●生活科技ch02

學習目標

1. ​鼓勵從生活多方觀察、發現結構型態與力學原理並理解其意義，同時培養創意思考的靈感來源。
2. 認識、熟悉多種結構與應用模式，以期未來能運用、整合於工程規劃。
3. 透過實作了解結構的強度與變化並與知識理論整合，加強空間概念與啟發實作興趣。

生活中人們運用科學、數學、工程領域的專業，在安全與經濟的考量上，所建造或改善自然環境的人造物，都是工程領域具體可研究及操作的主體。其中，在建築、土木工程領域中，結構設計是安全之本，而基礎力學則是進行結構設計與模擬時的重要計算考量。

本章將從生活中常見的結構形式及相關應用出發，介紹其基本力學原理、設計型態；並進一步在課間活動「抗震結構的設計與製作」，透過電腦3D建模，先模擬並觀察結構在不同受力狀況下會產生哪些變化與破壞，接著藉由結構模型之原型製作、測試，與電腦模擬結果進行對照、分析，進一步思考理想條件與真實限制對工程設計的差異與影響，體驗工程人員解決問題時，是如何思考、設計與測試。

常見的結構型態與應用

人們為了能遮風避雨、抵禦侵擾，建造了建築物；希望快速抵達目的地及更省力便利的完成工作，逐步設計出各種載具或動力機構裝置。每位專業工程從業人員，均以確保「安全實現」為第一要務，來創造出今日非凡的工具、機器與建物。

本章將從生活中可觀察的各種結構應用出發，了解其基本力學原理、設計型態，進一步透過練習設計、製作抗震結構，體驗工程人員是如何思考、設計與解決問題。

交通部針對2019年10月1日上午9時30分宜蘭南方澳大橋斷裂崩塌事件進行專題報告時，起初判斷應為拱橋西側約5至6根預力吊索斷裂引起（吊索共13支），後經國家運輸安全委員會調查，發現該橋因高鹽量、海風、海水侵蝕，使得橋面端錨與鋼絞線嚴重鏽蝕，造成4條吊索有效殘餘面積僅剩約25%左右；加上橋梁竣工後的7次定期檢測皆以目視進行，且事故前3年7個月期間，均無任何檢測作業，導致此嚴重工程事故發生，而近年為創造海埔新生地，大卡車頻繁超載消坡塊往來跨港大橋兩端，恐也是附加因素。

交通部針對2019年10月1日上午9時30分宜蘭南方澳大橋斷裂崩塌事件進行專題報告時，起初判斷應為拱橋西側約5至6根預力吊索斷裂引起（吊索共13支），後經國家運輸安全委員會調查，發現該橋因高鹽量、海風、海水侵蝕，使得橋面端錨與鋼絞線嚴重鏽蝕，造成4條吊索有效殘餘面積僅剩約25%左右；加上橋梁竣工後的7次定期檢測皆以目視進行，且事故前3年7個月期間，均無任何檢測作業，導致此嚴重工程事故發生，而近年為創造海埔新生地，大卡車頻繁超載消坡塊往來跨港大橋兩端，恐也是附加因素。

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仔細觀察生活中各種天然或人工物，結構的應用隨處可見。生物的骨骼、植物的枝幹、堅硬的貝類殼狀保護物、從古至今持續進化的建物、橋梁等，均是結構設計者觀察與學習如何對抗重力、導引力的消散與流動，進而撐起整體材料載重與受力情況的設計參考對象。

我們將藉由幾種建築常見與特殊設計的結構形式，來認識該結構設計時的受力狀況，及如何進行力的分析，以達到安全且強固的效果。

框架結構

由水平支撐構件「梁」與垂直支撐構件「柱」，以剛性接合方式，如榫接、銲接及螺栓接合所構成的各種框架型態。當載重與水平力作用於框架結構的梁上時，力會經梁傳到柱，再傳至地面，因此梁若彎曲、柱也彎曲，結構中的牆面不負責承重或力的處理。

框架結構因構件截面較小，節省材料、自重輕、空間可靈活分隔，及梁、柱構件易標準化、定型化製造或澆注成各種需要的截面形狀，便於採用裝配及具縮短施工工期等優點，常見於結構設計中。

但因框架是由梁、柱構成的桿結構，其承載力和剛度都較低，加上接合處節點應力集中顯著，抗震性較弱，設計與施工時均須特別留意。

若為鋼筋混凝土框架時，當高度、樓層數多時，結構越底部的柱，軸向受力很大，且梁和柱由水平荷載所產生的彎矩亦顯著增加，從而導致截面尺寸和配筋增大，對建築平面布置和空間處理就可能帶來困難，影響建築空間的合理使用，故較不適用於建造高樓層建物。

知識不斷電

判別一個節點屬於剛性或鉸性連接，主要是看轉動剛度。剛性連接不應產生明顯的連接夾角變形，即連接夾角變形對結構抗力的減低應不超過5%。理想的剛性連接假定梁柱連接有足夠的剛性，梁柱間無相對轉動，連接能承受彎矩；鉸性連接則假定結構承受荷載時，主梁和柱之間只傳遞垂直或水平剪力，不傳遞彎矩，連接處可以轉動。

桁架結構

將桿件以三角形為基本構造，利用桿件受向量力後之伸長或縮短，及其結合角度之改變，來抵抗及改變外力方向的結構系統。

構材多採用鉸接方式，再擴張組成大型桁架。受力主要以軸向的拉力及壓力為主，結構會以彎矩方式來展現受力後的變化。桁架結構因可設計大跨距，或具高強度與視覺效果的構造物，因此各種桁架設計出現後，也推動鐵製橋的普及發展。

桁架的分類與種類

長方形、臺型類型

三角形類型

鋼骨構造的初期同時發展造橋的技術

不列顛大橋

不列顛大橋是橫跨安格爾西島和威爾士大陸之間梅奈海峽的橋梁，為世界第一座煉鐵製箱型桁架橋，代表了橋梁建造方面的突破性進展。在這之前，最長的熟鐵橋跨度只有31英尺6英吋，此外，不列顛大橋也是全世界成千上萬座板梁橋（最實用的鐵路橋）的先驅。

薄殼結構

由彎曲的面板構建而成，能讓室內的空間得到最大的使用彈性。藉由連續的曲面，將受力藉由拉力與壓力傳至地基，但若發生局部集中受力，就會產生如蛋殼受撞擊情況，有崩壞的危險。殼體結構的運用在近代展現了結構美學，日本建築大師丹下健三所設計的聖瑪莉大教堂，利用雙曲拋物面薄殼結構形構出的建築型態，造就了空間連續、開放的個性，整個教堂空間沒有明顯的屋頂與牆壁之別。

薄殼結構力學

利用薄殼結構的力學原型，可以發現薄殼的力學流動。

膜結構

使用各種拉力專用構材來塑形，將空氣注入受到膜包覆的空間中，使內部壓力升高形成空氣膜來對抗自身重量與外力，具有質輕、高透光及造形自由的優點。將膜狀的構材懸吊起來或包覆在骨架上的做法，早期應用於一般常見的帳篷、天幕，但直至20世紀以後才被使用於結構力學上。

膜結構的主要形式

膜結構是將作為拉力構材的膜材，結合其他壓縮構材所構成的一種手法。主要形式有下列三種。

一、充氣式膜結構

充氣式膜結構是將膜材固定在屋頂周邊，利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力，以至屋頂內外產生相應的壓力差來抵抗外力。因充氣式膜結構利用氣壓及鋼索作為輔助支承，無需任何梁、柱，使得實際利用空間更大。不僅施工快捷，而且經濟效益高，但送風機需要24小時不停運轉，因此成本較高。

在日本東京文京區有一座「蛋」型的建築物，那就是著名的「東京巨蛋」，作為日本膜結構建築的代表作。東京巨蛋採用膜結構遮陽棚材料，在北京「水立方」還未建成之前，東京巨蛋是世上最大的充氣膜結構。屋頂為具有彈性的膜材料，外形的控制上利用氣壓維持，巨蛋內氣壓比外面高0.3%，建築面積達到了46755平方米，為了防止空氣洩漏，所有的出入口都選擇使用旋轉門。採用膜結構的特點是因為其自重輕、造型可以隨意設計、施工速度也比傳統鋼梁結構快、花費上也要少。

二、張拉式膜結構

張拉式膜結構以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以固定形式。不僅具有實用性強、創新美觀的特點，而且是最能體現膜結構精神的構造形式。近年來，大型跨距空間也多採用此種膜結構形式。因施工精度要求比較高、結構性能比較強，且表現力豐富，所以在造價方面略高於骨架式膜結構。

三、骨架式膜結構

骨架式膜結構以鋼構或集成材構成屋頂骨架，在其上方採用張拉膜材的構造形式，下部支撐結構安定性高。因骨架式膜結構具有屋頂造型比較簡單，開口部不易受限制且經濟效益高等特點，被廣泛應用於各種大、小規模的膜結構空間建構中。

懸索結構

是利用繩索或鋼纜等拉力專用構材所構成的結構，多來建構大空間或大跨距的設計，早期的吊橋或吊床中多可見此應用。

懸索結構原理

懸索結構與膜結構都是拉力結構的一種，是靠拉力才能成立的結構形式。活用在橋梁甚至是建築物上。

思考不短路

橋梁、建築物，或是保溫瓶、桌椅、講臺、車子，甚至是植物的根、莖、葉。試著去觀察並思考其造型與結構力學之間的關聯，是以何種結構型態來延伸？又是如何撐起整個構造物？使用哪些材料來建造與組合？

結構基本力學原理

存在地球上的所有物件，設計製作時都需妥善分析處理重力及材料各種受力後帶來的影響。結構設計師需運用力學、數學及經驗，考量材料特性與接合方式，輔以電腦計算與模擬，設計出各種能抵抗重力、風力與地震力，及各種可能外力的安全結構，並確保當結構遭受破壞時，仍可保護人身安全的各種建物。

以一般建築構造物而言，主要的受力考量可分垂直載重與水平載重兩類。

結構物所承受的固定載重（如建材、家具等）、活動載重（如人員、貨品、車輛等），因重量都指向地心，稱為垂直載重；其上作用方向平行地面者，如風力、地震力等，則稱為側向力或橫向力，即水平載重。

至於其他載重，則是加於地基上的土壓與水壓、受到東西撞擊、在室內跳躍產生的衝擊載重、因日曬產生的熱或冷熱差、造成材料熱漲冷縮的溫度應力、因設備機器等移動帶來震動的重複載重等。

知識不斷電

1906 年美國舊金山發生大地震，由於當時受災地區的建築物損壞嚴重，引起日本相關學者關注，其中佐野利器先生在親赴災區考察建築物震害後，隨即發表了〈家屋耐震構造論〉，理論中他提出了在地震時作用於建築物上的水平力F，可以建築物本身重量W 乘以係數（震度）K來決定的論點，另外亦提出可作耐震設計法的「震度法」，水平載重（地震力）的概念首次出現於歷史中。

其他外力

土壓和水壓

溫度應力造成材料因熱漲冷縮產生內應力變化

知識不斷電

結構由材料所構成，材料單位面積承受的內力，稱為應力 。應力是材料欲抵抗外力而產生的破壞力。材料受外力後，其內部任何斷面對應產生各種不同形態之應力，可分為軸力、彎矩、剪力、扭矩。應力則會使結構材料產生形變，單位長度產生的形變量，稱為 應變 。結構設計應確保材料在受力後發生的應變，是在安全可控範圍之內。

因此結構物在設計時，需仔細考量其用途，分析結構各種受力情形，進而妥善設計來引導力的消散，並選用安全且符合經濟效益的材料，進而達到美觀、環保、節能的目標。

什麼是應力
（軸力、彎矩、剪力、扭矩）

軸力（N）

物體受到壓縮或拉扯時產生的力。

彎矩（M）

物體受力後，被彎折成曲線狀。

剪力（Q）

物體變形為平行四邊形時產生的力。

扭矩（T）

如擰抹布的動作，物體收到扭曲時產生的力。

什麼是軸力？

計算發生在構材上的應變量

① 每單位面積上的應力σ
② 應變量 X 的算式

即使是同樣大小的拉力，作用在愈長的物體上伸展的量也愈大！

什麼是彎矩？

使物體產生變曲變形者即為彎矩，因具有力臂加乘的作用，比軸力破壞更大。以單邊固定端的懸臂梁為例，當其受到外力P越大時，越往前端，材料產生的曲度形變越大。

扭轉變形（扭矩）的原理

RC梁（Reinforced Concrete, RC）上的扭矩應力例子

當RC梁端部設懸臂樓板時， 若於懸臂樓板上施加力量， 梁上會產生扭矩應力。

鋼骨梁上的扭矩應力例子

當鋼骨梁的頂端架設懸臂梁時，梁上會產生扭矩應力。因為構材會產生像這樣的變形，所以就有考慮扭矩應力的必要性。

什麼是剪力？

剪力就是讓物體變形成平行四邊形的力。

若要知道梁內各點之剪力及彎矩，通常可透過剪力彎矩圖來進行判別及計算。繪圖時，以梁之斷面位置為橫座標，剪力V為縱座標，所得的圖形謂之剪力圖；而以彎矩M為縱座標，所得的圖形謂之彎矩圖。彎矩圖各線段之斜率等於同斷面上之剪力；剪力圖之斜率等於同斷面上分佈負荷之強度。透過圖示的分析，可以讓我們快速了解，材料受力後可能產生斷裂或破損的位置，進而進行更安全的設計。

一般剪力彎矩圖的繪製步驟如：
(1) 先求各支點之反力。
(2) 在適當位置畫一水平線。
(3) 自梁上各負荷點拉一向下之垂直線。
(4) 在水平線上由左至右依序將各剪力畫上即得剪力圖。 
(5) 重覆(3)及(4)步驟在剪力圖下方畫彎矩圖。

在剪力圖中，若剪力值由正變為負（或負變為正），則此處彎矩圖將由正斜率變為負斜率（或負斜率變為正斜率），即表示該梁在此處產生了最大彎矩。

今日我們可透過多種輔助軟體，在完成結構設計與3D建模後，快速地模擬該結構設計在符合要求的限制條件下，給予指定受力或荷載時產生的應力、應變狀況，進而快速進行後續的結構調整、材料更新與再測試。

接下來，我們將說明如何利用電腦模擬與分析軟體Autodesk Fusion 360，來幫助我們快速得知，一個由五層樓板及四根支撐柱所構成的簡易結構物，在不同條件下各結構件所受的影響，及可能的調整及回應。

學習輔助資源

Fusion 360是Autodesk公司所開發，可在Mac、PC和手持裝置的3D CAD / CAM / CAE雲端協作、製造加工的一款建模平臺，為一整合工業設計、機構設計及數位製造的3D建模軟體，目前提供學生免費下載相關操作功能。

首先，繪製一個符合指定條件的結構模型，並在模型的頂樓板上給予指定的50牛頓均勻垂直作用力，再觀察經電腦模擬施力後，結構的受力狀況及系統所提供的相關評估數據，如安全係數、應力、位移、應變等結果。

從模擬圖可知，缺少構件梁的樓板，在受到50牛頓力後，所產生的大幅度內彎變形狀況，及多項受力後的分析數據資料。雖然結構尚不致因受力50牛頓而遭破壞，但仍應評估增加梁構件或調整設計的必要性，以保護結構物及使用者的安全。

若我們於此結構上，再重新調整為給予各樓板均勻的1000牛頓垂直作用力，並再次模擬，發現結構將出現遭受永久彎折或斷裂的預測。

接著，可再一步查看細部模擬資料或分析報告，並檢視每個構件在受力後不同的變形或破壞狀況。這一份模擬與分析結果，將是我們持續進行後續結構補強或優化調整的參考基礎，更讓我們不需要實際搭建模型及給予受力測試，便可預知破壞的發生，以降低材料的浪費，使整體工程設計流程加速及更安全有效益。

待設計者根據限制條件及使用者需求持續調整，直到整體結構能安全通過測試，達到設計目標後，就可著手準備並製作實體結構模型材料，進入真實環境以材料來實驗或測試。

抗震結構設計與模擬

臺灣位處地震活動頻繁的板塊交界處，加上地質構造複雜，過去近百年間更發生過10次以上的災害性地震。如何設計、改善、或強固結構物，使其可以抵擋絕大多數的地震，達到「小震不壞、中震可修、大震不倒」的耐震要求，為多數人殷切期盼且深有所感的工程議題。

每年九月由國家實驗研究院主辦的「抗震盃地震工程模型製作國際競賽」，常吸引國內及世界各地高中、大學、研究所學生們組隊參賽。上百組隊伍在現場依主辦單位指定的參賽條件組裝模型，最後在不同強度地震模擬機臺下測試，達到指定目標後決定勝出隊伍，並由裁判團依據使用材料的性價比評估，使用最少材料的就能獲得最高分數。提供國內對抗震結構設計有興趣及想法的同學，互相交流、觀摩、競技的平臺。

建築物或結構物的抗震能力，是結構設計時十分重要的考量要項。抗震設計可分兩個層面，一是增加建築物原本結構強度，也就是應用建築技術，加以補強或調整，使建築「耐震」。另一方面，由於現代的科學進步，我們發展出許多器械，裝在建築物上，可以隔絕地震波，減少傳遞到建築物的地震波能量，可分為「減震」及「隔震」。

建物的減震跟隔震

一棟建築物通常由柱、梁和樓板構成主結構。樓板和梁的重量則佔建築物總重量相當高的比例，而數量有限的柱子不僅須支撐樓板和梁的重量，同時還須抵抗地震力。為了方便討論及模擬，我們常將真實的樓房簡化成僅有梁、柱、樓板的模型後進行各種分析及計算。

地震時，當建物受力搖晃，柱子底部會跟著位移，但樓板等結構物因慣性作用，傾向停留原處。如果地震搖晃過大，柱子的變形量超過所能負荷的範圍，柱體便會被破壞，房屋也跟著倒塌。

此時，建築物可藉由減震器的運動，吸收部份的結構振動能量，達到減震效果。減震器依材料狀態，大致分為油壓減震器與鋼板減震器兩種，油壓減震器的減震消能與材料的流動速度有關，鋼板減震器的減震消能則與材料的變形大小有關。

流體黏滯阻尼器

裝置在建築物的斜撐上，原理類似針筒的油壓阻尼器，在地震導致建築變形時，斜撐會拉壓阻尼器，使阻尼器產生阻尼力，阻擋結構變形，並吸收結構振動能量。

挫屈束制斜撐和減震器

挫屈束制斜撐（BRB，Buckling Restrained
Bracing）是鋼板減震器的典型代表，其構造是在核心鋼材的外圍加裝外套管，並填入混凝土，防止核心鋼材受壓而挫屈。挫屈束制斜撐的核心鋼材受拉力或受壓力，經由伸長或縮短的塑性變形過程，吸收結構振動能量，發揮減震的功能。

減震器在梁柱構架中裝設方式不僅限於單一斜撐，考量建築空間的動線和門戶的安排，也可採用V型或倒V型的配置。此外，一棟建築至少要有二分之一以上的樓層安裝減震器，才能達到減震效果。如果僅在一兩個樓層裝設，減震效果微小。

流體黏滯阻尼器

建築物隔震則是在建築物的基礎或低樓層處，加裝隔震器來隔離或減輕來自地表對建物水平的擾動，「鉛心橡膠支承墊（Lead Rubber Bearing）」是最為典型的一種。藉由隔震器裡一層鋼片一層橡膠的構造，使隔震器具備承載建築物重量的能力，加上橡膠容易變形的特性，使整個隔震器產生類似滑板的效果，因而減低地震對樓房的擾動。

建築結構的興建，需要多種專業人員通力合作才能完成，工程師取得建築空間規劃圖後，會先將建築造型合理地簡化，去除玻璃帷幕牆、陽臺等非結構體，而僅保留它們的重量；接著，初步估計建築物所需的梁柱尺寸，將簡化後的建築模型輸入電腦，在電腦中模擬地震後結構耐震能力是否符合相關規範，檢查過程如發現結構耐震能力不足，則對脆弱的部分加以改進；之後嘗試縮小梁柱尺寸以減少建材花費，並繼續模擬地震，持續檢查與修正模型，直到整體結構符合相關規範為止。

知識不斷電

橋梁、隧道及各類公共工程建築是國家發展重要的基礎建設，而確保工程建造與使用期間相關人員之安全，更是高度專業工作。但目前在實務操作與人力、經費有限的狀況下，美、日及我國傳統工程檢測方法多為定期之人工「目視檢測法」，其主要缺點為觀測數值容易產生誤差，且無連續性。

隨著物聯網日新月異，感測科技具有廣布性、低耗能、可持續傳輸的優點，若將其導入公共工程自動監測系統中，將可即時預警且對後續維運、檢修。

常見的結構用感測器（如應變計），能幫助工程師即時發現微小的裂縫與移動，作為判斷危險程度與關閉橋梁與否的依據；高樓安裝加速計則可做為建物因震動或受風搖晃時，對結構安全性評估之用。

結語

面對涉及大眾生命安全的工程建設作業，如橋梁、電廠、化工廠、醫院、大眾運輸系統的增建及改造事務，雖然已有嚴格的檢測和許可證發給制度，工程災難還是有可能會發生。

因此，從設計、維運到拆除，除須經專業工程師檢驗及主管機關批准，相關從業人員更應謹記並遵守工程倫理與監測標準，以確保並維護工程建造及使用過程之安全無虞。

接下來的課間活動將邀請大家化身為結構設計師，並試著提醒自己，身為工程專家所應具備的實事求是、精益求精態度，與努力不懈的奮戰精神 !

透過工程設計之流程：確認需求、定義問題、蒐集資訊、產生想法、建構模型、進行可行性分析、評估、決定、溝通協調、實踐最佳化的實作步驟。就建築物的抗震方式，設計製作出一個能夠消能、減震或是隔震的裝置。

課間活動   抗震結構的設計與製作

本活動鼓勵大家發揮工程創造力，應用工程設計程序，在規定的材料與尺寸條件下，製作出一個能夠消能減震或隔震的裝置。活動重點在於探究結構中常見的減震、隔震設計概念，並於工程設計流程中，將探究結果進行操作與應用。更重要的是，希望能夠透過此活動試探自己對於工程領域的學習興趣。

抗震結構活動之工程設計流程

❶ 確認問題需求與限制
活動以分組方式進行。組成團隊後，就任務各階段目標、可能遭遇問題、限制條件、可用資源等，仔細進行確認、討論。

團隊的組成

每組由4至6位同學組成。請討論活動過程之各項重要任務內容，及組內合作共識、約定，並為每項任務安排主要負責與協調人員。

成員任務說明及小組公約

① 我們約定並承諾當小組活動進行時，若發生下列狀況要如何處理？

② 我們認為，建物模型要通過兩階段抗震結構挑戰，會遭遇的困難或待解決問題，可能有哪些？

材料及工具

活動所需的基本材料及工具如下，亦可自行蒐集與應用其它有助於落實你的設計構想之材料。

① 地基底板：正方形木心板1片，長26cm×寬26cm×厚1.8cm，用來作為模型底座地基。
② 一樓地板：正方形木心板1片，長20cm×寬20cm×厚1.8cm 。
③ 二三頂樓地板：正方形密集板3片，長20cm×寬20cm×厚0.5cm。

④ 建築物支撐架（兩次測試）：木條長0.5cm×寬0.7cm×長150cm（3條）。
⑤ 建築物固接用品：木料用膠，如白膠、太棒膠（Titebond）等。
⑥ 操作所需工具：美工刀、捲尺、線鋸、砂紙、水平儀等。
⑦ 自備記錄所需用品：照相裝置、筆記本、鉛筆、橡皮擦、尺和計算機等。模型製作過程中可能需要計算，鉛筆可以在木板裁切和鑽孔的位置上做記號。

結構實體模型製作規則

本活動因已預先設定統一的建物模型之基本梁、柱、樓板條件，因此將在此基礎上，請各組設計能通過搖晃測試之減震、隔震裝置。各組可自選想挑戰的是上方結構模型的減震部分，或於建物地基板上增置隔震裝置。

實體模型的結構實作請依照以下規則：

① 一樓木底板以上必須有3個平面樓層，每一個平頂（密集板）可視為是一個樓層。（請見右圖）
② 每層樓之地板尺寸均為長20cm，寬20cm。
③ 一樓淨高≧15cm，8cm≦其餘樓層淨高≦12cm。

④ 一到四樓模型總高度至少須達30cm，但不得超過40cm。模型總高度計算至屋頂層樓地板上緣。
⑤ 側梁、接合膠／材料需裁切平整，且不得超出建物外緣。
⑥ 26cm×26cm之地基木板底座週邊的2cm 內必須淨空，以方便抗震模型可以固定在地震模擬測試臺上。（請見右圖）

承受載重規則

① 第一階段測試：模型中的各樓層的必須能夠承受質量塊的重量，整體模型必須能夠同時承受每一層樓所應承受的總重量約2×4＝8kg。

② 第二階段測試：模型中的各樓層必須能夠承受至少2塊質量塊的重量，整體模型必須能夠同時承受每一層樓所應承受的總重量2×8＝16kg。

③ 測試所用質量塊每一個重量約為2kg。

抗震設計材料說明

① 鼓勵運用各種減震、隔震消能材料與元件，各種構材與隔震消能成品、半成品、零件、元件均可使用。
② 各組自行設計規劃材料與元件，故材料需自製、自備。並於記錄文件材料清單中標明元件之名稱、材質、尺寸、數量、用途等。

結構模型安裝規則

結構模型經過教師審核與稱重後，參賽隊伍需負責將結構模型安裝至振動臺上，並利用魔鬼氈束帶將各階段規定之質量塊固定於結構模型上。

各組固定質量塊時請務必綁紮牢固，以避免搖晃時因為質量塊飛出而導致同學受傷，並承擔質量塊是否牢固的責任。一旦結構模型秤重完畢後，不允許增加任何其他的材料在結構模型上，另外質量塊不得外露於結構模型，亦不得碰觸到支撐柱及斜撐柱。

抗震測試程序

所有參賽模型將安裝在振動臺上進行模型抗震能力測試，為因應地震模擬測試臺大小避免模型碰撞及比賽之公平性，每次由一隊至平臺進行不同強度的抗震能力測試，依序為250gal、400gal、500gal、600gal、700gal、800gal（前述等加速度之數據指0.1秒內位移，例如250gal指0.1秒內移動12.5cm，實際數據請以教師提供之振動臺為主，進行相關施測、調整）。

知識不斷電

地震時，地表的震動方向有東西向、南北向、垂直向三個方向，因此地震儀必須同時記錄這三個方向的地表震動過程。地震震度的大小，即是依據地震儀從這三個方向所測得的加速度中，依最大加速度（gal）劃分的，最大加速度的數值越高，代表地震的震度越大。

「gal」是加速度的單位，1 gal = 1 cm / sec²。980gal大約等於一個重力加速度（1g），也就是物體從天空中落下，掉落速度加快的程度。以生活經驗來說，就像走路時不小心腳底踩空墜落，搭電電梯時不幸遇上纜索斷裂電梯墜落的感覺。當所站立的地面，向下運動的加速度接近一個重力加速度（980 gal），會使地面與物體出現「騰空分離」現象。

模型破壞準則

① 模型任何一樓層，發生兩接點脫離或崩塌。
② 半數以上支撐柱或垂直構件發生斷裂。
③ 隔震系統位移超出隔震位移容許範圍，或模型結構脫離地基板。
④ 任何物件（含質量塊）從模型中脫離底板範圍，結構物立刻判定損壞。
⑤ 其他經教師認定為破壞者。

▲ 以上任一項目發生時，破壞均成立。

評分規則

• 本次比賽評分利用結構模型質量和通過之地震強度來決定。
• 每次測試都是和通過測試中質量最輕的隊伍比較，每階段六次總得分為100分，兩階段共200分。
 • 如果一開始質量最輕的隊伍在某一階段的測試中崩毀了，在下個階段的測試中，質量最輕的隊伍將會變為通過該次測試中質量最輕者。
• 冠軍為得分最高者，得分計算方式如右：

其中，
S：得分。
I：結構模型通過之地震強度（gal）。
M：結構模型之質量（不包含質量塊）。Mmin：所有參賽隊伍中通過該次測試後，結構模型質量最小者。
Mp：為違反模型製作規則的懲罰質量，計算規則如下頁表所列，非整數部份將按比例計算，有關懲罰質量的詳細計算，請參考模型審查表。

範例：

某參賽隊伍在審查時秤重得知模型質量為475g。此模型受地震測試通過了700gal的測驗，在800gal時崩塌了。

250gal時Mmin為300g，
400gal時Mmin為350g，
500gal時Mmin為425g，
600gal時Mmin為450g，
700gal時Mmin為455g。

該隊伍的模型抗震分數為66.07分
（四捨五入取到小數點第二位）

各階段活動之排名依據此分數而定，如遇得分相同，由模型質量較小者勝出。

❷ 蒐集資訊

尋找並蒐集抗震結構相關資訊，如各種減震或隔震設計型態、考量要項、材料種類、適用情境等。研究已經存在的產品或解決方案，或者哪些新的抗震技術或材料可能符合需求。

進一步釐清任務各細節與限制，如建物模型材料特性、加工方式、接合型態要求、作業時間、每次測試的具體狀況、地震模擬測試台之移動方式等。

❸ 發展方案

透過團隊合作、集思廣益等方式，盡可能發想出更多構想與解決方案，並繪製設計圖及進行討論。

經討論、評估後，本組預計採行之抗震設計構想為何？為什麼？

請繪製第一階段（第一次）抗震裝置之建模設計圖，並於圖上註明元件名稱。

①請分析並預測此設計之優點與可能缺點
　優點：
　缺點：

②本階段抗震消能設計元件清單（如右表）

請繪製第一階段（第二次）抗震裝置之建模設計圖，並於圖上註明元件名稱。

①請分析並預測此設計之優點與可能缺點
　優點：
　缺點：

②本階段抗震消能設計元件清單（如右表）

❹ 選擇最佳方案並研擬計畫

選擇一個最佳想法或解決方案，再次檢視並確認任務各步驟中的需求、限制、研究資料後，進行調整，並研擬後續計畫。

經討論、評估後，本組預計採行之抗震設計構想為何？為什麼？

①請分析並預測此設計之優點與可能缺點
　優點：
　缺點：

②本階段抗震消能設計元件清單（如右表）

❺ 建構原型並進行評估

可用簡單的材料製作出重要的功能原型，使想法變為真實，作為後續聚焦討論，及測試該功能之用。或繪製2D或3D模型，並設定材料選用、加工方式、替代材料是否符合限制等，分析或評估原型的可行性。透過軟體預先進行結構的受力模擬、並驗證是否滿足最初的挑戰目標。

❻ 測試與溝通

實際使用材料進行方案實體試作、測試，比較執行情形與預期結果的差異、有無解決需求，並與組員就測試情形進行討論、溝通，作為後續改進及修正參考。

本組在第一階段之隔震設計挑戰時總共進行3次闖關（如右表）

經過討論後，第一階段的模型結構設計應如何改善才可通過測試？為什麼？

第一次闖關
問題： 改善：

第二次闖關
問題： 改善：

第三次闖關
問題： 改善：

綜觀以上，我們這組的問題主要在於：

若進行以下調整與優化，應可成功通過測試：

❼ 改進與最佳化

根據討論結果重新設計、修改，持續反覆設計方案，以達到最佳狀態，並選出效果最好的方案，依計畫實踐。

抗震結構設計與製作作品分析

抗震結構設計與製作作品分析

抗震結構設計與製作作品分析

抗震結構設計與製作作品分析

抗震結構設計與製作作品分析