剛度 $EI$ 沿梁長相同。圖中未標跨長及懸臂長，彎矩圖應標示正負與形狀，不宜填入特定數值。

解題方法

以跨中正彎矩為正、支承處負彎矩為負。均布載重作用下，各段彎矩圖為拋物線。

1. A 支承為梁端支承，端彎矩為零。
2. B 支承兩側梁段連續，產生負彎矩。
3. C 支承右側有受載懸臂，故 C 處有負彎矩。若懸臂長為 $a$、均布載重為 $q$，則 $M_C=-\frac{qa^2}{2}.$
4. 自由端沒有外加端矩，因此彎矩回到零。

依圖示的跨間與懸臂比例，彎矩符號依序為：

因此圖形應呈現：AB 跨有一個正彎矩區；BC 跨在 B、C 兩端為負彎矩，中間為正彎矩；C 右側懸臂維持負彎矩至自由端。​各跨在正、負彎矩交界處有反曲點。

梁軸： A────────────B────────────C────自由端
彎矩： 0 正彎矩 負(B) 負→正→負 負(C)→0

均布載重下，上述各段均為拋物線；示意圖只標彎矩正負與反曲點，不按比例繪製。

核心觀念

本題考查鋼筋混凝土老舊建築的裂縫判讀與補強。作答時先依裂縫位置、方向及是否位於開口或構件交界處分類，再把修復分成兩步：先處理裂縫成因與受力問題，再修補裂縫本身。若裂縫仍在發展，只封縫或灌注材料無法消除造成裂縫的變形或受力。

圖中未標示裂縫寬度、深度及構件尺寸，以下依圖示裂縫位置與形狀分類作答。

解題方法與裂縫成因

一、門窗開口角隅的斜裂縫

圖中門窗角隅附近可見斜向裂縫。開口會使牆面剛度及受力路徑突然改變，角隅形成應力集中；地震造成的面內剪力、梁柱側移、基礎不均勻沉陷，均會使此處產生斜裂縫。若裂縫呈斜向貫穿牆面，須注意牆體剪力或框架變形造成的結構性損傷。

二、牆面下部及窗臺附近的水平裂縫

圖中門窗下方及牆面下部可見近水平裂縫。其成因包括基礎不均勻沉陷、樓層或梁柱變形造成牆體受拉，以及混凝土乾燥收縮、溫度變化或施工縫黏結不良。裂縫若沿梁、樓板或牆體交界延伸，常反映不同構件間的變形不一致。

三、開口側邊或牆面交界處的垂直裂縫

垂直裂縫常見於門窗邊、牆體與柱交界或牆面材料交界。混凝土與填充牆的收縮、溫度變形及剛度差異，會使交界面受拉而開裂；牆體長度較大而缺少適當伸縮或控制措施，也會增加收縮裂縫。

四、大開口上方及梁底附近的裂縫

圖中大開口上緣附近可見一系列短裂縫。大開口使上方牆段與梁承受較大的集中應力；若梁撓度過大、上方牆體支承或過梁不足，會在梁牆交界或開口上方形成裂縫。梁本身若出現彎曲或剪力裂縫，也代表須評估梁的承載能力與變形。

各類裂縫補強方案

一、門窗角隅斜裂縫

先確認裂縫是否持續擴大，並檢查梁柱及牆體是否有剪力損傷。裂縫已穩定且屬細小、非活動性裂縫時，可採低壓環氧樹脂灌注恢復裂縫面的黏結；

核心觀念

本題評量考生對「當代工程木材技術（Engineered Wood Products, EWP）」與「現代木構造系統分類及其力學行為」之掌握程度，為公職建築師類科近年切合淨零碳排（Net-Zero Emissions）與綠建築永續方針之重要題型。

1. 材料力學與物理特性：

• 強度重量比（Strength-to-Weight Ratio）：木材順紋抗拉及抗壓強度高，且自重輕（氣乾比重約 $0.4 \sim 0.6\text{ g/cm}^3$）。由結構耐震基本公式 $V = C_s \cdot W$ 可知，建物自重 $W$ 大幅減輕，地震剪力顯著降低。
• 大斷面耐火炭化機制：重木（Heavy Timber）遇火時表面形成炭化層（Charred Layer），炭化速率穩定（每分鐘約 $0.6 \sim 0.8\text{ mm}$），內部有效結構斷面（Residual Effective Section）受到隔熱保護，維持承載力，破除傳統「木造不耐火」的盲點。

2. 法規依據（以命題當年民國 108 年為準）：

• 依據《建築技術規則》建築構造編第四章「木構造」，設計規範涵蓋容許應力設計法（ASD）與大斷面木構造之耐火性能要求。（現行法已持續推動木構造放寬樓層與跨度限制，並引進極限設計理念）。

3. 工程木材技術進展：

• 膠合集成材（Glued Laminated Timber, Glulam）：主要承擔單向受力（樑、柱、大跨度拱）。
• 直交集成板（Cross-Laminated Timber, CLT）：層板垂直交錯膠合，具備雙向雙面剪力與面外抗彎能力，促使高層實木（Mass Timber）成為可能。

解題方法

申論答題採「結構力學理論 $\rightarrow$ 施工實務 $\rightarrow$ 永續價值 $\rightarrow$ 系統幾何圖解」之漸進架構：

1. 子題（一）切入點：不可流於抒情口號，須自「結構抗震優勢」、「防火性能突破」、「生命週期碳匯（Carbon Sink）」、「預製化乾式工法（DfMA, Design for Manufacture and Assembly）」等四維度切入，結合題目提示之「2020 東京奧運主場館」（大跨度木鋼複合）與「加拿大 Brock Commons」（高層輕重混構），進行論述。
2. 子題（二）切入點：木結構系統分類需依「受力傳遞路徑（Load Path）」與「空間組成形式」劃分。繪製標準二維剖面/軸側示意圖（ASCII Diagram），標示構件名稱、接頭特性（Connection）及受力機制（軸力、剪力、彎矩）。

選項分析（申論題答題配分拆解）

本題為申論題，非選擇題。試卷配分與作答比重分析如下：

• 子題（一）主要原因（配分 10 分）：
• 環境碳匯與永續性（3分）：光合作用固碳效應、低蘊含碳（Embodied Carbon）及取代高耗能鋼筋混凝土（RC）。
• 力學與耐震安全性（3分）：優異強度重量比，地震水平剪力小；具良好彈性韌性與節點耗能機制。
• 耐火性能突破（2分）：大斷面炭化延燒控制與數值可預測性。
• 工業化營建效率（2分）：BIM 精準下料、工廠預製（Off-site Pre-fabrication）、工地乾式吊裝，降低工期與勞力需求。
• 子題（二）結構系統分類與圖解（配分 10 分）：
• 輕骨架木構造系統（Light Wood Framing System）（2.5分）
• 樑柱重木構造系統（Heavy Timber / Glulam Post & Beam System）（2.5分）
• 直交集成板系統（Mass Timber / CLT Panel Wall-Slab System）（2.5分）
• 木－混凝土／木－鋼混構系統（Hybrid / Composite Timber System）（2.5分） （每一系統皆須附上結構傳力示意圖與受力特性說明）

解題技巧

1. 破除直覺謬誤：許多考生誤答「木材不環保因為砍伐樹木」。必須強調採用「永續認證林場（FSC/PEFC）」之人工蓄積林，方構成「固碳－生長－採伐－替代」之良性碳循環。
2. 必背材料縮寫與工法關鍵字：Glulam、CLT、LVL（單板層積材）、Mass Timber、Charring Depth（炭化深度）、Dry Joint（乾式鋼板金屬銷接）。
3. 高分繪圖手法：申論紙上若要求「以圖例說明」，務必繪製節點詳圖或構架軸側圖，並明確標記載重方向箭號（Gravity & Lateral Loads）、構件名稱，展現專業工科圖面表達力。

【答案】

（一）木建築之所以被重視及採用之主要原因

現代工程木構造（Mass Timber）擺脫傳統原木結構之尺寸與防護限制，受到全球高度重視並導入大型及高層建築，主因包含以下四大核心層面：

1. 卓越之減碳效益與生命週期碳匯（Carbon Sink）：

• 固碳能力：木材透過光合作用將大氣中之二氧化碳固化於木質素中（每立方米木材約可固定約 $0.9 \sim 1.0\text{ 噸}$之 $\text{CO}_2$），建築本身即為碳儲存載體。
• 低蘊含能（Embodied Energy）：相較於鋼筋、水泥高溫開採提煉之高耗能高碳排過程，木材初級加工能耗極低，若自永續林業採伐，可實質達成建材全生命週期之負碳與低排碳效應。

2. 高強度重量比與優越之耐震韌性：

• 木材自重輕（容積重量約 $400 \sim 600\text{ kg/m}^3$，約為鋼筋混凝土之 $1/5$ 至 $1/4$），依據耐震設計基本原理： $V = \frac{S_{aD} \cdot I}{1.4 \cdot \alpha_y \cdot F_u} \cdot W$ 建物有效總重 $W$ 之大幅下降直接降低結構所受之地震總橫力。

核心觀念

圖 4 所示為雙向格子梁版，又稱井字梁版、雙向肋版（waffle slab）。其作法是在薄版下方沿兩個互相垂直方向配置混凝土肋梁，形成規則的格狀肋系；版格由柱支承，圖中可見柱位與格子肋相對應。

本題重點是辨認格子梁版，並說明它如何以「薄版分配荷重、雙向肋梁承受彎曲與剪力、柱傳力至基礎」形成整體結構系統。

解題方法與結構行為

可由圖中的兩個線索判讀：平面呈現正交格狀網目，剖面則可見版底有重複的肋梁起伏，並由柱支承。這與實心平版不同，格子梁版把部分混凝土集中在肋梁，形成雙向受力的梁版系統。

荷重傳遞順序如下：

1. 樓版承受面載重：樓面自重、使用載重及設備載重先作用於薄版。
2. 薄版將載重分配至兩向肋梁：版格依兩方向的剛度與跨度分配載重；肋梁承受其分配到的線載重。概念上，若面載重為 $q$、肋梁分擔寬度為 $s$，則肋梁線載重可表示為 $w=q s$。
3. 肋梁以彎曲及剪力傳力：肋梁跨越柱間，跨中主要受正彎矩，支承附近連續梁段主要受負彎矩，並須檢核剪力。
4. 柱將反力傳至基礎：柱與版、肋梁整體連接，將上部荷重傳至基礎。柱周圍須注意局部剪力與沖切剪力；設計時亦須檢核版格、肋梁及柱接合處的強度與變形。