交通大學土木工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
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建築資訊模型（Building Information Model, BIM）具有高細緻度及富含語意資訊的特性；地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）趨向儲存及管理地理空間資訊。雖說兩者在諸多觀點上全然不同，卻對於重視語意資訊及致力於發展三維數位模型有著相同的看法。近年來，越來越多的議題指出BIM與GIS間的互補關係，藉由整合兩者，可改善各自的缺點並促進資料間的交互操作。因此，BIM與GIS的整合是為兩領域的一個重要研究。本研究提出了BIM/IFC模型與CityGML模型間的直接轉換方法，同時也對BIM/IFC模型與IndoorGML模型的轉換建立了相應的策略。CityGML的轉換中包括：(1)建置BIM模型並匯出IFC資料格式、(2)轉換坐標至世界坐標系統、(3)幾何與屬性資料的轉換、(4)產製不同細緻度等級（Level of Detail, LoD）模型。另一方面，IndoorGML的轉換也包括：(1)資料前處理、(2)路網資料的轉換並編譯成GML模型。實驗結果顯示，各個細緻度模型皆能自動化的從BIM/IFC模型進行轉換，另外，IndoorGML之偶空間模型同樣也能被自動化轉換。在驗證方面，結果顯示模型的幾何、屬性及物件皆能正確並完整的轉換。
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使用數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)進行地形分析、模擬、與探討，是十分常見的工作。產製DEM的資料來源也十分多樣化，各種不同的觀測方式、產製DEM之方法等程序都會影響DEM之成果。不同之DEM有不同的特性，利用資料融合(Data Fusion)的概念將DEM進行融合，可以獲得比原本還更多的資訊，也可藉由分析這些資訊以得到更多的結果。 本研究中研究區域有荷蘭地區及臺灣地區，荷蘭地區使用利用空載光達產製之0.5m解析度AHN2 DEM及公開資料之SRTM DEM與ASTER GDEM。臺灣地區使用公開資料之SRTM DEM與ASTER GDEM，兩地區之SRTM DEM與ASTER GDEM解析度皆為30m。本研究主旨為探討不同DEM融合之方法並分析其高程變化情況，使用方法為透過傅立葉轉換之頻率濾波法，與空間域中之加權平均法，以及透過小波轉換之小波濾波法。根據不同之方法融合岀不同之成果，再藉由數值高程模型相減法(Difference of DEMs, DoD)分析高程變化較為明顯之區域。荷蘭地區採用0.5公尺網格以空載光達測製的AHN2為參考，臺灣地區則以ASTER GEDM 為參考。 根據差值分析之結果，在荷蘭地區的RMSE值皆低於臺灣地區的RMSE。初判應為地形之緣故，臺灣地區之多山地形高程差較大，山區部分也出現相對上差值較大之情況。至於DEM融合，三種方法均未能呈現精度提升。
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過去研究結果在街屋或校舍結構之含RC牆構架、EERI & IAEE之低矮型圍束砌體建築耐震設計規範、RC牆板後與邊界柱深相互關係之耐震行為顯示，皆有在邊界柱深於牆厚比一定比值下，牆板裂縫延續至邊界構材之現象，使得邊界構材一併喪失獨立抗彎構架行為，均強調牆體須納入考慮耐震能力之行為。 我國耐震設計規範要求牆體需一併納入結構分析計算，然而現行工程師除了符合剪力牆要求外，其餘牆體均忽略不算。國內集合住宅式高樓建築物內，為了增加使用空間，使用許多隔間牆、隔戶牆與外牆等，採用柱中心與牆版中心合一配置與牆板邊與柱邊合一偏心配置，過去研究多數針對柱中心與牆版中心合一之非結構RC牆之探討，對於牆板邊與柱邊合一偏心配置無相關性探討，此構行為是否與柱中心與牆版中心合一之非結構RC牆相近，須進一步探討以釐清現行工程師忽略非結構RC牆體之設計合理性。 本研究共規劃四座縮尺50%試體進行試驗，一座為純牆試體；另三座為填充6公分RC牆構架，邊界構材均採用方形柱，尺寸為50公分、35公分及20公分，分別模擬高樓建築、中高樓建築及低矮樓層建築。本研究結果顯示，柱深對牆厚比越小，構架之韌性越差，極限強度後仍保有純構架之行為不明顯，且因RC牆體偏心配置，導致邊界構材有受力傳遞不均勻且不對稱破壞現象，其極限強度較柱中心與牆版中心合一之非結構RC牆體配置低約10~20%。
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本研究藉由大尺寸梁柱接頭試體試驗，探討採用高強度鋼材梁柱接頭之耐震行為。高強度鋼板有高降伏比的特性，意謂其韌性較差；因此應用高強度鋼材於梁柱接頭之耐震性能研究有其必要性。本研究進行四組大尺寸梁柱接頭試體之反覆載重實驗，試體為一層樓高柱單邊接半跨距梁之梁柱子結構。第一組試體RBS-QCA為梁翼板圓弧切削型式接頭並搭配常用於國內的雙圓弧銲接扇形開孔，第二組試體WUF-W為未補強梁翼板-腹板銲接型式接頭且採AWS所建議的耐震銲接扇形開孔。第三組試體WF1及第四組試體WF2為擴翼式接頭並搭配常用於國內的雙圓弧銲接扇形開孔。試驗結果顯示，高強度鋼板之降伏強度介於486 至520 MPa間，抗拉強度介於572 至 638 MPa之間，降伏比於81至86% 間。所規劃之四組試梁柱接頭體皆可達5% 弧度的層間變位角與3% 弧度的塑性轉角，滿足國內外耐震韌性需求；僅於試體RBS-QCA與WUF-W中梁翼板靠近全滲透銲處與銲接扇形開孔處有些微裂縫。四組試體皆具優良之韌性行為且無發生脆性破壞。
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為了提高海上活動及工程作業安全，本文發展一套可精準且快速地推算局部波高的FCM-ANFIS模式。本模式乃利用ARW大氣預報模式的計算風速或交通部運輸研究所港灣技術研究中心在臺北港2010年量測的風速的FCM分類，並以適應性類神經建立風速與波高關係。由本模式與往昔研究的ANFIS模式及迴歸模式的推算波浪結果比較，證實FCM-ANFIS波浪推算模式比他兩種有較高的推算能力。 本文分析實測風速及計算風速的偏差，二者有低的偏差、均方誤差及高的向量相關係數，0.7922，並比較使用這兩種風速分別建立模式的波浪推算能力是相近的，此種結果都證實以計算風速來建立波浪推算模式是可行的。 本文增加數值計算的外圍八方位上的風速於模式的輸入變數，建立一個多點複合波模式。此模式的推算波浪能力優於相同輸入參數的單點風速模式。評估所有發展的各種模式的推算能力，以數值計算的外圍風速所建立FCM-ANFIS(u,v)多點複合波浪推算模式為最佳。其推算能力由原本單點模式的R2=0.70提高至0.77，而RMSE從0.35 m降至0.31m，R2提升7.0%，RMSE降低11%。以西北方位置的外圍風場風速與臺北港波高關係強，而增加此方位的風速有利於模式的推算能力。
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街屋或校舍結構之含RC牆構架受面內側力試驗結果顯示，RC牆產生對角斜裂縫剪力破壞，且牆板裂縫延續至邊界柱，使柱一併產生剪力破壞，由試驗破壞包絡線顯示，構架含RC牆破壞時，邊界柱已喪失其獨立抗彎構架的行為。然而，EERI & IAEE之低矮型圍束砌體建築物耐震設計規範指出，當加強磚造構架之邊界柱深小於1.5倍磚牆厚度時，發生由牆板延續並貫穿柱之對角斜裂縫破壞；當加強磚造構架之邊界柱深大於2倍磚牆厚度，對角斜裂縫只出現在磚牆上，磚牆與柱交界面則出現垂直裂縫，柱與磚牆分開獨立變形，使柱保有獨立抗彎能力。 我國耐震設計規範要求牆體需一併納入結構分析計算，而工程師除了符合規範剪力牆要求之牆體外，其餘RC牆均忽略不算。街屋或校舍結構之含RC牆構架受面內側力試驗結果顯示此作法不正確，中小學校舍補強評估方法已予以修正。至於大尺寸柱配合薄的RC牆之大樓建築結構，邊界柱是否於牆板破壞時一併產生破壞，抑或有類似加強磚造構架之行為。本研究共設計製作四座縮尺50%試體進行試驗，一座為空構架，另三座為填充6cm厚RC牆構架，四座試體之構架均採用方形柱，尺寸分別為20cm、35cm及50cm，本研究結果顯示隨柱深對牆厚比愈小，構架之韌性愈差，且試體在極限強度後仍保有純構架之行為愈不明顯。
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本研究考量各類水文因子(降雨特性、基流量、蒸發損失、水庫及水庫起始水位)、水庫操作規線因子及降雨-逕流模式參數之不確定性而發展一供水可靠度模式用探討水庫供水量之可靠度，也就是reliability assessment model for water supply from the reservoir (RA_WS_Res)。RA_WS_Res模式係以Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA)模式為入庫流量推估模式，配合蒙地卡羅模擬法(Multivariate Monte Carlo Simulation Method, MMCS)，衍生多組不確定性因子模擬值，採用水資源調配模式Ribasim (River Basin Simulation Model)進行水庫水資源預測及調配模擬，應用多變數迴歸分析，推估供水量與其他不確定性因子之相關式，並藉由敏感度分析量化影響供水量之敏感因子，再利用改良一階二矩法(Advanced First- Order Second-Moment method, AFOSM )及羅吉斯迴歸分析，建立各分析節點供水量超越機率計算方程式。綜合上述，本研究所發展的水庫供水量可靠度推估模式主要包括5個部份：不確定因子之衍生、入庫流量之推估，供水量之模擬、供水量風險之量化及供水量超越機率計算方式之建立。因此，期使可透過模式進行不確定性因子(水文、水庫因子及降雨逕流模式參數)之變異程度對於供水量可靠度之影響分析。 本研究以石門水庫供水系統為研究區域，並挑選出6個供水節點，採用1987年至2014年之時降雨序列及相關水文資料，應用上述模式發展分析架構，建立石門水庫供水量可靠度推估模式。由模式應用結果可發現，不確定性因子中的水庫初始水位、當旬之平均降雨強度、基流量及水庫操作規線間距(Range_T-F)為影響供水量可靠度之重要不確定性因子。其中，水庫初始水位平均值變化率之影響依旬遞減；平均降雨強度與基流量皆呈正相關，顯示水庫供水量除來自降雨外，基流量亦為供水量重要來源之一。此外，水庫操作規線間距(Range_T-F)在各旬對供水量可靠度有程度不一之影響。由上述結果可知，本研究建立之供水量可靠度推估模式可合理反應各不確定性因子對供水量超越機率之變化趨勢，因此未來可透過集水區降雨特性分析，由所建置之關係式推得石門水庫下游節點之供水量超越機率，亦可應用於因極端氣候所造成之水文量變異性，評估水庫下游供水量之可靠度，作為水資源規劃與分析之參考。
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受到全球暖化之影響，永凍土會開始消融，進而造成地層下陷，所以監測永凍土之地表高程變化就成為研究氣候變遷一項很重要的議題。由於本研究區域是位於阿拉斯加北部永凍土地區，受到氣候及環境的限制下，不易使用傳統之監測方法，所以本研究是利用Envisat(2003-2010年)及SARAL/AltiKa(2013-2016年)兩顆測高衛星上之雷達測高資料來監測本研究區域。由於地形會影響雷達測高之波形，因此須進行波形重定改正來改善高程觀測精度，而本研究所使用之波形重定方法為次波形門檻值演算法，並透過實驗發現較適合本研究區域之門檻值為0.1。進行永凍土高程變化計算時，須先進行資料處理，並沿軌跡將觀測量分成bin點，再將每個bin點裡之觀測量組成時間序列，然後透過最小二乘方式進行時間和空間的擬合，就可獲得每個bin點之變化速率。從研究結果顯示大部分是呈現下降趨勢，這也證明了因永凍土消融而造成之地層下陷，並可發現在本研究區域的南邊為地形較複雜區域，其下降速率又比本研究區域北邊地形平坦區域之下降速率大。
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本研究旨在探討協方差型隨機系統識別法在唯輸出條件以及基於確定-預測性模型之遞迴式子空間系統識別法在包含輸入-輸出訊號的條件下，應用於橋梁系統識別之可行性。本文以一座混凝土拱橋為對象，輸入擾動包括行車載重以及地震波－行車載重係以等速前進之移動荷載接續在設定時距上橋的條件模擬之，由於無法量測輸入擾動歷時，只能以協方差型隨機系統識別法進行分析；地震波則採用El Centro地震，因輸入擾動函數為可量測之地表加速度歷時，因此還能選擇在確定-預測性模型下之遞迴式子空間系統識別法進行分析。分析結果顯示，在行車載重下，採用協方差型隨機系統識別法可成功識別出若干主要模態之頻率、振形及阻尼比，無論橋梁的健康狀態如何；在地震擾動下，遞迴式子空間系統識別法可以成功識別出模態頻率、模態振形以及阻尼比，協方差型隨機系統識別法的識別精度則較差，反映在振形與阻尼比的識別結果上。依本文考慮的行車載重條件下以唯輸出條件進行識別分析結果，在垂直(Z) 向振動為主的模態識別結果與遞迴式子空間系統識別法在地震擾動下相當，橫(Y)向振動模態則不如地震擾動精確。此外，橋梁在局部受損的情況下，結構主要振頻及其對應之振形等模態參數均無顯著變化，難以用於判斷橋梁結構是否受損。
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本研究針對面內撓曲式阻尼器進行理論分析與試驗，包括發展彎－剪耦合曲梁元件之彈塑性應力分析，以及封閉式類橢圓阻尼器之元件測試。元件測試結果顯示本研究提出之封閉式面內撓曲式阻尼器較諸先前發展的拱形阻尼器有更為穩定之性能表現，包括極限強度、消能能力等性能參數都得到提升，並找出這些性能參數與圓拱段平均半徑及力臂長度乘積之關係，可供設計參考。在勁度比已知之前提下，ANSYS可以有效模擬類橢圓阻尼器之非線性遲滯消能行為與力學特性，惟其雙線性應力－應變模型在變形較大時無法反映勁度趨緩的特徵而與試驗結果悖離。本文以曲梁彈性力學平面應力理論為基礎，結合廣義虎克定律與總變形理論所定義之塑性應變，發展出彈－塑性分析理論架構，並參考Eraslan與Arslan提出之曲梁在純彎條件下之非彈性應力分析方法，進一步發展出曲梁在彎－剪耦合作用下之非彈性應力分析法。數值計算係先將邊界值問題轉換成兩階段的初始值問題，經過迭代過程求解，降伏狀態之判斷係根據von Mises降伏指標決定，並採用Swift-type hardening law來描述材料塑性段之應力－應變關係。當載重在彈性範圍時，曲梁受純彎矩、端點剪力或彎－剪耦合之數值分析結果與彈性力學理論之解析解完全相符，支持本文理論之合理性。由單調遞增(減)載重下之彈－塑性分析結果之力－位移關係曲線可視為遲滯迴圈之背骨曲線，可遵循梅新準則推估完整的遲滯迴圈，作為建構阻尼器力學特性及設計之依據。本文尚未完成阻尼器直線段的彈塑性分析理論，相關理論完成後即能完整評估封閉式類橢圓阻尼器之力學行為。