營建科技學習活動之探討---認識斜張橋
郭家銘 臺灣師大工業科技教育系研究生 壹、前言 我們所熟知的四大文明：埃及、中國、印度與西亞，其源頭都發韌於河流， 因此也有人稱為「大河文化」。當人們想要渡過河流時，便開始興建各式各樣的 橋梁。橋梁工程的演變至今依結構可區分為樑式橋、拱橋與懸索橋，其中懸索橋 又可分為吊橋與斜張橋兩類。 斜張橋（cable-stayed bridge）緣起自懸索橋，懸索橋發展甚早，至少有三千 年的歷史，最早的斜張橋的概念大約從 17 世紀初有位威尼斯人 Verantius 利用斜 拉鍊條局部來支撐橋梁（蔡俊鐿，民 88）。現在斜張橋本身除了扮演好橋梁的功 能外，其多變的造型也常常吸引人們的興趣，因此不管國內或國外都有許多斜張 橋的足跡，國內如大直橋、南二高橋等，國外如於 1994 年在法國完工的 Normandy Bridge 為主跨徑長達 856 公尺、日本於 1999 年完成了主跨徑長達 890 公尺的 Tatara Bridge 等。 本教學活動乃以分組的方式促進學生建立分組合作的習慣、態度與觀念，並 由問題解決模式中培養學生創意設計與製作的能力，同時更加清楚營建科技的定 義並進而提升認識斜張橋的設計概念。 貳、單元名稱 ：人造彩虹—認識斜張橋。 参、教學對象：國中九年級學生。 肆、教學先備知識：對營建科技與力學有基礎的認識。 伍、教學時數：12 節課。 陸、教學目標 一、 學習本課程，學生可習得下列目標： （一） 瞭解斜張橋演進及發展趨勢。（二） 認識斜張橋種類、結構及相關知識。 （三） 培養資料蒐集分析及分享知識的能力。 （四） 學習團隊合作的精神。 （五） 透過問題解決的步驟來培養解決問題的能力與工程概念。 （六） 正確使用機具、材料、設備等，並注意工作安全。 二、 分段能力指標： 本教學活動的實施，主要可達成九年一貫的分段能力指標如下表一所描 述： 表一：教學活動可達成的能力指標 能力指標 分段能力指標 4-4-1-1 了解科學、技術與數學的關係 4-4-1-2 了解技術與科學的關係 4-4-1-3 了解科學、技術與工程的關係 4-4-2-1 從日常產品中，了解台灣的科技發展 科技的發展 4-4-2-2 認識科技發展的趨勢 8-4-0-1 閱讀組合圖與產品說明書 8-4-0-2 利用口語、影像（如攝影、錄影）、文字與圖案、 繪圖或實物表達創意與構想 8-4-0-3 了解設計的可用資源與分析工作 8-4-0-4 設計解決問題的步驟 設計與製作 8-4-0-6 執行製造過程中及完成後的機能測試與調整 柒、所需工具與材料 一、 教師於教學前須準備的器材（表二）： 表二：教師教學器材表 名稱 數量 備註 單槍投影機或投影機 1台 建議依學校現有情況擇一 筆記型電腦 1台 橋梁模型、圖片、剪報、書籍等 教學資料 學習記錄檔案 老師可依進度自行調整
表三：學生實作工具表 表四：學生實作材料表 名稱 規格 數量 備註 木條 3㎝×3㎝ 自行決定 各組自行準備 木板 自行決定 各組自行準備 線或繩索 若干 各組自行準備 白膠 若干 各組自行準備 熱熔膠 若干 各組自行準備 備註：材料部分，因為產品是由學生設計，規格與數量亦由學生自行決定，可依學校附近 五金或木材行方便購買為主。 捌、教學活動與時間分配（表五） 表五：教學活動時間分配表 節數 教師活動 目標 學生活動 教具器材 備註 第一節 課前準備： 1. 閱 讀 並 準 備 教 學 相 關 資 料 與 圖片。 2. 蒐 集 有 關 橋 梁 資 料，並製成 圖片、投影 片等。 3. 蒐 集 斜 張 橋資料，並 製 成 短 片 或 投 影 片 等。 5 課前準備： 1. 閱 讀 斜 張 橋 教學內容。 2. 蒐 集 與 橋 粱 或 斜 張 橋 相 關 之 資 料 與 圖片。 3. 實施分組。 利 用 附 錄一。 名稱 規格 數量 備註 線鋸機 桌上型 每組一台 教師準備 鑽孔機 桌上型 每組一台 教師準備 熱熔槍 每組一把 教師準備
4. 準 備 所 需 的工具、材 料和機具。 5. 準 備 教 學 相 關 器 材，如投影 機、單槍投 影機等。 第二節 引起動機： 1. 請 同 學 想 想 橋 梁 的 重要性。 2. 請 同 學 想 想 日 常 生 活 中 常 見 到的橋梁。 3. 介 紹 橋 梁 的種類。 4. 介 紹 斜 張 橋的結構。 5. 介 紹 本 次 活 動 主 題：斜張橋 的 設 計 與 製作，並規 定 評 鑑 標 準 與 條 件 限制。 1、2 、3、5 專心聽講 單 槍 投 影 機 、 筆 記 型電腦、 學 習 歷 程 檔案。 學生可 利用之 前蒐集 的資料 並利用 附錄 一、二。 第三節 1. 要 學 生 確 認 老 師 所 提的問題。 2. 分 析 斜 張 橋 相 關 問 題。 3. 擬 定 資 料 收 集 計 劃 （ 課 後 收 集）。 1、2 、3、5 1. 專 心 聽 講 ， 並 提 出 相 關 問題。 2. 分組討論 。 3. 分 組 作 業 ： 蒐 集 有 關 斜 張 橋 的 資 料 與 可 利 用 的 資 源 如 木 材 、 黏 著 劑 單 槍 投 影 機 、 筆 記 型電腦、 學 習 歷 程 檔 案 、 斜 張 橋 的 模 型。 利 用 附 錄 三 、 四。
第四、五 節 1. 分 析 斜 張 橋資料（簡 報 收 集 成 果）。 2. 發 展 多 種 解 決 問 題 的方案。 3. 選 擇 最 佳 設計方案。 4、5 1. 小組就所蒐 集的資料進 行分析。 2. 繪製解決方 案－斜張橋 的草圖 3. 事先考量評 鑑標準與條 件限制後， 選擇最佳設 計方案。 單槍投影 機、筆記 型電腦、 學習歷程 檔案、斜 張橋的模 型。 利用附 錄四、 五、六。 第六節 1. 開 發 斜 張 橋 設 計 工 作。 2. 提 出 製 作 步驟計畫。 4、5 1. 安排製作流 程。 2. 完成斜張橋 設計方案的 基本資料。 3. 繪製最佳方 案的草圖 （需標示尺 寸、材料 等）。 單槍投影 機、筆記 型電腦、 學習歷程 檔案、斜 張橋的模 型。 利用附 錄七、 八。 第七至 十一節 1. 執 行 任 務 （ 技 術 交 流 與 指 導）。 2. 修 正 檢 討。 5、6、 7 學生按照所安 排的工作流程 進行製作。 斜張橋的 模型、桌 上型工具 如線鋸 機、鑽孔 機、砂輪 機等。 手工具如 鋸子、砂 紙等。 利用附 錄八。 第十二 節 1. 作 品 測 試 與發表（作 品 發 表 會）。 2. 評 鑑 與 改 進。 9 1. 測量斜張橋 本身的重 量。 2. 測試斜張橋 可以承受的 重量。 單槍投影 機、筆記 型電腦、 學習歷程 檔案、斜 張橋的模 利用附 錄九、 十。
3. 上台發表。 4. 提出重新設 計斜張橋的 基本資料。 型 玖、教學內容 一、 斜張橋的發展： 斜張橋的興起歸功於第二次世界大戰結束後，當時歐洲各國百廢待舉又 物資短缺，因此工程師便想到斜張橋相對其他橋梁形式而言，可以擁有較長 的跨距、製造成本較低等優點。
近代第一座斜張橋由德國人 Dischinger 設計的瑞典 Stromsund Bridge 在 1955 年完工 1956 年通車，歐洲各國便陸續興建了許多斜張橋，其中於 1994 年在法國完工的 Normandy Bridge 為主跨徑長達 856 公尺，是目前歐洲最長 的斜張橋（圖 1）。亞洲斜張橋的發展以日本為首，日本鋼鐵業發達加上斜 張橋主要材料都是鋼製品，所以日本於 1999 年完成了主跨徑長達 890 公尺 的 Tatara Bridge（蔡俊鐿，民 88）。 我國於民國 64 年公路局改建往返台北-板橋的光復橋，便採用斜張橋的 設計，為台灣第一座斜張橋，正式開啟了台灣斜張橋的歷史（圖 2）。接下 來陸續有集鹿大橋、洲美大橋、高屏溪大橋、大直橋等，民國八十八年完工 的第二高速公路高屏溪橋，是國內首座複合式斜張橋，而且是亞洲最長之非 對稱型單橋塔斜張橋，是橫跨高屏溪的南二高橋樑，橋長 2617 公尺，為聯 絡高雄縣與屏東縣重要的交通要道。 民國 91 年底完工的大直橋改建，為台 北市首座釣竿式斜張橋（圖 3），目前全台各縣市大概都可以看到美麗斜張 橋的蹤影，每座斜張橋因考慮到當地自然環境、整體外觀等因素，皆採不同 的結構方式與跨徑長度。
圖 1：Normandy Bridge 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 23。 圖 2：光復橋 資料來源： http://www.cv.ncu.edu.tw/Civil/cber/Bridges/cable/tw/brg62/text/brg12.html 圖 3：大直橋 資料來源： http://www.cv.ncu.edu.tw/Civil/cber/Bridges/cable/tw/CSB-10.html
二、 斜張橋的種類： （一） 斜張橋吊索配置可分為：單索、雙索及多索面三類，如圖 4、5 與 6 所示。 圖 4：單索面 圖 5：雙索面 圖 6：多索面 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 13。 （二） 吊索配置形式可分為：輻射式、豎琴式、扇狀式及星式，如圖 7、8、 9 及 10 所示，扇狀式為目前使用較多的型式。 圖 7：輻射式 圖 8：豎琴式
圖 9：扇狀式 圖 10：星式 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 14。 三、 斜張橋的結構： 良好的橋梁結構設計都希望以較少的靜載重（橋梁本身重量）來承受較 大的活載重，而懸索橋便擁有此優點，藉由密佈的吊索來分擔主樑承受的載 重，使主樑尺寸較小及重量較輕，同時橋梁跨距可以有較長的設計。懸索橋 一般可分成斜張橋與吊橋，兩種結構均是承受拉力行為，最大不同處乃是吊 橋使用垂直吊索來支撐橋面；斜張橋則以斜拉吊索支撐橋面，如圖 11、12 所示。 圖 11：吊橋 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 8。 圖 12：斜張橋 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 8。 從圖 11 與 12 中，可以發覺斜張橋所需的吊索較少，相對地施工時間也 較短，加上斜張橋常因特殊造型而賦予橋梁另一種建築美感。因此就中或長 跨徑橋梁而言，斜張橋已成為吊橋之外的另一種選擇。 四、 斜張橋的設計：
斜張橋一般最常見的配置方式有連續兩跨與三跨式，設計時的主塔高度 （指橋面以上塔高，以 H 表示）、主跨徑（以 L2 表示）與側跨徑（以 L1 表 示）等長度也須隨橋梁型式而改變。 （一） 如果是連續三跨，則主塔高度通常為主跨徑長度 1/6 至 1/5 倍，主跨 徑長度為側跨徑長度 2 至 3 倍，如圖 13 所示（蔡俊鐿，民 88）。 圖 13：斜張橋連續三跨設計圖 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 45。 （二） 連續兩跨時，則主塔高度為主跨徑長度 1/4 至 1/3 倍，主跨徑長度為 側跨徑長度 1 至 2 倍，如圖 14 所示（蔡俊鐿，民 88）。 圖 14：斜張橋連續兩跨設計圖 資料來源：蔡俊鐿，民 88，頁 45。 不過一般斜張橋主跨徑長度與側跨徑長度比約為 2-3，同時主塔高度比 如果太小則吊索的角度較緩，力學效益較差，相對地主塔高度比過大，則增 加主塔施工難度；在吊索方面也逐漸由疏索型式發展至密索型式，因為密索 型式有較密集的吊索，可以分擔較多主樑承受的載重，使橋梁壽命增長，最 H：L2＝1：6 至 1：5 L2：L1＝2：1 至 3：1 H：L2＝1：4 至 1：3 L2：L1＝1：1 至 2：1
度即可。 拾、教學評鑑 本教學活動之評鑑種類主要以學生學習歷程檔案與成品做為評鑑之標準，各 組學生需依照老師的指示確實填寫並完成學生學習歷程紀錄，此外學生於課堂中 與教師之互動、回應，亦可列為教師之評鑑參考。 參考資料 一、圖書： 方崇雄（民 88），國民中學問題解決導向生活科技課程學習歷程模式之建構與驗 證研究。台北：中華民國工業科教教育學會。 石朝雄（民 76），結構學（上）。台北市：五南圖書。 李隆盛（民 88），國教九年一貫科技領域的課程、教學與評鑑。生活科技教育， 32(5)，2。 茅以升等（民 76），中國橋樑史話。台北市：明文書局。 唐寰澄（民 83），橋樑美的哲學。台北市：明文書局。 唐寰澄（民 76），橋樑建築藝術。台北市：明文書局。 黃夢平（民 77），橋樑建築。台北市：明文書局。 蔡俊鐿（民 92），橋樑-築橋亦築夢。台北市：科技圖書。 蔡俊鐿（民 88），斜張橋。台北市：科技圖書。 二、網路資源： 921 集集大地震公路重要橋樑復建設計與施工。民國 94 年 2 月 10 日取自 http://www2.thb.gov.tw/pub_book/169.htm。 土木 C 博士。民國 94 年 2 月 9 日取自 http://cae.ce.ntu.edu.tw/doctor/music/index.html。 生活科學--何謂風洞？民國 94 年 2 月 9 日取自 http://www.bud.org.tw/answer/9905/990583.htm。 國立中央大學橋樑工程研究中心。民國 94 年 2 月 9 日取自
http://www.cber.ncu.edu.tw/ 教育部學習加油站，民國 94 年 2 月 9 日取自 http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg51.htm。 斜張橋形式與力學。民國 94 年 2 月 9 日取自 http://www.twce.org.tw/02099/Cable.doc。 橋樑工程基礎。民國 94 年 2 月 10 日取自。 http://www.cv.ncu.edu.tw/Civil/cber/BrgEng/BasicBE.html。 橋樑資料庫。民國 94 年 2 月 10 日取自。 http://www.cv.ncu.edu.tw/Civil/cber/Bridges/Bridges.html。
附錄：一
斜張橋學習報告（一）分組人力大調查
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號：
附錄：二
斜張橋學習報告（二）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號： 問題：設計與製作一座木製斜張橋 時間：六週（九年一貫生活科技課一週一節來算共需六節課）。 評鑑標準： 1. 斜張橋本身的重量（靜載重）越輕越好。 2. 斜張橋承受的活載重，越重越好。 3. 斜張橋橋梁總長至少要大於 50 公分。 4. 成本要最少 5. 設計有創意附錄：三
斜張橋學習報告（三）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號： 1. 橋梁依結構可區分成哪些種類？ 2. 你們這一組看過哪些斜張橋？你們覺得為何現在生活中常可以看到斜張橋？ 3. 斜張橋主要有哪些必要結構零件？ 4. 斜張橋的吊索配置，常使用哪些種類？ 5. 斜張橋的吊索配置形式，常使用哪些種類？ 6. 斜張橋的塔柱型式，常使用哪些種類？ 7. 斜張橋因結構需求，常需有哪些監測裝置？ 8. 設計並製作斜張橋，需要哪些材料、工具？ 9. 設計並製作斜張橋，需要收集哪些資料、能源？10. 設計並製作斜張橋，所需的時間及分配情形？ 11. 設計並製作斜張橋，所需的成本約多少？ 附錄：四
斜張橋學習報告（四）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號： 1. 小組收集到的資料有哪些？資料的有用程度如何？ （請依照有用程度在方格中打勾，3 為非常有用，2 為有用，1 為有一點用） 項 目 資料來源（書名、網 站或標題等） 蒐 集 者 有 用 程 度 斜張橋的種類 □3 □2 □1 斜張橋的材料 □3 □2 □1 斜張橋的結構 □3 □2 □1 斜張橋的外觀 □3 □2 □1 其他 □3 □2 □1 2. 本組還蒐集到哪些有用的實物、照片或模型？ 3. 還需要蒐集其他的資料嗎？ □需要 □不需要 4. 如果需要，是哪些方面的資料？附錄：五
斜張橋學習報告（五）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號： 依據前面斜張橋的分析和所收集的相關資料，請構思三種不同的斜張橋設計方 案，並簡單說明每個構想的特色： 構想一 說明： 構想二 說明： 構想三 說明：附錄：六
斜張橋學習報告（六）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號： 依據前面數種構想，評估其優缺點，並選出最佳方案。（符合評估項目者，在 「＋」欄打勾，不符合評估項目者，在「－」欄打勾，最後計算加減總得分， 並訂出優先順序） 構想一 構想二 構想三 評 估 項 目 ＋ － ＋ － ＋ － 1.能解決老師所給的問題嗎？ 2.能在有限時間內完成嗎？ 3.能達成評鑑標準嗎？ 4.小組成員有適當分配嗎？ 5.所需工具、材料能取得嗎？ 6.設計有創意嗎？ 7.收集的資料充足嗎？ 8.所需費用夠便宜嗎？ 小計 ＋ － ＋ － ＋ － 總計 優先順序 經小組討論評估結果，本組決定用： □ 構想一 □ 構想二 □ 構想三附錄：七
斜張橋學習報告（七）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號：ㄧ、所需使用的材料
材料名稱 規格 數量二、所需使用的工具
工具名稱 規格 數量三、製作程序及工作分配（寫出重要的工作步驟）
工作步驟 所需的時間 負責人員 1. 2. 3. 4. 5. 6.7. 8. 附錄：八
斜張橋學習報告（八）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號：一、橋梁結構：
吊索形式 □單索面 □雙索面 □多索面 □其他形式 吊索配置 □輻射式 □扇狀式 □豎琴式 □星式 塔柱 單柱式： □垂直式 □傾斜式 雙柱式： □A 柱 □倒 Y 柱 □H 柱 □門架式 □鑽石式 □其他形式二、橋梁外觀：
主塔高度 公分 主跨長度 公分 側跨長度 公分 吊索角度 度 橋梁總長 公分三、橋梁材料：
橋梁結構名稱 使用的材料 吊索 塔柱 主樑 其他四、請於完稿紙上描繪出斜張橋簡圖：
附錄：九
斜張橋學習報告（九）
日期： 年 月 日 （週 ） 班級： 組別： 組員座號：一、斜張橋測試表：
測試項目 成品測試結果 與原設計符合程度 3 2 1 吊索形式 類 □ □ □ 吊索配置 式 □ □ □ 塔柱 式 □ □ □ 主塔高度 公分 □ □ □ 主跨長度 公分 □ □ □ 測跨長度 公分 □ □ □ 吊索角度 度 □ □ □ 橋梁總長 公分 □ □ □ 橋梁靜載重 公斤 □ □ □ 橋梁活載重 公斤 □ □ □ 註記： 1. 測試結果與原設計符合程度：3：完全符合 2：部分符合 1：完全不符合 2. 橋梁靜载重是指橋梁本身的重量；橋梁活载重是指橋梁承受的重量二、問題與討論：
1. 你們那一組完成的斜張橋是否符合當初老師所給的問題？ 2. 你們那一組在設計與製作過程中，有哪些需要改進的部份？ 3. 你們那一組所完成的斜張橋，最具特色的部分有哪些？4. 你們那一組認為橋梁興建前須考慮哪些環境、社會等因素？ 附錄：十
