古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之檢測研究-以疊斗式為例

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(1)古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之檢測研究-以疊斗式為例. 內政部建築研究所研究報告.

(2) MOIS921037. 「古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之檢測研究-以疊斗式為例」. 研究主持人：蕭江碧協同主持人：李正庸研. 究. 員：洪慶雲. 研究助理：李東明陳滄文李翰濱吳純明. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十二年十二月.

(3) 摘. 要. 關鍵詞：古蹟暨歷史建築、木構架、結構狀態、檢測、疊斗式台灣地區依法指定的古蹟中，主體屬於傳統木構架者約佔六成。然由於木材之生命週期及外力影響，無預警傾頹者，所在多有。擬人化之思維，『早期發現、早期治療』或許可找到避免古蹟暨歷史建築無預警傾毀之方法，此一方向就研究層面而言是值得探討的。此種思維當然前提是建立在其構造形變與行為具有傾毀之『關鍵點』、『臨界值』及『病象是累積的』之假設，而瞬間的超負擔傾毀是意外，意外則不屬本研究範圍。其次是『老人的基礎醫療研究』古今中外不知凡幾，但個別差異與個體內差異性仍是最大障礙，古蹟暨歷史建築也有相似的課題。本文僅能以本研究建立的數值模型及實體模型之感知實驗數據及圖形推論。本文共分六章，茲分別概述如後: 第一章敘述本研究之背景、動機與目的為始，其次闡釋本研究的範圍與內容，最後說明本研究的步驟、方法與流程，冀閱者由此章即明全文梗概。第二章檢視及探討前人對於古蹟暨歷史建築木構架之基本研究。試著從木構架的來源與類型、木材用料與性質、元件榫卯型式、構件特性與形貌及構造原理，各種相關文獻的回顧分析，瞭解木構架的涵構以及受損徵狀。除確立爾後述說的依據外，亦可當作預警檢測之基礎。第三章為木構架結構狀態檢測技術之文獻回顧。首先就木構架結構狀態的變化進行探討，其次對檢測技術分監測與診斷兩方面進行文獻回顧。冀能為本研究爾後所要建構的古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制作準備。第四章為古蹟暨歷史建築疊斗式木構架結構狀態檢測之探討。首先本研究為瞭解疊斗式木構架結構狀態變化之實際情況，實地至臺中霧峯林家(觀察其受 921 震害之木構架損壞情形)、彰化鹿港龍山寺(觀察其大殿屋頂拆解後之純木構架狀態)、雲林北港朝天宮(觀察其即將進入修復之木構架狀況)、台北大龍峒保安宮(觀察其修復後之木構架情況)現場勘查並加以紀錄評析。其次透過結構分析電腦程式 STAAD. Pro，並以半剛性接頭模式模擬木構架之榫卯接合，開始對疊斗式木構架進行數值模擬分析。檢視疊斗式木構架之數值模擬分析結果，發現與實際大木構架之結構行為尚有差異，原因如下: (1) 本研究雖以半剛性結點模式模擬榫卯之接頭行為，但構件間仍存有榫卯契合度與個別差異性之問題，要完全模擬之則極為困難。 (2) 『木材之老化』與『蟲蛀之破壞』為影響疊斗式木構架結構毀壞的兩項重要因素，數值模擬則難加以完全模擬。 (3) 本研究所採用之結構分析電腦程式(STAAD.Pro)，尚無法執行榫卯半剛性結點非線性之分析，榫卯結點之彎矩-轉角值僅能以固定值代入。 (4) 僅由量測木構架構件間的位移與變形，尚不易掌握疊斗式木構架之整體結構狀態。. I.

(4) 因此，本文以識別整體疊斗式木構架結構的動態特性基本振動週期作為檢測結構狀態之依據，例如應用微振動量測法可以識別疊斗式木構架結構的動態特性--基本振動週期。當建築結構損毀時，其側向勁度會減少，導致其基本振動週期增長，因此可藉由建築物長期的微振動量測結果來研判其結構是否產生任何結構性之損毀，作為結構狀態的預警檢測。後續則再輔以其他非破壞檢測方式做更細部的檢測。第五章為木構架模型之實驗模擬，本文乃以強迫振動方式，量測疊斗式木構架模型結構損毀對其基本振動週期之影響，以驗證微振動量測法應用於木構架結構狀態預警檢測之可行性。第六章則是述說本研究之結論與建議。研究結論如下: (1) 本研究蒐集資料中發現前人之研究大多偏於抽象歷史傳承及文化意義之敘述，而對於構造及力學之基礎研究相對較少，極需加強建構屬下層部分之基礎研究。 (2) 就構造觀點來探討，木構架構件個別差異與個體內差異性極大，宜建立古蹟結構特性之資料庫(如履歷表之功能)，詳細記載其變化情形。 (3) 檢視疊斗式木構架之數值模擬分析，發現與實際大木構架之結構行為尚有差異。原因在於使用結構分析電腦程式(STAAD.Pro)要完全模擬榫卯之行為，則極為困難，以及僅由量測木構架構件間的位移與變形，尚不易掌握疊斗式木構架之整體結構狀態。 (4) 古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制，首先以微振動量測方式來識別古蹟暨歷史建築木構架結構的動態特性，經連續擷取微震動量數值識別其結構狀態，再輔以其他非破壞檢測方式做更細部的檢測。 (5) 修復補強後，可再由連續擷取之微震動量數值的變化，檢討修復補強之成效。研究建議如下: (1) 加強古蹟暨歷史建築之下層基礎研究(材料、構法、工法、結構等)，提供相關研究之參考。 (2) 古蹟暨歷史建築宜建立個別之長期監測資料庫，詳細記載其結構狀態變化之狀況(類似履歷表)。監測資料長期累積，為預警之重要參考依據。 (3) 以現場檢測方式就重要的古蹟及歷史建築進行微振動量測，建立古蹟暨歷史建築的動態特性基本資料庫。 (4) 選定某處古蹟暨歷史建築實際安裝微振動量測設備及地震紀錄儀，以自動擷取方式長時間記錄特定古蹟暨歷史建築物之微振動及強震反應資料，深入分析比對方式研究古蹟暨歷史建築物基本振動週期改變與受震害間之量化關係，以驗證古蹟暨歷史建築結構狀態預警檢測機制之可行性。 (5) 由實證過程及研究分析，建立完整的古蹟暨歷史建築結構狀態預警檢測技術手冊，作為其他古蹟暨歷史建築建立其結構狀態預警檢測機制之參考。. II.

(5) 目. 錄. 圖目錄表目錄第一章緒論 1-1 研究背景、動機與目的.......................................................................1 1-2 研究範圍與內容....................................................................................3 1-3 研究步驟、方法與流程.......................................................................6 第二章古蹟暨歷史建築木構架之基本研究 2-1 木構架之來源與類型 ...........................................................................9 2-2 木構架之木材用料與力學性質 .......................................................14 2-3 木構架之榫卯元件型式.....................................................................16 2-4 木構架之構件特性與形貌 ................................................................19 2-5 木構架之構造原理 .............................................................................26 第三章木構架結構狀態之檢測技術 3-1 木構架結構狀態之變化.....................................................................29 3-2 木構架結構狀態之檢測技術............................................................33 第四章古蹟暨歷史建築疊斗式木構架結構狀態之檢測 4-1 疊斗式木構架結構狀態變化之現場勘查......................................42 4-2 疊斗式木構架之數值模擬分析 .......................................................49 4-3 微振動量測應用於疊斗式木構架結構狀態檢測之探討 ...........65 4-4 古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制之建構 ...........66 第五章木構架模型之實驗模擬 5-1 實驗模擬計畫 ......................................................................................67 5-2 實驗儀器與設備..................................................................................71 5-3 局部構件損毀比較實驗.....................................................................72 III.

(6) 第六章結論與建議 6-1 結論........................................................................................................81 6-2 建議........................................................................................................82 引用文獻 ...............................................................................................................83 參考文獻 .............................................................................................................. 84 附錄 A: 研究計畫期初、期中與期末簡報評審意見與回應表 ................89 附錄 B: 專家學者諮詢會議記錄 .....................................................................97 附錄 C: 研究團隊研討記錄............................................................................100 附錄 D: 疊斗式木構架實體模型尺寸資料 .................................................141. IV.

(7) 圖圖 1-1 圖 1-2 圖 1-3 圖 1-4 圖 1-5 圖 1-6 圖 1-7 圖 1-8 圖 2-1 圖 2-2 圖 2-3 圖 2-4 圖 2-5 圖 2-6 圖 2-7 圖 2-8 圖 2-9 圖 2-10 圖 2-11 圖 2-12 圖 2-13 圖 2-14 圖 2-15 圖 2-16 圖 2-17 圖 2-18 圖 2-19 圖 2-20 圖 2-21 圖 2-22 圖 2-23 圖 2-24 圖 2-25 圖 2-26 圖 2-27 圖 2-28. 目. 錄. 古蹟暨歷史建築保存修護科技專案中程綱要計畫之研究架構圖………………1 古蹟暨歷史建築結構系統分類圖…………………………………………………3 疊斗式木構架立面圖………………………………………………………………4 疊斗式木構架透視圖………………………………………………………………4 疊斗式木構架分解圖………………………………………………………………4 疊斗與瓜筒細部圖…………………………………………………………………4 建築結構狀態監控模擬實驗平台設備圖…………………………………………7 研究流程圖…………………………………………………………………………8 柱形貌示意圖………………………………………………………………………20 柱形貌實景圖………………………………………………………………………20 瓜筒形貌示意圖……………………………………………………………………20 瓜筒形貌實景圖……………………………………………………………………20 通形貌示意圖………………………………………………………………………21 通形貌實景圖………………………………………………………………………21 楹形貌示意圖………………………………………………………………………21 楹形貌實景圖………………………………………………………………………21 楹引形貌示意圖……………………………………………………………………21 雞舌形貌實景圖……………………………………………………………………21 枋形貌示意圖………………………………………………………………………22 枋形貌實景圖………………………………………………………………………22 壽梁形貌示意圖……………………………………………………………………22 壽梁形貌實景圖……………………………………………………………………22 束形貌示意圖………………………………………………………………………22 束形貌實景圖………………………………………………………………………22 椽形貌示意圖………………………………………………………………………23 椽形貌實景圖………………………………………………………………………23 斗形貌示意圖………………………………………………………………………23 斗形貌實景圖………………………………………………………………………23 拱形貌示意圖………………………………………………………………………23 拱形貌實景圖………………………………………………………………………23 通隨形貌示意圖……………………………………………………………………24 通隨形貌實景圖……………………………………………………………………24 束隨形貌示意圖……………………………………………………………………24 束隨形貌實景圖……………………………………………………………………24 吊筒形貌示意圖……………………………………………………………………24 吊筒形貌實景圖……………………………………………………………………24. V.

(8) 圖 2-29 圖 2-30 圖 2-31 圖 2-32 圖 2-33 圖 2-34 圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 圖 3-4 圖 3-5 圖 3-6 圖 4-1 圖 4-2 圖 4-3 圖 4-4 圖 4-5 圖 4-6. 托木形貌示意圖……………………………………………………………………25 托木形貌實景圖……………………………………………………………………25 疊斗式之純木構架 3D 數位模擬圖……………………………………………….29 疊斗式木構架之構件拆解圖………………………………………………………30 疊斗式之單架 3D 數位模擬圖…………………………………………………….30 以金字塔比擬古蹟暨歷史建築研究涵構圖………………………………………31 木構造承重圖………………………………………………………………………33 疊斗式木造亭軒之震損模式圖……………………………………………………33 地震時墻體面外破壞但木構架仍完整圖…………………………………………33 一般常見的大木構架受損部位及徵狀受損過程之模式圖………………………35 一般常見的大木構架受損部位及徵狀圖…………………………………………35 流程構想圖…………………………………………………………………………36 半剛性結點轉角變位示意圖………………………………………………………49 半剛性結點理論示意圖……………………………………………………………49 接頭彎矩-轉角曲線…………………………………….…………………………50 全新大併小出直榫試驗與模擬結果………………………………………………51 人工缺陷大併小出直榫試驗與模擬結果…………………………………………51 STAAD.Pro 之操作流程圖……………………………………………………..….52. 圖 4-7 圖 4-8 圖 5-1 圖 5-2 圖 5-3 圖 5-4 圖 5-5 圖 5-6 圖 5-7 圖 5-8 圖 5-9. 主要構件電腦模型如何將疊斗視為數個構件之說明圖…………………………53 疊斗式木構架之主要構件電腦模型圖……………………………………………54 疊斗式木構架模型側面………………………………….……………………….68 疊斗式木構架模型………………………………………………………………..68 疊斗式木構架有覆蓋屋頂模型………………………………………..………..69 疊斗式木構架模型棟架細部……………………………………………………..69 疊斗式木構架有覆蓋屋頂模型棟架細部………………………………………..70 疊斗式木構架模型內部棟架細部………………………………………………..70 疊斗式木構架模型托木細部……………………………………………………..70 實驗儀器與設備圖………………………………………………………………..71 處理流程示意圖…………………………………………………………………..73. VI.

(9) 表. 目. 錄. 表 2-1. 木構架依匠師流派與代表性之建築分類表………………………………………11. 表 2-2. 木構架依單或重檐、對稱或非對稱系統構架之分類表…………………………12. 表 2-3. 木構架依構成之分類表……………………………………………………………12. 表 2-4. 直榫系統表…………………………………………………………………………17. 表 2-5. 楔系統表……………………………………………………………………………17. 表 2-6. 凹槽系統表…………………………………………………………………………18. 表 2-7. 大木作構材對照表…………………………………………………………………19. 表 2-8. 臺灣傳統二維大木構架之結構行為分析表………………………………………28. 表 3-1. 感測器分類表……..………………………………………………………………39. 表 3-2. 國內古蹟大木構件結構狀態常用的診斷方法與可達程度表……………………40. 表 4-1. 木構架結構狀態變化之現場勘查紀錄與評述表…………………………………42. 表 4-2. 各種全新接頭之試驗曲線模擬參數值……………………………………………51. VII.

(10) 第一章緒論本章分成三個段落，以敘述本研究之背景、動機與目的為始，其次闡釋本研究的範圍與內容，最後說明本研究的步驟、方法與流程，冀閱者由此章即明全文梗概。. 1-1 研究背景、動機與目的一、研究背景古蹟暨歷史建築保存修護科技計畫生命週期及外力影響 (一)本計畫隸屬於內政部建研所 92 年度~96 年度預計執行之古蹟暨歷史建築保存修護科技專案中程綱要計畫下之子計畫。中程綱要計畫之研究架構主要分成結構修復、保存環境、技術推廣此三大研究領域，而本計畫則是屬於結構修復研究領域下，涵蓋損壞檢測機制與結構分析評估兩課題之計畫。. (一)損壞檢測機制一、結構修復. (二)結構分析評估. 研. (三)修復補強技術. 究. (一)物理環境控制二、保存環境 (二)材質保存技術. 架構. (一)勞安衛生三、技術推廣 (二)資訊應用. 圖 1-1. 古蹟暨歷史建築保存修護科技專案中程綱要計畫之研究架構圖. 資料來源:見內政部建研所，2002.3，《古蹟暨歷史建築保存修護科技專案中程綱要計畫書》，p9。. 1.

(11) (二)文化資產保存法自民國七十一年頒布實施後，台灣地區依法指定的古蹟中，主體屬於傳統木構架者約佔六成(註. 1-1. )。然受限於木材之生命. 週期及外力影響，傾倒毀壞者，所在多有。. 二、研究動機 (一)擬人化之思維，『早期發現、早期治療』或許可找到避免古蹟暨歷史建築無預警傾毀之方法，此一方向就研究層面而言是值得探討的。 (二)科技日新月異，現代的檢測技術該如何應用於古蹟暨歷史建築木構架結構狀態的預警檢測上?. 三、研究目的 (一)建構古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制，以防範木構架古建築的傾倒毀壞。 (二)應用科技方式來識別古蹟暨歷史建築木構架結構的特性，作為結構狀態的預警檢測。. 註 1-1 見蕭江碧、閻亞寧，2001，《古蹟保存與再利用防火課題之基礎調查研究》，內政部建研所。 2.

(12) 1-2 研究範圍與內容一、研究範圍. 西式大木. (一) 古蹟暨歷史建築結構系統分類與本研究之範圍屋架. 日式穿斗式抬梁式疊斗式. 純木構造. 木隔間石磚基礎混凝土夯土西式大木. 結構型態. 日式屋架. 穿斗式抬梁式疊斗式石牆磚牆. 混合構造. 承重砌體土埆牆. 結構系統. 斗子牆石磚基礎混凝土夯土. 結構行為. 圖 1-2. 材料. 承載能力. 破壞預測. 接點. 剛性. 修護標準. 構件. 韌性. 監測標準. 古蹟暨歷史建築結構系統分類圖. 資料來源:內政部建研所，2002.3，《古蹟暨歷史建築保存修護科技專案中程綱要計畫書》，p10。 3.

(13) (二) 疊斗式木構架本研究以古蹟暨歷史建築中，廟宇最普遍使用的疊斗式木構架為主要研究對象。而一般廟宇皆為混合構造，本研究考量團隊人力與時間，將研究範圍限於疊斗式的純木構架。所謂疊斗式係指『梁枋上因榫卯太多，故以數斗相疊，斗與斗之間有穿材(如束木或看橢)，如此可代替瓜柱，通常疊三斗至五斗，也有疊至七斗』(註. 圖 1-3. 1-2. )。. 疊斗式木構架立面圖. 圖 1-4. 疊斗式木構架透視圖. 資料來源:本研究繪製。參考林會承，1987，《臺中市. 資料來源:本研究繪製。參考林會承，1987，《臺中市. 三級古蹟張廖家廟修復研究》，台中市政府。. 三級古蹟張廖家廟修復研究》，台中市政府。. 圖 1-5. 疊斗式木構架分解圖. 圖 1-6. 疊斗與瓜筒細部圖. 註 1-2 見李重耀、李學忠，1999，《台灣傳統建築術語辭典》，藍第，p144。 4.

(14) (三) 結構狀態結構狀態(Structural Health)亦稱結構健康狀態，係指『運用結構上的量測來決定一個結構狀態的完整性或者說明結構物的狀態』(註 1-3. )。本研究係將木構架結構狀態的範圍界定於「運用監測儀器於木構. 架上所量得之參數(包含變位、變形、應變、加速度及振動等)，並加以研判以描述木構架之結構變化情形」。 (三) 瞬間超負擔與個別差異性本研究焦點將致力於疊斗式木構架整體結構動態特性之探討，並假設其構造形變與行為具有傾毀之『關鍵點』、『臨界值』及『病象是累積的』等條件，而瞬間的超負擔傾毀是意外，意外則不屬本研究範圍。其次是『老人的基礎醫療研究』古今中外不知凡幾，但個別差異性仍是最大障礙，古蹟暨歷史建築也有相似的課題。本文僅能以本研究建立的數值模型及實體模型之感知實驗數據及圖形推論。. 二、研究內容 (一) 檢視及探討前人對古蹟暨歷史建築木構架之基本研究。 1.木構架之來源與類型 2.木構架之木材用料與性質 3.木構架之榫卯元件型式 4.木構架之構件特性與形貌 5.木構架之構造原理 (二) 木構架結構狀態檢測技術探討。 1.木構架結構狀態之變化 2.木構架結構狀態之監測與診斷技術. 註3 見 Park,G., D.J.Inman,2001,〝Smart bolts: an example of self-healing structures 〞,Smart. Materials bulletin,Vol.7,pp.5-8. 5.

(15) (三) 古蹟暨歷史建築疊斗式木構架結構狀態檢測之探討。 1.疊斗式木構架結構狀態變化之現場勘查 2.疊斗式木構架之數值模擬分析 3.微振動量測應用於疊斗式木構架結構狀態檢測之探討 4.古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制之建構 (四) 木構架模型之實驗模擬。. 1-3 研究步驟、方法與流程一、研究步驟 (一) 確立研究動機與目的、範圍與內容、步驟、方法與流程。 (二) 回顧現有關於古蹟暨歷史建築木構架之基本研究。 (三) 回顧木構架結構狀態的檢測技術。 (四) 探討疊斗式木構架結構狀態的變化。 (五) 疊斗式木構架的數值模擬分析。 (六) 探討微振動量測應用於疊斗式木構架結構狀態之檢測。 (七) 建構古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制。 (八) 木構架模型之實驗模擬。 (九) 結論與建議。. 二、研究方法 (一) 採用之方法與原因 1.文獻彙整:彙整現有關於古蹟暨歷史建築木構架之基本研究、木構架結構狀態檢測技術之相關文獻。 2.變位量測:應用感知器來量測結構物之變位情形，以作為預警之參考。 3.微振動量測:應用微振動量測方式來識別古蹟暨歷史建築木構架整體結構的動態特性—基本振動週期。. 6.

(16) 4.實體模擬:以強迫振動方式來量測縮小比例之疊斗式木構架實體模型。模型製作則考量尺寸資料之齊全性，選擇以台中張廖家廟為尺寸參考之依據，尺寸資料不足之處則以其他相關文獻為輔。 (二)重要儀器之配合使用情形本研究與中國文化大學環境設計學院數位環境實驗中心之智慧建築結構及構造實驗室合作，運用智慧建築結構及構造實驗室之結構偵測設備、分析軟體、模擬及技術上的支援，將對本研究之可行性有大幅度的提昇。. 圖 1-7. 建築結構狀態監控模擬實驗平台設備圖. 資料來源:智慧建築結構及構造實驗室。. 7.

(17) 三、研究流程研究流程如下圖所示: 時間研究動機與目的 92.01∼92.02 評題與. 研究範圍與內容. 期初報告. 研究方法與流程. 文獻回顧. 92.02∼92.06. 疊斗式木構架結構狀態變化之探討. 期中報告. 疊斗式木構架之數值模擬分析. 微振動量測應用於疊斗式木構架結構狀態檢測之探討. 古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制之建構 92.07∼92.11 期末報告. 木構架模型之實驗模擬. 結論與建議. 92.11∼92.12 總整理. 圖 1-8. 研究流程圖. 小結:經由以上對本研究之闡述後，擬於下章回顧前人之古蹟暨歷史建築木構架研究，作為研究資料及理論基礎之參考。 8.

(18) 第二章古蹟暨歷史建築木構架之基本研究本章為古蹟暨歷史建築木構架文獻之探討。試著從木構架的來源與類型、木材用料與性質、元件榫卯型式、構件特性與形貌及構造原理，各種相關文獻回顧分析，瞭解木構架的涵構以及受損徵狀。除確立爾後述說依據外，亦可當作預警檢測之基礎。. 2-1 木構架之來源與類型一、台灣傳統木構架之來源台灣傳統木構架的來源乃是傳承自大陸閩南、粵東之原鄉建築風格，在細部處理上則是因應不同的環境產生轉化。因為台灣早期屬移民社會，『據 1926 年之統計，操閩南語之泉、漳、潮州佔 83.58%，操客家語之嘉應州、惠州、汀州等佔 13.17%。臺灣光復後據 1968 年之統計，閩南語羣佔 74.51%，客家佔 13.19%，外省籍佔 9.85%，山胞佔 2.37%』 (註. 2-1. )。由此可見，早期的台灣移民社會，人的來源主要由泉、漳、潮. 州地區所組成，人再伴隨者時間、空間的變遷，衍生出不同文化的交互影響與傳承。『以大陸作為母文化的原型，台灣地區基本上接受的是由閩南、粵東兩地的移入文化。在大陸的情況，三百年間傳統建築的自變過程並不明顯，但屬於投射區域的台灣，建築的應變與自變現象就相對的活潑許多。早期大陸來台的移民多以血緣或地緣的基礎，採群體移墾方式拓殖，因著文化傳承的關係;原鄉的建築形式隨者移民的腳步引入了台灣』(註. 2-2. )。 2-3. 『抬梁式木在傳統建築中，『建築結構體稱大木或大木作』(註 )，構架中有斗栱者稱為大式，無斗栱者稱為小式』(註. 2-4. )。而『大木構架. 是一棟建築物的主體，也是匠師心思用的最深的地方，藉由對傳統建築大木構架之比較與分析，可發現其與地域關係、匠師流派、社會人文活動等有密切之關聯性』(註. 2-5. )。閻亞寧曾對慈祐宮四個空間-山門、正. 殿(含拜殿)、後殿、後室所反映出之建築形式特質，分別與漳派名匠陳應彬建築、潮州建築、泉州建築做比較分析後，發現『基本上，臺閩地註 2-1 註 2-2 註 2-3 註 2-4 註 2-5. 見李乾朗，1979，《台灣建築史》，雄獅，p23。見內政部編，1995，《古蹟解說理論與實務》，內政部，p185。見李重耀、李學忠，1999，《台灣傳統建築術語辭典》，藍第，p11。同註 2-3，p11-12。同註 2-2，p206。 9.

(19) 區的傳統建築仍是大同小異的，在同為中國南系民間建築的大原則下，主要在細部處理的手法上因地理氣候環境、產業結構、民情風俗不同等種種因緣際會，使得各類建築形式及風格有互相交流的情形，而產生明顯的地區性差異與建築本身形式的轉化，但大體上仍是承傳大陸閩南、粵東之原鄉建築風格。』(註. 2-6. )。. 如再進一步追溯至中國建築，『中國建築在習慣上一直以中央政府頒佈的各種算例、則例為標準，並以依此而興建的建築物為主流，統稱為北式、官式或京師派建築，與之對立的建築則有南式、民式或地方派等說法』(註. 2-7. )。而『台灣傳統建築則是根源於中國建築南方式樣中閩. 粵兩省的衍生系統，以木構造為主的古建築物』(註. 2-8. )。. 綜合上述，明顯地可以看出台灣傳統木構架的來源乃是傳承自大陸閩南、粵東之原鄉建築風格，在細部處理上則是因應不同的環境產生轉化。. 註 2-6 見內政部編，1995，《古蹟解說理論與實務》，內政部，，p209-211。註 2-7 見閻亞寧，1991.07，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~一)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p157。註 2-8 同註 2-7。 10.

(20) 二、木構架之類型由上可知，台灣傳統建築是根源於中國建築南方式樣中閩粵兩省的衍生系統，以木構造為主的古建築物。『從建築史的角度來看，台灣的廟宇建築是中國南系建築重要的一支』(註. 2-9. )。『清代的台灣，因常發. 生分類械鬥，各籍移民壁壘分明，風俗習慣也略有區別。匠師之手法因係代代師徒相傳，也會要求流派風格之建立』(註. 2-10. )。以下首先就以匠. 師之流派來作為探討木構架類型之切入點。清代台灣的廟宇幾乎都是自閩粵敦聘司傅來建的。可分為幾個派別如表 2-1 所示。表 2-1 木構架依匠師流派與代表性之建築分類表. 派別閩系. 泉州漳州福州. 粵系. 三江系. 代表性之建築艋舺龍山寺、鹿港龍山寺、臺北保安宮、臺北孔廟、新竹城隍廟桃園景福宮、木柵指南宮、臺中林祖祠. 臺南延平郡王祠(已遭改建)、霧峯林家祠堂潮州臺南三山國王廟嘉應州及惠州新竹新埔義民廟廣州臺南兩廣會館(二次大戰末遭毀) 浙江、江西、臺南巡撫衙門(遭日人拆除) 江南. 資料來源:本研究參考李乾朗，1983，《廟宇建築》，北屋，p31，自行整理。. 其次，木構架之類型亦可由單或重檐、對稱或非對稱系統構架來分類，如下頁表 2-2 所示。. 註 2-9 見李乾朗，1983，《廟宇建築》，北屋，p22。註 2-10 同註 2-9。 11.

(21) 表 2-2 木構架依單或重檐、對稱或非對稱系統構架之分類表. 構架分類單檐對稱式系統構架. 代表性之建築新竹水仙宮三川殿、彰化孔廟欞星門、板橋定靜堂西廊、新莊廣福宮、馬宮天后宮、台南武廟三川殿、台南報恩堂、蓮座山觀音寺正殿 ..等。. 單檐非對稱式系統構架. 大肚磺溪書院、彰化孔廟戟門、台南元和宮、員. 重檐對稱式系統構架重檐非對稱式系統構架. 林福寧宮三川殿、霧峰林家祠堂、鳳山龍山寺三川殿..等。台北孔廟欞星門、北港朝天宮三川殿、台中林祠、台南武廟大殿、彰化孔廟大成殿..等。台中旱溪樂成宮三川殿、桃園景福宮大殿、彰化元清觀、白河大仙寺、台北保安宮大殿..等. 資料來源:本研究參考李乾朗，1983，《臺灣古建築大木結構結體技術初探》，文建會，自行整理。. 第三，亦可就木構架之構成方式來分類，『中國建築結構方式之主流採用樑架制度，樑架猶如人之骨架，是撐起一棟建築的必要結構。實際設計時，為了室內空間需求，產生兩種重要的屋架類型，一為「穿斗式」，一為「抬梁式」』(註. 2-11. )。而台灣特有的木構架構成方式則是疊斗. 式，前述三者之基本分野如下表 2-3 所示。表 2-3 木構架依構成之分類表. 木構架構成分類穿斗式. 特質說明每一檁下皆有一柱，因此柱數多，柱距短。樑材水平貫穿柱列，有如編網。其特點是用材可較細，有時可用竹材，結構穩定而堅固，中國南方普遍使用。(四川盛產竹，故多穿斗式，穿斗式之起源或與竹材使用有一定之關係)著者認為插栱式偷心造斗栱是由穿斗式樑架發展出來的。但其缺點是柱數過多，造成走右兩間相通之障碍。. 註 2-11 見李乾朗，1982，《中華藝術大觀 6-建築》，新夏，p98。 12. 圖示.

(22) 抬梁式. 疊斗式. 柱較少，可減至兩根，多至六根，柱上置梁，梁上在置短柱(侏儒柱)短柱上再置梁，梁上再置短柱，依此類推，構成一組梁架。因此大部分的檁條是架在侏儒柱上的，有利於室內空間之連續性，殿堂建築多用之。但是它也有弱點，在梁架交接處穩定性不夠，因此需要斜撐構件叉手、托腳或駝峯來補強。梁枋上因榫卯太多，故以數斗相疊，斗與斗之間有穿材 (如束木或看橢)，如此可代替瓜柱，通常疊三斗至五斗，也有疊至七斗。. 資料來源:參考 1.李乾朗，1982，《中華藝術大觀 6-建築》，新夏，p98。 2.李重耀、李學忠，1999，《台灣傳統建築術語辭典》，藍第，p144。3.李允鉌，1982，《華夏意匠》，龍田出版社，p205。 4.梁思成、林徽音，1981，《清式營造算例及則例》，狀元。5.自行整理。. 綜合上述，傳統木構架的類型依匠師流派可分閩系、粵系與三江系; 依單或重檐、對稱或非對稱系統構架可分單檐對稱式系統構架、單檐非對稱式系統構架、重檐對稱式系統構架、重檐非對稱式系統構架;依木構架之構成方式可分穿斗式、抬梁式與疊斗式等。. 13.

(23) 2-2 木構架之木材用料與力學性質一、木構架之木材用料臺灣傳統木構架材料來源，首先就歷史記載方面，『早期皆來自閩粵，尤以福州杉最受人歡迎。福州杉又稱為「油衫」，產於閩江上游，採集者砍下後編成木筏順河流下。其長度可達數十公尺，為最好之樑材及柱材。台灣之大廟上主脊多為福杉。溫州也出產一種「輕杉」，也是好的樑材。另外常用的有防蛀的樟木及楠木、烏心石、山杉，同時也適合家具之製造。清初因番人常出草，漢人不能入山砍伐，所以有些檜木是由台灣溪流沖至下游者。到了清末及日據時期，木材已多取自本島』 (註. 2-12. )。. 其次在現場調查方面，『根據蔡與徐(1998)在數個古蹟現場實地調查與洪與蔡(1997)進行台灣傳統大木構架用材之調查結果，台灣扁柏 (俗稱松梧)、紅檜(俗稱台檜)、肖楠、台灣杉 (俗稱亞杉)、鐵杉-福州杉(俗稱杉木)、柳杉(俗稱日杉)、樟樹(俗稱本樟、芳樟)-大葉楠(俗稱楠木)及台灣櫸(俗稱紅雞油)等為台灣傳統大木構架常用木料。這些構件皆有強度好、尺寸安定與木理通直之結構件特性。其中，台灣扁柏、紅檜、肖楠皆屬針一級木，與福州杉則是現今已指定的古蹟最常用之木料。但大陸產質優之天然福州杉近幾年也不多見，再加上台灣在過去或因經濟發展，或因戰爭所需木材原料迫切，天然生優良的結構件砍伐殆盡，近來則更由於環保意識高漲，台灣森林經營政策起了很大之改變，木材砍伐之限制很多，以至於台灣每年之用材有99％以上必須仰賴進口。依民國七十三年公布之《文化資產保存法施行細則》四十六條所載之四項基本原則中，古蹟修復必須「採用原用或相似之材料」，於是國內古蹟修復業者紛紛尋找可取代過去常用大木構件之相似樹種，如台灣造林木杉木與柳杉，進口的福建柏 (俗稱越檜)、智利柏 (俗稱南美檜木)等』(註. 2-13. )。. 最後在實驗用料方面，本研究選定紅檜(俗稱台檜)為本研究的實驗用材，因其為台灣傳統大木構架常用木料，對於模型製作的可行性也有幫助。註 2-12 見李乾朗，1979，《台灣建築史》，雄獅，p53。註 2-13 見蔡明哲、徐明福，1998.09，《超音波檢測技術應用於臺灣古蹟大木構件新料擇用之初探》，建築學報， p50-51。 14.

(24) 二、木材之力學性質木材之基本性質包含眾多，基於本研究爾後對木構架之結構計算之需要，擬針對木材之力學性質做回顧。本研究選定的實驗用材為紅檜(俗稱台檜)，因其為台灣傳統大木構架常用木料，對於模型製作的可行性也有幫助。以下為紅檜相關之力學性質數據，作為爾後數位與實體模型模擬之參考。 2. 破壞係數 MOR (kgf/cm ):579 2. 彈性係數 MOE (kgf/cm ):57810 絕乾比重:O.354 容積密度:0.333 含水率:12% 2. 靜曲彈性係數 Eb (kgf/cm ):116200 平均音速縱向(m/s):5673 2. 橫向引張強度(kgf/cm ):41 2. 縱向壓縮強度(kgf/cm ):365 2. 橫向壓縮比例限度(kgf/cm ):54 2. 橫切面硬度(kgf/mm ):2.39 2. 衝擊彎曲吸收能量(kgf/cm ):0.506 資料來源:見王松永編著，1986，《木材物理學》，台北:國立編譯館。. 15.

(25) 2-3 木構架之榫卯元件型式臺灣傳統的木構架，『從力學上來講，係介於剛性與非剛性之間的結構，它的節點都允許一定程度的彈性。因而在榫卯的運用亦提供相對的彈性，這些為數眾多的節點有如人的關節一樣，可以傳遞外力並逐層吸收與釋放。榫卯的最主要作用是連接及固定兩個構件，易言之，為一種連接器。它使兩塊或三塊以上的木構件合為一體，從今天的科技來說，兩塊木材可用強力膠黏合，兩塊金屬可用焊接結合。皆屬於剛性的結合。榫卯的結合總是有空隙，這是它的缺點，卻也是它的優點。榫卯的作用，除了連接以外，也有抗滑作用。即利用剪力，使兩塊木材相接不易變形。在台灣建築大木結構之中，榫卯即扮演著抗拉力、抗壓力與抗剪力的三項作用』(註. 2-14. )。. 榫卯的類型很多，閻亞寧將其分類成直榫、楔、凹槽等三大系統，茲列舉如下: 『本系統採樹枝型三位代碼的編序方式，其基本格式如下: A. 1. 系統代號. 型式代號. 2 外型代號. 一、系統原則 (一)系統代號以 A、B、C 三個字母分別代表榫卯基本系統。A:直榫系統，B:楔系統，C:凹槽系統。 (二)形式代號以 1、2 二個數字分別代表榫卯基本型式。1:基本型，2:變化型。 (三)外形代號以 1、2、3..等數字，依同一基本類型榫卯而有不同外型者，分別給予代號。依上述編序系統，可以將大木作構材複雜的榫卯型式整理成相當明晰的表格』(註. 2-15. )。. 註 2-14 見李乾朗，1999，《台灣傳統建築匠藝二輯》，燕樓古建築，p78。註 2-15 見閻亞寧，1992.09，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~三)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p100。 16.

(26) 二、直榫系統直榫系統如表 2-4 所示。表 2-4. 直榫系統表名稱. 圖樣. 編號. 本省大木師傅稱法. 大陸北方匠師使用名稱. 1. 單向直榫. A-1-1. 直榫. 單向直榫. 2. 單向雙榫. A-2-1. 雙榫. 單向雙榫. 3. A-2-2. 4. 大拼小出直榫燕尾榫. 大拼小出直榫銀錠榫. 5. 單向搭接榫. A-2-4. ※十字穿插榫企口榫燕尾榫公母榫. 6. 蟻榫. A-2-5. 蟻榫. 蟻榫. A-2-3. 搭接榫. 說明多用於水平構件或出挑材者垂直材連接之用。為基本原型枋與柱之接合或小構件與柱之接合多出現在穿插枋或通與柱相接之場合多見於兩構件垂直相接之場合多用於二水平構件之搭接，如桁與桁之接合此榫乃由單向搭接轉化而來，多用於封簷板之接合. 資料來源:見閻亞寧，1992.09，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~三)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p100。說明:選用之榫卯元件以粗黑框註明。. 三、楔系統楔系統如表 2-5 所示。表 2-5. 楔系統表名稱. 圖樣. 編號. 本省大木師傅稱法. 大陸北方匠師使用名稱. 說明. 1. 公母榫. B-1-1. 公母榫. 暗契. 為所有公母榫之基本型式. 2. 鼻子公母榫. B-1-2. 公母榫. 鼻子榫. 此種榫頭形狀位於桁碗內，為柱頭與桁接合之榫頭形式. 3. 管腳公母榫. B-1-3. 公母榫. 管腳榫. 此種榫用於柱腳與柱株相接之用，亦可作為接柱之榫頭形式. 4. 饅頭公母榫. B-1-4. 公母榫. 饅頭榫. 此種用於柱頭與其他構件相接之用. 5. 筒底公母榫. B-1-5. 公母榫 17. 此種榫用途廣泛，用於瓜筒與通或斗與.

(27) 於瓜筒與通或斗與其他構件接合之用 6. 單向搭接榫. B-2-1. 公母榫. 此榫接合多用於桁水平相交處. 7. 十字穿插楔榫. B-2-2. 十字榫. 此榫多用於柱與其他四向構件相交之用. 資料來源:見閻亞寧，1992.09，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~三)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p100。說明:選用之榫卯元件以粗黑框註明。. 四、凹槽系統凹槽系統如表 2-6 所示。表 2-6. 凹槽系統表. 1. 十字搭接榫. C-1-1. 本省大木師傅稱法十字榫. 2. 榫孔. C-1-2. 榫孔. 3. 十字交叉榫. C-2-1. 十字榫. 4. 十字交叉榫. C-2-2. 十字榫. 5. 十字凹槽搭接榫. C-2-3. 十字榫. 名稱. 圖樣. 編號. 大陸北方匠說明師使用名稱凹口此為構件上之凹口，用於兩構件之垂直接合防止水平位移卯眼. 此為垂直構件表面與水平構件相交之榫孔此榫乃由平面雙向凹槽加楔組合而成，多用於疊斗與其他構件相接此榫乃由立面雙向凹槽加楔組合而成，多用於垂直構件與其他水平構件相接之用此榫乃由平面雙向凹槽加十字搭接榫而成，多用於構件組合而成之一種型態. 資料來源:見閻亞寧，1992.09，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~三)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p100。說明:選用之榫卯元件以粗黑框註明。. 18.

(28) 2-4 木構架之構件特性與形貌構架需靠構件(構材)結合方可組成，在傳統建築中，『大木作構材為傳統建築木結構系統中一切木構架的總稱，包含主要構材與次要構材兩大部份。 (一)範圍: 1.主要構材：柱、瓜筒(童柱)、通(梁)、楹(桁)、楹引、枋、壽梁、束、椽、斗、拱等十一類。 2.次要構材:通隨、束隨(看隨)、吊筒、托木、斗座、頭巾等六類』(註 2-16. )。. 由於各種構件名稱繁多，且常因匠人口語習慣不同，對同一構材有不同稱謂。本研究為統一用語故選定臺灣傳統建築常用的用語為依據，如下表 2-7 所示，並以粗黑框來註明。表2-7. 台灣傳統建築. 宋營造法式. 清式營造算例及則例. 營造法原. 說明. 柱. 柱. 柱. 柱. 瓜筒. 侏儒柱. 童柱（金瓜柱）童柱. 依部位而有不同的個別稱謂. 壽梁. 蘭額（由額）樑. 枋. 通. 梁. 梁. 梁. 通、梁、枋. 枋. 枋. 枋. 桁. 桁（楹仔）. 枋. 枋. 桁. 椽. 椽（角仔）. 椽. 椽. 椽. 托木托木（插角）綽幕. 雀替. 梁墊. 楹引楹引（桁引）隨桁枋（壓跳）. 隨桁枋. 連機. 通隨通隨. 隨梁枋. 隨梁枋. 隨梁枋. 牽. 抱頭梁. 川. 隨樑枋. 穿插枋. 夾底. 垂直構材. 柱. 水平構材. 梁. 附屬部分. 大木作構材對照表. 束仔束仔（彎弓）束隨束隨. 同上. 長度橫跨整個開間稱楹引，僅達約 1/5~1/4開間長者為雞舌. 註 2-16 見閻亞寧，1991.07，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~一)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p.160。 19.

(29) 吊筒吊筒. 過渡部分. 無. 垂蓮頭. 垂蓮柱. 頭巾頭巾（水尾）丁華抹栱. 角背. 抱梁雲. 斗栱斗. 斗. 斗. 斗. 栱. 栱. 栱. 栱. 斗座. 駝峰. 駝峰. 荷葉凳. 有時以雕花塞材外封榫口. 資料來源:見閻亞寧，1991.07，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~一)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p162。說明:選用之統一用語以粗黑框註明。. (二)主要構件特性與形貌 1.柱:上承楹(桁)、通(梁)、枋等水平構材傳遞之屋架重量並轉載於地面的主要垂直構材(簷柱、封柱、金柱、壁柱等)。. 圖 2-1. 柱形貌示意圖. 圖 2-2. 柱形貌實景圖. 2.瓜筒(童柱):立於梁上傳遞重量但不接地的短柱(挫瓜筒、瓜柱等)。. 圖 2-3. 瓜筒形貌示意圖. 圖 2-4 20. 瓜筒形貌實景圖.

(30) 3.通(梁)：承接並傳遞屋架荷重的水平構材，其基本方向與屋面垂直。 (大、二、三通，步通，同梁等). 圖 2-5. 通形貌示意圖. 圖 2-6. 通形貌實景圖. 4.楹(桁):承屋椽荷重並與之貫接相連的圓形構材。. 圖 2-7. 楹形貌示意圖. 圖 2-8. 楹形貌實景圖. 5.楹引(桁引):楹下直接相連的長方形斷面木料，與楹等長者為楹引，長度僅達1/4~1/5者稱為雞舌。. 圖 2-9. 楹引形貌示意圖. 21. 圖 2-10. 雞舌形貌實景圖.

(31) 6.枋:柱與柱之間的水平連接材，斷面為方形。(枋、簷枋等). 圖 2-11. 枋形貌示意圖. 圖 2-12. 枋形貌實景圖. 7.壽梁:功能與枋相同，唯斷面為圓形且位於前後點金柱之間，方向與屋面平行。. 圖 2-13. 壽梁形貌示意圖. 圖 2-14. 壽梁形貌實景圖. 8.束:瓜筒與瓜筒、柱間或疊斗與疊斗、柱間的水平連接構材。(棟、彎弓、圓光、肥板等). 22. 圖 2-15. 束形貌示意圖. 圖 2-16. 束形貌實景圖.

(32) 9.椽:楹上望磚望板之下，承受屋瓦重量的扁長矩形斷面木料。(北式多為圓形或方形斷面). 圖 2-17. 椽形貌示意圖. 圖 2-18. 椽形貌實景圖. 10.斗:位於梁枋或柱頭與栱之間或二栱之間的傳遞構材，上部呈十字形凹槽稱斗，單向凹槽為升，但閩南習慣概稱為斗。. 圖 2-19. 斗形貌示意圖. 圖 2-20. 斗形貌實景圖. 11.拱:架構中位於斗或柱上梁頭，呈彎形面的水平構材。(連栱、彎栱). 圖 2-21. 拱形貌示意圖. 圖 2-22 23. 拱形貌實景圖.

(33) (三)次要構材特性(以裝飾為主結構意義為輔) 1.通隨:位於通梁之下的次要水平構材。. 圖 2-23. 通隨形貌示意圖. 圖 2-24. 通隨形貌實景圖. 2.束隨(看隨):位於束之下的次要水平構材。. 圖 2-25. 束隨形貌示意圖. 圖 2-26. 束隨形貌實景圖. 3.吊筒:位於挑簷桁下的短柱，與出櫸垂直，前方常有填補梓口的雕花塞材(豎材 )。(帛籃、倒吊蓮等). 圖 2-27. 吊筒形貌示意圖. 圖 2-28. 資料來源:見李重耀、李學忠，1999，《台灣傳統建築術語辭典》，藍第，p190。. 24. 吊筒形貌實景圖.

(34) 4.托木:梁、枋、桁等水平構材與柱、吊筒等垂直構材相接處的斜向補強構材。(岔角、插角、雀替等)。』(註. 圖 2-29. 托木形貌示意圖. 2-17. )。. 圖 2-30. 托木形貌實景圖. 註 2-17 見閻亞寧，1991.07，《台灣傳統建築大木作構材製作方式與組合程序(三~一)》，空間雜誌特別增刊:建築技術，p.160-162。 25.

(35) 2-5 木構架之構造原理臺灣傳統木構架的構成方式大體上可分穿斗式、抬梁式與疊斗式。穿斗式、抬梁式乃源自於中國建築，屬梁架制度內的兩種重要屋架類型，『其原理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. 2-18. )。. 疊斗式木構架其構造原理與抬梁式木構架相近，差異在於『梁枋上因榫卯太多，故以數斗相疊，斗與斗之間有穿材(如束木或看橢)，如此可代替瓜柱，通常疊三斗至五斗，也有疊至七斗』(註根據黃斌(註. 2-20. 2-19. )。. )『經由現場案例調查與力學分析，初步發現疊斗式構架. 具有下列構造的特徵: 一、疊斗式構架抵抗面內變形強度大於面外變形強度是其主要特徵疊斗式構架之主要功能是支撐桁檁，因此在柱與柱之間使用許多束、隨材去進行填充，其具有相當良好的剛性。但其抵抗面外變形之能力有限，且構架間之拉繫以防止外力作用而傾倒之繫材，僅有枋材與桁檁等少數繫材。. 二、主要水平構材均屬簡支梁疊斗式構架的主要水平構材為通梁，通梁將其疊斗列下傳的載重再傳柱位最後至地面，而因為所背負載重之不同，而使大通、二通、三通之斷面直徑以約 0.6 公分往上遞減。從通梁中央為最大斷面而逐漸往兩旁遞減斷面成為榫頭，可以了解通梁為簡支梁。. 三、步通會穿越檐柱挑梁，具有出挑之結構特性步口區間的通梁由於斷面與柱徑略等，因此在穿越檐柱時其斷面需減少，而出挑部分之外型製成拱的形式並往上傾斜一角度，因此其利用外型來達到力學效果以確保出挑材不致拔出。步通穿越柱子懸臂出挑的距離為一至二步架，其利用槓桿原理，其是藉由步口區間疊斗列之下壓力量去平衡出挑外端檐桁所承擔力量。. 四、疊斗列各層出拱可強化桁檁與構架之穩定註 2-18 見李乾朗，1982，《中華藝術大觀 6-建築》，新夏，p98。註 2-19 見李重耀、李學忠，1999，《台灣傳統建築術語辭典》，藍第，p14。註 2-20 見黃斌，2003，《台灣傳統古蹟及歷史建築耐震能力之基礎研究(2)-疊斗式木構架結構特徵之調查與解析》期中報告，內政部建研所，p8~13。 26.

(36) 斗拱系統是疊斗式構架之重要特徵，其利用層斗取代抬梁的童柱，可解決多向構材接合，柱身斷面減少的缺點，而開放的接點有助創造良好的物理環境，避免接點受潮腐蝕。斗拱系統是由斗與拱所組成，單一疊斗列由上而下依序為雞舌拱、正拱、副拱，而後斗再填充於拱之間，疊斗列的最下層構材則為擴充之瓜筒。在疊斗列與疊斗列之間則填充束材與隨材。疊斗列利用下列特質以穩定構架: (一)符合形抗原理:層拱之功能類似西洋建築之拖架，其利用出挑距離以減少桁檁之跨距，以減少構架所承受之端點彎矩與剪力。拱材出挑距離由上而下依序遞減，符合力量傳遞之形抗原理。 (二)以出挑拱為優先原則:拱材利用槓桿原理支撐桁檁，故拱材與束材之接合以拱材為優先構材。拱材以完整斷面穿越疊斗列，而束材則斷開進行填充，而束頭則固定桁檁。拱材受力時，上緣承受張力，而下緣承受壓力，當拱材斷面不連續而有破口時，則引致纖維不連續致使有效斷面短少。因此拱材與其他構材接合是以破壞斷面最少的燕尾榫為主。 (三)屋面重量具有穩定功能:拱以燕尾榫與束材及隨材接合，在擱放於斗的槽口上，因此燕尾榫為區間中之主要榫接形式。從組裝觀點而言，燕尾榫與擱放均為下落式組裝，為不使榫頭上向脫榫，必須有一下壓力量固定整體，因此屋面重量具有穩定構架之功能。區間中之燕尾榫組裝順序是「水平構材先、拱後」，與頂層「束材先、雞舌拱後」不同，因此拱之卵口為上小下大，因此疊斗列之下壓力量，可避免通梁及填充材向上脫榫。 (四)斗的功能:斗除具有承接各向構材之功能外，斗的槽口深度並能用來調整構架之高程，因此各疊斗列斗數之比並無一定的型制。斗的比例是斗身高寬、斗耳低窄，符合上半部足夠斷面抵抗壓力，下半部斗耳僅為傳力功能，因此整體為形抗構材。疊斗列中，斗身比例由上往下遞增，形成一穩定的直塔形狀，有助於疊斗列之穩定。在拱端與拱端間並有填充一小斗，斗之槽口為斜向與通梁之出挑部之填充斗類似，因此其功能也是為了「塞緊」拱與拱之空隙，使整座疊斗列外周剛性足夠以利傳力。 (五)緩衝機制:木料為天然彈性材料，因此在拱間填充斗，恰能組成半剛半柔之緩衝體，其在剛性較大之梁柱接點中，成為一「消能器」。. 五、疊斗列底層之瓜筒與通梁接觸面大，可減少通梁之壓應力。瓜筒是疊斗列最下層的構材，疊斗列最上層的桁檁將屋面重量藉由瓜筒傳至通梁，瓜筒之外型有塊狀或是筒型，其共同的特徵是其為疊斗列中最大的構 27.

(37) 材。其力學原理利用如下所述: (一)利用逐漸擴大的量體與通梁接合，瓜筒利用擴大底座的斷面積與通梁接合，可使疊斗列傳達下來壓應力小於未擴大底座的壓應力，如此可避免通梁受到壓應力而刺穿破壞。 (二)瓜筒利用構材下緣再突出兩爪去包覆通梁，防止瓜筒受外力作用時與通梁脫開位移。其包覆深度約佔瓜筒長度之半。 (三)瓜筒利用楔榫與通梁榫接。 (四)屋頂的下壓力量亦提供相當摩擦力來避免瓜筒的位移。 (五)瓜筒為橢圓形斷面，其斷面之長軸方向之 I 值較高，因此其以 I 值高那一向去抵抗面外之傾覆力。 (六)通梁上之板路，其功能是作為瓜筒置放與榫接之平台。』(註. 在結構行為研究方面，廖世芳、陳信樟(註. 2-22. 2-21. )。. )藉助「有限元素法」來分. 析兩座臺灣傳統二維大木構架之結構行為，經由定量分析及定性探討，得知傳統二維大木棟架作法上，下列幾項對於抵抗地震水平力，與由結構分析結果得出: 表 2-8 臺灣傳統二維大木構架之結構行為分析表臺灣傳統二維大木構架之結構行為分析結果 1.構件形狀通直尺寸較大，沒有分割成小構件連接者，負擔較大的應力，如柱、通。構件多分割成小構件組合者，負擔較小應力，如疊斗、束仔、束隨、插角、通隨..等。使主要構件與次要構件角色尤其外表就可判斷。分 2.構件接合全用榫卯，其彈塑性變形可抵消部分地震能量。析結 3.屋頂部分的垂直荷重，可提高各垂直構件的摩擦力。果吻 4.由於地震水平橫力採用數值較真實數值大 1.36 倍，所以分析資料中合位移量，彎矩及剪力偏大，應該乘以 0.738 修正係數才正確。. 與本研究之關係本研究亦將構件分成主要與次要構件分別探討。本研究榫卯接合以半剛性接頭來模擬。本研究擬施以垂直荷重，觀察是否能提高垂直構件荷重。納入本研究動力分析之參考。納入本研究結構行. 5.於構件所剪力、彎矩較大之處，有加大構件剖面積，或另加補強構件為分析之參考。的作法，如梁交接處用藤箍束縛防止柱的開裂，加強交接處的的勁性。或用插角及通隨、圓光來增大有效截面積，使較易發生破壞處，能承受更多剪力即彎矩。. 納入本研究結構行. 6.構件會依位置所受應力而依序增大材料截面積，如大通所受彎矩，剪為分析之參考。力大於二通，二通大於三通。傳統作法大通尺寸〉二通〉三通。疊斗以最下層所受彎矩，剪力最大、瓜筒及斗座即以較大截面積來解決。. 註 2-21 見黃斌，2003，《台灣傳統古蹟及歷史建築耐震能力之基礎研究(2)-疊斗式木構架結構特徵之調查與解析》期中報告，內政部建研所，p8~13。註 2-22 見廖世芳，1988，《台灣傳統二維大木構架耐震研究》，淡江大學建築研究所碩士論文，p95-96。 28.

(38) 7.構件材料尺寸有模矩存在，且多以對稱型式出現，對於整體構架剛心納入本研究動力分析之參考。及質心的距離有縮短作用，在地震力來時不會因偏心而倒塌。分 1.疊斗不是越上層彎矩、剪力越小，而要視與其相接的構件多寡、位置、納入本研究結構行為分析之參考。析及本身的層數而定，所以傳統做法疊斗越上越小並不正確。結 2.束仔的尺寸一般均一樣大，但由分析中得知越下層束仔彎矩、剪力越納入本研究結構行果為分析之參考。大，所以建議應依高低由上往下逐次加大截面積。有 3.在非對稱構架中需要束仔的部位，傳統作法用束隨或無構件取代，往納入本研究結構行出往造成與此構件相接垂直構件，受力不平均，而有剪力破壞情形產為分析之參考。入生。所以建議加入構件較安全。 4.構件損壞或構架部分腐蝕，常用臨時性補強措施加固，但突然增強只納入本研究結構行會造成應力集中破壞，所以要兼顧整體構架平衡條件下，採取最佳解為分析之參考。決方法才是正確。為本研究之探討內後 1.整體構架三度空間結構行為的探討，並印證與二維所結果是否相同。容。續為本研究之探討內研 2.製作一組模型用實驗來求證電腦分析結果是否正確。容。究方向資料來源: 見廖世芳，1988，《台灣傳統二維大木構架耐震研究》，淡江大學建築研究所碩士論文，p95-96。. 小結: 1.本章對古蹟暨歷史建築木構架的來源與類型、木材用料與力學性質、榫卯元件型式、構件特性與形貌、構造之文獻回顧，除奠定了爾後述說的依據外，亦由廖世芳、陳信樟之文獻中，更加強了本研究的價值。 2.本研究參考文獻繪製古蹟暨歷史建築木構架中廟宇最普遍使用的疊斗式木構架數位模擬圖，可展現疊斗式木構架之構造形式及構件拆解示意，並提供爾後數值模擬分析與模型實驗之參考。. 29.

(39) 圖 2-31. 圖 2-32. 疊斗式之純木構架 3D 數位模擬圖. 疊斗式木構架之構件拆解圖. 30.

(40) 圖 2-33. 疊斗式之單架 3D 數位模擬圖. 3.本研究蒐集資料中發現前人之研究大多偏於抽象歷史傳承及文化意義之敘述，而對於構造及力學之基礎研究相對較少。以金字塔來比擬古蹟暨歷史建築研究之涵構，如圖 2-34，上層部分可視為屬藝術、文化、空間意涵等之內容，下層部分則為材料、結構、構法與工法等之基礎內容。目前政府及民眾較重視上層，上下層研究不成比例，極需加強建構屬下層部分之基礎研究。. 其它歷史空間藝術文化. 重視. 其它結構構法工法材料. 圖 2-34. 忽視. 以金字塔比擬古蹟暨歷史建築研究涵構圖. 4.擬於下章回顧木構架結構狀態之檢測技術，以作為爾後研究木構架預警檢測機制之參考。. 31.

(41) 第三章木構架結構狀態之檢測技術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。 32.

(42) 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。圖 3-1. 木構造承重圖. 資料來源: 同註 3-6。. (二)震害分析:. 圖 3-2. 疊斗式木造亭軒之震損模式圖. 資料來源: 同註. 註 3-3 註 3-4 註 3-5 註 3-6. 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。. 同註 3-2。同註 3-2。同註 3-2。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)。 33.

(43) 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。. 34.

(44) 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。地震. 1.主因. 2.初期徵狀. 預警. 屋瓦裂. 木材老化. 蟲蟻蝕. 榫卯變大. 生斑生土. 漏水. 梁柱脫開. 3.中期徵狀. 樑下彎斷裂. 樑柱中空. 生白斑. 桁下限彎曲. 桷木彎曲. 疊斗歪斜. 桁移位. 樑下陷移位屋頂凹陷. 瓜筒開裂. 柱頭裂開. 桁掉落. 4.後期徵狀. 圖 3-4. 托木雕花材掉. 柱傾斜. 瓦脫落. 堂磚滑動. 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。. 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。 35. 斗栱鬆脫.

(45) 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。實驗. 理論. 其他研究. 文獻回顧. 木構造之破壞過程. 結構行為. 結構型態. 檢測(項目). 遙測. 執行應用. 巡迴車. 執行應用. (長期)監測. (現場)診斷營運機制. 圖 3-6. 公 B 其辦 O 他民 T 營流程構想圖. 36.