建築材料實驗群建置規劃總計畫

全文

(1)內政部建築研究所. 研究計畫成果報告. 建築材料實驗群建置規劃總計畫期末報告. 計畫主持人：蕭所長江碧共同主持人：蔡克銓研究單位：國家地震工程研究中心委託單位：內政部建築研究所. 執行期程：九十二年二月至九十二年十二月中華民國九十二年十二月二十五日.

(2) 內政部建築研究所研究計畫成果報告. 建築材料實驗群建置規劃總計畫期末報告. 計畫主持人：蕭所長江碧共同主持人：蔡克銓研究助理：汪向榮. 研究單位：國家地震工程研究中心委託單位：內政部建築研究所. 執行期程：九十二年二月至九十二年十二月 1.

(3) 摘. 要. 關鍵詞：實驗室、建築材料與組件、油壓萬能試驗機、耐久與耐候、自動監測、隔減振、開放建築、綠建築、智慧型建築內政部建築研究所多年前開始著手籌設與建築相關的實驗研究設施。「建築材料實驗群」包含三個主要實驗室組合：（一）建築組件實驗室，（二）建築材料實驗室，（三）建築耐久與耐候實驗室，其設置的目的主要在提供場所及設備以對於建築材料本身之屬性、建築組件之力學性能以及建築材料之耐久與耐候性等方面進行研究實驗或測試。本計畫目的乃針對建築材料與組件實驗室之籌建，規劃未來整體發展之方向與重點，依據未來研究及整體發展之方向與重點，規劃實驗室所需設備之設置與空間配置，並協助建築工程配合界面之建議，以利後續實驗室建置作業之進行。同時亦配合建築工程進行，協助相關界面之檢討與修正，以利實驗場館設計、建造工作之推動與實驗室儀器設施購置作業之執行。本實驗室不但可負起對國內建築材料之研究發展、檢驗測試、性能評鑑及標準訂立之責任，更可協助建築業者正面發展，有效規範國內建築材料市場，以提升國內建築材料之水準。為傳達建築實驗研究發展有關技術與趨勢，利用建築實驗群建築實體作為實驗研究之對象，落實建築結構自動化監測機制於實際結構物中，並進一步作為智慧型建築物推廣應用之示範。除了將調查國內外現有智慧型建築結構之自動化監測發展應用與現況，並將針對建築材料實驗群建築結構整體自動化監測之需求進行整體評估，以提出符合建築結構之長期自動監測機制，以供未來相關比較分析，並開放外界擷取資訊之研究所需。另一方面，提出建築工程設備所需配合界面之建議，並搭配建築研究所近年來大力推動的結構建築隔減振技術的落實，針對結構物完工後所可能面臨的各種使用及振動問題，提出預先的解決方案以供參考。 2.

(4) 提供建築師有關開放建築、綠建築、及智慧型建築理念與技術之資訊及諮詢，共同研討與界定出可行之理念與技術，並確實將這些理念與技術落實於「建築材料實驗群」之中，使之成為一個最佳的應用示範案例，其主要任務及工作重點有文獻收集，研討可行之理念與技術，提供設計諮詢，彙整應用成果。開放建築諮詢小組提出以下開放建築的設計構想與手法：有效率的平面區劃，以形成完整的、集中的機能區間；規劃「模矩系統」，作為整合各建築系統之架構。. 3.

(5) 目錄摘要 ..................................................................................................................... 2 目錄 ..................................................................................................................... 4 表目錄 ................................................................................................................. 8 圖目錄 ............................................................................................................... 10 第一章. 緒論 ............................................................................................. 15. 1-1 研究背景與目的 ................................................................................... 15 1-2 研究方向及內容 ................................................................................... 17 1-3 研究方法及步驟 ................................................................................... 21 1-4 成果與展望............................................................................................ 21 第二章. 研究成果與整合............................................................................ 24. 2.1 建築組件、材料及耐候耐久實驗室實驗設施建置規劃研究...... 24 2.1.1 實驗室空間配置 ........................................................................................24 2.1.2 實驗儀器及設備 ........................................................................................28 2.1.2.1 建築組件實驗室實驗設施建置規劃研究 ........................29 2.1.2.1.1 大型力學組件實驗室設備規格、數量與價格. 29 2.1.2.1.2 大型力學組件實驗室設備配置平面圖.............. 43 2.1.2.1.3 大型力學組件實驗室油管(硬管)配置圖 ........... 45 2.1.2.2 建築材料實驗室實驗設施建置之研究 .............................46 2.1.2.2.1 儀器設備與建研所歷次計畫及未來可能需求之檢討 .......................................................................................... 46 2.1.2.2.2 實驗室儀器種類、數量及可能預算.................. 46 2.1.2.2.3 各試驗室儀器佈置 ................................................ 49 2.1.2.2.4 主要儀器設備規格 ................................................ 55 4.

(6) 2.1.2.3 建築材料耐候耐久實驗室實驗設施規劃研究 ..............66 2.1.2.3.1 先前規劃檢討......................................................... 66 2.1.2.3.2 實驗室整體規劃說明............................................ 67 2.1.2.3.3 實驗室設備功能與經費預估............................... 81 2.2 建築材料實驗群建築構材光纖感測設施及隔減震建置之研究 . 84 2.2.1 光纖感測設施建置成果 .........................................................................84 2.2.1.1 調查國內外現有光纖監測發展應用與現況 ...................85 2.2.1.2 結構整體自動化監測之需求規劃 .......................................85 2.2.1.3 建築工程設備所需配合介面之建議 ..................................88 2.2.1.4 相關經費概估 ................................................................................92 2.2.2 隔減震措施研究成果 ..............................................................................92 2.2.2.1 簡介 ....................................................................................................92 2.2.2.2 結構分析與設計 ...........................................................................93 2.2.2.3 隔震支承墊設計 .........................................................................100 2.3 開放式智慧化綠建築在建築材料實驗群之應用研究................. 102 2.3.1 開放建築......................................................................................................102 2.3.1.1 「開放建築」之設計目標與定位 .....................................102 2.3.1.2 「開放建築」設計理念之建議 ..........................................102 2.3.2 綠建築...........................................................................................................107 2.3.2.1 「綠建築」設計目標之擬定 ...............................................107 2.3.2.2 落實「綠建築」理念之方法與過程..................................107 2.3.2.3 「綠建築」設計成果...............................................................110 2.3.3 智慧建築......................................................................................................116 2.3.3.1 「智慧建築」設計目標之擬定 ..........................................116 2.3.3.2 落實「智慧建築」理念之方法與過程 ...........................118 2.3.3.3 「智慧建築」設計成果..........................................................119 第三章. 結論與建議 .................................................................................. 125. 5.

(7) 參考文獻............................................................................................................. 134 附錄一第一期土建工程相關平面設計圖.................................................. 138 附錄二大型油壓萬能試驗機招標規格 ...................................................... 154 附錄三建築材料組件實驗群諮詢整合會議紀錄..................................... 170 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 172 研究案期初審查會議紀錄 ....................................................................... 172 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 178 研究案期初成果報告會議紀錄............................................................... 178 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 180 研究案期中成果報告會議紀錄............................................................... 180 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 181 研究案期中成果報告會議紀錄............................................................... 181 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 183 研究案第一次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 183 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 185 研究案第二次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 185 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 187 研究案第三次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 187 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 189 研究案第四次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 189 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 190 研究案第五次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 190 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 191 研究案第六次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 191 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 192 研究案第七次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 192. 6.

(8) 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 193 研究案第八次諮詢整合會議紀錄 .......................................................... 193 九十二年度建築材料實驗群實驗設施建置之研究計畫協同........... 195 研究案諮詢整合台南參訪座談紀錄 ...................................................... 195. 7.

(9) 表目錄表 1.1 建築材料與組件實驗群計畫項目 ....................................................... 16 表 2.1 實驗室空間配置...................................................................................... 24 表 2.2 反力牆與強力地板規劃尺寸表............................................................ 30 表 2.3 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機規格表........................ 31 表 2.4 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機規格表.............................. 32 表 2.5 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機規格表 ....................................... 35 表 2.6 日本 Nihon University 3000 噸萬能材料試驗機規格表....................... 35 表 2.7 規劃之 3000 噸萬能材料試驗機規格表 ............................................. 36 表 2.8 萬能材料試驗機規劃方案表................................................................ 36 表 2.9 大型力學組件實驗室 3000 噸萬能試驗機規格及經費預估........... 41 表 2.10 大型力學組件實驗室油壓制動器規格及經費預估 ....................... 41 表 2.11 大型力學組件實驗室油壓及冷卻系統規格及經費預估 .............. 42 表 2.12 大型力學組件實驗室電腦控制系統規格及經費預估................... 42 表 2.13 大型力學組件實驗室其他相關設備與儀器規格及經費預估...... 43 表 2.14 建築材料實驗室實驗儀器規格及經費預估 .................................... 47 表 2.15 實驗室整合異動.................................................................................... 66 表 2.16 耐候實驗室實驗儀器規格及經費預估............................................. 69. 8.

(10) 表 2.17 耐蝕及防蝕實驗室實驗儀器規格及經費預估................................ 72 表 2.18 耐化學實驗室實驗儀器規格及經費預估 ........................................ 76 表 2.19 耐凍、耐朽實驗室實驗儀器規格及經費預估................................ 78 表 2.20 屋外曝曬場實驗儀器規格及經費預估............................................. 81 表 2.21 耐久耐候實驗室儀器位置與經費預估............................................. 82 表 2.22 耐久耐候實驗室儀器主要用途分析 ................................................. 83 表 2.23 建築構材光纖感測設施規格及經費預估 ........................................ 92 表 2.24 地震力之計算........................................................................................ 94 表 2.25 隔震支承墊力學性質計算與隔震結構地震力側向分佈 .............. 95 表 2.26 隔震支承墊力學性質參數分析........................................................ 100 表 2.27 基地設計都計審查前後規劃條件對照表 ...................................... 110 表 2.28 「智慧建築標章」（草案）七大評估指標 .................................. 117 表 2.29 建材實驗群智慧化：智慧建築標章評估基準自評表................. 124 表 3.1 建築材料與組件實驗群各子計畫之儀器設備經費預估 .............. 125. 9.

(11) 圖目錄圖 1.1 建築材料與組件實驗群......................................................................... 17 圖 2.1 實驗室建物平面配置圖......................................................................... 26 圖 2.2 實驗室地下室空間配置平面圖............................................................ 26 圖 2.3 實驗室一樓空間配置平面圖................................................................ 27 圖 2.4 實驗室二樓空間配置平面圖................................................................ 27 圖 2.5 實驗室三樓空間配置平面圖................................................................ 27 圖 2.6 實驗室四樓空間配置平面圖................................................................ 28 圖 2.7 實驗室五樓空間配置平面圖................................................................ 28 圖 2.8 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機..................................... 31 圖 2.9 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機尺寸圖........................ 31 圖 2.10 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機........................................ 33 圖 2.12 升降橫軛之螺芽鋼棒........................................................................... 34 圖 2.11 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機 .................................................. 34 圖 2.13 方便工作人員進行作業之工作平台 ................................................. 34 圖 2.14 萬能材料試驗機兩側之滑車軌道 ..................................................... 34 圖 2.15 萬能材料試驗機兩側之滑車.............................................................. 34 圖 2.16 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機尺寸圖 ..................................... 34. 10.

(12) 圖 2.17 日本 Nihon University 3000 噸萬能材料試驗機.................................. 35 圖 2.18 連結機械公司設計之萬能材料試驗機............................................. 37 圖 2.19 MTS 設計之萬能材料試驗機 ............................................................... 40 圖 2.20 MTS 設計之萬能材料試驗機(立面圖)................................................ 40 圖 2.21 MTS 設計之萬能材料試驗機搭配之選擇配件................................. 40 圖 2.22 MTS 設計之萬能材料試驗機搭配之選擇配件(立面圖).................. 40 圖 2.23 大型力學實驗室地下一樓設備配置平面圖 ..................................... 44 圖 2.24 大型力學組件實驗室設備配置平面圖.............................................. 44 圖 2.25 實驗室硬管配置平面圖....................................................................... 45 圖 2.26 地下室硬管配置圖 (沿 wall 方向) ..................................................... 45 圖 2.27 短向反力牆硬管配置立面圖.............................................................. 46 圖 2.28 長向反力牆硬管配置立面圖.............................................................. 46 圖 2.29 B1 養護室及恆溫恆濕室....................................................................... 49 圖 2.30 一般物理試驗室(一)............................................................................. 50 圖 2.31 一般物理試驗室(二)............................................................................. 51 圖 2.32 裝修試驗室 ............................................................................................ 52 圖 2.33 切割室..................................................................................................... 53 圖 2.34 電子顯微鏡室........................................................................................ 53. 11.

(13) 圖 2.35 非破壞性試驗室.................................................................................... 54 圖 2.36 耐候耐久實驗室各子實驗室功能區分.............................................. 68 圖 2.37 耐候實驗室實驗儀器配置平面圖 ..................................................... 69 圖 2.38 耐蝕及防蝕實驗室實驗儀器配置平面圖 ........................................ 73 圖 2.39 耐化學實驗室實驗儀器配置平面圖 ................................................. 76 圖 2.40 耐凍、耐朽實驗室實驗儀器配置平面圖 ........................................ 78 圖 2.41 屋外曝曬場實驗儀器配置平面圖 ..................................................... 81 圖 2.42 光纖感測系統配置平面圖 .................................................................. 86 圖 2.43 全棟溫度、全棟應力監測配置圖 ..................................................... 87 圖 2.44 3D 結構分析模型 ................................................................................... 94 圖 2.45 結構第一振態........................................................................................ 96 圖 2.46 結構第二振態........................................................................................ 96 圖 2.47 結構靜載重變形曲線........................................................................... 97 圖 2.48 結構活載重變形曲線........................................................................... 97 圖 2.49 反應譜分析強軸彎矩........................................................................... 98 圖 2.50 反應譜分析柱軸力 ............................................................................... 98 圖 2.51 上部結構桿件應力比率....................................................................... 99 圖 2.52 剪力應力比率........................................................................................ 99. 12.

(14) 圖 2.53 建築師之建築材料實驗群原始設計提案（標準平面圖） ........ 103 圖 2.54 一般實驗棟之標準平面圖 ................................................................ 103 圖 2.55 60cm-120cm 之矩形格線系統是室內「填充」構件之模矩參考系統 .............................................................................................................................. 104 圖 2.56 雙層交疊鋼樑之概念，和所形成之設備系統水平管道空間.... 104 圖 2.57 設備之主要供給幹管在中央走道天花板管道空間之水平配置狀況.......................................................................................................................... 105 圖 2.58 「水平供給及排放支管」在機能區間天花板管道空間之配管狀況.......................................................................................................................... 105 圖 2.59 室外走廊天花板管道空間之「主要排放幹管」配管狀況 ........ 105 圖 2.60 室內隔間牆之立面分割..................................................................... 106 圖 2.61 最小服務空間...................................................................................... 106 圖 2.62 建築材料實驗群大樓平面格局變更前後之比較 ......................... 107 圖 2.63 基地配置及植物區範圍..................................................................... 111 圖 2.64 綠帶以開挖地下室廢棄土填土方式處理 ...................................... 111 圖 2.65 建築西向立面及藤蔓植栽設置圖 ................................................... 113 圖 2.66 平面與立面形狀完整，且採鋼構造，可減少二氧化碳的產生係數.......................................................................................................................... 113 圖 2.67 屋頂採光及通風說明圖..................................................................... 115 圖 2.68 建築材料實驗群智慧化設計方案研擬流程圖.............................. 118. 13.

(15) 圖 2.69 智慧化系統整合架構圖..................................................................... 121 圖 2.70 綜合佈線系統架構圖......................................................................... 122. 14.

(16) 第一章緒. 論. 1-1 研究背景與目的內政部建築研究所基於對建築相關實驗之研究精神與高度熱忱，以及肩負國內相關產業之發展，多年前即開始積極著手籌設與建築相關之實驗研究設施。一方面參考國外如日本建設省建築研究所、英國建築研究所等相關類似機構之實驗設施外，另一方面著手檢討國內「國家級」實驗研究機構如財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心及各大專院校相關科系實驗室之現況與社會需求。經由本身多年累積之「建築研究所土地使用及設施規劃」、「建築研究所硬體設施籌設計畫及各項硬體設施之建築規劃設計準則」、「建築物防火試驗館設計發展計畫」、「建築物性能試驗館場設置研究計畫」及「國家級建築結構實驗館設置研究計畫」等專案研究計畫之規劃評估，再依據政府公共安全、政策導向、法規制度之監督管理及公益性之審慎考量，於民國八十七年二月完成了「建築研究所建築實驗設施設置計畫」。該項計畫在避免重複投資及凸顯獨特性之原則下，在諸多實驗設施群組中，選擇設置：(一)建築防火實驗群，(二)建築性能實驗群，(三)建築材料與組件實驗群為優先目標，並期於六年內完成整體設置規劃。其中第(一)及第(二)項實驗群之實驗室目前已於台南市國立成功大學設置，而第(三)項之建築材料與組件實驗群實驗室則在台北市景美設置。「建築材料與組件實驗群」實驗室之建置目的在於提昇國內建築技術水準，促進我國建築產業升級，其內容包括：(一)建築材料實驗室，(二) 建築組件實驗室，(三)建築耐久性能實驗室三項之組合。藉由提供必要設備與空間，對於建築材料本身之屬性、建築材料及構成組件之力學性能及建築材料耐久性與耐候性等方面有效地進行實驗研究及測試工作。此外，研究設備亦可支援學術單位從事創新性之研究工作。研究成果將可作為相關建築法規修正，擬定工程技術規範之、材料組件國家標 15.

(17) 準及設備系統性能基準之依據。在全球「永續發展」的目標驅使下，內政部建築研究所過去曾經委託學者進行許多研究，尋求能達成永續建築目標之理念與技術，如營建自動化、開放建築、綠建築、智慧型建築等。本整合計畫亦將提供本案建築師有關開放建築、綠建築、及智慧型建築之設計資訊及諮詢，並協助建築師將這些理念與技術落實於「建築材料與組件實驗群」之中。此外，利用本建築實驗群建築實體作為實驗研究之對象，將建築結構自動化監測機制落實於本案實際結構物中，進一步作為智慧型建築物推廣應用之示範。本計畫為整合「建築材料與組件實驗群」實驗室三種實驗室之建置需求，其中包含五個子計畫依序如下：(一)建築組件實驗室實驗設施建置規劃研究，(二)建築材料實驗室實驗設施建置之研究，(三)建築材料耐候耐久實驗室實驗設施規劃研究，(四)建築材料實驗群建築構材光纖感測設施及隔減震建置之研究，(五)開放式智慧化綠建築在建築材料實驗群之應用研究(參見表 1.1)。藉由與建築師進行協商與溝通，儘量避免與國內各主要研究機構資源重複，以使用者目前與未來可能的需求作為規劃設計考量，在當前國家有限的資源下，期能歸納整理出一符合需求之最佳建置方案，及時提供建築師作為土木建築細部設計之用。總計畫與子計畫之關係如圖 1.1 所示：表 1.1 建築材料與組件實驗群計畫項目計畫項目. 主持人. 服務單位系所. 職稱計. 畫. 名. 稱. 總計畫. 蔡克銓. 國立台灣大學土木系. 教授. 建築材料實驗群建置規劃總計畫. 子計畫一. 蔡克銓. 國立台灣大學土木系. 教授. 建築組件實驗室實驗設施建置規劃研究. 子計畫二. 韓茂樹. 建築材料實驗室國立台北科技大學副教授土木與防災研究所實驗設施建置之研究. 16.

(18) 建築材料耐候耐久實驗室實驗設施規劃研究. 楊仲家. 國立海洋大學材料工程研究所. 子計畫四. 張國鎮. 國立台灣大學土木系. 建築材料實驗群建築構材教授光纖感測設施及隔減震建置之研究. 子計畫五. 杜功仁. 國立台灣科技大學建築系. 助理開放式智慧化綠建築在建教授築材料實驗群之應用研究. 子計畫三. 教授. 建築研究所子計畫一. 諮詢委員會子計畫二. 本總計畫. 建築師建築與結構規劃與細部設計. 子計畫三子計畫四. 子計畫五. 圖 1.1 建築材料與組件實驗群. 1-2 研究方向及內容台灣地區地震頻繁，並於 1997 年 9 月 21 日發生集集大地震發生，除造成重大傷亡外，亦造成許多結構物倒塌或嚴重損壞。由此觀之，不論在結構物重建或補强方面，結構耐震設計、結構系統、施工方法、建築材料之選用及隔減震設備之裝置均有不斷改良創新的空間與實際研究之必要性。因此，建立整合性之研究實驗機構、規劃設立國家級實驗測試設備與場所及購置先進之實驗研究設備將可確實實踐國內建築組件材料之研究發展、性能評估及規範制定。本研究計畫旨在協助內政部建築研究所規劃並建置國內與建築組. 17.

(19) 件材料相關之整合性研究機構及實驗測試設備與場所，並提出符合未來研究方向必備之實驗儀器與設備。藉由吸取國內外相關研究實驗單位之經驗及採納各方專家學者之寶貴建議，且配合國內實際現況之需求，期能規劃適合我國國情及需要之實驗設備與場所，並奠定本所在建築材料實驗研究方面之整合及領導地位。本研究計畫之主要內容包括： 1. 整合並訂定建築組件、材料及耐久性實驗室規模大小。 (1) 協調建築組件、材料及耐久性實驗室之空間配置，考慮各實驗室之相關性或獨立性，使各實驗室均能發揮最大效益。舉例來說，精密實驗儀器設置之地點儘可能遠離產生振動、噪音及塵埃等污染之實驗設備。 (2) 共同參與實驗室建築物之建築及結構設計，收集並參考國內外實驗室資訊予以提供建築師及結構技師設計時之參考。 (3) 整合各實驗室之建置規劃意見，與建築師協調整體設計。 2. 整合各實驗室之相關設備與需求。 (1) 整合各子計畫提出各實驗室所需之相關儀器設備，避免資源重複造成不必要之浪費。 (2) 整合各實驗室個別之需求，例如試體及人員運輸動線、廢棄試體之堆置空間、電源、水、空調、採光配置設計以及實驗進行中產生污染物之處理 (例如污水有毒氣體或具有腐蝕性質的物質之特殊處理系統)。 3. 協調光纖感測設施之佈設位置及隔減震措施之設計。為能表達國家級實驗研究機構之意象。並傳達建築實驗研究發展有關技術與趨勢，本建築實驗群建築內部除供建築材料研究實驗外，乃選擇建築結構自動化監測機制於建築實體之實驗研究之對象，亦成為智慧型建築物推廣應用之示範。. 18.

(20) 為了達到於實驗進行時全面監控結構物的特定位置所發生的諸如應變、等物理量，本研究目前計畫應用較為先進之技術進行量測。以光纖作為傳輸介質的光波通訊，是通訊網路上的一個很重要特徵，因為光纖具有低損失、寬頻帶的傳輸優點。以作為分佈式多工監測網路等，加上它可以輕易地和現有的龐大光通訊市場之儀器及元件整合，近年來被廣泛地應用在許多領域。而就與土木相關工程之監測與量測方面而言，如何利用光纖光柵感測器發展一套完整的智慧型橋樑監測系統，便成為一未來的趨勢。光纖光柵型感測器乃利用光纖中光訊號的波長變化來量測結構體在作用力作用時之應變量測。光纖光柵感測器之製作非常方便直接，國外已發展成線上(on line)製作光纖時，在光纖上直接寫入光柵，可大量生產，因此在可以預見之未來，將可降低光纖光柵感測器之價錢，光纖光柵感測器也將更容易取得。由相關的實驗結果顯示，隨著光電工程蓬勃發展，感測器、主被動元件、信號處理之新技術持續被開發出來，其量測精度、穩定性、取點頻率及光源頻寬、多工範圍都將日益精進，光纖光柵於未來可用於許多結構研究領域如類神經網路，作為多點分佈式、高頻量測及低雜訊之感測元件，以整合成為完整的智慧型結構物。傳統結構物之耐震設計係以建築物本身強度及韌性容量來抵抗地震力，使結構桿件在中、小型地震下能維持於彈性變形範圍內，於較大地震下具足夠之韌性來消散地震輸入結構之能量，避免結構倒塌。整個消能機制完全仰賴結構自身主構件的非線性變形行為，因此構件的韌性設計及震後的維修補強作業，是傳統耐震結構應用的主要限制。有別於傳統結構的耐震設計邏輯，結構控制的基本原理在於降低地震輸入的能量或是將能量消散集中於適當的消能裝置內，以降低或防止主結構的非線性變形產生。一般結構控制系統可分為主動、被動 19.

(21) 與混合型式等三種：主動控制系統是以透過外加能量控制結構反應；被動控制系統以隔震或減震裝置保護結構主構件；混合控制系統則是組合上述兩種型式的優點以達結構控制的目的。近年來，各界已逐漸重視消能裝置於結構物內的目標表現水準。傳統結構設計中，阻尼器被視為加強結構物抗震能力的額外裝置，原結構已具有良好的側向載重抵抗系統，對於要求較高抗震表現之結構物，才增加適合的消能裝置。對於依據規範所設計出之最低要求結構物，增加消能裝置以減少側向載重系統的負荷已漸漸成為一趨勢。含有被動阻尼系統之結構物，於地震載重作用下，阻尼器提供了可預期且穩定的行為，設計者的設計彈性因此大增。現代社會中，有很多結構物諸如銀行、醫院、核能電廠與電腦資訊中心等重要設施，其強度與勁度兩方面之要求都是非常嚴格，可靠度更需高達百分之百。又由於科技發達，吾人對於土木工程材料之性質愈發了解，對於結構分析之能力也日益增強及對結構特性更能掌握，遂導致土木結構愈趨細長，諸如建築物高度日增、橋樑跨度日趨加大，如此一來，縱然此結構之安全無虞，其勁度亦可能不足，以致嚴重變形，則此結構將失去其可用性。結構強度不足，則安全堪虞；結構勁度不足，則喪失其可用性。而結構主動控制就是從結構系統外提供額外能量，可以同時提高結構之阻尼與勁度，進而確保其安全與可用性。 4. 依照各子實驗室需求，協助建築師將開放式智慧化綠建築理念與技術落實於「建築材料實驗群」之中。本研究邀集開放建築、綠建築、及智慧型建築三個領域之專家學者組成一個諮詢團隊。諮詢團隊之主要任務及工作重點如下： (1) 進行文獻收集：提供三個領域之設計理念、相關技術、及實際案例，供本案建築師參考。. 20.

(22) (2) 界定可行之理念與技術：與建築師進行研討，以界定出可行之開放建築、綠建築、智慧型建築之理念與技術。 (3) 提供設計諮詢：召開設計諮詢會議，針對建築師所提之設計方案，提供改善建議。 (4) 彙整應用成果，完成研究報告之書寫。. 1-3 研究方法及步驟本研究擬由主持人敦聘國內具相關實務經驗之專家，組成任務編組研究群。整合各子計畫所擬定實驗室之需求與設施，儘量以使用者觀點作為將來實驗室規劃設計作出發點，同時亦須兼顧在土建工程施工的可行性。依照各子計畫擬定之需求，與建築師溝通協調，以幫助建築師設計實驗室之空間配置，同時配合未未光纖感測系統之安裝，與建築師討論量測系統確切的佈設位置與數量，以達到長期監測實驗室結構體之行為。此外，在全球「永續發展」的目標驅使下，與建築師協調將「建築材料實驗群」中運用某些永續營建之設計理念或技術，提供本案建築師有關開放建築、綠建築、及智慧型建築之資訊及諮詢，並協助建築師將這些理念與技術落實於「建築材料實驗群」之中。. 1-4 成果與展望本研究將針對「建築聯合材料組件耐久性實驗群」之設置作出以下建議，供建築師能及時完成設計圖說以便發包作業。各子計畫目前進行之成果與進度於第二章報告說明，在此僅做簡略之概述。 1.空間配置規劃：整合實驗群研究成員之討論結果，並與建築師作詳盡之溝通建議，確認本實驗室之室內空間調配、設備存放、作業動線，室外景觀. 21.

(23) 及出入動線等。 2.實驗儀器、設備配置初步規劃：評估實驗室啟用初期，中、長程實驗需求配置實驗設備。截至目前各子實驗室已具體提出儀器設備及其配置規劃。 3.光纖感測量測系統及隔減震措施：目前，建築材料實驗群已甄選建築師進行建築規劃設計作業，配合於建築物上部結構體（將以鋼構造為主），規劃研究建築本體承受外力時產生變位、應力之感應偵測器及其信號收集器、光纖線路、資訊收集設備之設置及長期監控機制之建立，以供未來相關比較分析，並開放外界擷取資訊之研究所需。本建築實驗群建築為做為智慧型建築物推廣應用之示範，在採用光纖網路作為其系統下相信必能發揮其特殊之優點，以作為業界之標竿。反力牆與實驗室由於本身可能直接受到致動器的衝擊，因此在設計之初即必須加以詳細考慮。為了減少衝擊時可能造成結構元件與非結構元件的破壞，建議於設計之初即加裝適當之阻尼器（DAMPER），適度的降低各項實驗裝置施加於結構體之作用力或位移，確保結構體之安全性、耐久性，並保護非結構物(如各項精密量測儀器)及減低操作人員之不適感。各項實驗進行時，鄰近試驗的反應可能會影響其它實驗即使安裝了適當個數的阻尼器，實驗場本身所進行之實驗仍可能對於週邊環境造成一定程度的衝擊，因此在辦公大樓的部份建議加裝隔震器以隔除實驗所造成之振動輸入，或加裝減震系統。如此將可有效的將實驗場之衝擊波侷限餘個定之範圍而不行，消能減系統可有效確保各項實驗進行時之完整性。至於影響到辦公人員之工作環境。隔、減震系統亦可於地震發生時發揮應有之功能，使建築物於地震力作用下仍可維持正常運作，或權充臨時之應變中心。 4.開放建築、綠建築及智慧建築之應用：. 22.

(24) 確認實驗室規模與空間利用規劃之後，針對建築師提出之建築設計方案提供意見、以協助建築師將開放建築、綠建築、及智慧型建築之理念與技術應用並落實於本案中。. 23.

(25) 第二章研究成果與整合 2.1 建築組件、材料及耐候耐久實驗室實驗設施建置規劃研究 2.1.1 實驗室空間配置「建築材料與組件實驗群」包含三大類型實驗室依序如下：(一)建築組件實驗室，(二)建築材料實驗室，(三)建築材料耐候耐久實驗室。其空間配置參見表 2.1 及圖 2.1~2.7 所示。有關第一期發包土建工程(不含大型力學實驗室)之相關平面設計圖請參見附錄一。. 表 2.1 實驗室空間配置實驗室類型. 建築組件實驗室. 建築材料實驗室. 室別. 面積(m2). 樓層. 大型力學組件實驗室. 781.2. 1F. 控制室. 82.8. 1F. 儀器校正室. 17.14. 1F. 工具儲藏室. 27.6. 1F. 恆溫恆濕室. 65.7. BF. 養護室. 61.59. BF. 一般力學物理實驗室(一). 146.63. 1F. 一般力學物理實驗室(二). 108.99. 1F. 裝修材料實驗室. 117.3. 1F. 水性能實驗室. 62.07. 1F. 切割室. 57.89. 1F. 木質材料實驗室. 179.37. 2F. 非破壞性實驗室. 87.98. 2F. 電子顯微鏡研究室. 55.58. 2F. 24.

(26) 建築材料耐候耐久實驗室. 其他. 耐凍、耐朽實驗室. 113.47. 2F. 耐候實驗室. 179.37. 3F. 耐化學實驗室. 113.47. 3F. 耐蝕與防蝕實驗室. 179.37. 3F. 耐久實驗室. 61.17. 5F. 屋外曝曬場. 405. RF. 材料準備室. 30.45. 1F. 材料準備室. 91.4. 2F. 材料準備室. 37.05. 3F. 討論室. 60.05. 1F. 討論室. 45.5. 2F. 討論室. 45.5. 3F. 討論室. 45.5. 4F. 研究員室. 42.44. 2F. 研究員室. 27.6. 2F. 研究員室. 27.6. 2F. 研究員室. 28.64. 2F. 研究室. 59.52. 2F. 研究室. 59.52. 3F. 資料檔案室. 59.18. 4F. 辦公室. 59.18. 4F. 會議室. 61.48. 4F. 大型會議室. 220.31. 4F. 執勤室. 19.73. 4F. 執勤室. 19.73. 4F. 執勤室. 22.19. 4F. 25.

(27) 圖 2.1 實驗室建物平面配置圖. 圖 2.2 實驗室地下室空間配置平面圖. 26.

(28) 圖 2.3 實驗室一樓空間配置平面圖. 圖 2.4 實驗室二樓空間配置平面圖. 圖 2.5 實驗室三樓空間配置平面圖. 27.

(29) 圖 2.6 實驗室四樓空間配置平面圖. 圖 2.7 實驗室五樓空間配置平面圖. 2.1.2 實驗儀器及設備目前國內已經有許多大型力學實驗室，包含各大專院校結構實驗室，以及財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心，這些實驗室已經提供給各學術單位試驗研究的設備與場所的部分需求。規劃設立一個在國內可以領導前掄的新研究實驗室必須先完整瞭解整個現況，再針對各個現有實驗室的問題與缺失進行探討，根據前人的調查結果顯示，國內現有勉強可進行與建築材料相關實驗之儀器設備不僅重複性高，且多半以土木材料實驗為主，部分研究單位或廠商之實驗室雖擁有較特殊之設備，但收取費用高昂或不輕易外借與支援實驗。. 28.

(30) 各計畫所規劃之實驗儀器設備皆由主持人敦聘國內具相關實驗經驗之專家，組成一任務編組研究群舉行密集專家學者座談與諮詢，儘量以使用者觀點作為將來實驗室規劃設計作出發點，同時亦須兼顧在土建工程施工方面的可行性。針對不同之實驗室所規劃的實驗儀器設備分別敘述如 2.1.2.1~2.1.2.3。. 2.1.2.1 建築組件實驗室實驗設施建置規劃研究 2.1.2.1.1 大型力學組件實驗室設備規格、數量與價格 (一)反力牆與强力地板反力牆及強力地板實驗系統，除了可提供一般傳統的大型結構靜態試驗 ( quasi-static tests)或反覆載重試驗(cyclic loading tests )外，更可以完成一般結構物之大比例尺，甚至實尺寸的大型擬動態試驗 (pseudo-dynamic tests )。其中利用反力牆與強力地板進行擬動試驗可以克服振動台試驗中所會遇到的困難，例如過大質量的試體可能與振動台產生互制效應，或者是原型結構與和縮尺後的模型結構彼此之間所存在之動態模擬與材料模擬上的困難。對於一般的結構試驗而言，反力牆可以用來固定油壓致動伺服器（簡稱油壓致動器），並在油壓致動器施力時提供反力作用；而強力地板則用來錨固試體，以防止試體的移動或轉動。除此之外，在進行結構試驗時，更希望反力牆與及強力地板不會產生任何的變形或位移。為達到此一目的，反力牆及強力地板就必須建造成具有非常強大的勁度與強度。儘管目前多數大專院校的大型力學實驗室均有反力牆與强力地板的配置，基於實驗場地運用與大部分的實驗需求考量下，在經由數次的專家諮詢及建築研究所的團隊討論之後，決定在本計畫之大型力學實驗室中建置反力牆與强力地板。反力牆的型式可分為兩種：單翼型與雙翼型，單翼型反力牆的優點為牆厚度較薄，對於空間較小之實 29.

(31) 驗場地而言，可較有效地運用空間，缺點在於總勁度較差，施工時常需要施加預力以確保其強度與勁度；雙翼型反力牆是由兩面單翼牆及加勁板所組成，它的優點在於勁度較大，較不容易產生變形，缺點則在於牆的總厚度較厚且造價較高，總厚度約 3~4 m，對於空間較小之實驗場地而言，可運用之空間較不經濟。考慮實驗室的空間運用及相關實驗設備之互動關係，經過許多專家學者的意見整合之後，目前決定實驗室之反力牆為 L 型反力牆，為一面短牆與另一面長牆所組成，可進行兩個正交方向之試驗，在與建築師及結構技師的討論下，考慮將來試驗可能之最大容量，檢核其剪力與彎矩強度後，完成反力牆之設計。截至目前為止規劃之反力牆與強力地板的尺寸如表 2.2 所示。表 2.2 反力牆與強力地板規劃尺寸表反力牆(L 型). 强力地板. 長邊. 短邊. 尺寸(m). 20 x 9. 9 x 12. 18.6 x 42. 厚度(m). 1.5. 1.5. 1.0. (二) 3000 噸萬能材料試驗機：根據前人的調查，國內各大專院校現有之萬能材料試驗機，最大抗壓能量在 600 噸，最大抗拉能量在 200 噸，主要從事材料的強度測試及之校正工作，概括為：1.混凝土抗壓試驗、2.鋼筋之拉力試驗之校正、3. 荷重計(Loadcell)之校正、4.各種構材組件之強度測試。前三項的試驗或校正工作，國內現有的設備都可以負擔，但是對於構材組件之試驗，600 噸的測試容量大多無法進行實尺寸或高強度材料的組件試驗需求，實在是國內建築土木力學實驗的一大憾事。國內目前擁有 1000 噸以上抗壓能量以上的萬能材料試驗機，其功能在於測試隔震支承墊（bearing）。為了對高抗壓能量之萬能材料試驗機有進一步的認知，本計畫研究助理特地訪問台灣連福橡膠製品公司位於桃園的廠房，蒐集有關 6000 噸萬能材料試驗機之資料，萬能材料試驗機如圖. 30.

(32) 2.8 及 2.9 所示，萬能材料試驗機規格如表 2.3 所示。. 圖 2.8 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機. 圖 2.9 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機尺寸圖表 2.3 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機規格表規格垂直最大出力. 6000 ton. 垂直最大行程. 500 mm. 垂直最大速度. 25 mm/min. 側壓最大出力. 500 ton. 側壓最大行程. 2000 mm. 側壓最大速度. 25 mm/min. 上工作台面. 2000 x 2000 mm2. 主機開口. 1500 mm. 下工作台面. 2000 x 2000 mm2. 下工作台移動距離. 2000 mm. 31.

(33) 由規格表(表 2.3)中可以知道，雖然該萬能材料試驗機最大抗壓能量為 6000 噸，但是由於主機開口僅 1500 mm，一般建築組件無法在此進行試驗，僅能適用於進行結構隔減震支承墊之試驗。有鑑於此，專家學者提出在建築研究所新設置之大型力學實驗室中，應設置一台可進行實尺寸柱構材抗壓試驗之萬能材料試驗機，抗壓能量應在 2000 噸以上，抗拉能量在 1000 噸以上，國內目前尚無任何實驗室配置具有此規格之萬能材料試驗機，若能在建築研究所新設置之大型力學實驗室設置此萬能試驗機，將可進行國內其他力學實驗室所無法進行之建築組件力學試驗，作為建立「國家級」實驗室之指標。為了進一步了解高抗壓能量萬能材料試驗機之尺寸與規模，本計畫研究團隊蒐集了美國與日本相關研究機構中具備抗壓能量 2000 噸以上萬能材料試驗機之型式與規格資料，敘述如下： 1.美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機如圖 2.10 所示，規格如表 2.4 所示。該萬能材料試驗機可分別進行拉力試驗與壓力試驗，進行拉力試驗時，試體安裝於萬能材料試驗機上方兩夾具之間，藉由下方横軛( cross head)往下移動，安裝於上方之試體即承受拉力；同理，進行壓力試驗時，試體安裝於横軛與强力地板之間，當横軛往下移動，安裝於下方之試體即承受壓力。由此機制可以發現，因為拉力與壓力試驗的安裝位置不同，雖然該萬能材料試驗機可進行拉力試驗與壓力試驗，但卻無法在同一個試體進行拉力與壓力之反覆載重試驗，這點是該萬能材料試驗機最大的缺點。表 2.4 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機規格表. 最大壓力能量. 規格 4 Mpounds. 最大拉力能量. 3 Mpounds. 垂直柱間距. 9 feet. 壓力試驗跨度. 26 feet. 拉力試驗跨度. 22 feet. 32.

(34) 圖 2.10 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機. 2.日本 Public Works on Research Institute (PWRI) 實驗室位於日本筑波市之 PWRI 實驗室，是一個專門進行土木建築結構方面力學試驗的實驗室。如圖 2.11 所示，該萬能材料實驗機之抗壓能量為 3000 噸，抗拉能量為 1000 噸，可對同一試體進行拉力與壓力之反覆載重試驗。在萬能材料試驗機四支結構鋼柱旁有四支螺芽鋼棒，藉由四支螺芽鋼棒的旋轉可以使橫軛升降到升降高程內任意的位置，螺芽鋼棒如圖 2.12 所示，橫軛可升降的最大高程為 15m，因此在橫軛升降的範圍內，任何高度的試體皆可以進行試驗，試體安裝時，在主結構上有一工作平台，如圖 2.13 所示，工作平台可藉由實驗場天車吊至適當高程，讓工作人員站在平台上架設量測儀器以及輔助試體之架設工作。此外，萬能材料試驗機外側有兩正交方向之滑車軌道，如圖 2.14 及 2.15 所示，可藉由軌道上之滑車將試體運送進萬能試驗機安裝。滑車除了運送試體的功能外，若要進行梁受三點載重之彎矩試驗，萬能試驗機軌道兩旁之兩台滑車可作為梁之支點，而由萬能試驗機施壓力於梁上，藉此模擬簡支梁之受彎矩行為。兩旁軌道之間距離為 30m，故可進行實尺寸梁之彎矩試驗，為了進行梁彎矩試驗，在進行試驗的方向地板需要經過特別的設計，以抵抗萬能材料試驗機之. 33.

(35) 壓力。此機種是一台多功能的萬能材料試驗機，規格如圖 2.16 與表 2.5 所示。. 圖 2.12 升降橫軛之螺芽鋼棒. 圖 2.11 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機圖 2.13 方便工作人員進行作業之工作平台. 圖 2.14 萬能材料試驗機兩側之滑車軌道. 圖 2.15 萬能材料試驗機兩側之滑車. 圖 2.16 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機尺寸圖. 34.

(36) 表 2.5 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機規格表規格 3000 ton 1000 ton 3X3m 15 m 13 m 30 m 8m 1.5 m. 最大壓力能量最大拉力能量垂直柱間距最大工作平台間距最大拉力距離最大彎矩跨度(X 向) 最大彎矩跨度(Y 向) 最大衝程. 3.日本 Nihon University 3000 噸萬能材料試驗機位於日本東京市近郊的日本大學土木系結構試驗場內，有一台 3000 噸萬能材料試驗機，如圖 2.17 所示，基本上功能與機械原理與 PWRI 相同，只是尺寸與規格略有不同，規格如表 2.6 所示。表 2.6 日本 Nihon University 3000 噸萬能材料試驗機規格表規格最大壓力能量. 3000 ton. 最大拉力能量. 1000 ton. 垂直柱間距. 3 X 3.6 m. 最大工作平台間距. 10 m. 最大彎矩跨度(X 向). 22 m. 最大彎矩跨度(Y 向). 10 m. 最大衝程. 1.0 m. 圖 2.17 日本 Nihon University 3000 噸萬能材料試驗機. 綜合以上所列舉的萬能材料試驗機型式，再整合國內專家學者的意見，未來設立之萬能材料試驗機，必須要具備同時進行拉力與壓力反覆載重試驗之能力。此外，考慮實驗室的空間運用問題，若考慮可. 35.

(37) 進行梁三點彎矩試驗之功能，將會佔去實驗室極大的用地空間，故規劃中暫不考慮可進行梁試驗之功能。在參考日本以及美國之萬能材料試驗機規格之後，本研究團初步規劃之大型萬能材料試驗機之規格如表 2.7 所示，並擬出了四種萬能材料試驗機之設置方案，期望能藉此以最合理的價格購得功能性較佳之機種，四種規劃方案如表 2.8 所示，說明如下：表 2.7 規劃之 3000 噸萬能材料試驗機規格表最大壓力能量最大拉力能量垂直柱間距最大工作平台間距 (選配) 最大衝程. 規格 3000 ton 1000 ton 3 X 1.2 m. 總價. XX,000,000. 15 m 1.0 m. 表 2.8 萬能材料試驗機規劃方案表內. 容. 優點缺點 1. 國內廠商製作，花費少。由國內廠商製造，採用 2. 可提升國內相關之技術。 CASE 1 與日本 PWRI 相同之 3. 萬能試驗機功能多，横軛 1. 廠商無相關經驗，遭遇問題較多。機械結構系統。 (crosshead) 可藉由油壓或機械方式自由移動。向國外廠商採購，採用 1. 廠商經驗佳，品質易控制。 CASE 2 與日本 PWRI 相同之 2. 萬能試驗機功能多， 1. 巨額經費。機械結構系統。 movable crosshead。由國內廠商製造，採用國內廠商經驗佳。 CASE 3 與連福橡膠製品公司 1. 2. 造價較便宜。相同之機械結構系統。. 1. 拉力需要特殊設計之夾具。 2. 功能性較差，固定横軛 (crosshead)，因此測試試體尺寸較無彈性。. 廠商經驗佳，品質易控制。 1. 預估可節省之經費仍然向國外廠商採購，將壓 1. 2. 萬能試驗機功能多，横軛 CASE 4 力容量由 3000 噸降至有限。 (crosshead) 可藉由油壓或機 2. 建研所需調整編列預算。 1000~3000 噸。械方式自由移動。. 在 CASE1 中，本研究團隊曾與中鋼機械公司接洽，起初中鋼機械技術人員表示有能力也有興趣參與，但最後因為考量風險太大以及其他因素，中鋼機械遺憾地表示沒有辦法參與，因此 CASE1 至此已確定. 36.

(38) 不可行。在 CASE2 中，本研究團隊與日本廠商 shimadzu 以及美國廠商 MTS 接洽，該廠商雖然有許多實務經驗，但是基於保護日本相關產業技術，所提出的價格與建研所預期差距太大，使本研究團隊感到萬分的無奈與遺憾；美國廠商則表示 PWRI 系統之萬能材料試驗機，其昂貴之處在於四支升降横軛用之螺芽鋼棒，因此 MTS 開出之報價亦不在可接受的範圍之內，至此，若不考慮更改主架構系統(及横軛之移動方式)，則 CASE2 幾乎確定不可行。在 CASE3 中，本研究團隊與連結機械公司接洽，該公司技術人員表示有能力製造，且採用的方式與 PWRI 以及連福橡膠製品公司不同之機械系統，其横軛亦可做升降至試體安裝之最佳高度，但是是採用跳躍式而非連續式之升降模式，亦即無論是上升或是下降，都必須以最小單位(約 1m)做移動，無法像 PWRI 之螺芽鋼棒可將横軛升降至任意的位置，雖然功能性較差，但亦屬於可接受之範圍，且其報價亦屬合理，目前仍在與連結機械公司做進一步之接洽，等待其設計以及進一步之詳細報價。連結機械公司設計之萬能材料試驗機如圖 2.18 所示。. 圖 2.18 連結機械公司設計之萬能材料試驗機. 37.

(39) 其主要規格為： (1)最大開距 15m（不含工作台車）。 (2)升降工作平台行程 11m，離地面最低位 3m。 (3)升降工作平台最大荷重 1000kg。 (4)有兩組移動或伸縮步道至中央工作區。 (5)移動式台車馬達驅動行程 6m。 (6)台車可抗壓 3000 噸，但不供拉伸作業。 (7)台車可載重 100 噸。 (8)主壓缸升降滑動移動量 2m。 (9)從地面上 2m 處至 15m 高度內移動間距單位為 1m。 (10)升降速度一秒 10mm。在 CASE4 中，本研究團隊與美國廠商 MTS 接洽，MTS 公司採用四支鍍鉻圓柱導桿以輔助横軛之升降，當横軛移動至適當實驗位置時可利用油壓系統加以鎖固，相關機械原理已有專人負責向本研究團隊進行詳細之報告，由於不必採用類似日本 PWRI 之螺芽鋼棒之升降與固定方式，故其報價尚有商談之空間。本研究團隊與 MTS 正積極做進一步之洽談。其所提出之規格如下所述： (1)可測試試體之最大高度不可小於 15 m，可利用移動式之橫軛配合試驗試體高度做調整，調整高程為 3~15 m。 (2)構架的四根導桿水平淨間距為 3 m x 1.23 m。 (3)構架的軸向勁度為 4,201 kN/mm。 (4)構架底部底板尺寸為 2.8 m x 2.8 m，配有間隔 400 mm 的孔洞讓螺桿穿過以固定實驗試體，在底板以下(即基礎部分)有一淨高 2 m 的工作空間供人員工作。 38.

(40) (5)橫軛採油壓系統負責控制升降及定位，並在試驗機近距離範圍內配置一控制面板以便於掌控。 (6)裝設於橫軛的油壓致動器滿足以下條件： (a)壓力能量為 30 MN，拉力能量為 20 MN。 (b)拉力及壓力反覆加載中無間隙及鬆動現象。 (c)位移容量為 1000 mm。 (d)油壓伺服閥(servovalve)具備三階且流量 940 l/min 的特性，且可因應日後之動態需求升級。針對所有不同規格的油壓伺服閥需提供其對應之性能曲線圖。。 (e) 提供油壓分歧座(HSM)負責控制油壓開關及高低壓力的調整。選擇配件如下所述： (1)一組(兩個)抗壓接合板，上抗壓接合板接合於油壓致動器軸端，下抗壓接合板接合於底板上，其中在上抗壓接合板包含有一球座軸承，採特殊包覆以減低摩擦力。 (2)設計一便於工作人員安裝試件及觀察試驗之可自由升降平台。 (3)設計一安裝試件之設備，滿足便利性及準確性，例如利用一試件插入梁或行走在軌道上之工作台車。 (4)須能控制油壓分歧座及油壓供應源，在不影響其他試驗的情況下，控制器可獨立且安全地開啟或關閉欲進行試驗之油壓。即在操作大型萬能試驗機的同時，在硬體及實驗場地許可下，可在同一台控制器進行其他反力牆試驗。美商 MTS 設計之萬能材料試驗機如圖 2.19 ~ 2.22 所示。. 39.

(41) 圖 2.19 MTS 設計之萬能材料試驗機. 圖 2.20 MTS 設計之萬能材料試驗機(立面圖). 圖 2.21 MTS 設計之萬能材料試驗機搭圖 2.22 MTS 設計之萬能材料試驗機搭配之配之選擇配件選擇配件(立面圖). 除此之外，MTS 公司尚設計另外兩種型式之萬能材料試驗機提供業主選擇，一種是將試驗高程由上述的 15 m 降到 12 m，如此可進行試驗之試體高度雖然較小，但試驗機造價卻較便宜；另一種為將下部鋼構造部分改成鋼筋混凝土結構，以節省建置成本，但横軛無法降至鋼筋混凝土以下的部分，故試體可進行試驗之允許高度將較少。目前有意願競標的廠商至少有兩家，雖然二者採用之機械系統不同，但皆遠較日本 PWRI 螺芽鋼棒式萬能材料試驗機便宜。除此之外，本研究團隊亦著手編列招標規格，與建築研究所以及多位專家學者多 40.

(42) 次協商會議之後，列出了萬能材料試驗機之規格，以便建築研究所採用規格標之方式讓廠商競標。萬能材料試驗機之詳細軟硬體規格，附於本報告之附錄二。預估之規格及經費如表 2.9 所述。表 2.9 大型力學組件實驗室 3000 噸萬能試驗機規格及經費預估設備名稱. 規格. 單價(元) 數量總價(元). --Capacity : 3000 ton for compression 1500 ton for tension --Control Method : Hydraulic servo control and computer control. 140,000,000. 1. 140,000,000. --Column spacing : 3000 Ton Universal Testing Machine + MTS Controller. 3 ×1.2 m --Max. plate-to-plate distance : 15 m --Height : 20 m. (三)油壓致動器(Actuator)：（參見表 2.10）表 2.10 大型力學組件實驗室油壓制動器規格及經費預估設備名稱. 單價(元) 數量總價(元). 規格. --行程: 1000mm --15 GPM MOOG 伺服閥 100 噸致動器 --100 噸力規 --Temposonics 位移計 --前後端連接治具. 1,600,000. 2. 3,200,000. --行程: 1000mm --15 GPM MOOG 伺服閥 50 噸致動器 --50 噸力規 --Temposonics 位移計 --前後端連接治具. 1,000,000. 2. 2,000,000. 41.

(43) (四)油壓及冷卻系統：目前配置之容量僅以執行靜態試驗為主（參見表 2.11）。表 2.11 大型力學組件實驗室油壓及冷卻系統規格及經費預估設備名稱油壓機硬管. 單價(元) 數量總價(元). 規格 --30 GPM 油壓機五部 --依現地施工. MTS 293.12 --各為兩模組油壓分歧座 --最大單模組流量為 25 GPM 冷卻系統 --依現地施工軟管. --連接油壓歧管座到千斤頂 --含 Pressure, Return & Drain. 700,000. 1. 3,500,000. 1,500,000. 1. 1,500,000. 700,000. 2. 1,400,000. 2,000,000. 1. 2,000,000. 50,000. 4. 200,000. (五)電腦控制系統：（參見表 2.12）表 2.12 大型力學組件實驗室電腦控制系統規格及經費預估設備名稱. 規格. --可為獨立 8 個模組 --各別獨立控制面板 MTS Flextest -- 6 頻道類比輸入 GT --16 頻道數位輸入 Controller --MTS MPT Software --多模組電腦連線軟體資料擷取系統. --電腦 x 4 --印表機 x 1. 單價(元) 數量. 總價(元). 5,000,000. 1. 5,000,000. 200,000. 1. 200,000. (六)其他儀器設備規劃：除了進行實驗時操作之軟硬體外，實驗室配置固定式起重機兩部，吊升荷重分別為 40 噸含 10 噸，以及 20 噸起重機各乙部，用於試體吊裝與搬運之用。此外，尚須配置 2.5 噸電動式堆高機乙部，以及技術人員操作之垂直升降機乙部，用來搬運小型夾具以及方便工作人員進行高空作業之用。固定式起重機之相關預算由建築師執行細部設. 42.

(44) 計時一併計入及發包，因此經費在此不考慮編列。堆高機及垂直升降機可視土建工程進度再依年度編列預算執行。相關實驗所需之儀器及量測系統等可考慮實驗需求以逐年擴充為原則，目前先編列部分預算以利執行，性能及規格俟後再付。所規劃之規格如表 2.13 所示。表 2.13 大型力學組件實驗室其他相關設備與儀器規格及經費預估設備名稱堆高機垂直升降機. 量測儀器. 規格 --容量 2.5 ton 待定 --資料擷取系統 Data Logger 乙部 --接線箱 Switch Box (100 channels) 兩部 --位移計 (±10mm ~ ±100mm ) x 25 --角度計 (±3°, ±5°及±10° ) x 25 --應變計. 單價數量 1,500,000 1 1,000,000 1. 總價 1,500,000 1,000,000. 3,000,000. 3,000,000. 1. 2.1.2.1.2 大型力學組件實驗室設備配置平面圖本計畫的主要目的之一，在於規劃大型力學實驗室與其相關空間需求與配置，並規劃儀器設備之尺寸與實驗室設計相關需求，以供建築師進行建築設計時之參考。綜觀本報告所規劃提出實驗室各項實驗儀器設備中，其中以反力牆以及 3000 噸萬能材料試驗機最佔用空間，尤其是 3000 噸萬能材料試驗機，因此如何妥善地安排反力牆與 3000 噸萬能材料試驗機之位置，是本團隊研究的重點之一。在規劃實驗室的空間配置前，本研究團隊列舉出所有的空間及特殊配備需求，與建築師討論過之後，配置各個需求空間之位置，再考慮運輸動線、走道以及反力牆與萬能試驗機的相對位置之後，與結構技師討論實驗室的結構系統設計，初步完成了大型力學實驗室之空間配置，如圖 2.23 及 2.24 所示。. 43.

(45) 圖 2.23 大型力學實驗室地下一樓設備配置平面圖. 圖 2.24 大型力學組件實驗室設備配置平面圖. 44.

(46) 2.1.2.1.3 大型力學組件實驗室油管(硬管)配置圖進行大型組件力學試驗是本實驗室的主要特色，需配置提供油壓致動器與萬能材料試驗機運作之動力，因此，須配置適當之油壓供應管路，適當的管路配置型式不但可以節省管路配置的經費，亦可以達到美觀與方便使用的目的。經由本研究團隊的討論之後，大型力學組件實驗室油管(硬管)配置請參見圖 2.25~2.28，地下室的油管高度離强力地板 1m 處，亦即距離地下室地面 2m，這樣不僅可避免上方强力地板進行試體螺栓錨定時，油管會造成錨定作業的不便，更方便工作人員在地下室進行接管作業。此外，油管在反力牆邊緣三處穿越強力地板向上延伸，目的在於進行較高的試驗時，可以接在垂直向上延伸的油管上，不僅反力牆外表較美觀，試驗亦不會因為油管接線不良而造成危險。目前規劃在實驗室運作初期動力泵室所供給之流量約在 150GPM 左右，俟試驗需求增加時，再加以擴充最大流量至 450GPM。因此，在購置相關設備時，須詳細考慮其可擴充能力及可行性。. 工具儲藏室. 控制室. 儀器校正室. 冷卻機房. 柴油引擎室緊急發電室動力泵浦室. 1m. Strong Floor. 3000ton Machine. 3m. 空調機房. 2m. wall. 配置於反力牆側邊之硬管 (沿反力牆高度方向) 配置於硬管之port. P. 配置於地下室之硬管. 圖 2.25 實驗室硬管配置平面圖. R. D. 圖 2.26 地下室硬管配置圖 (沿 wall 方向). 45.

(47) 9m 20m. Reaction Wall. Reaction Wall 9m. Strong Floor 配置於長向反力牆側邊之硬管. Strong Floor. 配置於硬管之port. 配置於短向反力牆側邊之硬管配置於硬管之port. 圖 2.27 短向反力牆硬管配置立面圖. 圖 2.28 長向反力牆硬管配置立面圖. 2.1.2.2 建築材料實驗室實驗設施建置之研究 2.1.2.2.1 儀器設備與建研所歷次計畫及未來可能需求之檢討 1.原在九十年八月『建築實驗群實驗設備規劃研究』一般力學性能實驗室中規畫有 200ton 及 100ton 萬能實驗機，以作為台灣地區工程材料試驗常使用之試驗能力範圍，但在考量國內各大專院校研究機構及民間機構實驗室中已遍備有此試驗能力機種，因此在考量本實驗室所預期提供服務之能力下，將 200ton 及 100ton 萬能實驗機予以刪除並增列 300 ton 萬能試驗機及 200ton 動態萬能試驗機。 2.掃描式電子顯微鏡(SEM)屬研究機構普遍接受之標準儀器，為達到奈米等級，改用場發射掃描式電子顯微鏡。同時，並增列能量分散光譜儀。. 2.1.2.2.2 實驗室儀器種類、數量及可能預算實驗室儀器種類、數量及可能預算如表 2.14 所述。. 46.

(48) 表 2.14 建築材料實驗室實驗儀器規格及經費預估. 實驗室名稱. 容納儀器. 恆溫恆濕室潛變試驗機(含夾具) 養護室養護水槽 300T 萬能試驗機 200T 動態萬能試驗機 50T 精密萬能試驗機一般力學/物理實驗室 20T 軸壓扭矩試驗機 10T 高速衝擊試驗機 5T 高精度拉力定速試驗設備直接剪力設驗設備定速荷載設備反覆荷載設備撞擊試驗機(落下式) 撞擊試驗機(鐘擺式) 高壓滲透試驗機低壓滲透試驗機 1000V 高阻計黏著強度試驗機熱傳導試驗儀一般力學/物理實驗室高溫爐烘箱噪音計比重試驗儀蕭式洛式及維克式硬度設驗儀一般度量衡量測設備力熱分析儀鋼材分析儀彎曲試驗儀鋼筋尺度、形狀檢查設備恆溫恆濕室. 47. 數量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1. 可能預算 600,000 400,000 3,000,000 5,000,000 210,000 150,000 100,000 100,000 400,000 100,000 100,000 200,000 300,000 200,000 150,000 50,000 80,000 3,000,000 90,000 270,000 30,000 40,000 790,000 100,000 300,000 50,000 90,000 50,000. 備註.

(49) 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. 6,000,000 6,000,000 300,000 4,500,000 2,000,000 2,000,000 500,000 200,000 280,000 360,000 120,000 180,000 180,000 450,000 500,000 100,000 400,000 70,000 50,000 250,000 140,000 50,000 250,000 200,000 100,000 100,000 200,000 400,000 13,000. 砂輪機. 2. 140,000. 試體磨平機. 1. 180,000. 混凝土含器量試驗設備. 1. 50,000. 場發射掃描式電子顯微鏡電子顯微鏡室能量分散光譜儀試片處理設備透地雷達(3D) 紅外線熱影像分析儀 X-ray 繞射儀混凝土用超音波速量測系統金屬用超音波速量測系統氯離子自動滴定儀動力共振頻率檢測儀混凝土硬度鎚混凝土電阻量測系統非破壞性檢測實驗室鋼材腐蝕量測系統敲擊回音法量測系統混凝土表面波速頻譜分析系統表面暇疵液體滲透檢測儀聲射裂縫分析儀幅射鋼筋檢測儀混凝土成熟度試驗儀鋼筋位置探測儀拉出試驗儀溫度控制儀器計鹽水噴霧試驗等劣化促進設備收縮扭曲測定設備裝修材料實驗室耐屈曲性試驗機引燃設驗設備黏著強度設試驗設備摩擦係數設驗設備切割加工室切割加工機具. 48.

(50) 篩分析試驗設備. 1. 110,000. 鑽心取樣器. 1. 60,000. 木材磨耗試驗機. 1. 60,000. 橡塑膠磨耗試驗機. 1. 70,000. 旋轉圓盤及大擊地板材料磨耗試驗機. 1. 200,000. 1. 90,000 42,803,000. Tabrr 磨耗試驗機合計. 2.1.2.2.3 各試驗室儀器佈置各試驗室之儀器佈置如圖 2.29~2.35 所示。. 4 4. 12 3 試驗室恆溫恆濕室養護室. 3. 儀器名稱. 編碼. 恆溫恆濕室. 1. 潛變試驗機(含夾具). 2. 養護水槽. 3. 恆溫恆濕櫃. 4. 圖 2.29 B1 養護室及恆溫恆濕室. 49.

(51) 13. 8. 10. 6. 2 11 12 試驗桌. 3. 4. 1. 7 9. 試驗室. 一般力學/物理實驗室(一). 5. 儀器名稱. 編碼. 300T 萬能試驗機. 1. 200T 動態萬能試驗機. 2. 50T 精密萬能試驗機. 3. 20T 軸壓扭矩試驗機. 4. 10T 高速衝擊試驗機. 5. 5T 高精度拉力定速試驗設備. 6. 直接剪力設驗設備. 7. 定速荷載設備. 8. 反覆荷載設備. 9. 鋼材彎曲試驗儀. 10. 鋼筋尺度、形狀檢查設備. 11. 一般度量衡量測設備. 12. 烘箱. 13. 圖 2.30 一般物理試驗室(一). 50.

(52) 1. 2. 8 12 試驗桌. 3. 5 試驗室. 一般力學/物理實驗室(二). 6. 5. 9. 7 11 13 14 試驗桌. 1. 儀器名稱. 編碼. 衝擊試驗機(鐘擺式-IZDO 式). 1. 衝擊試驗機(鐘擺式-CHARPY 式). 2. 衝擊試驗機(落下式-ROUND-THE-CLOCK 式). 3. 衝撞擊試驗機(落下式 DROP BALL 式). 4. 高壓滲透試驗機. 5. 低壓滲透試驗機. 6. 黏著強度試驗機. 7. 熱傳導試驗儀. 8. 高溫爐. 9. 比重試驗儀. 10. 蕭式洛式及維克式硬度設驗儀. 11. 力熱分析儀. 12. 鋼材分析儀. 13. 一般度量衡量測設備. 14. 烘箱. 15. 圖 2.31 一般物理試驗室(二). 51.

(53) 3. 4. 1. 2 6 7 試驗桌. 5 試驗室. 儀器名稱. 編碼. 溫濕度記錄器. 1. 鹽水噴霧試驗等劣化促進設備. 2. 收縮扭曲測定設備. 3. 耐屈曲性試驗機. 4. 引燃設驗設備. 5. 黏著強度設試驗設備. 6. 摩擦係數設驗設備. 7. 裝修材料實驗室. 圖 2.32 裝修試驗室. 12. 11. 9. 7 3. 5. 2. 1 6. 4 8 10 試驗桌. 52.

(54) 試驗室. 儀器名稱. 編碼. 切割加工機具. 1. 砂輪機. 2. 試體磨平機. 3. 混凝土含氣量試驗設備. 4. 篩分析試驗設備. 5. 鑽心取樣器. 6. 木材磨耗試驗機. 7. 橡塑膠磨耗試驗機. 8. 旋轉圓盤及大擊地板材料磨耗試驗機. 9. Tabrr 磨耗試驗機. 10. 噴砂磨損試驗儀. 11. 石材磨耗試驗儀. 12. 切割加工室. 圖 2.33 切割室. 試驗桌. 1. 2. 3. 試驗室電子顯微鏡室. 儀器名稱. 編碼. 場發射掃描式電子顯微鏡. 1. 能量分散光譜儀. 2. 試片處理設備. 3. 圖 2.34 電子顯微鏡室. 53.

(55) 21. 試驗桌. 試驗桌. 1~20. 試驗室. 非破壞性檢測實驗室. 3 層收藏櫃. 3 層收藏櫃. 儀器名稱. 編碼. 透地雷達. 1. 紅外線熱影像分析儀. 2. 混凝土用超音波速量測系統. 3. 金屬用超音波速量測系統. 4. 氯離子自動滴定儀. 5. 1000V 高阻計. 6. 噪音計. 7. 動力共振頻率檢測儀. 8. 混凝土硬度鎚. 9. 混凝土電阻量測系統. 10. 鋼材腐蝕量測系統. 11. 敲擊回音法量測系統. 12. 混凝土表面波速頻譜分析系統. 13. 表面暇疵液體滲透檢測儀. 14. 聲射裂縫分析儀. 15. 幅射鋼筋檢測儀. 16. 混凝土成熟度試驗儀. 17. 鋼筋位置探測儀. 18. 拉出試驗儀. 19. 電磁場強度試驗儀. 20. X-ray 繞射儀. 21. 圖 2.35 非破壞性試驗室. 54.

(56) 2.1.2.2.4 主要儀器設備規格一、場發射掃描式電子顯微鏡 ( Field Emission Scanning Electron Microscope ) 1. 性能 (Performance): A. 二次電子影像解析度(Resolution of secondary electron image) : a. 1.5 nm ( 加速電壓 15KV，W.D.=6mm )或更佳。 b. 5 nm ( 加速電壓 1KV，W.D.=6mm)或更佳。 c. 倍率(Magnification) : ×25 to ×500,000 或更佳。 d. 加速電壓(Accelerating voltage) : 0.5 to 30 KV （0.1KV 每階）或更佳。 B. 反射電子解析度：4.5nm 或更佳（1Pa，25KV，W.D.=6mm，低真空. 模式）。 2. 透鏡系統(Lens system) : A. 聚焦透鏡(Condenser lens) : 電磁式(Electromagnetic type)。 B. 物鏡(Objective lens) : 可加熱式高精準度物鏡(Low aberration objective lens)。 3. 試片載台 (Specimen Stage) : A. 試片移動範圍(Specimen movements) : a. X： 25mm 以上。 b. Y： 25mm 以上。 c. Z： 5∼35mm 以上。 d. 旋轉：360°。 e. 傾斜：-5°∼45°以上。. 55.

(57) 4. 電子偵測系統 (Electron Detection system): A. 提供二次電子偵測器(Secondary electron detector) 。 B. 提供背向散射電子（Backscattered Electrons）分析系統。 5. 掃瞄顯示/系統 (Scanning/display System): A. 掃描式電子顯微鏡的操作，從觀察條件設定到影像觀察都可在 windows OS下以滑鼠，鍵盤及操作板上的控制鈕完成。 B. 液晶顯示器(Liquid crystal display) a. 尺寸:17吋或更佳。 b. pixels數: 1,280 X 1,024或更佳。 6. 描式電子顯微鏡控制系統 (SEM control system) : A. 個人電腦系統:至少以下規格。 a. 電腦 :IBM PC/AT compatible computer。 b. CPU:P4 2.4 GHz。 c. RAM:512 MB。 d. 40G HD。 e. CD-RW。 f. 作業系統 :Windows xp/2000。 g. 操作功能:圖形操作介面/滑鼠及操作板上的控制。 h. 熱感式影像印表機(解析度1340 x 1280 pix或以上). 壹台. B. 即時影像解析度(Live image resolution): 1,280x1,024 或更佳。 C. 測量功能(Measurement function):可測XY軸直線距離、斜線距離和斜. 線角度。. 56.

(58) 7. 影像處理系統 (Image processing system) 8. 真空系統 (Vacuum System): A. 全自動氣動閥 (Full automatic Pneumatic valve )控制。 B. 最高真空(Ultimate pressure)。 a. 電子鎗室(Gun chamber) : 10-7Pa order或更佳。 b. 試片室(Specimen chamber):10-4Pa order或更佳。 C. 試片預抽室抽真空時間 (Specimen airlock Evacuation time):1min 或更. 佳。 D. 真空計(Vacuum gauges):Penning gauge/Pirani gauge 3組。 E. 真空幫浦(Vacuum pumps): a. 60 L/s 離子幫浦. 一式. b. 20 L/s 離子幫浦. 二式. c. 420 L/s或以上擴散式幫浦(DP). 一式. d. l20 L/s或以上油迴轉式幫浦(RP). 二式. 9. 安全裝置: A. 提供真空、水、電源、氮氣壓力故障及漏電的保護裝置。 10. 周邊設備含: A. 不斷電系統(UPS)for離子幫浦，可連續使用100小時以上. 1 set. B. 冷卻循環水槽(Cooling water circulator for SEM). 1 set. C. 高解析相片印表機. 1 set. D. 原廠鍍金機（附靶材）. 1 set. 57.

(59) 二、能量分散光譜儀 (Energy Dispersive Spectrometer) 1. 偵測器 Detector A. 解析度(Resolution)：133eV 或以上。 B. 元素偵測範圍：B5 ~ U92。 C. 液態氮冷卻式。 2. 電腦系統 Computer System A. Windows xp/2000。 B. CPU Pentium 4 2.4GHz CPU 或更佳。 C. 滑鼠，鍵盤及旋鈕轉盤兼具 D. 40G HD。 E. CD-RW。 F. 512MB RAM。 G. 網路卡(Ethernet) 。 3. 分析系統 A. 操作軟體需提供導覽軟體。 B. 定性分析 Qualitative analysis。 C. 定量分析 Quantitative analysis。 D. 頻譜比對 Spectrum comparison。 E. 數位式影像擷取與顯示 Digital electron image acquisition and display。 F. 長度測量功能 Linear distance measurement。 G. 影像區段含面積百分比計算功能 Image segmentation with area percent measurement。. 58.