第二章 文獻回顧
第一節 建築附置物之風荷載
1.建築物屋頂上太陽能光電板之受風作用
建築物屋頂上太陽能光電板之受風作用常以開放式建築物單斜平板屋頂版 加以考量，ASCE7-10 規範對於開放式建築物單斜平板屋頂版的主抗風結系統 設計所使用的設計風力採用淨風壓(Net pressures)的概念加以表達。淨風壓係數 表達的是上表面風壓係數與下表面風壓係數相減的共同作用結果，亦隱含對於 相關性的考量於其中，相較於國內規範的風力係數作法，對於局部風壓變化的 掌握較為細密，亦提供相對於斜面的正向與背向來流作用下的係數，以及平板 不同仰角的影響，值得參考。Aly(2013)研究架設於平地上之太陽能光電板陣列 氣動力特性，研究不同縮尺模型對於實驗精確度的影響，由於考慮風洞阻塞比，
大氣邊界層流場採用部分模擬的作法，不同縮尺模型氣動力實驗結果顯示，以 Aly 實驗所用風洞斷面尺寸為 22m(長) x 2.4m(寬) x 1.55m(高)以 1 比 20 至 1 比 30 的模型較為合適，過小的模型對於壓力訊號的解析度不佳，且位於邊界層的 近地底層亦與實況略有不符。同時 Aly 指出，模型縮尺主要影響的是擾動壓力 與尖峰壓力，平均風壓係數對於模型縮尺較不敏感。
陳(2008)以大型懸挑屋蓋之體育場看台受風荷載研究，探討不同仰角與不 同底部透空率對於懸挑屋蓋版的氣動力研究，由懸挑屋蓋版淨風壓的平均值、
均方根擾動值及尖峰值等變化的趨勢觀察，氣動力作用較強烈的條件集中在風 攻角為零度或接近零度的小攻角時，此條件下對於結構系統產生的風載重亦較 大。陳(2012a)以單片太陽能光電板縮尺模型架高安裝於不同坡度之雙斜屋頂建 築物屋頂上，利用高紊流強度之均勻紊流場在小型風洞進行實驗量測其所受之 整體昇阻力係數，研究結果顯示，斜屋頂的坡度會影響越過屋頂氣流的特性甚 為明顯，因此不同坡度對於架設於其上的太陽能光電板等附屬設施其受風力作 用，影響甚鉅。陳(2012b)以單片太陽能光電板縮尺模型架高安裝於平屋頂建築
物模型屋頂上，利用地況 C 流場風洞實驗量測安裝於不同位置其所受之氣動力 作用，探討太陽能光電板表面風壓分佈受到不同安裝位置與不同水平風攻角的 影響，風攻角 45 度附近，不論太陽能光電板置放於屋頂前中後三個區域，均有 較極端的出現，對於結構系統而言，屬較危險的配置。
表 2-1 開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數 Cf
θ 各種 L/B 值之 Cf
5 3 2 1 1/2 1/3 1/5 10 0.2 0.25 0.3 0.45 0.55 0.7 0.75 15 0.35 0.45 0.5 0.7 0.85 0.9 0.85 20 0.5 0.6 0.75 0.9 1.0 0.95 0.9 25 0.7 0.8 0.95 1.15 1.1 1.05 0.95 30 0.9 1.0 1.2 1.3 1.2 1.1 1.0
θ 各種 L/B 值所對應的壓力中心位置，X/L
2~5 1 1/5~1/2
10~20 0.35 0.30 0.30
25 0.35 0.35 0.40
30 0.35 0.40 0.45
註：
(1)風力垂直作用在屋頂面上，向內及向外均要考慮。
(2) B：與風向垂直的屋頂尺寸，m。
L：與風向平行的屋頂尺寸，m。
X：從屋頂之迎風面屋簷到壓力中心的距離，m。
θ：屋頂斜面與水平面所夾的角度。
(3) 計算設計風力所用之受風作用特徵面積為屋頂面積。
(資料來源：2014 年版建築物耐風設計規範)
我國建築物耐風設計規範及解說(2014)中並未針對類似光電板所受風荷載 作建議，但規範解說中有針對開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數作建議，
如表 2-1 所示。兩者在幾何外型上有所類似，而光電板的低端常見的架設方式 為固定於地面或整體支架加高可通氣流。
依據我國建築物耐風設計規範及解說(2014)中第 2.8 條之解說，開放式建築 物所受之風力則為風速壓乘以風力係數 Cf 及開放式建築物受風作用的特徵面 積 Ac，Ac 依其類型可分為實際表面面積及與風向垂直面上投影面積兩種。規 範之表 2.1(a)定義普通建築物(自然頻率大於或等於 1Hz)中開放式建築物設計風 力計算可採用下式，
F=q(zAc)GCf Ac (1) 其中 Ac：開放式建築物受風作用特徵面積。
G：普通建築物之陣風反應因子可依規範建議之公式計算或直接取用 較保守的值 1.88。
Acf
z ：Ac之形心高度。
2.屋頂面陣列式太陽能光電板之氣動力特性
陣列式太陽能光電板數量為單排或多排，每排由多片太陽能光電板連續排 列。如 Chung 等人(2008, 2011)研究單片太陽能熱水器集熱板氣動力特性，發 現在版面上端產生迴流區以及兩側形成角渦流並產生三維交互作用。Miller and Zimmerman (1981)和 Franklin(1983)主要研究陣列式太陽能光電板安裝於地面 上之風載重，Tieleman 等人(1980)首先進行單排太陽能光電板安裝於屋頂進行 風洞試驗，Guerts and van Bentum (2006)進一步吹試多排陣列太陽能光電板。前 人研究分析太陽能光電板表面壓力得知，太陽能光電板安裝於屋頂時，由於建 築物與太陽能光電板外型以及太陽能光電板安裝數量及排數皆會影響渦流產生 機制，因此周圍氣動力特性與流場結構是非常複雜。Bienkiewicz 和 Sun(1992) 指出，考量風向角效應時，角渦流易在建築物向風角落處產生，Kopp 等人(2012) 指出在風向角 40 度~50 度為最危險風向角條件，進一步分析不同風向角條件下，
太陽能光電板上、下版面壓力分佈，由結果可得知太陽能光電板安裝位置、片 與片間距、前後排之間保留空間等設計細節有重大影響。 David(2013)研究角 隅渦流對架設於平屋頂面上太陽能光電板陣列之尖峰風荷載研究指出，角隅渦 流對於整體昇力有明顯的影響，而陣列排列方向如與角隅渦流迴捲方向近似或 排列位置位於再接觸區域，均對尖峰風荷載產生明顯的改變。R. Nicolas(2013) 研究平屋頂面上架設太陽能光電板陣列後風速剖面的影響指出，屋頂面上設置 太陽能光電板陣列後，屋頂表面雷諾應力有下降的趨勢，而影響太陽能光電板 上整體昇力峰值的重要因素為建築物分離剪力流與其再接觸現象的綜合表現。
陳(2015)由氣動力實驗與結構分析等方向來探討風場對太陽光電板或陣列 的風載重，研究結果顯示建築物屋頂太陽光電板模組風荷載主要受到安裝位置 及光電板陣列排列方式影響，在多排太陽光電板陣列的受風作用以接近建築物 邊緣的第一排最為強烈，後排的光電板受到前排的遮擋，其受風力減少甚多。
在小風攻角條件下，兩排光電板之間距不超過前排光電板高度四倍時遮蔽效應 可達百分之五十以上。以低層建築物而言，屋頂面上建築物高度十分之一的周 邊區域，受到分離剪力流或角隅渦漩影響，安裝於此區域的太陽光電板將受到 強烈負風壓作用，有掀翻的潛在危機，對光電板結構安全最為不利。不同屋頂 坡度的建築物屋頂上安裝太陽光電模組時，光電板所受的風荷載相比較可見在 小攻角的情形下，隨屋頂坡度的增加，負風壓作用更為強烈，顯示屋頂坡度越 位陡峭時，架設其上的太陽光電板陣列所受負風壓作用將更為嚴重。女兒牆的 存在使得光電板所受風荷載大幅減輕，將光電板陣列進行退縮時，光電板的風 荷載僅微幅上升。本研究採用的退縮距離達女兒牆高度的四倍時，光電板的風 荷載仍受到女兒牆的遮蔽保護而無強烈風荷載。經比較太陽能支撐架結構系統 改善前後之數值分析成果，可發現一般業界所採用之支撐架結構系統，桿件幾 何佈置過於簡單（靜不定度過低），無法充分導引、疏通過於集中之力流。此種 結構型式容易產生桿件內力過大與應力集中之不良影響。經本研究改善方案分 析所得結果可知，透過桿件接合採用焊接方式及支撐光電板的斜梁多增加斜撐 桿件，將載重直接導引至支承端後，可有效降低桿件內力，減少局部桿件應力 負荷。
3.雨庇之風荷載評估
附置於建築物表面之遮陽板或雨庇如與建築物主體一併施作，常採用與建 築物主體相同的建材如混凝土等，其耐風性能較無疑慮。如採用輕量化建材設 計則其風荷載應加以注意。Ioannis(2009)針對低層建築物的雨庇風荷載利用風 洞實驗加以量測，檢討包括簷口高度之雨庇或建築物半高之雨庇等多種條件進 行實驗，量測結果並與規範建議值相比較，結果顯示以淨風壓觀點檢視風壓係 數，雨庇的尖峰風壓係數分布在不同風攻角作用下，正負值均存在，因此兩種 情形均須加以考慮，特別是簷口高度之雨庇其所受風荷載明顯高於其他配置方 式，甚至有高於規範建議值的情形，其餘安裝於建築物半高度處的雨庇構造物，
則風荷載均較小。
Jose(2015)運用風洞實驗探討一般民居建築立面上雨庇構造物風荷載，包含 全建築物寬度配置或半邊建築物立面上配置；結果顯示安裝於屋頂高度的雨庇 其風荷載遠高於安裝於建築物一般高度位置的構件。同時以淨風壓觀點，負的 尖峰風壓出現亦較嚴重，顯示安裝於屋頂高度的雨庇其所承受的渦流作用十分 強烈，其餘高度則雨庇上下面風壓差異較低，因此尖峰風荷載亦較低。
Jancauskas & Holmes(1985)研究低層建築物的雨庇受風作用後尖峰昇力係 數，選取雨庇寬度及安裝高度作為主要變量，建議其尖峰昇力係數，如圖 2-1 所示，並指出影響其昇力係數分布的因素應包括雨庇寬度與安裝高度比、安裝 高度與簷口高度比等。但對於高度更高的建築物與不同流場條件影響則未能有 所建議，尚待進一步研究。
圖 2-1.低層建築物雨庇之峰值昇力係數
(資料來源：Jancauskas & Holmes(1985))李(2012)以風洞實驗探討設置於建築物入口處之懸臂式雨庇各部分所受之 風壓分布，以風攻角 45-67.5 度附近具有最強烈的平均負風壓係數分布，而在 風向角與雨庇平行時，受到角隅渦流影響，雨庇平面上游區有最大的擾動性風 壓係數分布。此研究對於建築物地面層的雨庇受風作用有良好的探討，可進一
李(2012)以風洞實驗探討設置於建築物入口處之懸臂式雨庇各部分所受之 風壓分布，以風攻角 45-67.5 度附近具有最強烈的平均負風壓係數分布，而在 風向角與雨庇平行時，受到角隅渦流影響，雨庇平面上游區有最大的擾動性風 壓係數分布。此研究對於建築物地面層的雨庇受風作用有良好的探討，可進一