「氣壓式浮沉台船及沉箱施工法」
研究創新及申請專利回顧
王壽延技師
一、前言
土木工程相較於電子電腦等工程性質不同，並非日新月異，不斷快速創新。在歐美日本先進國家，如有新工法、新材料，台灣才有人引進。國內自行研究創新工程，申請專利之案件，並不多見。
作者服務於中華工程公司(以下簡稱中工)期間，由於公營事業負有國家經濟建設和研究發展創新技術任務，遇有艱難工程或受限於客觀條件，前輩工程師參考國內外工程經驗，研究創新，克服困難完成艱鉅工程之精神，記憶猶新。
民國六十五年底承辦基隆港東防波堤延伸（改善）工程，該堤位於基隆港外海（參考圖一工程位置圖），堤頭水深達36公尺，夏季颱風，風強浪高，秋冬東北季風，風雲丕變，施工不易。尤其是本堤15座大型沉箱，每座空重約五千公噸，僅能在港內碼頭邊製造，製造問題成為本工程重大施工問題。前輩工程師參考國外施工設備和經驗，創新研發氣壓式浮沉台船及施工方法，順利製造完成。該工法嗣後用於國內多處港埠製造沉箱，均能順利完成，克竟全功。
中工鑑於該浮沉台船創新成效卓著，向專利單位申請專利，雖未成功，願回顧其申請專利經過情形，提供技師及工程界朋友參考，如有助於技師及工程界朋友專利申請，余願足矣！
二、工程設計及施工方法簡介
基隆港東防堤延伸工程全長350公尺是一沉箱合成堤。本工程所用（封底式）沉箱長21Ｍ、寬21M、高19M，空重約五千公噸，填砂後總重約二萬公噸，是海事工程之龐然大物。因基隆港無大型船塢，沉箱渠等設備，也無臨海沙灘可資利用，為數15座之巨大沉箱及同時製作之東21、22號碼頭11座較小型之沉箱，業主提供一處9M水深之碼頭為施工場地，施工工程師需做妥善規劃。一般利用既有碼頭製作沉箱，經參考日本資料有下列兩種方法：
（1）
浮船塢（Floating Dock）施工法參考照片一及圖二，浮船塢製造沉箱時，依照浮船塢之極限載重，在塢內將沉箱澆製至某段高度後，將浮船塢進水沉下，使沉箱與浮船塢脫離，再將沉箱拖離浮船塢，浮在海面或沉坐海底繼續澆製完成至設計高度。當沉箱拖離浮船塢後，用抽水泵將浮船塢內之壓艙水抽出浮起，繼續第二座沉箱之施工。沉箱製造過程與一般船舶修造過程相同。浮船塢上有吊車兩部，供吊運鋼筋與混凝土，並協助模板組裝。浮船塢設備齊全，性能優越，於水域較淺及風浪平靜水域施工較為適宜，但費用昂貴。
（2）
浮台（Floating Dolphin）施工法，浮台為四方型內凹鐡賣平台船（參考照片二及圖三）沉箱於台船內製造，依據浮台之浮力決定沉箱高度，以不超過浮台最大噸位為限。若沉箱噸位超出，可先舖設浮台海底基礎（Mound），分三階段拖出浮台利用海底基礎加高至設計高度。混凝土鋼筋供應及模板組拆則依賴碼頭上之起重設備。本法因浮台溝造簡單，在潮差較小地方適用，施工費用較省。
為能順利製造本工程之沉箱，中工派赴日本考察工程師基於下列因素決定自行研究創新製造台船進行施工。
（A）
浮船塢施工法雖然設備現代化，性能優越，但忽略沉箱本身浮力。一般浮船塢體積較大，在業主提供之碼頭水域，嚴重影響港內其他船舶活動。浮船塢操作過程繁難，須有專業人員擔任，且其造價昂貴，如由日本動員費用甚高，非工程費所能負擔。
（B）
浮台造價雖然較廉，但其施工法日本已在我國申請專利，且需另作水下基礎，施工場地颱風時風浪較大，易生意外。日本現有台船其內部淨寬22M＊22M，不足因應本工程EB-3和EB-4兩座沉箱（最長邊為25M.21M）製造之需。
（C）
台灣地區當時正值港埠建設發展期，展望未來沉箱製造業務甚多，如由日本引進費用偏高，因此中工工程師偏向自行研發創新工法，一方面節省國家外匯，另一方面發展國內土木工程施工技術。
無論浮船塢施工法及浮台施工法，沉箱本身所有之浮力未被利用
三、氣壓式浮沉台船及施工法創新及特點
經參考國內外港埠建設資料，無論浮船塢施工法及浮台施工法，均使舺板在水面上之情況下施工，如此沉箱本身所有之浮力未被利用。但沉箱逐漸加高時，部分沉箱沉浸於水中，台船負荷可以減輕。如下公式所示：浮船塢或浮台之浮力，大於沉箱重加模板與工作台架材料之重量扣除沉箱之浮力即可。浮沉台船之浮力Fd >沉箱重Wc+沉箱模板，工作台架與其他材料重Wp-沉箱之浮力Fc。
因此採用浮沉台船可節省台船之製造費，但一般浮沉台船使用抽水泵抽排水，浮沉操作時，常因無法控制各艙進水之平衡與艙內壓艙水之自由水面之作用，使沉箱之重心與浮沉台船之浮力中心不在同一垂直線上而傾斜。若傾斜過大超過沉箱箱底與台船舺板之摩擦力，將導致沉箱滑動而傾覆，造成嚴重事故。故沉箱下水時，準確控制台船艙內進水量平衡，極為重要。經改進創新利用空氣之可壓縮性操作，其主要構想如下：
（1）將浮沉台船分隔成若干艙，使每艙之容積相等（參考圖三 氣壓式浮沉台船平面圖）。
（2）使每艙有單獨之進水管，排氣管與控制系統（參閱圖三及圖四氣壓式浮沉台船平面圖及立面圖）。
（3）
各艙在排氣閥關閉，而進水閥打開後，船內外壓力平衡停止進水時所受之壓力，也就是大氣壓力加水頭差壓，因各艙進水後之條件均相等，故進水後各艙內空間應相等。當各艙之進水量，依氣壓平衡理論控制使之相等時，則浮沉台船浮沉操作可趨平穩不致發生傾斜現象，如有傾斜現象發生，極易及時調整之。
依據上述構想及氣壓理論，經設計氣壓式浮沉台船乙艘，船體尺寸為30M×24M以適應本工程最大沉箱製造之需。另於浮沉台船四角裝設四個平衡艙，每座5M×2M×12M（參閱照片三 氣壓式浮沉台船全景）除便利浮沉操作外，可增加浮沉台船之穩定性，且增加浮力約1500噸。為減少自由水面之面積，將浮沉台船分成24艙，每組6艙分別裝設進水管及排氣管系統各乙套。氣壓控制及設備儀表裝設於平衡艙頂，控制人員則在艙頂操作（參閱圖三及照片三）。
經依流體力學原理完成模型試驗後，委請造船單位製造，並進行水密氣壓試驗，水密氣壓試驗，管路系統試驗及浮沉操作試驗等。最後乙項試驗結果下沉時最大不等量吃水深為20cm，上浮時為40cm，傾斜度1.33%，此項浮沉操作試驗結果，施工工程師大致滿意。
四、申請專利經過
氣壓式浮沉台船及沉箱施工法先後完成基隆港東防波堤延伸工程暨東21，22號碼頭新建工程共計大小沉箱26座（參閱照片四氣壓式浮沉台船製造沉箱）施工期間就該台船操作細節，防颱方法及沉箱拖離技術實驗改善，達到安全完善階段，因此於兩年後向經濟部中央標準局申請新型專利。次月，中央標準局審定本案不予專利，其理由：『本案氣壓式浮沉台船及沉箱施工法，即然已經從事製造生產，且說明書亦已承認最近承辦之基隆港東堤改善工程已使用本案方法，既然已經一種商業行為，而非單純地從事研究實驗，故本案已屬公開使用，自難合新型專利之要件，….且以『施工方法』申請新型專利，因非屬有關物品之形狀，構造或裝置上之創作，亦不合新型專利要件….本案不符專利法第九十五、九十六條之規定，應不予專利。』
這項審定不予專利之法律上理由，突顯土木工程研究創新不易之處。如此重大施工船機設備和施工方法，如不經過實際應用改善缺點，僅憑研究構想和模型試驗，提出申請專利，一旦實際施工，缺點顯現，造成損失，豈不貽笑於人。因此針對審查理由，提出再審查申請，強調本案不同於一般室內小型研究發明案例，本創作研究發展過程除浮沉台船本身外，實際製作各類沉箱之試驗及改良工作，如氣壓隔艙方法，輸氣速率管制，防颱措施及沉箱拖離技術等研究改進工作均須經過長時間之實驗過程方能成功….。至於使用本浮沉台船時，製造施工並非本案申請標的之主體，應為本台船不可分割之實際效用，故利用本台船之沉箱工法連帶申請給予專利…..。
五、結語
本案中央標準局雖未給予專利，但因施工安全，績效卓著，經濟部於六十九年三月核定頒發獎金給研究創新有功人員，而國內外專攻港埠工程專家們陸續前來參觀，對本項創新極為讚譽。嗣後本浮沉台船用於花蓮、龍洞、興達、八里等港埠沉箱製造工程，均能一一達成任務，實際經濟利益遠大於專利。個人淺見，我們土木人研究創新工程技術，是一項無上榮耀，也是我們的社會責任，願共勉之。
圖一 基隆港東防波延伸工程位置圖 ,
圖二 浮船塢
圖三 浮台船
圖四 氣壓式浮沉台船平面圖
圖五 氣壓式浮沉台船立面圖
照片一 浮船塢
照片二 浮台內製造沉箱
照片三 氣壓式浮沉台船全景
照片四 氣壓式浮沉台船製造沉箱