碳纖維複合材料於窗框開口角隅之抗裂應用-
適合極端氣候與地震帶的高性能補強建材

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摘要

        門窗開口角隅裂縫為混凝土建築中最常見且最難以避免的結構缺陷之一，其成因主要來自幾何不連續所導致的應力集中，並在溫度變化、地震作用與材料差異變形等條件下持續惡化。傳統採用之45°斜撐鋼筋、提高混凝土強度、鋼板或纖維布補強等方式，多著眼於局部強度提升或事後修補，難以從根本改善角隅受力行為(Altiok, 2025)。
        本文提出一種環形補強元件(碳角固StrongEdge)作為門窗角隅之預防型抗裂解決方案，其設計核心結合圓弧導力幾何、高韌性再生碳纖維複合材料與多環分段吸能機制，以重構角隅受力路徑並降低應力峰值。數值模擬結果顯示，在相同外力條件下，該補強元件可使角隅剪力降低約25%，混凝土變形量降低約75%；並依臨界應變法與Griffith裂縫能量理論推估，裂縫密度可降低約75–85%。
        進一步從極端氣候、地震風險、施工可行性與全生命週期成本進行分析，結果顯示該環形補強元件不僅能顯著提升角隅耐久性，亦可降低後續維修與客訴成本，並兼具永續材料與施工安全優勢。研究結果顯示，環形補強元件具備由「選配補強」提升為「建築標配」之工程合理性，對現代建築之耐久設計具有實質參考價值。

一、前言：窗框角隅裂縫，為何是建築最常見且最難避免的「慢性病」？

        在混凝土建築中，門窗開口角隅為最易產生裂縫之區域(如圖1)，此一現象已為建築與結構工程界的長期共識。無論為透天住宅、集合住宅、社會住宅，或科技廠辦等建築型態，皆可能因溫度應力、地震作用、不均勻沉陷或材料收縮差異，使門窗開口角隅承受高度應力集中，進而產生裂縫(Xu, Y., et al., 2023；Habib, A., et al., 2025)。
        角隅裂縫初期未必立即影響整體結構安全，但往往成為後續耐久性與使用品質劣化的起點，並引發一連串連鎖性風險，尤以使用端的影響最為明顯，說明如下。
(一)消費者端的痛點
1.滲水與壁癌
        角隅裂縫是外牆滲水的常見路徑，造成壁癌、油漆鼓起、窗框生鏽與室內容易發霉等。
2.美觀受損、居住品質下降
        即使裂縫僅 0.2∼0.3 mm，住戶仍視為「施工品質不佳」的象徵。
3.安全疑慮與品牌信任度下降
        現代消費者更重視耐震安全，裂縫容易被誤解為結構問題。
(二)建商／營造廠端的風險
1.售後維修成本高且具持續性
        若不需搭鷹架，一戶角隅裂縫修繕一般需 5,000∼10,000 元／戶，若一棟百戶大樓有 20∼30% 出現裂縫，修繕費可達數十萬，甚至破百萬。
2.品牌形象受損、客訴爭議增加
        裂縫是買方最容易拍照、最容易放大檢視的缺陷，現在消費者的意識抬頭很容易上新聞，造成公司的形象受損，或是造成訴訟爭議等。
3.工期壓力大、傳統施工方式難以控管品質變異

二、傳統新建與補強施工方式及其效果—為何仍無法有效防止裂縫？

        在一般建築新建或既有結構補強工程中，門窗開口角隅因幾何不連續性，長期被視為最容易產生裂縫的高風險區域。營造現場慣用的裂縫抑制方式主要可歸納為以下幾類，然而從結構行為與材料力學角度檢視，多數方法仍難以從根本解決問題。
(一)45°斜撐鋼筋(最普遍)
        此作法是在門窗角隅處，將兩支短鋼筋以約45°斜向配置，並與牆體之水平筋與垂直筋固定，目的在於分散角隅剪力，阻擋裂縫沿角部延伸。
        然而，實務經驗與數值模擬結果顯示，其實際效果極為有限。主要原因在於：
1.剪力與拉應力仍高度集中於角隅混凝土本體。
2.鋼筋本質為直線構件，無法在尖銳直角處形成有效的彎矩過渡路徑。
3.彎矩在角部突然轉折，無法沿平滑曲線逐步釋放能量。
        混凝土屬於典型的脆性材料，當其結構幾何出現尖角時，無論是溫度變化、乾縮、地震作用或樓板變形，皆會在角隅產生明顯的應力集中，最終導致裂縫生成。雖然45°斜撐鋼筋行之有年，但從力學本質來看，並未真正改變角隅的受力模式(K. C. Cheng et al.,2025)。
(二)提高混凝土強度或添加改質材料
        另一常見作法為提升混凝土設計強度，或透過添加劑改善材料性能，期望藉由「更強」的混凝土來減少裂縫產生。
        然而，多數角隅裂縫的根本原因並非材料強度不足，而是源於結構幾何所造成的應力集中現象。即使提高抗壓或抗拉強度，只要應力仍集中於同一位置，裂縫仍會發生。因此，單純提升強度並不能有效解決問題，真正關鍵在於提升結構系統的「韌性」與應力重新分配能力(Elghool, A., et al., 2025)。
(三)鋼絞線網(Steel Wire Mesh)或鋼板補強
        鋼絞線網或鋼板補強在抑制裂縫方面確實具有較佳效果，能提供額外的拉力承載路徑。然而其施工需鑽孔植筋，容易破壞原有模板與混凝土完整性，並增加施工工序與成本。
        此外，鋼材在長期服役環境下仍存在腐蝕風險，特別是在潮濕或高鹽害環境中，可能反而成為耐久性隱患。
(五)碳纖維布(CFRP Sheet)或玻璃纖維布外貼補強
        纖維複合材料具備極高的抗拉強度，外貼補強在結構補強領域已被廣泛應用。然而此類方式屬於典型的「二次補強」，必須在裂縫已經發生後才能施工，無法預防裂縫的初始形成。
        此外，施工前需進行嚴格的表面處理與樹脂塗佈，材料與施工成本皆偏高，對一般建築新建工程而言較難全面導入。
(六)增設防水層或填縫材
        防水層與填縫材主要功能在於延後滲水或減少水害，並未改變結構受力機制。即使完成填縫處理，裂縫仍可能在反覆荷載或溫度變化下持續擴大，僅屬表層修補，無法處理裂縫的結構根源。
        綜合上述分析可知，傳統裂縫防治方式多著眼於「補強強度」或「事後修補」，卻未真正解決門窗角隅因幾何不連續所導致的應力集中問題。因此，多數作法僅能延緩裂縫發生，屬於典型的治標不治本策略，難以滿足現代建築對安全性與耐久性的長期要求。

三、環形補強元件技術原理：不是硬碰硬，而是採用更科學的方式-「分散應力」(圖2)

        環形補強元件(碳角固StrongEdge)並非透過提高局部強度來對抗裂縫，而是從結構力學本質出發，重新設計門窗角隅的受力路徑，使原本高度集中的應力得以被引導、分散與吸收，從而有效抑制裂縫的生成與擴展(Thermolysis, 2025)。
(一)原理核心：圓弧導力加上高韌性複合材料吸能
        環形補強元件(碳角固StrongEdge)的技術核心可歸納為以下三項關鍵設計，分別對應「幾何導力」、「材料韌性」與「裂縫傳播控制」三個層面。
1.圓弧導力設計(Stress Rerouting)
        門窗開口角隅屬於典型的幾何不連續區域，剪力、彎矩與拉應變會在尖銳直角處高度集中，是裂縫最容易起裂的位置。
        環形補強元件(碳角固StrongEdge)採用圓弧導力設計，將原本突變的力流轉化為連續平滑的受力路徑，使應力能夠沿圓弧方向重新分配，形成穩定的「應力流線導引」機制。
        此設計的本質在於避免彎矩在角隅處突然轉折，降低應力峰值，從源頭減少裂縫生成的驅動力。
2.高韌性 PP＋再生碳纖維複合材料(Ghanbari, A., et al., 2022)
        環形補強元件(碳角固StrongEdge)所採用之PP(聚丙烯)＋再生碳纖維複合材料，並非單純追求高剛性，而是著重於與混凝土結構的協同受力行為，其材料特性包括：
        (1)楊氏係數與混凝土相近
        受力後變形行為一致，可有效降低界面應力集中，減少脫層與界面破壞風險。
        (2)高延展性與良好吸能能力
        相較於脆性的混凝土，複合材料能在受力過程中吸收並耗散能量，有效抑制裂縫快速擴展。
        (3)輕量、無鏽蝕風險
        不同於鋼材，長期服役下不會因腐蝕造成內部劣化；輕量化特性亦提升現場施工的安全性與操作性。
        (4)耐候性與耐環境腐蝕性佳
        適用於長期暴露於濕氣、鹽害或溫差變化的建築環境。
        (5)表面螺紋設計
        提供良好握裹力與灌漿性，使複材能有效與水泥基材形成整體受力系統。
3.三環設計的分段抗裂機制
        環形補強元件(碳角固StrongEdge)採用三環結構設計，並非一次性「擋裂」，而是以分段方式逐步控制裂縫行為(圖3)：
        (1)第一環：初裂抑制
        在裂縫尚未形成前，吸收角隅應力峰值，降低起裂機率。
        (2)第二環：裂縫阻斷
        當裂縫產生時，阻止其穿透角隅區域，避免裂縫快速貫穿牆體。
        (3)第三環：整體剛度與變形控制
        進一步限制裂縫擴展，提升牆體整體剛度與變形承載能力。
        值得注意的是，即使因現場施工需求需對環形補強元件(碳角固StrongEdge)進行局部裁切調整，只要保留其中兩環，仍可維持完整的抗裂功能。此特性大幅提升施工彈性，與傳統45°斜撐鋼筋需重新綁定、重新配置相比，具備明顯的實務優勢。
        環形補強元件(碳角固StrongEdge) 並非以「更硬的材料」對抗裂縫，而是透過受力路徑重構、材料韌性吸能與分段抗裂設計，從根本改善門窗角隅的結構行為，屬於預防型、結構等級的裂縫控制技術，而非事後補救措施。
(二)科學模型支持環形補強元件(碳角固StrongEdge)的抗裂效果
        為驗證環形補強元件(碳角固StrongEdge)在門窗角隅的受力改善效果，本研究以數值模型進行受力模擬比較。結果顯示：在相同外力條件下，碳角固可顯著降低角隅區的應力集中與變形量，進一步降低裂縫起裂與擴展的驅動因素。
1.模擬結果要點：剪力下降、變形大幅降低
        根據圖4的模擬數據，在同樣外力作用下：
        (1)角隅剪力降低約1/4(約下降 25%)
        代表角隅「局部承擔的破壞性內力」被有效分散與轉移。
        (2)混凝土變形量降低約75%
        變形降低意味著拉應變與裂縫張開位移同步下降，直接削弱裂縫形成條件。
        工程上，裂縫往往不是「強度不夠」才發生，而是因為角隅區域產生過高的拉應變、應力峰值與能量集中。當剪力與變形同時被明顯降低，等同於讓裂縫的起裂門檻被提高，裂縫也更難維持擴展所需的能量供給，因此「更不容易裂」或「裂得更少、更晚、更細」。
        相對地，在同一模擬條件下，傳統45°斜撐鋼筋方案對角隅剪力與變形的改善幅度極小，呈現幾乎無法有效改變角隅受力狀態的結果，說明其更多是施工習慣的延續，而非能從力學上重構受力路徑的解法。
1.從兩種理論推導的抗裂量化結果
        上述模擬結論亦可由兩套常見的斷裂與抗裂理論得到一致的量化推估，使碳角固的效果不僅停留在「新材料」層級，而是具備可推導、可驗證的抗裂理論架構。
        (1)應力–應變臨界應變法(Critical Strain Criterion)
        當角隅區拉應變因導力與吸能設計而降低，使材料不易達到起裂所需的臨界應變門檻，推估可達：龜裂減少約80–85%。
        (2)Griffith 裂縫能量理論(Griffith Fracture Energy Theory)(Huang, Y. J., et al., 2024)
        裂縫擴展需滿足能量釋放率條件。當碳角固使角隅能量集中被分散、並由韌性複材吸收耗散，裂縫更難獲得足夠能量持續成長，推估可達：裂縫密度下降約75%。
        綜合數值模擬結果與斷裂理論推導可知，碳角固的抗裂效益源自三項可量化的力學機制：有效降低門窗角隅的剪力峰值、顯著減少混凝土之整體變形與拉應變，以及降低裂縫持續擴展所需的能量條件。因此，碳角固的技術定位已不再侷限於單一補強材料，而是發展為一套以受力路徑重構、材料韌性吸能與裂縫傳播控制為核心，且具備科學模型與證據支持的完整抗裂系統。

四、極端氣候下的結構風險—為何環形補強元件(碳角固 StrongEdge)成為必要的耐久性設計？

(一)高溫日照與熱脹冷縮
        近年台灣、東南亞及中東地區氣候變化趨於極端，建築外牆日夜溫差可達20–35°C。門窗角隅同時結合鋁合金窗框、鋼筋混凝土與水泥砂漿等不同材料，因各材料之熱膨脹係數差異，極易在反覆溫度循環下產生溫度拉力裂縫。碳角固所採用之複合材料，其楊氏係數與混凝土相近，熱膨脹係數亦高度匹配，相較於鋼筋更能與混凝土協同變形，有效降低介面拉應力，提升角隅在高溫日照條件下的耐久表現。
(二)豪大雨與滲水滲透壓
        當裂縫一旦形成，水分便會沿裂縫滲入結構內部，進而引發混凝土劣化、鋼筋鏽蝕及膨脹，最終造成混凝土剝落與結構性能衰退。碳角固本身不具鏽蝕風險，且能有效降低角隅初裂與裂縫擴展的機率，使牆體長期維持較高密實度，從源頭減少滲水通道，抑制因水分侵入所引發的連鎖劣化效應。
(三)地震剪力作用(高地震風險區域)
        在地震作用下，門窗開口角隅會於極短時間內承受顯著的剪力峰值，裂縫往往瞬間產生。碳角固透過圓弧導力設計、高韌性複合材料特性以及多環分段吸能機制，能在短時間內有效吸收並分散地震能量，提供比傳統鋼筋補強更佳的抗剪與吸能效果，對台灣等高地震風險地區尤具關鍵意義。
(四)海風鹽害(沿海地區)
        沿海地區、離島及高氯離子環境中，鋼筋長期暴露易產生鏽蝕，進而影響結構耐久性。碳角固所使用之複合材料具備完全防鏽、耐鹽害且無電化學腐蝕問題的特性，能在高鹽害環境下長期維持穩定性能，特別適用於沿海建築及高腐蝕風險區域之耐久性設計。

五、施工面優勢(圖5)

        相較於傳統鋼構補強方式，環形元件(碳角固StrongEdge)不僅在結構力學上具備優勢，在實際施工層面亦大幅降低工序複雜度與施工風險，提升現場可行性與品質穩定性。
(一)無需釘固、鑽孔或調整模板
        碳角固不同於傳統鋼構補強元件，施工時無需鑽孔植筋或破壞既有模板配置，可直接綁設於牆體鋼筋上完成定位。此作法不僅簡化施工流程，亦能完全避免因鑽孔或切削模板所造成的結構干擾與施工誤差，有助於維持模板完整性與施工精度。
(二)大孔隙設計，灌漿順暢、不易產生缺陷
        碳角固採用大孔隙結構設計，使混凝土漿料在澆置過程中能順利流動與填充，不易發生卡料現象，有效降低蜂窩與空隙生成的風險。此特性可顯著提升混凝土密實度，並避免因施工粗糙或灌漿不良而導致局部應力集中，進一步確保角隅區域的結構品質。
(三)輕量化設計，施工安全性高
        碳角固單片重量約180克，相較於傳統45°斜撐鋼筋動輒約1公斤，具備顯著的輕量化優勢。於高空作業環境下，即使發生掉落情況，亦不具殺傷風險，大幅提升施工安全性。同時，輕量化亦降低搬運與長時間施工的勞動負擔，使工人施作更加省力，有助於提升整體施工效率與現場安全管理水準。

六、成本效益分析：看似小材料，卻能節省龐大成本

        乍看之下，碳角固屬於單價相對低、體積小的補強元件，然而其在結構耐久性與裂縫控制上的效果，能於建築物全生命週期中產生顯著的成本節省，遠超過初期材料投入。
(一)裂縫維修費用顯著降低(最高可達 80%)
        以一棟200戶住宅建築為例，若傳統建築中每戶平均需支付5,000–10,000元之裂縫修補費用，並以約 25% 客訴率估算，整棟建築的裂縫維修成本約為：250,000–500,000元／棟。
        透過在高風險角隅導入碳角固進行預防型補強，可大幅降低裂縫發生與重複修補機率，實務上裂縫相關維修費用可降低約80%。對於商辦大樓、社會住宅與廠辦建築而言，因結構規模更大、維修成本更高，其節省效益將更加顯著。
(二)維護週期由3–5年延長至10–15年
        傳統建築角隅裂縫往往在交屋後3–5年內陸續出現，迫使建商或管理單位進行頻繁修補。碳角固透過結構層級的抗裂設計，使角隅區域的耐久性大幅提升，維護週期可延長至 10–15 年，進而顯著降低：
1.保固期間內的維修與補償成本。
2.客服電訪與後續申訴風險。
3.因裂縫問題引發的品質爭議與品牌信任損耗。
(三)品牌形象提升與ESG評價加分
        碳角固所採用之材料為 再生碳纖維複合材料，不僅具備結構性能優勢，同時回應建築產業對永續材料的需求。透過提升建築物耐久性、延長使用年限與減少重複維修，其效益已從單純的材料性能，延伸至 ESG 與建築永續發展層面，為建商、開發商與公共工程專案帶來正向的品牌形象與評價加分。
        碳角固雖為體積小、單項成本低的補強元件，但其在裂縫預防、耐久性提升與全生命週期成本控制上的效益，使其成為一項以小成本換取長期高回報的耐久性投資，對住宅、商辦與公共建築皆具高度經濟合理性。

七、碳角固應成為建築標配，而非選配

        綜合結構力學、材料科學、營建管理及消費者使用經驗等多面向分析可知，門窗角隅裂縫並非偶發缺陷，而是建築幾何與材料行為下的必然風險。碳角固(StrongEdge)透過受力路徑重構與韌性吸能設計，從結構源頭降低裂縫生成機率，使其角色已由補強選項，提升為建築耐久設計中不可或缺的基礎配置。
        其價值如下：
(一)結構安全
        透過圓弧導力與分段吸能機制，有效分散角隅應力，降低熱脹冷縮與地震作用下的裂縫風險。
(二)耐久性提升
        可減少裂縫密度約75–85%，並將建築角隅的有效使用與維護週期延長至10–15年。
(三)成本效益明確
        以預防型設計取代事後修補，大幅降低售後維修支出、客訴處理與品質爭議風險。
(四)ESG與永續性
        採用再生碳纖維材料，兼顧結構性能與環境責任，符合現代建築對永續與低碳設計的核心要求。
(五)建築品質象徵
        將高風險結構節點納入系統性耐久設計，展現建商與施工團隊對品質管理的高度自律與專業承諾，有助於提升市場信譽與品牌價值。
        總結而言，碳角固並非為少數特殊工程而設，而是面對高溫、豪雨、地震與長期使用條件下，建築產業邁向高品質與高耐久時代的必然選擇。其定位不應再是「可加可不加」的選配項目，而應成為新建與補強工程中，理所當然的建築標配。

八、碳角固(StrongEdge)代表的是未來建築的趨勢

        門窗開口角隅裂縫，早已成為建築業者與消費者長期面對的共同痛點。在極端氣候日益頻繁、地震風險持續存在、且不同建材熱膨脹行為更加敏感的時代背景下，若建築仍沿用傳統角隅補強方式，勢必在未來付出更高的維護成本與客訴代價。
        碳角固的出現，並非單一材料的更新，而是一場結構細部設計思維的革新。它補足了混凝土作為脆性材料在角隅節點的先天弱點，並將補強概念由長久以來的「鋼筋加強」思維，提升至以複合材料吸能與受力導引為核心的全新階段。
        未來的優質建築，不應僅依賴混凝土本身的強度提升，而應透過更精準、更聰明的細部設計，主動回應結構安全、耐久性與使用體驗的長期需求。
        而碳角固，正是這樣一項為未來建築而生的關鍵細部技術。

參考文獻

1.THEMOLYSIS CO., LTD.，用於門窗框角隅之建築體抗裂結構，中華民國專利，TW M674809，2025年。
2.Altiok, T. Y., et al., Effect of shear wall opening and reinforcement around opening on the structural strengthening, Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 23, 2025, pp. 3421–3449.
3.Cheng, K. C., et al., Cyclic responses of axially restrained diagonally reinforced coupling beams, ACI Structural Journal, Vol. 122, No. 2, 2025, pp. 33–47.
4.Elghool, A., et al., Effects of openings on the inelastic behavior of diagonally reinforced coupling beams, Scientific Reports, Vol. 15, 2025, Article 43867.
5.Ghanbari, A., et al., Extrinsic toughening of recycled carbon fibers in polypropylene composites in the absence of plasticity penalty, Journal of Composite Materials, Vol. 56, No. 10, 2022.
6.Habib, A., et al., Seismic behavior of squat reinforced concrete shear walls: A state of-the-art review, SDHM, Vol. 19, No. 3, 2025.
7.Huang, Y. J., et al., 3D concrete fracture simulations using an explicit phase-field formulation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 395, 2024, Article 115234.
8.Xu, Y., et al., Quasi-static tests of squat reinforced concrete shear walls with openings, Engineering Structures, Vol. 293, 2023, Article 116666.