抗震大作戰實錄

摘要

本文為高雄市立中正高工建築科二年級40位學生，在王龍盛、劉叔松、陳兩達與張永翔四位老師指導下，參加國立高雄科技大舉辦的「第14屆高科大抗震大作戰」的競賽實錄。

去年十月，組隊報名後，四位老師輪流於每週六、週日，到學校指導學生製作模型，從繪製展開圖、製作建築物模型，直到使用電動搖篩機瞭解模型抗震能力。本文敘述在兩個半月內製作模型和參加「抗震大作戰」的競賽情形。

「第14屆高科大抗震大作戰」於107年12月15日舉行，由劉叔松老師指導的「憂鬱滷肉飯」，榮獲「橋梁變變變」最佳解說獎，獲頒5千元獎金，並接受高雄市《港都新聞》記者採訪報導。

抗震盃開始報名

由國立高雄科技大舉辦的「抗震大作戰」今年進入第14屆，是全國高職土木建築群學校的年度盛事。本項競賽國立高雄科技大學土木工程系(民107），僅規定模型結構尺寸，由參賽學生發揮創意製作符合「制震理念」的模型，希望學生體驗抗震結構設計之精神。

本校建築科於九月底，調查各班同學參賽意願，最後建二忠、建二孝，共有6隊報名報名「大克震」，另有一隊報名「橋梁變變變」。指導老師為王龍盛、劉叔松、陳兩達與張永翔老師。10月12日(五)報名結束，「第14屆高科大抗震大作戰」，「大克震」共有36校139隊報名，競爭最為激烈，「橋梁變變變」16隊報名，「點燃拍攝魂」5隊報名。

完成報名後，隨即著手準備，叔松老師指導同學：「模型的柱梁相接處應設計托梁」，首先繪製展開圖，包括兩支柱，一支梁，兩側柱梁接處有托梁，由建二忠家紋、宗宏，先試做一個簡單的模型，因為受限於A4紙張尺寸，每面牆壁使用2張A4紙，一層樓共使用8張A4紙。

一共試繪3次才完成正確的展開圖，縱梁長為220-(2*12.65)=194.7cm，橫梁拆成兩支，每個橫梁長度為(210-3*12.65)/2=86cm。

10月20日(星期六)，先完成第一層模型（高度為100mm），次日接著完成第二層模型（高度為75mm）。繪製展開圖是一件有趣的事，先繪製立面形狀，加上梁寬後鏡射，再加上黏貼邊，在思考過程中，其實就是立體空間的構成與分解。

第二次製作模型

永翔老師與叔松老師討論後，為強固結構，決定托梁尺寸再加大。10月27日(六)與28日(日)，進行第二次模型製作，由建二孝宗翰、博翔、昀叡3位同學製作模型。本次修改重點為：增加一層樓托梁尺寸為30mm*30mm，二至三層托梁與柱寬相同（12.65mm*12.65mm），4至5樓未設計托梁。

當天下午，建三忠珈玲學姐提供相片膠，完成一至至三層，後來檢討尺寸，覺得一層托梁尺寸30mm*30mm太大。次日又重做1層模型，將1層托梁改為20mm*20mm，另外再增加一層樓版柱腳。

這兩天，學生切割完成，由指導老師與學生逐一檢查每個構件，是否合宜，若有不適宜的地方，立刻修正展開圖。第三次模型製作，四支角柱，均設內柱，貫穿一至伍層，但也因此增加模型重量，最後秤重，模型重量為210g，超過大會規定重量。

10月29日，兩達老師訂購的西卡紙送到建築科辦公室，至此製作模型的工具與紙張均已齊全。

10月30日，依叔松老師建議，為減少模型總重量，將黏貼邊寬度，原本一層10mm，二層7mm，三至五層5mm，全部改為5mm，修正後完成共有13張展開圖，另外再完成正向立面圖、背向立面圖、左右側立面圖與各層結構平面圖，另外再以SketchUP完成３D模型。

11月2日第五節，叔松老師對全部參賽學生，講述「高科大2018第14屆大克震」競賽規則與相關的力學行為。

本次競賽為鼓勵參賽隊伍發揮實驗精神，提供三種「制震」方案，參賽隊伍可以選擇：(1)在高樓層加掛質量小球，調控結構特性以減震；(2)在低樓層使用橡皮筋，作為被動制震加固元件；(3)在外牆四週設置斜撐或剪力牆，作為被動制震加勁元件。

本次抗震盃競賽規則，採「效率比ER」為評比依據，也就是將各隊模型加載質量(Mw)下承受的最大加速度(Sa)除以該模型使用材料的質量(mw)與懲罰係數(C)，效率比(ER)愈大的模型，表示使用較少材料抵抗較大地震，因此將能獲得優勝。

第三次製作模型

11月3日(六)指導老師帶領建二孝珮慈、佳禎、睿達、員繼、張維5位同學，製作模型。本次重點為「瘦身減重」，減少中間縱梁與黏貼邊尺寸，但增加1、2層內柱(含底板柱腳)，增加結構穩定性。另外，一層正面增加一支柱，亦即1層9支柱，2至5層8支柱、一層托梁尺寸修正為20mm，二層托梁尺寸為柱寬12.65mm，另外取消一至五層210mm橫梁，減輕結構物載重。

本模型柱寬為12.65mm，製作一層內柱時，第一次製作時減少1mm(內柱尺寸為11.65mm)，結果太緊，第二次製作時減少1.5mm(內柱尺寸為11.15mm)，才為最適宜尺寸。展開圖重畫2次，花了一個早上才定案。

第四次製作模型

上週叔松老師以mail向高科大詢問柱的支數，得到的答案是：「不限制柱的數量，只要符合柱斷面尺寸即可，每層樓都需要有梁、柱，以建築常規設置即可，數量亦不限。」

另外，參賽同學在Youtube網站看了高雄高工同學的製作影片，發現雄工是先做9支通柱，再逐一放置各層樓版與梁。

11月11日(日)，旭凱、可昕、亭榛、鄭喬、銘倫五人製作模型，本次重點是：1.將壹到伍層四角與中央，共五支柱，改為通柱，全長為400mm，使壹到伍層連續貫穿。2.取消壹層托梁與柱腳，改以斜撐取代。斜撐展開圖，花了二個小時，前後試做三次才成功，一個斜撐六個面，設計的斜撐，上下各多了兩個翅膀包住柱。

第五次模型製作

11月13日(二)，高科大將「2018抗震大作戰」模型底板，寄到學校，「大克震」開始起跑。11月17日(六)，建二孝宗翰、珮慈、博翔、佳禎、又瑄5位同學，依大會提供底板，實際製作模型，本次製作的模型，有四個修改重點：

1.重新調整柱的高度，原為2至5層每層75mm，4*75=300mm，現改為2至4層70mm，第5層90mm，3*70mm+90mm=300mm。

2.為減輕結構重量，將每支梁上方受壓處挖洞，亦即梁上層中間1/2挖洞，保留左右兩端1/4，經過計算全棟約可節省1/2的樓板面積。

3.為考量西卡紙厚度，組裝時方便，樓板之柱穿孔，四週增加0.5mm。

4.一層5支通柱，黏貼邊原為5mm，調整為10mm，以增加穩固。

製作完成後，包含1樓斜撐與2樓托梁，全部重量剛好200克，若增加5支內柱(長為200 mm)為210克。

第六次模型製作

11月29日與30日為學校第二次月考，故前一週11月24日(星期六)與25日(星期日）休兵一週。月考考完後，12月2日(星期日)，三組同學皆到學校，使用高科大提供底版，進行第六次模型製作。

共有12位同學到校，包括「殞落的甜甜」宗翰、睿達、博翔、員繼，「糖誦股聞芭大迦」雅萱、珮慈、啟禎、佳禎、又瑄，「CCVS CCA」銘倫、亭榛、怡妏。

本次模型修正重點為：取消正面與背面第3至第5層中間柱，為減輕結構重量，將每支梁上方承受壓力處挖洞，亦即梁上層中間2/3挖洞，保留左右兩端1/6。實際尺寸為梁左右保留15mm，其餘中央處不挖洞。另外樓版粘貼邊減少至極限3mm，製作時必須非常精準。

一堂寶貴的力學課

經過一個多月的努力，同學們已經完成8個模型，終於到了驗收成果的時侯。12月6日(四)第5節，叔松老師帶建二孝同學到和平樓地下室建築科泥工實習工場，使用電動搖篩機，試搖大克震模型，瞭解結構破壤情形，做為製作模型改進之參考。

當天中午，在8個模型中，挑了3個具有代表的模型，在每個模型的2層、3層、4層、5層與屋頂層，分別放置2個400g質量塊，一共放置10質量塊，總重為4,000g，為模型重量200g的20倍。

第二次試揺「殞落的甜甜」10 月 27 日製作的模型，雖然這個模型結構，與剛剛試搖的模型完全相同，但因為裡面有增加9支400mm的內柱垂直連接，在電動搖篩機啟動後，只有各層樓左右搖晃。比較好笑的是，第18秒時，有一支內柱向上突出來。第35秒，因壹層柱底端未牢固，整個模型被連根拔起，最後雖然倒塌，但結構仍然十分完整。

「殞落的甜甜」兩組模型破壞後，第三次試搖開始了，上場的主角是11月11日「CCVS CCA」製作的模型，這個模型在製作時，已經改進了前面的缺點，裡面加內柱，而且底層共設置了8個斜撐。在各層樓放置2個質量塊，電動搖篩機啟動1分15秒後，整個結構體只有左右搖晃，沒有受到任何破壞，果然靠著斜撐，制止結構的扭曲。看來再繼續搖五分鐘，模型亦不會倒塌，叔松老師一聲下令：「關掉電源」。

第七次模型製作

12月7日(五)第5節，永翔老師與兩達老師帶領建二忠同學，到泥工實習工場，使用電動搖篩機，試搖大克震模型，因為兩達老師指導的模型，柱梁樓版整體組合，每個模型試搖3分鐘後，仍然十分穩固，再加倍放置質量塊後，亦沒有一組模型倒塌，但缺點是每個模型重量都超過220克，如何減重是一個大問題，因為比賽時ER值高才會獲勝。

12月8日（六），建築科7位老師總動員，松翰主任帶領學生到雲林科技大學參加「全國高中職複材系統模板組建競賽」，宏裕老師上測量課，淑君老師上英文課，龍盛老師、兩達老師、叔松老師與永翔老師，指導學生製作抗震大作戰模型。六組同學全部到齊，「橋梁變變變」同學今天亦加入練習，整個建築科辦公室熱鬧滾滾。

第八次模型製作

比賽最後一週，與同學們一起思考：還有什麼地方可以再改進？最後決定，將原本4支通柱，改為8支通柱，增加結構的穩定。雖然「殞落的甜甜」已製作2個模型，與學生討論後，決定拆掉一塊底版，重新再製作一個模型。

12月11日(二) 17:10，建二孝輔導課下課後，帶領「殞落的甜甜」宗翰、博翔、昀叡，重新再製作一個模型。3位同學，花4小時完成。本次展開圖重新修正，採用8支通柱、20支梁、5塊樓版，組成整個結構體。

製作結果，未加內柱185g，加4支內柱195g(內柱高度為250mm)，這是8個模型中，製作速度最快，外型最美觀，重量最輕的模型，準備參加週六在高科大舉行的「第14屆高科大克震」。

參加高科大競賽

12月15日(六)，叔松老師帶領學生，7:50在高科大校門口集合，隨後龍盛老師、兩達老師與永翔老師亦抵達競賽會場，因為本校是第一個報到的學校，所以第一個進場參加比賽。

帶模型審查與放置質量塊的同學，分別是：「殞落的甜甜」博翔、「糖誦股聞芭大迦」雅萱、「CCVS CCA」可昕。經過審查、測量、拍照、打孔、裝盤，最後上六軸震動平台。

同學在放置質量塊時，才知道每層樓要放置4個質量塊，亦即1,600g，每個參賽模型必須加載的最低「額定載重」為5層＊1600g=8000g，為模型重量的40倍，好恐怖一個數字。當同學將這20個質量塊，放在模型上面時，還沒開始搖，模型樓板已經開始下陷。

本次競賽，看了來自全國各校同學製作的模型，各有特色，原本以為樓版尺寸為220mm*210mm，到了現場才知道原來柱間距可以縮短，比賽前我們花了許多心思在考量如何為模型減重，早知如此，我們應該將樓層面積縮小，即可輕易達成減重目標，還可以增加內柱，加強柱的勁度。

競賽規則厚達55頁，最重要的第9頁「比賽細部規則」，4位指導老師與同學，反覆看了許多遍，都沒有看出端睨，原來「模型最外圍尺寸：長≦220 mm，寬≦210 mm」，不是220mm*210mm。

最後公佈成績，叔松老師指導的「憂鬱滷肉飯」，榮獲「最佳解說獎」獲得5,000元獎金。競賽結束接受高雄都會台《港都新聞》採訪，新聞標題分別是「高科大抗震大作戰，139隊集結來克震」網址：https://goo.gl/8D3gsv港都新聞(民107)，與「橋梁變變變活動 考驗參賽同學創意巧思」網址：https://goo.gl/jB5xYg港都新聞(民107)。

最後根據實驗結果，提出鋼結構抗震設計，應採用「對稱設置」、使用「強柱弱樑」配置，增加「斜撐」、另外應增設「制震構件」，包含「阻尼器」和「圍束」。

為將本次參賽紀錄與經驗永遠留存，指導老師以「Google協作平台」，製作《抗震大作戰》網站（張永翔，民108），網站內容包含：「抗震大作戰、參賽實錄、競賽心得、製作心得、設計理念、設計圖面、模型試作、影像傳真、競賽傳真、媒體報導、專題研究、競賽規則」，文字超過3萬字，競賽相片超過200張，網址為：http://tinyurl.com/y6pagut5。

參加競賽就是一個思考的過程，在長達兩個半月的模型製作過程中，遇到許多困難與意想不到的問題，逐一解決後，發現問題其實沒有想像中的困難。為了製作出抗震最好的模型，指導老師與學生一起坐在電腦前面，共同研究模型的結構尺寸，以及在模型組合過程中，發現問題時如何修正展開圖。

如果這是一個成長，40位參賽同學在4位老師的指導下，都學習了許多，同學們除了學到模型製作技巧外，亦學到一門重要的功課，那就是：學習如何團隊合作，為了一個共同目標向前行，經由「確認目標→下定決心」，透過「相互合作→克服困難」，最後「堅持到底→實現夢想」，這些將是同學們受用一生的能力。