第三章 研究內容與方法
第二節 建築物氣動力實驗
3. 氣動力實驗量測：本研究探討內容除模型本身造型影響，並加入建築物與附屬設施 配置的影響，因此實驗量測項目較為繁雜，採用規劃數個典型的低層建築附屬設施 製作剛性縮尺模型於本所台南風雨風洞實驗室進行氣動力實驗，以量測所得資料進 行結構分析，並歸納設計策略。
4. 資料分析：氣動力實驗量測資料分析可直接觀察氣動力特性，進一步分析其平面上 的模態，可了解其主要風力擾動結構。而結合結構系統的設計，將與結點相關之區 域面積依其貢獻面積加權可求得個節點載重歷時資料，可提供結構軟體進行分析計 算，找出桿件內力分布
5. 結構分析軟體計算：本研究將依據實驗所獲得的風載重歷時資料及規劃設計的結構 系統，利用有限元素法結構分析軟體探討結構系統的受風反應(包含內力與變位)，
依據所獲得的結構圖，建立供結構分析計算的模型，以節點載重進行變位分析的計 算，桿件內力的分析成果，可以觀察不同位置的桿件其受載重情形是否有集中的情 形，桿件包括軸力、剪力及彎矩的分析成果，檢討結構系統設計耐風性能。氣動力 實驗所獲得的風載重資料可透過多種不同支撐結構系統的模擬，找出有利的桿件布 置方式，期使桿件內力分布盡可能趨向均勻，嘗試的過程可透過電腦軟體的模擬，
迅速有效的獲得解答。同時氣動力實驗資料已包括屋頂型式及安裝位置的影響條件，
因此綜合評比結構分析的成果，可發掘出針對不同型式屋頂有利的安裝位置或支撐 結構桿件布置策略，對於提升低層建築物附屬設施耐風性能甚有裨益。
第 二 節 建 築 物 氣 動 力 實 驗 3-2.1 實驗模型規劃
本計畫研究重點為建築物附屬設施的風載重評估，本年度以氣動力載重分布情形 為探討重點，採用剛性(rigid)構造物模型設計，控制的參數包括屋頂坡度、安裝位置、
風向角、支架抬高等，屋頂造型以平板設計，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗 證。規劃進行的模型設計採用雙斜屋頂為主，屋頂坡度包括 1:1、1:2、1:4、1:8 及平屋 頂。同時採用單元模組化設計，因此可以有數個併排。平屋頂實驗內容，並檢核有關
實驗規劃以多種屋頂坡度、安裝位置、風向角的建築模型進行實驗，以探討包括 風壓變化、整體風載重變化及結構受風力評估等。
圖 3-1 模 型 於 風 洞 中 進 行 實 驗 量 測 資料來源：本研究拍攝
本研究低層建築物氣動力模型利用壓克力版製作，建築物模型幾何尺寸為高 30 公 分、寬 60 公分、深 40 公分，模型的高寬比為 1:2、寬深比為 3:2，太陽能板模型總厚 度控制在 1 公分，為薄壓克力板黏合的中空板，板面上下布設風壓孔，夾層安置管線。
風壓孔以細 PVC 管線製作之壓力傳感管線系統(tubing system)與量測儀器相接，本次 模型實驗視屋頂坡度變化共佈設 112~122 個風壓孔，利用本所實驗室現有的電子式壓 力掃描器量測模型屋頂上下面同步的風壓資料。氣動力模型實驗量測時，利用旋轉模 型底座的方式，表現改變風向角的效果。
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圖 3-2 電 子 式 壓 力 掃 描 模 組 資料來源：本研究拍攝
圖 3-3 壓 力 訊 號 處 理 系 統 資料來源：本研究拍攝
壓力量測管線系統為內徑 1mm、長 25 公分之 PVC 管，實驗前經具白噪音(white noise)特性之擾動壓力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。管線系統連接 至電子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以 64 個量測孔為一模組，
壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近 64 個孔位規劃為同一壓力模組，分別 接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-2)，該
器，每一壓力感應器皆可單獨校正。輸入管藉由內徑 1mm PVC 管連接至模型量測點 以量測壓力。各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-3)，此系統 可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及傳輸功能。本研究之採樣頻率為 250Hz，每 次實驗採樣 180 秒，擷取之資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦儲存分析。
表 3-1 實 驗 模 型 類 型 規 劃
模型類型 屋頂坡度 安裝位置 風向角
太陽能板
1:1 前緣、中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
1:2 前緣、中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
1:4
前緣、中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
中央屋脊處抬高模型支架 3cm 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
1:8 前緣、中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
平屋頂
前緣、前 1/4 位置、中央屋脊等三處 0~180 度，每隔 30 度 作一次量測。
加設女兒牆，模型安裝於前 1/4 位置 0~180 度，每隔 30 度 作一次量測。
前緣、前 1/4 位置、中央屋脊等三處，
模型架高 3cm。
0~180 度，每隔 30 度 作一次量測。
高架水塔
1:2 中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
1:4 中央屋脊、後緣等三處 0~360 度，每隔 30 度 作一次量測。
資料來源：本研究整理 3-2.2 流場規劃
本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗室進行建築物氣動力模型實驗研究，
風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試斷面(第一測試區 4 m × 2.6 m、第二
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測試區 6 m × 2.6 m)，本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗室進行實驗，採用 第二試驗段進行，試驗段長 26.5 m， 風洞可提供最大風速為 25 m/s。氣動力模型置於 試驗段旋轉台的中央，可用數控旋轉台旋轉模型，表現不同風向角的效果。風洞中邊 界層流場之模擬方式為在試驗段上游區域擺設錐形渦流產生器( spire )以及地表粗糙元 素( roughness element )，以產生近似鄉村地形之大氣邊界層來流。所產生平均流速剖面 指數律分佈之α值為 0.16，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 12%，流場之平均風速剖面及紊流強度如圖 3-4 所示。
(a)
(b)
圖 3-4 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度 剖 面 資料來源：本研究整理
0 40 80 120 160 200
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
U(z)/Ur
z (cm)
formula measured
0 40 80 120 160 200
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14%
T.I. (%)
z (cm)
3-2.3 氣動力實驗規劃
本計畫研究重點為建築物附屬設施的風載重評估，本年度以氣動力載重分布情形 為探討重點，採用剛性(rigid)構造物模型設計，配合過去已完成之實驗成果，本年度以 屋頂太陽能系統之集熱板、屋頂水塔等為實驗重點，控制的參數包括屋頂坡度、底座 抬高、安裝位置、風向角等，屋頂造型以壓克力平板配合鋁合金承版與骨架設計，可 變化不同屋頂面坡度，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。各類實驗項目如表 3-1 所示，規劃之氣動力實驗包括：
1. 平屋頂建築物模型系列實驗：太陽能板在平屋頂上不同位置的氣動力特性探討，
以及加裝女兒牆對於太陽能板產生的遮蔽現象。
2. 斜屋頂建築物模型系列實驗：太陽能板在雙斜屋頂上不同位置的氣動力特性探討，
配合不同屋頂坡度模型進行實驗，屋頂坡度包括 1:1、1:2、1:4、1:8 等四種不同坡 度變化，太陽能板架設方式均採用獨立腳架方式裝設，因此太陽能板模型下方為 開放式，另於屋頂坡度允許的條件下，安裝模型低點直接貼附於屋頂面上。為考 慮大型太陽熱能系統的狀況，同時製作相同模型但不含壓力管線的太陽能板模型，
採併排方式放置於屋頂面上，探討多片系統的狀況。
3. 屋頂水塔模型實驗：本研究同時製作水塔之氣動力實驗模型，利用腳架架設於模 型屋頂面上，前期研究案已利用六分量力平衡儀進行水塔所受風力之實驗，本期 採用風壓模型進行實驗，可進一步量測水塔表面不同區域之表面風壓資料。
4. 流場規劃：以均勻紊流場模鄉村地況大氣邊界層底層流況。
5. 模型設計：氣動力模型將利用壓克力版製作，模型包括太陽熱能系統、圓桶型水 塔等縮尺模型，模型表面佈設壓力孔，搭配壓力管線系統，量測表面風壓變化，
並與文獻資料相驗證。由文獻資料中類似氣動力實驗成果，太陽能熱水系統之儲 水筒的設置有降低版面部份風壓的作用，在單片系統中效應較為明顯，如為多片 串聯系統，則儲水桶應為另行安置，較無影響。本研究取較保守的條件檢討版面 風載重，因此不考慮儲水桶的影響。
6. 低層建築物模型：為表現不同建築物屋頂型式對於氣動力特徵的變化，本研究依
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據國內規範定義範圍選擇五種不同坡度(1:1，1:2，1:4，1:8 以及平屋頂)的斜屋頂 建築物模型，模型屋頂面設置孔位，將氣動力模型安裝於屋頂面上，提供可安裝
擾動值、尖峰因子(peak factor)、擾動風壓頻譜(spectrum)、機率密度函數(PDF)的 識別、空間相關性(spatial correlation)及頻率特性等，以完整掌握表面風壓分佈情 形。氣動力係數定義如下所示：
9. 太陽能板整體風荷載，採用氣動力模型板表面風壓，以各風壓孔有效貢獻面積加 權積分方式，求得瞬時的整體風荷載，觀察不同風向角與模型安裝條件對於整體 和載平均值及擾動值的影響。同時將載重立時資料分配至各連接之承結構系統的 節點，供結構分析之用。
10. 建築物模型頂面上在太陽能板周邊，亦布設風壓孔，以量測屋頂表面風壓分布情 形，了解附屬設施安裝後對於屋頂表面風壓的影響。
圖 3-5 安 裝 於 平 屋 頂 上 太 陽 能 板 安 裝 位 置 與風 向 角 定 義 資料來源：本研究繪製
圖 3-6 安 裝 於 平 屋 頂 上 太 陽 能 板 資料來源：本研究拍攝
風攻角180度
風攻角0度
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(a)
(b)
(c)
圖 3-7 安裝於平屋頂上太陽能板位置定義(a)屋前，(b)屋中，(c)屋 後 。
資料來源：本研究繪製
圖 3-8 安 裝 於 斜 屋 頂 上 太 陽 能 板 安 裝 位 置 與風 向 角 定 義 資料來源：本研究繪製
圖 3-9 安 裝 於 斜 屋 頂 上 高 架 水 塔 位 置 與風 向 角 定 義 資料來源：本研究繪製
位置：後(B)
wind
風攻角 180度
wind
太陽能版模型屋頂坡度 風攻角
0度 位置：中(M)
位置：前(F)
位置：後(B)
wind
風攻角 180度
wind
高架水塔模型屋頂坡度 風攻角
0度 位置：中(M)
位置：前(F)
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為探討低層建築物附屬設施的氣動力特性，本研究就文獻資料中研究成果佳以綜 整，並設計部份氣動力實驗加以補充，實驗成果與分析如下所述。
第 一 節 平 屋 頂 上 太 陽 能 板 氣 動 力 特 性 4-1.1 太陽能板表面淨風壓係數分布
由文獻中可知，不同風向角對於低矮建築物屋頂表面風壓的分布有重大的影響，
而太陽能版等附屬設施常安裝於低矮建築物屋頂面上，所受之氣動力載重亦將隨風向 角的改變有所變化。平屋頂上太陽能板表面風壓變化如圖 4-1 所示，在無女兒牆的平 屋頂中央區位的太陽能版所受平均淨風壓係數之分布，圖中淨風壓係數為上下版面瞬
而太陽能版等附屬設施常安裝於低矮建築物屋頂面上，所受之氣動力載重亦將隨風向 角的改變有所變化。平屋頂上太陽能板表面風壓變化如圖 4-1 所示，在無女兒牆的平 屋頂中央區位的太陽能版所受平均淨風壓係數之分布，圖中淨風壓係數為上下版面瞬