No. 95 2016/07/20
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土木工程實務設計(Capstone)課程心得――溪頭計畫

文/謝沛宸(臺大土木工程學系三年級)

  溪頭的銀杏步道蜿蜒於針葉林間,又沿著河床穿越神木溪的潺潺流水,是親近溪流的好地方,炎炎夏日在此戲水,好不愜意。然而每當風雲變色,下起大雨時,同樣的地點卻被神木溪洶湧的山洪截斷……。

  經歷過土木系大一的「土木概念設計、實務設計(Cornerstone)」以及大二的「流力與結構實驗(Keystone)」等實務課程的洗禮後,放暑假前一聽到大三也有實務課程的消息,便毫不猶豫地報名了。今年的主題正是替溪頭銀杏步道規劃設計一座跨越神木溪的人行木橋,讓遊客在下雨天也能平安渡河。

  這堂「土木工程實務設計(Capstone)」的學生共七人,授課教師除了開課的卡艾瑋教授(Herve Capart),還找了業界的結構技師冨田匡俊(とみた まさとし)擔任課程顧問,同時水利組的助教和學長們則擔任後勤部隊提供各種支援。於是九月初,我們的橋梁設計之旅開始了。

橋梁結構形式探討

  「下週每個人交一份現有橋梁的案例分析。要找三座橋樑,材質、形式、大小不限,但是務必要附上有尺寸的設計圖,方便之後製作模型。」這是冨田技師在第一次上課時指定的作業。

  這次課程要規劃設計的雖然是木造橋樑,然而課程剛開始的前一個月,我們探索的對象只是單純的「橋」而已。首先從蒐集到的既有橋梁案例出發,分析並製作 1:50 模型來觀察其結構系統;之後再思考如何將該結構系統以木構造來呈現?如何調整為需要的跨距與規模?

  這個階段我們對於橋址的認識不多,唯一知道的幾乎只有地點和大約需要的跨距。然而因為少了面對實際橋址必須考慮的各種限制因素,反而在橋梁的結構系統上可以盡情發揮想像力與創造力。同時,我們無形中逐漸培養出橋梁設計的基本概念,以及對橋梁結構系統的認知。

第一次溪頭勘查

  十月中旬,經歷了一個月的結構形式討論後,我們帶著自己設計與製作的模型,利用周末前往溪頭,在實驗林與水里木工廠的協助下進行首次現地勘查。

  在現場仔細觀察、測量後,我們的首要任務是找出最佳斷面。斷面必須考慮的因素很多,首先最重要的是必須滿足 50 年重現期洪水水位的限制,這連帶影響了橋梁結構形式、橋墩及橋台的選擇;其次由於河道兩側都是密集的柳杉及紅檜林,因此必須盡量減少橋梁興建對樹木的影響,同時還要考慮與既有步道的銜接方式;最後是景觀上的影響,畢竟位處溪頭的觀光樞紐,必須盡量使橋樑能融入自然環境。在眾多因素限制下,選擇斷面需要來回不停的觀察與嘗試,依據每個因素的優先順序來逐步縮小可能的斷面位置。

  同時我們根據前一階段每個人提出的結構系統,合併成三組後提出各自的結構設計以及所選斷面,進行後續的發展。 

期中評圖

  很快地在十一月底就要進行第一次評圖。評審由業主方的實驗林處長、研究員、相關職員,以及提供專業意見的卡艾瑋教授、冨田技師、張技師等人組成,目標是決定出要以哪一組的規劃為主繼續發展。

  為了評圖的需要,除了三組各自的橋梁本體模型外,我們還必須合力製作基地模型,才能讓業主清楚理解各組的斷面選擇。基地模型製作相當耗時,必須先將地形資料轉繪成間隔 25 公分的等高線圖,分割列印後將上百條等高線裁切、黏合,最後再標示出洪水位、放上橋梁本體模型。整個製作過程再加上幾次錯誤的嘗試,我們花了數日夜晚加班才有驚無險地完成基地模型。雖然疲累,但是完成的瞬間看見原本只存在於人腦和電腦中的設計構想,竟能栩栩如生出現在眼前,頓時覺得所有努力都是值得的。

  評圖的結果,決定採用斷面位於中間、桁架張力系統的方案。

結構實驗及期末評圖

  由於業主提出「可以只保留橋面以下的結構嗎?」的想法,因此我們再度分為兩組進行設計,一組是原本的提案,一組只有下部橋墩。同時,冨田技師也要求我們開始思考接合部的設計。木構造不同於鋼構或 RC 構造,接合部必須仔細設計才能兼顧到經濟、施工性及美觀等面向。

  為此我們決定製作 1:25 的結構模型,以觀察結構系統的反應並實際確認接合部設計。這次的模型不同以往皆以珍珠板製作,而是使用真實的木材,讓我們吃了不少苦頭,尤其是解決金屬接合部與木材間的微小誤差就耗去大半時間。

  一月初,評審們再次聚集評圖。這次業主雖然並未明確選擇哪一方案,而是日後將交由遊客投票來決定,但最重要的是業主認可並接受了我們的規劃提案。這代表半年來我們努力的成果獲得認可,能在不久的將來實現!這對我們來說是莫大的鼓舞,也代表上學期的 Capstone 課程漂亮地告一段落。

下學期的新展開

  「同學們想繼續下去嗎?大家可以選擇做到這邊為止,把提案交給溪頭就好;也可以下學期繼續完成所有的細部設計。」就在放寒假前數日,卡老師問起我們。

  「要繼續!」七人全員應允。

  於是,原本以為課程已經畫上休止符的眾人,再度接下新的挑戰……。

  寒假期間我們將規劃的成果整理,也構思了一部結合遊客投票的童話故事,製作成宣傳海報懸掛於橋梁預定地。

結構分析

  下學期的細部設計,主要先從最重要的結構分析方面著手。我們初期運用卡老師撰寫的 MATLAB 程式來分析二維結構,觀察力量的分布情況,並試著微調每個構件的角度與形狀。

  之後隨著遊客投票的結果發表,正式決定只保留橋面以下構造的方案,我們的結構分析軟體也轉換成業界常用的 SAP2000,同時我們開始研讀木構造、公路橋梁等各個規範。

  經過結構分析軟體的測試結果,我們逐步最佳化每個構件的尺寸,同時也發現原本我們上學期的規劃中並未多加考慮的一些狀況,例如偏心載重、風力等,對我們的結構造成無法忽視的影響,必須增加斜撐或是改變構件尺寸。

  結構分析的過程往往要反覆運算、檢查許多次,再加上我們經驗不足走了許多冤枉路,有時花了整天設計卻幾乎沒有進展,初期難免令人感到有些枯燥與挫折。然而過程中我們逐漸掌握了自己設計的橋梁結構特性,比起一開始隨機的嘗試,更能直指強度不足的位置進行修正,也從中印證了平時課堂所學的各種理論與公式,有了學以致用的體會。

第二次溪頭勘查

  五月初我們再次前往溪頭勘查。

  這次針對已經選定的斷面進行詳細測繪、新闢步道的選線以及地質條件評估,同時利用實驗林種植的竹子搭建 1:1 橋塔模型,以確認橋梁實際的視覺感受。

  竹橋模型的搭建過程比起一開始我們所預想還要艱辛許多。砍伐、搬運竹子就花了整個上午,將橋址的地上物清除後又發現實際地形與先前測量結果不同,一邊是無法立足的深溝,一邊是破碎的大石塊。這種狀況之下我們只能臨機應變,變更工法、搭建臨時工作平台、補強地基等等,竹構架還一度變形。好在經過兩天的努力,我們總算在離開溪頭前順利完工。

  而新闢步道的選線,我們提出兩個比較方案供日後選擇;同時參考實驗林的建議,決定在左岸一併設計新的觀景平台,提供遊客休憩、攝影的場所。地質狀況則在林銘郎教授的協助下,評估上游土石流會提前堆積,因而對於我們的基地而言沒有太大影響。 

邁向設計完稿

  學期的後半段,除了第二次探勘結果確認了斷面狀況,同時原本投票所選出不符力學原理的橋塔設計,在嘗試數個調整方案後也終於定案了,於是立即開始細部設計的最後衝刺。五月中開始我們分成三個工作小組,分別設計橋面與欄杆、橋梁上部構造、橋梁下部與新闢步道及觀景台,目標是在六月底提出完整的細部設計圖。

  這個階段的工作壓力或許是這將近一年來最繁重的時候。我們需要參考的法令、規範眾多,又得仔細思考每個環節與條件,畢竟我們所做的可不是紙上談兵,而是貨真價實供公眾使用的橋梁。因此設計時的心情也是如履薄冰,一面因為成功完成某個版本的設計而感到高興,一面又擔心自己的設計是否真的安全無虞?總是再三小心地檢查、驗算,力求萬無一失。面對龐大的工作量,有時候真希望一日能有三十個小時呀。

  設計的最後一哩路雖然辛苦,但是我們會堅持下去,努力讓這一年來的付出開花結果!



 

 
文章發表日期:2015/06/28 / 瀏覽人數:2982
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