本研究將對結構狀態監測(Structure Health Monitoring)方面的領域進 行探討，先對木構架結構狀態的檢測技術進行文獻回顧，首先以能提供木構架 結構狀態監測參考的木構架位移(3 向度)變化為主要回顧對象。其次，對木構 架結構狀態的檢測技術，分監測與診斷方面進行探討。冀能為本研究爾後建構 的古蹟暨歷史建築木構架結構狀態的預警檢測機制作準備。
3-1 木構架結構狀態之變化
木構架結構狀態的變化，可分構造本身的結構變化、材質因時間的 變化、位移(3 向度)的變化三方面，但本研究的焦點仍是以能夠提供結構 狀態監測參考的位移(3 向度)的變化為主。一般常見的大木構架受損部位 及徵狀受損過程之模式也一併說明。
一、構造本身的結構變化
構造本身的結構變化，主要是指木構架本身的結構原理，臺灣傳統 建築屋架型式主要可分成穿斗式、抬梁式、疊斗式三種，其結構原理大 體上是『利用垂直地面的柱材(承受縱壓力)與水平的梁材(承受橫壓力) 互相搭接或穿插，構成矩形系統的梁架屏。柱材上端頂住檁木，檁上鋪 望磚及瓦。梁材伸出以挑出簷。每兩個梁架屏之間以枋材拉繫，構成所 謂「間」的空間單元』(註3-1)。「間」的空間單元在結構上因對稱屬較 穩定的組構型式，如果木構架本身合乎結構的極限狀態(包含承載能力 的極限狀態與正常使用的極限狀態)的要求，則不至於產生太明顯的變 形，或喪失承載的能力而傾倒毀壞。
二、材質因時間的變化
木材因時間的累積與環境的影響會產生變化，其中最明顯的就是腐 朽與蟲蛀。『木結構若處於容易腐朽、蟲蛀的條件下，三、五年就可能 使強度顯著下降，甚至倒塌』(註 3-2)。
『木材腐朽一般均有徵狀，人們較易發現，初腐階段，表層開始變 色，發軟，然後出現從橫交錯的細裂紋，並呈銹紅色軟塊狀腐朽，用手 一捻即成粉末;也有的呈淺色腐朽，用手捻成纖維狀。如果木腐菌在建
註3-1 見李乾朗，1982，《中華藝術大觀 6-建築》，新夏，p98。
註3-2 見哈重福 編，1987，《木材的結構與設計》，明文書局，p21。
築物內生長旺盛，往往可以嗅到一種使人討厭的氣味』(註3-3)。『構造 上防腐措施的根本原則是使木結構通風良好，使結構即使受潮，也能及 時風乾，保證木構件在使用期間的含水率始終控制在 18%以下』(註 3-4)。
『木材除腐朽外，也易招致蟲蛀;其發生規律比腐朽更難預測和控 制，昆蟲猖獗的地方，昆蟲可在數年內將木構件蛀空，以至倒塌傷人。
危害木材的蟲類主要有甲殼蟲和白蟻兩類。甲殼蟲主要侵害含水率較低 的木材，而白蟻喜歡蛀蝕潮濕的木構件』(註3-5)。
三、位移(3 向度)的變化
木構架受外力與內力的影響，會產生位移的變化。一般論及外力，
首推地震力為影響木構架 3 向度變化最明顯的外力，地震對木構架的破 壞甚為劇烈。依據黃斌等(註3-6)對傳統式古蹟及歷史建築木竹構造其中 對木構造承重(分傳統純木、竹構造及木構架┼土埆造壁體兩類)的震害 探討顯示，
(一)主要震害現象:
1.屋頂傾塌、構架傾倒。
2.構架傾斜、構件脫榫，但建築未倒塌。
3.壁體及屋瓦破損，但建築未倒塌。
4.亭軒傾斜，柱珠位移。
(二)震害分析:
註3-3 同註3-2。 註3-4 同註3-2。 註3-5 同註3-2。
註3-6 見黃斌等，2001，《傳統式古蹟及歷史建築木竹構造震害及基本構材行為研究》，國科會研究報告 (NSC89-2218-E006-214)。
圖 3-1 木構造承重圖
資料來源: 同註3-6。
圖 3-2 疊斗式木造亭軒之震損模式圖
資料來源: 同註3-6。
圖 3-3 地震時墻體面外破壞但木構架仍完整圖
資料來源: 同註3-6。
由上述文獻觀之，疊斗式木構架可由以下兩方面來探討其位移變化:
(一)純木構架: 探討柱產生位移，上部的構架及疊斗的變化是如何?
(二)混合木構架(後續研究): 探討牆體產生位移，上部的構架及疊斗的變化 是如何?
本研究礙於時間及經費的考量，針對第一項純木構架探討，冀能提 供下章將建構的疊斗式木構架結構狀態預警檢測機制之參考。
四、大木構架受損部位及徵狀受損過程之模式
大木構架受損不外乎為物理、化學及生物等類型破壞，以下為李乾朗所 整理之一般常見的大木構架受損部位及徵狀受損過程之模式圖，此資料對本研 究之預警檢測機制，極具參考價值。
圖 3-4 一般常見的大木構架受損部位及徵狀受損過程之模式圖
資料來源:見李乾朗，1995，《台灣傳統建築匠藝》，燕樓古建築，p87。
地震 木材老化 蟲蟻蝕
屋瓦裂 榫卯變大 生斑生土
漏水
梁柱脫開 樑下彎斷裂
生白斑
樑柱中空 桁下限彎曲 疊斗歪斜
樑下陷移位
柱頭裂開
托木雕花材掉
桁掉落 柱傾斜 瓦脫落 堂磚滑動 斗栱鬆脫
桷木彎曲 桁移位
屋頂凹陷 瓜筒開裂
1.主因
2.初期徵狀
3.中期徵狀
4.後期徵狀
預警
圖 3-5 一般常見的大木構架受損部位及徵狀圖
資料來源:見李乾朗，1995，《台灣傳統建築匠藝》，燕樓古建築，p87。
說明:圈選處可提供感測器裝設位置之參考。
3-2 木構架結構狀態之檢測技術
首先由文獻回顧瞭解木構架之結構型態，其次由數位與實體模型實驗了解 其結構行為，進而推衍檢測的項目，再利用先期的監測與現場的診斷來避免木 構架的傾塌毀壞，流程構想如圖 3-6 所示。
木構造之破壞過程
結構行為 結構型態
檢測(項目)
(長期)監測
(現場)診斷 遙測
巡迴車
實驗 理論
其他研究 文獻回顧
公 辦 民 營
B O T
其 他 執行應用
營運機制 執行應用
圖 3-6 流程構想圖
一、結構狀態之監測
本研究擬透過理論與實驗的論證來了解木構架的結構行為，進而推衍檢測 的項目，再利用先期的監測與現場的診斷來避免木構架的傾塌毀壞。而本研究 之焦點乃在於目前仍屬起步階段的先期的監測方面，茲敘述如下:
近幾年來，由於國內外監測應用上的技術研發，監測儀器和方法的進步，
慢慢使得基礎的土木結構的監測對象已可以應用到建築結構監測上了，尤其往 往一些位處於地震帶上的國家，常常受到或大或小的地震災害，建築結構的安 全問題更是當前需解決的一大課題，尤其對於富有保存價值的木構架古蹟來 說，長期的結構狀態監測會是木構架結構安全的一項保障，同時傳統古蹟監測 的概念也慢慢被注意和推廣。
在強調文化傳承的今天，古蹟保存顯得格外重要，不過目前國內外針對於 古蹟的維護和保存，大多是透過非破壞性的檢測技術，而此技術多為短期的檢 測方式，在對於整個結構體的結構狀態之長期監測，較為缺乏，而以木構架來 說，結構狀態的監測應用技術更是目前史料文獻中較少探討的。
而目前實際應用感測器大多運用於建築的施工監測上，在不同的類型工 程，其監測的儀器和項目就有所不同，最後透過監測儀器再分別以現有的法規 和工程經驗，分析其安全管理值，而可完成一套具體性之監測計畫，建立一套 完整的防災體系。
國外則有許多專家研究學者針對不同結構狀態以不同的監測方式從事相 關研究，不過針對於古蹟以及歷史建築物的監測仍較缺乏，而 2000 年 Inaudi, D.等人則針對於橋樑、隧道、大地工程、發電廠、高層建築以及歷史性古蹟做 了系列的監測研究，監測範圍及項目則包含: (余蔚莉，2003)
1.物理量：位置（變位）、變形、傾斜、應變、應力、壓力、加速度及振動。
2.溫 度: 溫度變化量。
3.化學量：濕度、ph 值、氯含量。
4.環境因子：氣溫、風速、方位、輻射、降雨量、雪載重、水位及水量、
污染物質含量。
而隨著電腦科技突飛猛進，許多監測儀器如水壓計、光纖感測器、應變計、
電子式相對變位計等，均已經可以連續性自動量測，並透過網路線直接將數據 輸進電腦，而這種自動監測系統之概念在於全時監控、立即反應，只要在規劃
時稍加調整儀器種類，不但可以節省人工之耗費，更可得到長期即時的數據資 料。這對於木構架等古蹟建築監測和維護便有十足效益，除了長期的監測系統 的建立之外，可朝無線網路遠距監控系統 Web-Controlled Wireless Network Sensors (WCWNS)之發展做為研究，透過網際網路、伺服器及中繼站的功能，
連結形成無線網路化遠端遙測監控系統，不但可迅速傳遞資料，並能立即透過 專業人員直接為建築物進行結構損害分析(余蔚莉，2003)。
以下為感測器分類表，其中變位感測器及運動量感測器，為配合木構架結 構行為分析成果，適合加以應用之感測器。
表 3-1 感測器分類表
（radiant）
χ射線感測器 工業與醫療用χ射線透視檢查攝影機等。
（thermal）
溫
（magnetic）
磁
（chemical）
化
二、木構架結構狀態之診斷技術
探針法
1.以探針探入構件裂隙或損壞部位量測損壞深度或以觸感來說明 損壞的大概情形
2.只能針對構件表面有裂隙或洞孔實施，無法全面處理
3.對於內部損壞卻未形於外的構件無法得知實際大小位置等資訊。
聽診器法
1.以聽診器聽蟲蟻活動的聲響以判別蟲蟻是否存在，對於損壞程度 無法判別。
2.只能針對生物性破壞檢測，受限於蟲蟻活動的季節時間與蟲蟻攻 擊的部位，無法全面施行。
小結:
1.由對木構架結構狀態相關檢測技術文獻回顧之探討，如李乾朗所整理 之一般常見的大木構架受損部位及徵狀受損過程之模式圖，此資料對 本研究之預警檢測機制，極具參考價值。
2.植基於前述古蹟暨歷史建築木構架的基本性質與木構架結構狀態檢 測技術相關文獻回顧，可開始建構古蹟暨歷史建築木構架結構狀態的 預警檢測機制，並以疊斗式為例。
資料來源:見曾逸仁，1997，《台灣古蹟大木構件破壞類型及其非破壞檢測法之探索》，成大建研所碩
資料來源:見曾逸仁，1997，《台灣古蹟大木構件破壞類型及其非破壞檢測法之探索》，成大建研所碩