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
隨著現代社會發展，建築物的造型變得更加複雜多元，我國現行的耐風設計規範內容也逐漸不敷使用。一方面來說，建築物的設計風力與設計地震力的形成原因大相逕庭，因此評估設計風力所須更新的資訊亦大幅激增。另一方面，我國現行的耐風設計規範內容與其他國內重要設計規範的連結性不強。在我國耐風設計教育普遍不足的前提下，工程師經常在使用耐風設計規範上產生疑慮，導致錯誤設計的情事發生。有鑑於以上種種原因，加之國內外均已累積了不少研究成果，研究團隊擬著手整合國內外最新規範、期刊論文、研究成果報告等參考文獻，針對現行規範的內容提出修訂的草案，並說明修訂前後之差異性。
二、研究方法及過程
本研究將首先由研究團隊訂出數個主要的規範修訂主題，其中包括總則文字、基本設計風速之更新、風場特性章節之新增、順風向、橫風向及扭轉向的設計風力公式修正、主要抗風系統風力風壓係數之新增、局部構材及外部被覆物設計風壓係數之新增、風洞試驗與數值模擬之修訂、太陽能光電系統支撐結構耐風設計與本規範內容之相容性說明、高層建築物振動居住舒適性之修訂、以及有關如何採用極值分析理論評估風洞試驗的氣動力係數、適用於不同結構系統的等值風力靜載重理論等解說內容。接著，研究團隊再邀請產、學、研各界的專家委員們，以小組方式針對每一主題進行數次的小組討論會議，從而擬定各主題的修訂草案文字進行檢討。最後再由各小組推選一位主要召集人，在小組統整會議中提出草案，並由其他專家學者提出意見修改。在成果報告中，研究團隊亦針對規範修訂中部份具有影響的修訂內容採用範例說明，加強規範使用者對於規範修訂前後差異處的理解。最後，研究團隊在成果報告提出前，將進行一公開推廣說明會，針對本次耐風設計規範草案之制定內容提出說明。
三、重要發現
由於本次規範修訂主題較多，各主題小組截至目前為止均已完成了必要的實體或線上討論會議。以下為本次規範修訂過程中幾項比較重要的發現，均已納入規範修訂草案中。
1、本次耐風設計規範修訂進度中，在總則文字段落裡，明確說明本規範所提供之評估設計風力為以使用性能設計限度(serviceabilitylimitdesign)為原則，假設結構物受風反應下所造成之材料仍屬於彈性範圍(elasticrange)內。使用本規範評估極限狀態設計限度(ultimatelimitdesign)的設計風力時，須針對設計限度的可靠性分析，採用正確的載重放大因子(loadfactor)。
2、我國現行規範的基本設計風速為採用1988年以前的24個氣象局人工測站的資料，利用極值分析回歸內插至各行政區的結果。由於風速資訊已逾三十年沒有更新，而且鄰近兩區的設計值相差5m/s以上，常常造成同一建築物在同一地形地況、不同行政分區時有相差20%以上的設計風力差異。本次規範修訂採用2m/s為間距來做鄰近行政區的考量。此外，基本設計風速的考量時間亦採用了1960年代至2022年的風速資料，因此用以進行極值分析的樣本更具實質意義，對於代表各行政區的五十年回歸期基本設計風速更有信心。
3、本次規範修訂針對規範章節架構提出重大的修改意見。由於過去第一版及第二版規範中，有關風場特性的敘述文字均分散於第二章主要抗風系統設計風力的各小節中，以閱讀者的角度來說，似乎專屬於第二章內容。然而風場特性的內容屬性獨立，且可適用於其他規範引用，例如離岸風力機相關的設計規範等。在各國國際規範中也均以獨立章節呈現。本次規範修訂則將章節明確分立，以確保未來修訂規範時保有其連結性但不須牽一髮而動全身，提高修訂困難度。
4、本次修訂規範納入最新的各國國際規範中，針對各種不同的建築物造型所具有的風力風壓係數。經過比對整理後，調整其適用性後納入本次提出的規範修訂草案中。綜觀本次所涉及的規範修訂主題項目，以風力風壓係數的調整、新增為最大範圍的修訂。
5、為了因應電腦資訊應用普及化，本次規範修訂亦納入了電腦數值模擬來進行數值風洞的內容文字。在風洞試驗章節中，新增一個小節來針對採用數值流體力學(computationalfluiddynamics)來進行數值風洞模擬，以評估結構物所在位置的風場環境特性，提出原則性的基本模擬要求準則，以確保國人在以電腦數值模擬進行相關模擬評估時，其模擬品質具備最基本之精度要求。此外，研究團隊斟酌目前國際上最新規範對於電腦數值模擬的評估範圍說明，也採用了相同嚴謹程度的要求來針對電腦數值模擬對於建築物設計風力、風壓或其他風力效應進行說明。
6、我國在居住舒適性評估部分跟大部分其他國家規範均不同，在本次規範修訂也做了一致性的修改，其中：包含更改半年回歸期風速為一年回歸期風速、分為住宅及辦公室兩種建築物種類進行判斷、直接給予各鄉鎮區一年回歸期基本設計風速的建議值，最後針對門檻值的加速度值進行與其他國家規範的差異性說明，同時提出兩種建築物種類的門檻值。
7、有關太陽能光電系統支撐架構之耐風設計方面，研究團隊經小組討論會議後決定，由於本規範對象為建築物本身，而太陽能光電系統相關的耐風設計已經由經濟部標準檢驗局制定相關標準，同時亦引用到本規範內容中。因此在避免互相引用、避免規範主要對象混亂的現象發生，研究團隊最後決定在規範修訂草案適當的地方，說明太陽能光電系統支撐架構之耐風設計應當參考經濟部標準檢驗局公布的準則，而與本規範部份章節內容互為所用，提醒工程師須注意之設計原則。
8、本次規範納入了五個給工程師參考使用的附錄文字。分別為「等值靜力風載重基本理論」、「以極值分析理論決定風洞試驗設計風壓風力係數」、「風洞試驗報告自我評定表」、「以數值風洞模擬方法評估建築物周圍環境流場舒適性」、以及「數值風洞模擬自我評定表」。前兩個附錄對於閱讀並應用本規範的工程師來說，可以對於設計風力理論以及如何採用風洞試驗數據有所了解，不至於誤解規範設計風力公式的複雜性，亦不至於認為隨便一個具有風洞設施的單位均有能力可以評估風載重。兩個提供自評表的附錄，則是為了完善風洞試驗報告以及電腦數值模擬報告的備審資訊，也是為了提高執行單位對於設計風力評估的責任感。而針對數值模擬方法的詳細內容及模擬要求則同樣列於其中一個附錄中，對於想要瞭解數值模擬方法的工程師則提供了詳細的背景文字。
四、建議事項
【建議一】
審查「建築物耐風設計規範修訂草案」及相關法源修訂草案：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
本計畫成果所提出之「建築物耐風設計規範修訂草案」及相關法源修訂的建議草案，對於我國產業界採用耐風設計規範進行結構設計或環境評估，具有重大深遠的影響。修訂工作涵括了(1)蒐集先進國家對於耐風設計之相關規範，導入世界各國規範擬定精神；(2)廣邀各界釐清需求與建議，並研議規範草案架構以及編撰技術條文與解說；(3)辦理推廣說明會，提升我國建築實務能力與民生福祉。基於此，研究團隊建議於下一個年度期間，由內政部建築研究所進行規範內容的逐一實質審查，針對文字雕琢、法源的確認、實務上的執行等三個層面，邀集各界專家學者參與審查，最終提出一可公布的第三版「建築物耐風設計規範及解說」。
【建議二】
搭配第三版「建築物耐風設計規範及解說」的技術出版品：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
本計畫所提出之規範修訂草案涉及許多變動，研究團隊認為，雖然過去內政部建築研究所已經出版了兩本出版品：「建築物耐風設計技術手冊」、「帷幕牆系統結構耐風設計手冊」，但其內容在範例多元化方面尚嫌不足。因此，研究團隊建議應當針對規範修訂草案中的第三章、第四章、第五章，各自提出至少一種設計技術手冊，且每一技術手冊應包含我國常見的設計型態至少三種的計算示範例。如此一來，新規範的推廣配合技術手冊的操作，方能快速地加強我國工程師對於耐風設計的熟稔程度。此外，研究團隊認為應當學習紐澳、日本等國家，分別針對風洞試驗以及電腦數值模擬研擬出版風洞試驗或數值模擬技術指引與報告範例製作之技術手冊。對於提升我國對試驗或模擬的技術提升有實質上的幫助，而對於促進實質審查之執行，也能作為實體參考依據。
【建議三】
實際建築之實場監測計畫：中長期建議。
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
此一建議是研究團隊執行任何計畫均會提出的中長期建議。任何一個結構系統的風載重設計，均需要多方驗證來加以評估其方法論的準確性。因此研究團隊十分建議未來在經費許可的前提下，進行三年至五年的高層建築、低矮建築、甚或大跨度屋蓋結構的實場監測計畫，其中應該包含結構位移反應的量測和風速風向的量測等，方能夠提供給未來規範修訂者作為驗證的對照資料，甚或激發更多與風力導致結構物破壞的研究主題。目前研究團隊已與國內其他實驗室團隊針對我國一百公尺以上的陸域風機進行風速風向(光達)以及結構本體振動(風機本體)的監測合作計畫，而且研究團隊過去曾具有四年的中央百世大樓以及十年的中央電台實場監測經驗，故研究團隊相信若能夠進行中長期的實場監測計畫，將能夠提出更具貢獻的改革方案。

I. Background
As the appearances of buildings in modern society become more complex and diverse, the content of the wind-resistant design code in Taiwan is becoming more and more inadequate. In particular, the design wind force of a building and the design seismic force are originally different, so the updated information required to evaluate the design wind force has also increased dramatically. On the other hand, the content of the wind-resistant design code is not well connected with other important domestic design codes. Under the premise that wind-resistant design education is generally insufficient, engineers often have doubts about the use of wind-resistant design specifications, resulting in wrong designs. In view of the above reasons, and a lot of research results have been accumulated, this study intends to integrate references such as domestic and foreign norms, papers, research results reports, etc., propose a revision draft for the current norms, and explain the differences before and after revision.
II. Research methods and processes
In this study, the research team will first set out several main code revision topics, including general rules, basic design wind speeds, wind field characteristics, transverse or torsional design wind force formulas, wind force/pressure coefficients of main wind resistance system, design pressure coefficients of exterior cladding design, wind tunnel test, computer numerical simulation, support structures of solar photovoltaic systems, residential habitability, and how to apply extreme value analysis theory to evaluate the aerodynamic coefficient from wind tunnel tests, equivalent wind force estimations of different structural systems. Then the research team will organize the expert committee members from the industry-university-research circles to conduct several group discussion sessions on each topic in a group manner and draw up a revised draft of each topic. Finally, each group elects a leading convener, proposes a draft in the reorganization meeting, and other experts and scholars propose revisions. At the end of the project, the research team will also use examples to explain the more influential revisions in the revisions of the norms to strengthen the understanding of the normative revision differences among users. Finally, this study will propose a draft code for wind-resistant design, which will serve as the main advocated version for the next edition of the code for wind-resistant design of buildings and its interpretation.
III. Preliminary conclusions
Due to the large number of topics in this specification revision, each topic group has completed several discussion meetings during the term. However, because revising the specification requires repeated discussions and reviews, the essential findings listed below are five more specific results that the research team has compiled. Still, they have not yet been finalized, and the draft proposed in the future results report is the main one.
1. In this revision of the wind-resistant design code, the general text clearly states that the design wind force provided for evaluation is based on the serviceability limit design. It is assumed that the material, due to the wind response of the structure, is still elastic. When using this code to evaluate the design wind force of the ultimate limit design, the correct load factor must be used for the reliability analysis of different design limits.
2. The basic design wind speeds of the current norms result from using the data of 24 Central Weather Bureau meteorological stations before 1988 and interpolating to each administrative region using extreme value analysis regression. Since the wind speed information has not been updated for more than 30 years, and the design values of the two adjacent districts differ by more than 5 m/s, the same building often has a significant difference of more than 20% in wind forces in the same terrain but different administrative divisions. This specification revision uses 2 m/s spacing to consider the adjacent administrative areas. In addition, the consideration time of the basic design wind speed also uses the wind speed data from the 1960s to 2022. Hence, the samples used for extreme value analysis are more substantial and have more confidence in the basic design wind speeds representing the 50-year regression period of each administrative region.
3. This specification revision proposes significant revisions to the specification chapter structure. In the past, in the first and second editions of the code, the descriptions of the characteristics of the wind field were scattered in the subsections of the design wind force of the main wind resistance system in Chapter 2. From the reader's perspective, it seems they belonged exclusively to Chapter 2 content. However, the content attributes of wind field characteristics are independent and can be applied to other code references, such as design codes related to offshore wind turbines, etc. It is also presented as an independent chapter in the international norms of various countries. In this specification revision, the chapters are clearly separated to ensure that the future revision of the specification maintains its connection without affecting the whole body and increasing the difficulty of revision.
4. This revision work considers the wind force/pressure coefficients of various building shapes from different international codes. After being compared and adjusted, richful tables and figures will be integrated into the new code. Looking at the subject items of the code revision involved this time, the adjustment and addition of the wind force/pressure coefficient are the most extensive revisions among all the topics.
5. In response to the popularization of computer information applications, this specification revision also includes a special chapter on computer numerical simulation, aiming at using numerical fluid dynamics (computational fluid dynamics) to conduct numerical wind tunnel simulation to evaluate the wind field environment at the location of the structure and its evaluation for the design wind force and wind pressure, a principled basic simulation requirement criterion is put forward to ensure that the simulation quality meets the most basic accuracy requirements when engineers use computer numerical simulation to access the design wind loads.