中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
我國屬強震、強颱多發地區，不定期受到強烈地震造成人命經濟損失外，每年侵襲台灣三至四次的颱風也常常造成巨大的經濟損失。我國1961年至1998年38年間所受風災累積金額為4562億元；而百年一遇的921大地震受災損失金額約為3200億元。特別是我國民眾普遍對於風災感受不深，常造成對於風力對建築結構物造成之損害的輕忽。尤其是我國都會區普遍存在的違建屋頂以及違建招牌等附屬結構物，每每於颱風期間受強風吹落造成行人或其他結構體的損傷嚴重。
根據最新的美國規範ASCE7-16([2])修訂結果，風力及風壓係數趨於保守，顯示其對於未來極端氣候的防範更升高一級。我國目前規範主要參考ASCE7-88及ASCE7-02，已有十幾年差距。且對照美、日兩國規範來看，在局部風力風壓設計係數的篇幅上有所不足，對於工程界在應用規範時造成不敷使用，實屬堪慮。此外，目前規範([23])第二章與第三章內容所列之風力係數與風壓係數無法全然相吻合。再者，倘若執行風洞實驗而不知如何藉由極值分析理論獲得與規範一致的設計值，則風洞實驗數據將失去可信度。
研究團隊基於以上所述，希望能透過本計畫之執行，檢視各國際規範最新條文內容進行本土化，並且考量我國本土民情而有的不同結構型態，進行有效限度的風洞實驗，提出針對現行規範第三章有關局部風壓係數的修訂草案，並提出規範第五章中，風洞實驗及極值分析方法的驗證，與時俱進。
二、研究方法及過程
本研究採用傳統的風洞物理模擬方法，進行計畫執行內容各部分的探討依據。首先在風壓係數部分，選擇具代表性的低矮建築物及高層建築物數座做為風洞實驗模型，量取其表面風壓並分析其風壓係數與規範比較。利用有限度的風洞實驗成果檢驗規範設計值的保守與否。此外，比較各國規範中有條列但我國規範內容尚無的設計值，依據風洞實驗比較的原則，提出可符合與其他設計值一致性的新設計參數。再來，根據此風洞實驗進行極值分析理論的套用，提出同時符合國內外規範的風洞實驗數據處理方式，作為未來國內各單位執行風洞實驗數據分析的標準。最後針對各國規範對風洞實驗設定條件的差異性進行比較，歸納出適合於我國且符合學理的風洞實驗準則。
本研究之研究內容與步驟如後：
(1) 風洞實驗
本研究於內政部建築研究所的風雨風洞實驗室及淡江大學風工程研究中心第一風洞實驗室中進行縮尺模型的風壓量測實驗。風壓量測實驗首先須以皮托管量測邊界層高度風速。其原理為利用量測內外管的壓力差，經熱線流速儀校正後可量測邊界層位置的動態風速作為參考風速壓。接著量測各模型表面的動態分壓分布，並利用參考風速壓來計算風壓係數。對於高層建築、低層建築而言，風速的改變並不會造成分離的現象改變，因此可以僅採用一合理縮尺風速即可；然而具有曲面的結構物則會因為雷諾數的影響而改變風力的估算。在本研究中，將盡量採用高風速以獲得符合實際的高雷諾數範圍。然而，為有效於計劃期間完成本研究之目的，縮尺模型之製作以第三章的低矮雙斜屋頂建築物及平屋頂高層建築物為主要研究對象。
(2) 理論分析
本研究進行風壓量測後進行風壓係數的計算。接著採用各國規範以及近期風工程研究成果來估算設計值。此部分將探討基於極值分析理論而估算之風壓係數的結果，並做出歸納建議。
(3) 規範估算
同樣為了指出目前規範所提供的設計風力的合理性，本研究採用主要國際規範針對相同結構物進行估算比較，最後提出我國規範目前需要修改的部分以及可以新增的設計圖表種類。
三、重要發現
從規範比較中可發現，我國目前規範的內容確實有幾處不合理之處。首先，我國規範第三章的內容中，作為提供給工程師參考的主要內容可以分為兩部分：(1)封閉式與部分封閉式建築所使用的第三節，以及(2)開放式建築物所參考的第四節。此兩部分針對有效面積效應的評估方式不同，前者以絕對值呈現，後者以相對值呈現。研究團隊原嘗試於本計畫執行期間進行探討，然而受限於風洞實驗時間有限而且其目的與原計畫目的稍有不同，故建議日後另行進行探討。第二，作為可取代規範設計值的風洞實驗項目，無法於目前規範內容中得知如何進行分析估算設計值，僅以文字要求須進行極值分析。本計畫則於後續章節針對此缺失提出詳細的說明。第三，目前規範第三章內容明顯不足，除了參考各國最新規範予以補足外，應提出如何進行風洞實驗以及如何以極值分析方式估算正確設計風壓係數。
本計畫比較Cook and Mayne([3]、[4]、[5])所提出的估算風壓係數方法以及Kasperski([9]、[10]、[11]、[12])所提出的方法，並以多種不同的參數組合進行驗證，發現決定合理設計風壓係數的因素有四：(1)極值風速的分布型態、(2)極值風速的變異數、(3)極值風壓係數的分布型態、以及(4)極值風壓係數的變異數。其中極值風速的資料來源自本土風場特性，而極值風壓係數則來自於風洞實驗中所獲得的足夠樣本數量的最大或最小風壓係數。
檢討我國三十座人工測站的颱風事件資料可發現，各測站颱風期間最大十分鐘平均風速具有相當高的變異數約為0.4至0.6之間，遠高於Cook and Mayne([3]、[4]、[5])當時針對英國各地風場所定義的0.15。此外，由各測站的各颱風期間第二大(第二階)、第三大(第三階)十分鐘平均風速紀錄看來，變異數維持不變且強度大約為最大十分鐘平均風速的0.9及0.8倍左右。根據Cook and Mayne方法([3]、[4]、[5])以及Kasperski方法([9]、[10]、[11]、[12])驗證的結果看來，無須考量二階以上的的颱風強度。由高層建築及低矮建築案例的計算結果中得知，由於我國各測站風速、風向變異數相當高，故若單純考慮理論計算可以假設本土設計合理的風壓係數非超越機率百分比為65%至70%間。然而實際上我國風速風向資料密度尚嫌不足，因此研究團隊認為仍應偏向保守設計，故可有別於Cook and Mayne([3]、[4]、[5])提議的78%，參考採用ISO 4354-2009所要求的80%。綜合以上發現，本研究團隊提出針對我國規範第三章內容以及第五章風洞實驗內容的建議修正內容。
四、主要建議事項
建議一
研訂風洞實驗準則及草擬報告書評定機制，以確保風洞實驗品質：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：社團法人中華民國風工程學會
根據本計畫第二次專家座談會議中委員建議，風洞實驗報告書應納入建築管理機制，作為結構計算書類之一的重要參考文件。我國規範中明確規定，凡進行風洞實驗者，得以風洞實驗中所獲得之風力取代規範內所提供的設計值。換言之，風洞實驗報告書的效力應等同於建築物耐風設計規範。目前實務狀況，風洞實驗報告書並未完全納入建築管理之書類，因此權責不明。研究團隊認為，風洞實驗報告書由接受委託進行風洞實驗的單位撰寫，且除了風洞實驗外，計算風載重的理論方法與過程亦十分複雜，多半為技師或工程師之專業範圍。既然風洞實驗報告書內容足以取代規範，故其進行風洞實驗時的要求應當更為詳細，甚至應講究實驗單位的能力認證。故此，研究團隊認為，未來有必要針對風洞實驗各項細節進行一系列的研究，彌補目前已發現之設計漏洞，且建立第三方評定機制，為風洞實驗品質把關。
建議二
已擬具建築物耐風設計規範修正內容，建議納入未來修訂範圍：立即可行建議
主辦機關：內政部營建署
協辦機關：內政部建築研究所、社團法人中華民國風工程學會
本計畫研究成果具有以極值分析理論結合我國本土風場之特性，所得成果可應用於增修我國建築物耐風設計規範第五章風洞實驗內容，研究成果明確指出在滿足風洞實驗的基本要求下，應採取何種評估方式以獲得合理的設計風壓係數值。此外，參考國外規範內容所建議新增之風洞實驗基本條件內容，也能提高我國風洞實驗結果之品質，同時要求國外執行風洞實驗的單位應符合我國規範所要求的高標準。最後，參考各國規範所列出之新增設計風壓係數亦可多少提高建築物耐風設計規範之使用性，未來則可斟酌納入規範第三章新增內容。
建議三
進行有效面積效應的實尺寸風壓研究：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：社團法人中華民國風工程學會
執行本計畫期間發現，目前我國建築物耐風設計規範第三章內容有不一致之處，主要在於封閉式與部分封閉式所參考的第三節內容與開放式建築物所參考的第四節內容，對於有效面積的考量方式不同。其主因是由於前兩版規範修訂時採用了不同時期的ASCE版本，因此產生此不一致之處。根據研究團隊經驗，有效面積的探討應以實尺寸模型進行風洞測試，故本研究團隊建議採用內政部建築研究所近年發展的室外造風機進行戶外吹風實驗，並採用真實材質且不同尺寸的受風樣本進行有效面積的研究。