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與災共生(五):利用光纖的橋樑預警系統

李柏昱
・2013/08/18 ・2352字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)
光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

台灣島上河系眾多,在台灣的開發史中,就因為河流東西阻斷陸上交通,南北向交通往來不易,海上交通興盛促成西部沿海的海港都市最先興起。而今日,橋梁克服台灣先天環境,跨越河流與山谷串連南北,其對於經濟與民生的重要性不言可喻。然而這些橋梁缺乏統一且完善的後續維護,除了颱風豪雨來襲時屢見橋梁遭山洪沖垮,即便晴空萬里亦有橋梁突然崩塌的案例。國家地震中心的李政寬博士長期參與光纖監控技術的研發,就讓我們跟隨李博士一起了解,聽起來相當科幻的光纖科技如何讓我們行的更安全。

橋梁安全管理作業困難

台灣目前約有兩萬八千多座橋梁,由於用途以及興建單位的不同,分屬多個不同單位管轄,包含公路總局、高速公路局、各縣市政府、鐵路局、捷運局以及高鐵公司等等,絕大多數的橋梁都無自動化監測管理。目前的橋梁管理多仰賴人工巡查方式,藉由派遣維護人力至現場以目視搭配監測器具監測橋粱結構是否安全。這種方式不僅曠日廢時,人力成本高昂,且經常有許多死角與到不了的地方,讓許多橋梁結構上潛在的危險無法在第一時間發現。加以台灣的橋梁經常暴露於自然災害中,颱風或暴雨過後,缺乏有效率的安全監測,如果橋梁於災時毀損,可能導致路過民眾傷亡,並讓救災更加不易。

目前橋管單位判斷橋粱是否危險的依據為河水高度,主要是針對颱風豪雨對橋梁的影響,對於橋梁本身的結構安全並未多加著墨。另外,台灣的橋梁常受地震威脅,而且又有超載與老劣化問題,耐久性與安全性日益堪慮,所以針對橋梁結構安全的檢測工作越來越重要。有時即便晴空萬里,橋梁也會突然崩塌,像是2000年高屏大橋便在八月颱風剛過的一個晴朗午後,位於中間的二十二號橋墩突然下陷,導致「落橋」,整個橋面崩塌,導致三十多人輕重傷。最近在2013年6月初,基隆火車站的人行陸橋亦毫無預警塌落,造成一人受傷。這些事件提醒我們台灣橋梁的安全狀況有很多潛在風險,老舊橋梁時時刻刻威脅著用路人,因此有必要開發實用儀器,隨時瞭解橋梁的健康狀況。

全方位全橋光纖監測系統初露身手:二高崩山事件

在2010年4月,北二高3.25公里處的師公格山發生大規模走山,大量土石掩埋下方的北二高路面與部分橋梁。迫於搶通的時間壓力,國家地震中心臨危受命,需在6天的時間內判斷修復後的橋梁結構是否安全。在主線道橋梁的承重試驗過程中,國家地震中心亦是運用傳統的橋梁監測方法,但連續6天耗費大量人力與工作時間,讓人思考是否有更快速的監測方法。於是在半年後匝道橋梁搶通時,便首次運用上光纖監控技術,在相當短的時間內便完成了橋梁結構安全的判斷。

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那麼,到底甚麼是全方位全橋光纖監測系統呢?光纖監測系統藉由「光纖光柵(Fiber grating)」的設置,運用光學中光的繞射效應,在光源端打入寬頻光,入射到一個具有狹縫的平面,光會因入射光的波長及狹縫的寬度,而在另一端產生不同間距的亮暗相間繞射條紋。若重複放置這些有狹縫的平面,便可以獲得疊加的效果,此一週期性狹縫的結構便是所謂的光柵(Grating)結構。接著再將光纖與各種感應器結合,例如觀測橋梁結構位移量的位移計、觀測水位的水位計、觀測橋梁結構是否沉陷傾斜的高程計,以及觀察橋梁受到地震與汽車通過造成的震動的振動計,便可相當全面地監控橋梁結構受到的各種力的作用與物理變化。

光纖監測系統的優勢

光纖監測系統與傳統監測方式相較有三大優勢,第一為經濟成本上較為便宜,傳統的橋梁結構監測器具多自進口國外,而光纖橋梁監控技術的軟硬體多為台灣自主研發製造,許多相關儀器亦為台灣首創發明,能大幅減少系統的建置經費。目前光纖監控的成本每兩公里約四百至五百萬元,為進口設備花費的二分之一至三分之一,且因為這項技術在台灣已經趨於成熟,未來亦有技術輸出的潛力。第二能監控長距離多跨距的橋粱,能同時監控水位變化、橋梁是否沉陷與傾斜,以及斜張橋的鋼纜張力等等。第三能長時間全天候的監測橋梁安全,平時協助維護人員監控橋梁,並在地震與洪水來襲時即時提供橋梁結構資訊,協助封橋判斷與事後維修。

然而,目前國內與國外對於橋梁的安全管理監測有認知上的不同,在國內,橋梁安全監測系統的投資額約是工程金額的0.5%,與香港跨海大橋的2%到3%有4至5倍的差距,許多地方政府或橋梁管理單位寧願將經費花在橋的夜間光雕裝飾上,卻不了解或不願意投資橋梁的安全監測,導致台灣實際運用光纖監控的橋梁並不多。相信光纖技術降低了監測費用後,未來極有潛力大量的運用在台灣的橋梁上,目前僅僅於台北市大直橋以及南投縣集鹿大橋有示範性質的設置。

防災及救災是與時間賽跑的工作,國家地震中心的全方位全橋光纖監測系統猶如千里眼,能監控遠處橋梁的安全,且擁有顯微鏡般能力,能檢查橋梁些微的變化,隨時全方位即時監測長橋,讓我們用路更加安全。

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臺灣基隆市和平島社寮橋。source: Dodd Lu
  • (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
  • 責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」與災共生(五):當橋梁遇上光纖。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

  • 編按:原延伸閱讀網址已失效,故逕行刪除。(2019/10/2)
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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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近零碳建築新趨勢:從節能創意到 2050 淨零轉型
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/23 ・3701字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 

根據聯合國統計數據,全球每年 38% 的溫室氣體排放,並非來自道路上的交通工具,而是由「現代都市與建築」所造成的。

我們如今站在兩條路徑的十字路口。一條是依賴更多水泥建築與空調系統來抵禦夏季酷暑,然而這樣的選擇只會加劇室外大氣的惡化。另一條則是徹底改革建築、用電、設計與都市規劃,不僅尋求低碳排放的建築方式,還要找出節能降溫的解決方案,實現事半功倍的效果。

然而,我們是否真的能將建築業的碳排放歸零?

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建築的溫室氣體哪裡來?

在建築物 60 年的生命週期中,建材的碳足跡其實只佔 9.8%,因為建築一旦完成後,材料不會頻繁更換。相反,日常生活中的用電才是主要的碳排來源,占了 83.4%,其中大部分來自冷氣、照明和各種電器。

當然,讓大家集體關燈停用電器「躺平」來拯救地球,顯然不切實際。既然完全不消耗能源是不可能的,我們應該尋找更現實的解決方案。

現在就來看看全球七棟零碳建築之一——成大的「綠色魔法學校」,臺灣首座淨零建築,如何運用建築技術,成為當代永續建築的典範。這些技巧中,有哪些能應用到你我家中呢?

綠色魔法學校。圖 / 內政部建築研究所

為了省電要把煙囪塗黑、吸收更多太陽光?

都市裡,我們最大的挑戰之一就是夏天的高溫,水泥建築群在陽光的烘烤下,變成一個個巨大的窯爐。為了解決這個問題,綠色魔法學校在國際會議廳裝了一個煙囪,不過這不是為了讓窯爐更熱,而是用來降溫的。

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煙囪為什麼都都要蓋的那麼高?原來煙囪越高,上下的溫差越大。熱空氣因為密度低而向上移動,產生熱對流。溫差越大,這個熱對流就越強烈,這就是所謂的「煙囪效應」。在要幫室內降溫的情況下,我們的目的是產生更強的煙囪效應,抽走熱空氣,讓室溫下降。但這棟建築裡沒有火爐,而溫差不夠大時,這效應會變得微弱,那該怎麼辦?

綠色魔法學校提出了一個大膽的解法:在煙囪南面下半部改裝透明玻璃窗,並將煙囪內部塗成黑色,還加裝了黑色烤漆鋁板,這樣可以最大限度地吸收太陽光。每當艷陽高照,這個不插電的的「自然通風系統」就能自動啟動,創造局部的熱對流,帶動整根煙囪的熱氣向上移動,為室內降溫,達到節能效果。以熱制熱,完全反常識。

綠色魔法學校的特殊煙囪設計,玻璃引入太陽光。圖 / 泛科學攝影畫面截圖

幫室內降溫的最大原則是:通風。

實際上,不是人人家裡都有煙囪。但如果建築的高處沒有任何窗戶或通風設備,熱空氣就是會從屋頂一路往下蓄積在室內。因此,你也一定在許多工廠或民宅的屋頂看過一個不斷旋轉的小風扇,它們也是有異曲同工的效用。雖然不是高聳的煙囪,但特殊的渦輪構造,風吹過就會開始轉動,並連帶空氣排出室外。是個不用插電的通風球。

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綠色魔法學校館內動畫-室內通風排熱補冷。圖 / 泛科學攝影畫面截圖

綠色魔法學校的煙囪就是個效能更強的換氣機,足以讓 300 人大型會議廳的換氣次數,高達每小時 5 到 8 次,甚至能在室內颳起風速每秒 0.5 公尺的微風,是最舒適的環境。這些利用熱氣密度的差異來改善室內溫度的方法,又稱為「浮力通風」。

為了把通風貫徹到底,綠色魔法學校在建築的兩面裝設大量窗戶以及吊扇,來讓水平也能通風。這些我們習以為常的裝置,其實才是關鍵。靠吊扇的一點點電力讓自然風可以自由進出,耗費的能源,遠比冷氣還要少得多。

幫空調省電的最後一招,就是微環境控制。

綠色魔法學校透過屋頂植栽與造林改善微氣候。圖 / 綠色魔法學校

實際上魔法學校內還是找的到空調設備,並不是完全拔除不用。除了選用最高效率的主機,以及把室內循環做到最好以外,降低周遭環境溫度才能減低冷氣的負擔。要降低水泥叢林的熱島效應,需要植被與水體來做溫度調適。

在太陽照射下,水泥屋頂表面最高可以達到攝氏 70 度,如果屋頂有種植植栽,室內頂層樓板的表面溫度就可以維持在攝氏32 度以下。不用開電就先幫室內降溫。

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水也是關鍵的一環。一是水的比熱高,想打破水分子之間的氫鍵,需要大量的熱量,要讓一千克水的溫度升高一攝氏度,需要 4,200 焦耳的熱量,這可以避免溫度因為烈陽就快速上升。二是當溫度真的過高,水也會透過蒸發帶走熱量,讓溫度不至於向上飆。

魔法學校的屋頂花園使用水庫淤泥,研磨後燒製成的再生陶粒,裡頭混合了稻穀,結構極細,不會像有機土一樣分解消失,可以涵養水源,還不用動不動補土壤,不只降低屋頂植被的澆水次數,還能達到降溫效果。地面也採用透水鋪面,讓每一滴水都不浪費。

綠色魔法學校本名是成功大學的「孫運璿綠建築研究大樓」

2013 年被英國知名出版社羅德里其評為「世界最綠的建築」,並獲選為聯合國全球七棟零碳建築之一。

除了表彰之外,在認證上也確實取得了臺灣最高等級的「鑽石級綠建築」認證,以及美國最高級的「白金級綠建築」兩個綠建築認證。

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為了讓相同的成效可以陸續在全臺的所有建築上實現,臺灣在既有的綠建築標章體系上,擬定出了「建築能效評估系統 BERS」,針對關鍵的空調、照明、插座電器的用電狀況訂出明確的耗電密度指標得分。簡單來說,就是每平方公尺的面積上,每年平均的用電量。

建築能效標示。圖 / 內政部建築研究所

要打造一棟淨零建築,需要設計與材料硬體的相互配合。在日常用電這最大耗能項目上,能透過前面的淨零設計與智慧能源管理來減低能耗。而我們還沒提到的最後一塊拼圖,則是回到建築的建材本身。這部分減碳的方法有很多種,例如將傳統施作工法改為在工廠就完成模組化建材製造的「預鑄工法」,減少現場搭建鷹架、施工的步驟,達成減碳。又或是將部分建材更換為木、竹等負碳建材,甚至使用零廢棄物、能「循環使用」的建材。例如 2018 年亮相的臺中花博荷蘭館、或是 2021 年台糖在沙崙啟用的循環聚落。

建築物能夠完全不用電嗎?……電從哪裡來?

沒錯,連全球最綠的建築——綠色魔法學校,也無法做到完全不使用電力。正如前面提到的,建築的最大能源消耗來自日常使用,而這所「魔法學校」的成就,是成功將日常能源消耗降低,讓溫室氣體排放減少超過 50%。

這就是關鍵,減少一半後,剩下的部分就靠周邊的造林、太陽能和風能等綠色能源來補足。

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2022 年 3 月,國發會公佈了 2050 淨零排放的路徑圖,參考美國、日本、歐盟等國,制定了 2050 年達成淨零建築的目標。

這條路徑包含兩個核心目標:第一,所有建築物要在建築能效評估系統(BERS)中達到 1 級節能,甚至進一步達到「1+ 級」近零碳建築的標準,減少至少 50% 的能源消耗。第二,同步發展再生能源,讓這些近零碳建築朝淨零邁進。

淨零建築路徑。圖 / 內政部建築研究所。

這個目標比你想像的要容易實現。比如,2023 年 12 月,台達電的瑞光大樓 II 就成功取得了「1+ 級」近零碳建築認證,並符合 0 級淨零建築規範。而在 2024 年 7 月,國泰人壽在臺中烏日的商辦大樓經過改造後,也達到 0 級淨零建築標準。這些案例證明了綠色魔法學校的成功經驗可以複製,不論是新建築還是舊建築,都能達成甚至超越淨零目標。

圖 / 台達電瑞光大樓 II
圖 / 國泰人壽臺中烏日商辦大樓

為了不讓每一年的夏天都是你我餘生最涼的夏天,碳排歸零是必須要實現的目標。現在你知道,這個任務的關鍵就掌握在你我手中。就像選擇能源標章電器一樣,只要選擇符合 BERS 能效標準的建築,我們不僅能降低冷氣的依賴,也能節省電費,讓地球和你的荷包都雙贏。

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康寧光纖大變身!魚缸水質糾察隊與光劍般的夜釣釣竿 ─《康寧創星家》競賽報導2
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/29 ・2502字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

在上篇文章「可撓式玻璃能怎麼玩?來看看教你穿衣服的智能行李箱和透明停車場樑柱」中,泛科學介紹了兩組指定示範組團隊將 Willow 可撓式玻璃分別應用於行李箱和交通情境,來改善使用者體驗的概念作品,分享他們如何從生活問題中發想、設計與實踐。這些創作皆來自康寧創星家 ─  創新應用競賽,它規定「使用材料」而未限制主題的獨特遊戲規則,催生了許多意想不到的創意。

這次我們訪問到臺灣科技大學設計團隊,他們所選用的特殊材料為「康寧 Fibrance 玻璃光纖」,透過其纖細、可彎曲、高彩度、高明度的特性,把場景延伸進「水」裡,提出兩種創新應用。

幫忙把關魚缸的水質狀態,給魚兒健康的家

大家應該看過河川或海口出現不同顏色的水流吧?一般人通常會很直覺地想,這水有特殊物質,可能不乾淨。但是無色無味的水就是乾淨的嗎?如果之中有我們看不見的汙染呢?「如同空氣品質對於人類健康的影響,對住在水族箱裡的魚來說,水的品質一旦超出範圍便會對魚的健康造成衝擊、甚至死亡。因此,水的溫度和 pH 值必須嚴加控管。」臺科大團隊的施同學與我們分享此想法的動機。

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著眼於 Fibrance 玻璃纖維的特性:防水、明度彩度皆高,而且對雷射的顯色效果比一般塑膠光纖好,因此臺科大團隊決定利用這樣的特殊材料來做水質指示功能,進而達到水質控管,於是第一項作品「水底空調」誕生了。

水底空調的測量儀器旁邊裝有一塊光纖板,並於側邊接出雷射頭,在充飽電、水質正常的狀況下會持續發光,而當魚缸中水的 pH 值、溫度超過或低於正常範圍時,則會開始閃爍。談到產品設計過程的挑戰,他們表示,「當然也沒有整個設計過程都很順利,我們碰到最大的問題是『太熱』。平常大家用雷射筆用得很習慣,大概不會發現雷射發亮時其實會產生極高的熱能,讓整個測量監控系統變得很燙。起先想用盒子把它包起來,但發現行不通;後來經過設計,我們將雷射頭部分掛在外面,並用長尾夾夾住方便散熱。」。

利用康寧 Fibrance 玻璃光纖當作顯示功能的水質偵測器,此為水底空調產品草圖(圖片來源:水底空調團隊)

除了應用於水質檢測,Fibrance光纖的纖細和可彎曲的特性讓使用者能隨個人喜好設計出不同的形狀,裝飾自己的水族箱,展現出更趣味、客製化的產品樣貌。

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玻璃光纖防水、明度與彩度皆高,更可以依個人喜歡彎曲成不同形狀

你的光劍哪裡來的?不,這是我的釣竿!

第二種概念發想則出現在釣竿上,光纖釣竿感應器 ─ Night Flash 夜漁玩家。

「釣魚是一件很花時間的事,夜釣尤其有趣。一般專業釣客通常會有兩三支釣竿,以竿架固定同時使用,那麼夜釣時,要怎麼知道魚有沒有上鉤?是哪一支釣竿中獎?除了仰賴釣客的感官經驗外,就是用釣竿警報器。在這種既有產品的基礎上,我們想設計出更炫、更便利的應用。」臺科大團隊的林同學如是說。

他們將警報器別在釣竿竿頭上,並串聯至 Fibrance 玻璃光纖、再掛上釣線,魚一旦吃餌,拉動了感應器,光纖就會發亮。Night Flash 夜漁玩家在配色設計採用現有的雷射模組 RGB 三種基礎色(紅、綠、藍),搭配基本的黑色,讓釣竿在黑夜中像光劍一般搶眼,或許也能讓夜釣過程更有趣。套句臺科大設計團隊的話,就是「很炫、很好玩啊!」

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Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)
Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)

有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)
有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)

設計講求實踐,可行性是成功關鍵

特別的是,兩款產品的負責同學都不是電子背景。林同學表示,「過去我只要碰到電子領域就會選擇放棄,這次算是突破了以前的障礙。雖然我們的作品是買現成晶片板來修改程式,一開始還是什麼都不懂,甚至只能土法煉鋼地一個個戳電路板,觀察反應。但後來慢慢摸索、學習,實際去做之後,才發覺好像也沒有想像的那麼難。」而這次經驗也讓他們想了解更多不同的領域,接觸更多設計的可能性。

臺科大團隊指出,「創星家競賽一定要做出實品這點也是有所成長的原因,我們必須考慮設計可否『實現』,以及產品有沒有市場。這很符合現況,現在設計領域很講求實踐,產品可行性是成功的關鍵。」接著他們補充,做使用者研究也很有趣,負責到釣具行買測試用釣竿的林同學回憶,他隨口向店裡一個五、六十歲的伯伯介紹團隊的新設計,伯伯竟然表示有意願購買,直接問一個要賣多少錢,讓他相當驚訝,「原來從舊有產品中做改良,因為消費者已經很熟悉了,所以會更有共鳴,更容易接受。」

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「我們想透過 Fibrance 光纖,把看不到的東西視覺化。」

聊到產品理念,兩位同學說他們的發想起點同樣是材質本身。在魚缸和釣具之前,兩人考慮過很多主題,例如測量空氣品質和配電盤,最後決定從身邊的議題下手。「不過這些想法都圍繞著同一個概念,」他們說,「Fibrance 玻璃光纖明度、彩度高,在視覺上非常漂亮,希望能做出能充分凸顯這項特點的應用。Making the value / action visible 是我們的設計初衷,就好像蒲公英的種子讓人『看見』風的存在,我們想把看不到的東西視覺化,送到大家眼前。」

水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器
水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器

Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用
Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用

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光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)
光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

台灣島上河系眾多,在台灣的開發史中,就因為河流東西阻斷陸上交通,南北向交通往來不易,海上交通興盛促成西部沿海的海港都市最先興起。而今日,橋梁克服台灣先天環境,跨越河流與山谷串連南北,其對於經濟與民生的重要性不言可喻。然而這些橋梁缺乏統一且完善的後續維護,除了颱風豪雨來襲時屢見橋梁遭山洪沖垮,即便晴空萬里亦有橋梁突然崩塌的案例。國家地震中心的李政寬博士長期參與光纖監控技術的研發,就讓我們跟隨李博士一起了解,聽起來相當科幻的光纖科技如何讓我們行的更安全。

橋梁安全管理作業困難

台灣目前約有兩萬八千多座橋梁,由於用途以及興建單位的不同,分屬多個不同單位管轄,包含公路總局、高速公路局、各縣市政府、鐵路局、捷運局以及高鐵公司等等,絕大多數的橋梁都無自動化監測管理。目前的橋梁管理多仰賴人工巡查方式,藉由派遣維護人力至現場以目視搭配監測器具監測橋粱結構是否安全。這種方式不僅曠日廢時,人力成本高昂,且經常有許多死角與到不了的地方,讓許多橋梁結構上潛在的危險無法在第一時間發現。加以台灣的橋梁經常暴露於自然災害中,颱風或暴雨過後,缺乏有效率的安全監測,如果橋梁於災時毀損,可能導致路過民眾傷亡,並讓救災更加不易。

目前橋管單位判斷橋粱是否危險的依據為河水高度,主要是針對颱風豪雨對橋梁的影響,對於橋梁本身的結構安全並未多加著墨。另外,台灣的橋梁常受地震威脅,而且又有超載與老劣化問題,耐久性與安全性日益堪慮,所以針對橋梁結構安全的檢測工作越來越重要。有時即便晴空萬里,橋梁也會突然崩塌,像是2000年高屏大橋便在八月颱風剛過的一個晴朗午後,位於中間的二十二號橋墩突然下陷,導致「落橋」,整個橋面崩塌,導致三十多人輕重傷。最近在2013年6月初,基隆火車站的人行陸橋亦毫無預警塌落,造成一人受傷。這些事件提醒我們台灣橋梁的安全狀況有很多潛在風險,老舊橋梁時時刻刻威脅著用路人,因此有必要開發實用儀器,隨時瞭解橋梁的健康狀況。

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在2010年4月,北二高3.25公里處的師公格山發生大規模走山,大量土石掩埋下方的北二高路面與部分橋梁。迫於搶通的時間壓力,國家地震中心臨危受命,需在6天的時間內判斷修復後的橋梁結構是否安全。在主線道橋梁的承重試驗過程中,國家地震中心亦是運用傳統的橋梁監測方法,但連續6天耗費大量人力與工作時間,讓人思考是否有更快速的監測方法。於是在半年後匝道橋梁搶通時,便首次運用上光纖監控技術,在相當短的時間內便完成了橋梁結構安全的判斷。

那麼,到底甚麼是全方位全橋光纖監測系統呢?光纖監測系統藉由「光纖光柵(Fiber grating)」的設置,運用光學中光的繞射效應,在光源端打入寬頻光,入射到一個具有狹縫的平面,光會因入射光的波長及狹縫的寬度,而在另一端產生不同間距的亮暗相間繞射條紋。若重複放置這些有狹縫的平面,便可以獲得疊加的效果,此一週期性狹縫的結構便是所謂的光柵(Grating)結構。接著再將光纖與各種感應器結合,例如觀測橋梁結構位移量的位移計、觀測水位的水位計、觀測橋梁結構是否沉陷傾斜的高程計,以及觀察橋梁受到地震與汽車通過造成的震動的振動計,便可相當全面地監控橋梁結構受到的各種力的作用與物理變化。

光纖監測系統的優勢

光纖監測系統與傳統監測方式相較有三大優勢,第一為經濟成本上較為便宜,傳統的橋梁結構監測器具多自進口國外,而光纖橋梁監控技術的軟硬體多為台灣自主研發製造,許多相關儀器亦為台灣首創發明,能大幅減少系統的建置經費。目前光纖監控的成本每兩公里約四百至五百萬元,為進口設備花費的二分之一至三分之一,且因為這項技術在台灣已經趨於成熟,未來亦有技術輸出的潛力。第二能監控長距離多跨距的橋粱,能同時監控水位變化、橋梁是否沉陷與傾斜,以及斜張橋的鋼纜張力等等。第三能長時間全天候的監測橋梁安全,平時協助維護人員監控橋梁,並在地震與洪水來襲時即時提供橋梁結構資訊,協助封橋判斷與事後維修。

然而,目前國內與國外對於橋梁的安全管理監測有認知上的不同,在國內,橋梁安全監測系統的投資額約是工程金額的0.5%,與香港跨海大橋的2%到3%有4至5倍的差距,許多地方政府或橋梁管理單位寧願將經費花在橋的夜間光雕裝飾上,卻不了解或不願意投資橋梁的安全監測,導致台灣實際運用光纖監控的橋梁並不多。相信光纖技術降低了監測費用後,未來極有潛力大量的運用在台灣的橋梁上,目前僅僅於台北市大直橋以及南投縣集鹿大橋有示範性質的設置。

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防災及救災是與時間賽跑的工作,國家地震中心的全方位全橋光纖監測系統猶如千里眼,能監控遠處橋梁的安全,且擁有顯微鏡般能力,能檢查橋梁些微的變化,隨時全方位即時監測長橋,讓我們用路更加安全。

臺灣基隆市和平島社寮橋。source: Dodd Lu

  • (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
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本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」與災共生(五):當橋梁遇上光纖。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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讓好點子落地生根!《康寧創星家》複賽暨工作坊紀實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/15 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

文/梁晏慈

由台灣康寧舉辦的第一屆「康寧創星家」希望培育創新人才,並期許企業在營利的同時能回饋社會,因此他們深入校園,向台灣大專院校的學生發放英雄帖。有別於其它創新競賽以某一議題進行概念發想,「康寧創星家」的參賽者從生活中找尋好點子,並利用康寧的特殊材質-玻璃、陶瓷、光纖為命題方向,構思可以改善人類生活的新產品。本次活動共235團隊投件,其中20組團隊憑藉著他們的創新點子,獲取進入11月28日複賽暨工作坊的入場券。

台灣康寧深知唯有創新才能帶領產業的發展。然而,好點子不會從天而降,更可惜的是一般人在靈光乍現時常常思考的卻是:「這個怎麼可能做到。」、「應該很貴吧!」。康寧創星家為了鼓勵學生不只停留在發想,而是能夠考慮實作的要件,特別在複賽中安排參賽團隊與康寧科學家及奧美導師對談:前者帶領同學了解材質、改進設計,讓發想更有機會變成產品;後者則提供企劃上的建議,指導參賽者將產品包裝得更能吸引受眾與投資者。

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三張圖
每組隊伍在複賽中需完成三道關卡。

 

有想過產品要賣給誰嗎?沒有,因為你只想到你自己

在複賽簡報暨提問中,各團隊有7分鐘時間向評審分享自己的創新點子。評審們除了就投影片的呈現方式給予初步建議,也教導參賽者釐清產品的受眾。例如同樣是和飲食相關的設計,其中一組計畫利用康寧的可撓式玻璃製作出能依據食物重量持續播放影片的幼兒餐墊,讓專注力不足的孩子乖乖吃飯。另一組則將目光聚焦在單身外食族,以康寧的大猩猩玻璃(Gorilla glass)打造具有點餐服務、影音功能的個人化餐桌,降低單身者外食的尷尬

針對幼兒餐墊的設計,評審詢問同學:「你們知道2至4歲的孩子吃甚麼嗎?」、「如果孩子碰碰碰地拍打餐墊,是否會干擾重量的偵測?」,藉此提醒參賽者永遠別忘了「誰要用」,當產品使用對象是嬰幼兒時,就不能以大人的角度去評估適用性,而要將嬰幼兒的行為研究透徹,並依據可能發生的狀況來更動產品設計。另一方面,評審們則提醒單人餐桌的團隊,雖然受眾是單身族群,但買家可是餐廳,因此產品行銷的困難是如何說服餐廳願意投資這項技術。再者,若影音功能太過精彩,客人一直滯留在店內,反而會影響餐廳最重視的翻桌率。由此可知,該如何吸引業者願意投資新產品,並在買家及受眾的需求間取得平衡,也是規劃產品功能時很重要的一環。

簡報提問結束,同學表示:「我們以為產品只要能解決某個問題就大功告成了,卻沒想到還有那麼多人的意見需要被納入考量。」透過與評審的對答,同學們學會從業者、一般大眾、受眾等不同角度切入產品設計,使他們產品能更完整,更有可行性。

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複試簡報暨提問的評審現場。

「這樣可行嗎?」問,就對了!

為了創造更自由的設計環境,康寧創星家初賽強調發想,但這次的複賽可不只是提案競賽,更重要的是讓每件作品的設計都能將材料的特質和現實環境狀況納入全盤考量,因此台灣康寧特別在複賽中加入了與科學家對談的關卡。在這個關卡中,科學家會給同學更多實務上的建議,一一化解大家腦中滿山滿谷的問題。例如有一組團隊為了解決駕駛人視線被汽車A柱擋住的問題,決定拿掉原本的金屬A柱,利用堅固透明的大猩猩玻璃,將前擋玻璃一路延伸到前座車窗。他們想知道:「製作一體成形、彎曲形狀的大猩猩玻璃會很困難嗎?」、「大猩猩玻璃可以承受的撞擊力如何?」。

科學家首先讚許該團隊的大膽創意,另一方面也提醒同學,汽車工業的材料要求非常嚴格。現在的玻璃製程技術可以將玻璃塑造成他們所設計的,但金屬A柱仍為必要,因為當意外發生時,金屬可以吸收碰撞力道,並撐起車蓋,避免駕駛受到更大的衝擊。同學的發想雖然可以解決視線死角的問題,可是在車禍的撞擊力太大時,大猩猩玻璃仍有可能會碎裂。破裂的玻璃將造成乘客的二度傷害,不僅如此,在講求輕量化的時代,玻璃的重量勢必會成為很大的問題。類似的設計是利用攝影機將死角的影像播放給駕駛,若同學想利用玻璃A柱的設計,避免轉播影像有視差的問題,那就得解決碎玻璃的危險性。在兩片玻璃間夾入聚碳酸酯纖維層,達到防彈玻璃的效果,也許是可行的方法。

透過「康寧創星家」創造的自由發想平台,以及科學家強大的技術支援,參賽者天馬行空的發想才有機會成為影響人類生活的重要設計。

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康寧科學家和同學正熱烈討論各種產品改進的方法。

以好故事包裝好產品

好點子及技術支援都到齊了,一項產品能否吸引買家及投資者,還要依賴設計者們說故事的能力。包裝產品的能力就靠奧美導師幫忙了!首先,每組團隊先向奧美導師分享其對於產品包裝的想法,導師便會藉此確認產品的賣點,接著深入地協助同學重整簡報的架構,並引導同學找到適當的報告邏輯。透過投影片順序的調換、內容融合,強化這些賣點。導師不斷提醒同學,製作及使用簡報的每一刻都要想到聽眾,目標是帶領他們理解「這項產品為什麼重要?」、「我為什麼要在乎?」。

尤其當聽眾是投資者時,更要把產品和對方企業做連結。因此簡報中需要強調康寧材料的獨特性,並且努力說服對方相信只有「我們」可以把材料的特性發揮至淋漓盡致。

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奧美導師專注聆聽同學講述產品的包裝概念。

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創星家精神永遠與你同在

我們常以為好點子像中樂透一樣,是幸運兒的專利。但事實是累積完整的思考流程(問題是什麼?這個問題中我可以扮演的角色?),才可能在適當的時機抓住靈感。從發想到實現的每個階段都得時時分析產品是否具有市場競爭力。設計者還須跳脫框架,從贊助者及一般大眾的角度審視產品的價值;同時,以說故事的力量讓產品的行銷更貼近每個人的心。

「康寧創星家」引導同學完成一趟創新思考的流程,並幫助大家實現好點子成為好產品,期許這個活動在同學心中埋下一顆種子,比賽過程中培養的「自主發現並解決問題的能力」可以伴隨著這群創星家繼續在臺灣各產業發光發熱。

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複賽參賽者與專題演講老師合影。

 

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