文獻探討

2-1 低層建築風載重相關規範

本計畫查閱國內外建築物設計風載重規範中有關低層建築物的規定，

檢視對象包括國內「建築物耐風設計規範」(民國 95 年版)，國外規範對於 中低層建築物受風作用有較詳細的規定與設計建議，本研究參考包括澳洲 AS/NZS 1170.2 2002、英國 BSI「Loading for Buildings — Part 2 : Code of practice for wind loads」(BS 6399-2 : 1997)、美國 ASCE「Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ANSI/ASCE7-02」、日本建築學會 (Architectural Institute of Japan)的「AIJ Recommendations for Loads on Buildings」(2004)等規範或研究報告，檢視各國規範中有關低層建築物所需 考量的風力設計部分。成果說明如下：

2-1.1 國內「建築物耐風設計規範

國內「建築物耐風設計規範(民國 95 年版)」關於低層建築之披覆物設 計風壓考慮，針對平行屋脊及垂直於屋脊等兩種風向作用下的側牆及屋頂 面風壓係數，提供查表方式以供迅速查得所需用的整體外風壓係數，同時 對於不同屋面坡度的變化亦提供相應的風壓係數，屋頂形式主要供單摺式 屋頂使用。在其他屋頂構造形式方面，規範中亦針對拱形屋頂及雙斜視屋 頂等外風壓提出建議值。另對於連棟式的鋸齒狀屋頂及開放式建築物的單 斜視屋頂外風壓係數等均提出建議設計風壓係數。特別針對低層建築物（特 別是指平均屋頂高度小於18 公尺者）的屋頂及外牆局部風壓係數，規範中 將屋頂斜度依 7 度、27 度及 45 度等區分為數種不同的區間，並個別以圖 表方式提供使用者查閱外風壓係數；對於平均屋頂高度大於18 公尺之封閉 或部分封閉式建築物，則另行提供圖表以供查用。國內新版本規範較諸建 築技術規則原有的規定，已提供大部分低建築物設計風載重所需的資料。

一、設計風力計算式

Kzt稱為地形係數，代表在獨立山丘或山脊之上半部或懸崖近頂端處之風速

表2.1 地況相關參數

表2.3 屋頂之外風壓係數Cp(主要風力抵抗系統用)

式中A0g 為建築表面總開口面積(m²)，Vi 為無隔間區域之內體積(m³)。

表2.4 內風壓係數

(GCpi)

開放式建築 0.00

部份封閉式建築 +1.146 -1.146

封閉式建築 +0.375

-0.375

資料來源：建築物耐風設計規範(民國 95 年版)

註：下面兩種情況皆須分別考慮 (1) 所有牆內面之(GCpi)為正值。

(2) 所有牆內面之(GCpi)為負值。

以本研究對象為例，考量為封閉式普通建築物，推估主要風力抵抗系 統所受風載重，如平行於屋脊時屋頂之外風壓係數 Cp採用-0.7，陣風因子 G 採用 1.77，內風壓係數(GCpi)如選取-0.375，則依(2.1)式計算主要風力抵 抗系統所應承受之設計風壓可計算為：

p = qGCp－qi(GCpi) =q(h)[1.77×(-0.7)-0.375]=q(h)×(-1.614)

國內「建築物耐風設計規範(民國 95 年版)」關於低層建築之披覆物設 計風壓考慮，針對平行屋脊及垂直於屋脊等兩種風向作用下的側牆及屋頂 面風壓係數，提供查表方式以供迅速查得所需用的整體外風壓係數，同時 對於不同屋面坡度的變化亦提供相應的風壓係數，屋頂形式主要供單摺式 屋頂使用。

註：1. 當θ≦10°時，牆之外風壓係數將可降低 10%。

3 2 2 3

3 2 3 3 2 3

3 2 3 3 2 3

2 1 2 2 1 2

a a a a

aa

註：1. 正值，表示壓力指向表面作用；負號則表示 壓力遠離表面作用。

2. 每個部份應依最大正負壓力設計之。

3. a：取 0.4 h 或最小寬度的 10%，兩者中較小者。

但a 不能小於 0.9 m 或最小寬度的 4%。

圖2-3 7°＜θ≦27°屋頂外風壓係數( h≦18 m 封閉式或部份封閉式建築物 之局部構件及外部被覆物)

資料來源：建築物耐風設計規範(民國 95 年版)

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

0.5 21 5 10 20 50 100 )

(

m

A

) ( GC _p

○

○

○

○

○

○

(GC

)

3 2 3 3 2 3

3 2 3 3 2 3

2 1 2 2 1 2

a a a a

aa

註：1. 正值，表示壓力指向表面作用；負號則表示 壓力遠離表面作用。

2. 每個部份應依最大正負壓力設計之。

3. a：取 0.4 h 或最小寬度的 10%，兩者中較小者。

但a 不能小於 0.9 m 或最小寬度的 4%。

圖2-4 27°＜θ≦45°屋頂外風壓係數( h≦18 m 封閉式或部份封閉式建築物之 局部構件及外部被覆物)

資料來源：建築物耐風設計規範(民國 95 年版)

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.00.5 21 5 10 20 50 100 )

(

m

A

) ( GC _p

○

○

○

○

○

○

(GC

)

2-1.2 美國 ANSI/ASCE7-02 規範

美國ASCE「Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ANSI/ASCE7-02」規範對於低層建築物（Low-rise building）主要是指建築 物高度小於60 英尺（18.3m）的建築物，採用外壓減內壓方式計算主要設 計風載重；對於外牆及附屬構件設計風壓採用平均屋頂高度風壓，建築物 設計風載重對於高度超過 60 英尺的建築物則在迎風面依高度變化計算風 壓、背風面則取屋頂高度處風壓。對於屋頂及側牆的主要設計風載重的決 定方式，ASCE7-02 對於屋頂斜度採用 7 度、27 度及 45 度等區分為數種不 同的區間，並個別以圖表方式提供使用者查閱外風壓，規範中提供的是 Pnet30設計風壓（亦即地況B 條件下，高度 30 英尺、用途係數 I=1.0 的風壓 力）。另規範中亦提供各種不同屋頂形式的外部風壓係數，包括圓形屋頂、

單斜屋頂、階梯式屋頂、多跨距雙斜屋頂、多跨距單斜屋頂等造型，針對 不同構形建築物在不同的屋頂區域或牆面區域利用查表方式提供設計風壓 係數，國內新版耐風設計規範亦採類似作法。

2-1.3 英國 BS 6399-2 : 1997 規範

英國BSI「Loading for Buildings — Part 2 : Code of practice for wind loads」(BS 6399-2 : 1997)規範中對於建築物屋頂面上外部風壓分布有甚為 詳細的規定，配合規範中的圖例說明與表格，定義包括平屋頂、單斜向屋 頂、單脊雙斜向屋頂(包括外斜及內斜兩種)、具備水平屋脊區間的雙斜向 屋頂(包括外斜及內斜兩種)、四面斜屋頂、多斜面屋頂、連續單斜面屋頂、

連續山形屋頂等多種形式，同時懸伸摺版型雨庇亦包括在內。規範中對於 風載重評估方式主要包括兩種：標準風壓法(Standard method)及風向風壓法 (Directional method)兩種；標準風壓法計算風載重的方式對於封閉式建築物 採用外壓減內壓方式估算，非封閉式建築物則直接提供淨風壓係數。風向 風壓法配合風向給予不同的外風壓係數，再配合不同風向的風速資料加以 評估。

2-1.4 日本建築學會「AIJ Recommendations for Loads on Buildings」(2004 版)

日本建築學會(Architectural Institute of Japan)的「AIJ Recommendations for Loads on Buildings」(2004 版)建議的風載重設計方法主要有兩種程序：

Detailed procedure I 及 Detailed procedure II，一般而言高度高於 45 公尺以 上的柔性建築物才需用Detailed procedure II 進行設計。對於低層建物屋頂 面及側牆的設計風壓，規範中提出單斜屋頂及雙斜屋頂兩類低層建築物的 外部風壓圖表，以供查用。

2-1.5 澳洲 AS/NZS 1170.2 2002 規範

澳洲AS/NZS 1170.2 2002 規範對於封閉式低層建築物包括單斜屋頂、

雙斜屋頂、四面斜屋頂等建物，提供查表方式估算其外部風壓，配合內壓 力計算風載重。AS/NZS 1170.2 2002 規範對於建築物表面局部風壓係數，

另 行 定 義 較 易 出 現 極 端 風 壓 力 作 用 的區 域 ， 利 用 局 部 壓 力 因 子(local pressure factors)將局部風壓係數放大，最大可達 3 倍之多。

2-2 低層建築物實場觀測與氣動力實驗

中低層建物表面風壓特性的研究方面，Texas Tech University 的 Wind Engineering Research Field Laboratory(WERFL)自 1990 年代起，利用其自建 的實尺寸建物(圖 2)，量測低矮建物實場表面風壓特性(Levitan 1991, 1992a, 1992b, Tieleman 1996)，並利用實驗室中風洞模擬(Cochran 1992, Cheung 1997)，比較兩者的差異性，對於中低層建物的氣動力特性有深入的探討，

實場觀測所得資料，並公佈以供相關領域研究者參考。

由於低層建築物浸沒於大氣邊界層底部，受到強烈的紊流擾動，且本 身高度與寬度的比值接近 1，三維流場的作用十分明顯，Tieleman(1997, 1998)指出對於低層建物的風洞模擬實驗，由於紊流場作用強烈，水平向的 紊流強度及小尺度紊流成為十分重要的因素，流場之平均風速剖面的指數 值(α)及地表的氣動力粗糙長度(z0)則影響不大。因此本研究氣動力實驗流 場的選擇由流場中的紊流強度與實場資料比對為主。本研究之實驗量測正 確性透過與TTU 實場觀測建築物的縮尺模型，進行氣動力實驗量測，藉由

資料的比對了解實驗設計的可靠性。

圖2-5.Texas Tech University 的 Wind Engineering Research Field Laboratory (WERFL)自建的氣動力實驗量測用實尺寸低層建物

資料來源：Wind Engineering Research Field Laboratory (WERFL)網頁

http://www.wind.ttu.edu/

圖2-6. TTU 編號 Mode 04 風壓模型表面壓力孔位置

資料來源：Wind Engineering Research Field Laboratory (WERFL)網頁

http://www.wind.ttu.edu/

2-3 低層建築物受風作用特性分析

低層建築物其建物高度通常小於大氣邊界層厚度的十分之ㄧ，對風載重 較敏感的低層建物如工業廠房建築，此類建築大多使用剛構架的結構系統，

外部披覆薄鋼板等建材，在未受風力作用破壞前近似於封閉型建築物。我國 規範中對於低層建築物的風載重亦由兩方面加以考慮：包括局部風壓對披覆 物的作用及風載重對主要抗風結構系統形成的載重。

由於低層建築物浸沒於高紊流強度的流場，因此表面風壓擾動性較大，

而建物高度不高，受風作用之上游區前緣分離剪力流在屋頂面及側風面的再 接觸現象(reattachment phenomenon)明顯， 形成表面風壓的尖峰風壓在分布 上有明顯的區域性，且往往有較高的尖峰值。

在結構系統的風載重分析方面，如果僅由平均風力作用分析結構之受風 作用，因壓力分布的時變性甚高，有低估載重的可能，規範中以陣風因子加 以放大。如以結構的最大可能風載重考量，則需將風力作用的空間相關性一 併納入考慮，推估可能的最大風載重及反應。

本研究利用低層建物模型表面風壓完整的同步量測資料，探討包括局部 風壓作用特性及風力作用的空間相關性，並推估可能之載重條件。本所台南 風洞實驗室已有完善的實驗設備，本研究有助於整合相關儀器設備，建立對 低層建築物風載重量測與評估的技術。