壹、前言

一、研究動機

在入學時看到校園有一座水池上有一個拱橋，在樹林與水池的搭配下，這個拱橋並未很突兀，反而增加了水池周遭的景色，所以想透過這次機會來了解拱橋的載重方式、拱橋的結構、並嘗試以自己的想法來設計及製作模型，並將所構想的事物做出實體。「橋是種道路，一種凌空的空中線條，有的來自天生，有的出乎人為，但她美麗現身，為了聯絡人們的一點互動。」(季子弘，2014)，利用此次研究拉近學生與老師的距離，製作的不只是模型橋梁，還有人與人之間的連結。

二、研究目的

(一)瞭解上承式拱橋定義

(二)繪製上承式拱橋模型草圖

(三)製作上承式拱橋橋梁模型

(四)上承式拱橋模型抗壓試驗

(五)依照抗壓試驗提出結論與建議

貳、文獻探討

一開始搜尋到的資料，橋梁模型要載重能力好，多是以桁架結構製作模型，但我選擇拱橋為目標所以就不想使用桁架的方式做一個沒有弧度的造型，這時候我在上找到達文西橋，於是我就從達文西橋的結構下去製作簡單的模型，再去思考如何讓他更能載重。

一、瞭解拱橋與桁架結構

先查詢拱橋的種類，簡單地透過資料了解橋樑結構與受載重後的情況，因為校園的拱橋選擇了拱橋中上承式的拱橋製作模型。一開始找資料時就以木造拱橋、木條模型橋梁等相關的字詞下去搜尋，搜尋到的資料多是桁架結構，桁架的話就是「桁架是以只會產生軸力的線材組合而成的結構體。」(原口秀昭，2014)多是三角圖形的結構型式。有關橋梁的結構就跟建築物差不多，有樑與柱「樑主要是承受灣矩，因此又稱作受彎構件。柱則主要是承受壓力，因此受壓構件。」(丁大鈞、蔣永生，1997) 

二、瞭解拱橋種類與外型

最早出現的拱橋是石拱橋，明明沒有使用什麼東西黏著，卻能搭建出一個圓弧形，藉著石頭的堆疊，用自身的重量，將力水平傳遞到橋的兩端，以此支撐整座橋。「自然倒落的樹幹給人們築橋的靈感，人類無窮的慾望當然不會滿足於此，也就開始玩起了創意搭橋的有趣遊戲。」(季子弘，2014)。

拱橋可分為三種，其種類依橋面與拱的位置而定，分為上承式、中承式、下承式，上承式為橋面板在拱形上方，中承式為橋面板在拱形中間，下承式為橋面板在拱形下方。

三、上承式拱橋與達文西橋

上承式梗橋最主要的定義在於橋面板在拱形上方，而拱橋的優點在於簡單的橋面結構，施工方便，因拱型在橋面版下方，所以橋上視野良好，也因敲與地面接觸的地方在最兩端，如果是跨河的話就能節省墩臺圬工數量。缺點則是橋面到底的高度較大。相較於簡枝橋梁，拱型能增加橋梁中間的載重能力。

在第一次看到用看起來弱不經風的木條搭建出一個橋梁，隨便晃動一下就會倒塌的模型，究竟是如何能承受比自身種100倍重量的物體，使我非常好奇，就去搜尋相關的文獻後發現達文西之所以發明達文西橋，是因為要在戰爭中能快速地繞過障礙，減少繞路的時間，達文西橋的特點就在於能快速搭建，能靈活穿梭河流小溪，非常的厲害。

四、上承式拱橋模型設計構想

依據前述的文獻探討，我希望採用圓弧的造型來當上承式拱橋的形狀，所以就沒有使用桁架的結構為主要發想，而是以達文西橋的結構來發想，雖然想要圓弧狀，但因木條不易彎曲，若是分段黏接，怕無法承受過多的重量，雖然達文西橋做不出較圓弧的形狀，但比直接用斜撐的方式來的有變化。

鉸接的地方不太可能完美，考慮到的不只有拉力、壓力，還有彎矩需要考量，且諾是用桁架製作拱型，重量會過大。

「將原本平直的橋身輕輕往上一提，拉出了一條體態自然的性感弧線。」(季子弘，2014)，因為我也很喜歡圓弧的形狀，不像有些結構過於複雜，讓人有點壓抑，相對圓潤的感覺能讓人心情得以放鬆。

參、研究方法

為了瞭解橋梁的載重方式、橋梁的結構，先去圖書館尋找橋樑有關的書籍，以及上網搜尋資料，尋找到的相關書籍大多都是桁架，但在網上搜尋到達文西橋，覺得有趣就點了進去，於是我就從達文西橋的結構下去尋找，又因為要放置橋面板及想增強載重能力，所以在達文西橋的基礎上再增加其他構造，接著就將草圖繪製成AutoCAD並量測尺寸後切割木條進行製作，製作完成後試驗橋梁抗壓能力，再將其改善，得出最後結論。

肆、研究分析與結果

一、繪製模型草圖

先利用竹筷編織達文西橋結構，再去討論如何加強載重能力接著透過AutoCAD繪製出初步設計稿，後因AutoCAD尺寸都能測量，而為了符合設定的尺寸，所以尺寸都依照規定下去繪製及製作，就依設計稿的尺寸切割木條。

二、第一版橋梁模型製作

接著因利用AutoCAD繪製出設計稿，所以就能將尺寸抓出並裁切，裁切完後就是將模型依照設計稿的模型製作模型，因怕上膠時錯誤將木條拔起會破壞木條本身所以先將木條以橡皮筋固定，以筆畫記避免黏錯，再以熱熔膠固定木條。

三、第一版橋梁模型修邊

利用砂紙將橋梁模型的邊角磨去多餘的部分，以此減輕一些重量，也能使橋樑美觀一些，或是有斜角需求的地方也利用砂紙磨出需要的角度，例如達文西橋結構的底部桿件需與地面或邊腳柱對齊，磨完後將模型依序製作完成。

四、第一版橋梁模型秤重

將製作完成的模型放置至磅秤上，秤得重量約略為202公克，而比賽規定為300公克以下，第一版模型並未超出範圍，於是決定以輕量化為取勝關鍵，若要改良將以減輕重量為首要決定。

五、第一版橋梁模型抗壓試驗

先以鐵塊加載模型，主要為了能觀看模型受力情形，以此來得知橋樑構件何處需修改或補強結構，但因鐵塊數量不足，重量不足以使橋量發生較大形變與破壞，因此無法得知模型最大受力情形，來達到抗壓試驗的目的，但因沒有專門壓模型的試驗機器，所以改用測試混凝土強度的混凝土抗壓試驗機來加載模型，重新觀測模型受力改變之情形，使其變形到破壞，發現最先脫落的桿件，將其改良，在製作改良後的模型終將其去除或加強。

六、第一版橋梁模型抗壓試驗結果

在用混凝土抗壓試驗機時模型發生了破壞，而在破壞前觀測到，圈出的桿件最先掉落，四邊腳柱也過於單薄，所以在改良的設計里將腳柱加強，以及拿掉無太大作用的桿件，再將達文西橋的結構也增加強度，將其桿件數增加，以此來加強橋梁載重能力。

七、將橋梁模型抗壓試驗結果來改良模型

將第一版橋梁模型抗壓試驗的結果及想法與老師討論後，利用AutoCAD繪製出第一版改良後的模型設計稿，並依照尺寸將正視圖、側視圖、俯視圖繪製出來，再切割木條來製作基於第一版的改良後模型。

因製作完第一版模型後發現熱熔膠容易掉落，也較容易斷裂且重量較重，不適合用於木條間的固定，及與希望輕量化的目標不符，於是改以較輕的白膠來黏著固定，一些不需要承受彎矩的地方則是使用白膠輔以快乾固定改良版的模型。

斜腳的切割方式：利用兩根木條的交會處來平分角度，使兩邊角度相等，受力較完整，相較於第一版的斜角處理得過於隨便，容易斷裂，改良版的模型斜角處理相對完善。

利用砂紙將橋梁模型的邊角磨去多餘的部分，使橋樑較為美觀，有斜角需求的地方也使用砂紙磨出所需要的角度，再將有斜角的桿件使用白膠固定，將改良後的模型製作完成。

八、分析與討論

 (一)膠結材料之選擇

當在製作模型前我就與老師討論是使用榫接還是膠水，使用榫接模型整體是較穩固，但考慮到木條面積較小，榫接公法對於我來說並不熟練，所以選擇用膠結材料，而膠結材料的選擇我提出了幾個選擇：白膠、三秒膠、熱熔膠，我就以這三種下去選擇，考慮到白膠凝固時間較長、快乾又有噴濺的危險，所以第一個模型製作時的膠結材料就選擇了相對安全又方便快速的熱熔膠來固定我們的模型。

 (二)快乾的利弊

因邊腳柱的部分有些是以白膠黏著有些是用快乾黏著，而在比賽時用快乾的地方最先掉落，所以黏木材的膠結材料還是以白膠為首選，諾是在做模型時有想到快乾脆性較高，或許就可以避免這一問題，不該貪圖方便而使用快乾黏著較大面積的地方，而導致邊腳斷裂、脫離。

 (三)膠結材料的分析

第一版模型是使用熱熔膠，但因為熱熔膠不適合黏著木材，也與我想以輕量化為主的想法有所違背，所以在發現熱熔膠並不適合當作固定木條的膠結材料後我將固定木條的材料改用白膠來黏著木條。

在膠結材料的選擇上一開始決定了三種，分別是熱熔膠、白膠、快乾，在這三個選擇中的熱熔膠是三個膠結材料中最重的，改以相對較輕教液態的白膠來做固定木條的膠結材料，整體模型外觀較整潔也比熱熔膠來的輕便，更能補強橋梁強度。

  (四)木條特性

因木條並不是正方形，所以要考量到木材的斷面，長的斷面受力較不易彎曲，而寬的斷面則較不易彎曲，所以製作時我將木條擺放成長的斷面，避免受力時過於彎曲。

伍、研究結論與建議

一、結論

(一)瞭解上承式拱橋與達文西橋之關係

上承式拱橋的定義在於橋面板在拱形上方，而達文西橋的主要載重在於拱型最上方，主要承受集中載重，而上承式拱橋的橋面板在於拱型上方，與達文西橋非常類似，所以才以達文西橋的結構來製作上承式拱橋模型的主結構，結構特殊的編排方式環環相扣，使力傳遞到兩邊。 

(二)瞭解圓弧是上承式拱橋的最佳造形

最早出現的拱橋是石拱橋，用自身的重量，將力水平傳遞到橋的兩端，以此支撐整座橋。那種天然的弧度，是一種自然的美，剛入學時就看到校園的拱橋覺得很美，利用這次機會來製作拱橋模型。

二、建議

(一)建議製作上承式拱橋模型時應使用白膠

白膠來做注定木條的膠結材料，整體模型外觀較整潔也相較於熱熔膠來的輕便，在相同的重量下白膠製作的模型木條數量，更能補強橋梁強度。

通過本次研究能發現融膠相對白膠對木條的契合度沒那麼高，所以做木條模型時用白膠較適當，若有專門黏木材的膠水更好。

(二)建議進行抗壓試驗瞭解上承式拱橋結構

利用抗壓試驗來觀測模型受力時的變化，透過施加壓力的過程來觀測模型桿件的受力，以此來改良模型，但因最先破壞的點可能會使整個橋梁模型倒塌，所以建議經過多次試驗來完善。

陸、參考文獻

1.末益博志、長嶋利夫(2014)。世界第一簡單材料力學。世茂出版有限公司。

2.原口秀昭(2014)。圖解建築結構入門。臉譜出版。

3.季子弘(2004)。影響世界歷史的橋。好讀出版有限公司。

4.李清(2013)。橋梁工程概論。機械工業出版社。

5.丁大鈞、蔣永生(1997)。土木工程概論。地景企業股份有限公司。

6.臺灣教育會雜誌暨臺灣建築會誌資料影像庫(2022年3月1日)。回想一九○一年：

明治橋一代目。https://reurl.cc/nEAD9X。

7.百科知識(2022年3月1日)。上承式橋。https://reurl.cc/3jmXKR。

8.楊笑天(2018年9月2日)。萬能的桁架，無限的變化。https://reurl.cc/3jQNo0。