第一節 研究動機
風工程是一個多面向、跨領域與日常生活息息相關的應用學門，其 涵蓋大氣邊界層特性、紊流特性、鈍體空氣動力學等。我國位於全球的 強震與強風區，當建築物高度高達一定程度後，風力的影響就不容忽視。
此外，低層建築物受風荷載特性與人民生命財產安全關係密切，部分結 構如工廠廠房、大型棚架結構、體育館等氣動力特性與高層建築存在相 當程度的差異性，受風振動反應亦不可忽視[1,2]。
宜居的城市空間環境的創建已逐漸成為當今建築和都市規劃學門 的主題，對諸如城市風環境等微氣候的研究也已成為學術界關注的重要 課題。作為城市微氣候的重要因素，城市自然通風在空氣污染物的擴散，
消除熱島效應，感知開放空間的熱/風舒適度扮演重要角色，故目前在 城市規劃和建築設計中應對氣候變化尤為迫切。
前述相關風工程議題可透過風洞實驗、計算流體力學(CFD)模擬來 呈現或分析結果，並進行定性或定量討論分析。在21 世紀之前，以物 理模擬探討風工程相關問題，大多透過風洞實驗來進行有效率的研究。
傳統在風洞實驗中進行流場可視化主要分為2 大型式，首先為壁體 表面軌跡法、指標法(絲線法)、化學反應軌跡法(如圖 1-1)，在固體表面 塗上油墨、絲線或化學物質，藉以反映出面上時間平均之流體軌跡。其 次為注入軌跡法搭配雷射光頁，觀測特定切面上之流場變化。在壓力可 視化上，目前雖有壓力感測紙或感測片可貼在模型表面以色層方式顯示 壓力變化，但目前無法呈現負壓(吸力)為其主要缺憾。綜合來說，在風 洞實驗室中進行流場觀測，除設備成本高外，同時僅能觀測片面資訊。
另需要有一定的技術門檻，方能有效觀測部分區域之流場或壓力特性。
相對於風洞實驗，CFD 模擬能提供完整、逐時之空間中各項物理 資訊。近十年來因電腦效能快速發展，平行化演算由電腦叢集(cluster) 邁向圖形顯示單元(GPU)的加速，使得 CFD 進行風工程研究分析的目 標逐漸趨於可實現。在風洞實驗中，由於受限於儀器性能與流體特性，
進行流場可視化的技術門檻相當高。在高雷諾數狀況下，空氣在大氣邊 界層以及建築周遭形成之渦流交互作用產生高頻運動特性，很難進行有 效的視覺化觀測。相對於風洞實驗，CFD 能獲得完整的資料，透過 CFD 專家在後處理中呈現可視化結果並進行探討。以現有之計算機能量，搭 配高速運算電腦之多核心運算，已能負荷如大渦模擬(Large Eddy Simulation)等較高可信度之瞬態(transient)計算。
(a) 壁體表面軌跡法 (b) 絲線法
(c) 化學物質反應法 (d) 電控制軌跡法
(e) 注入軌跡法 (f) 雷射光頁
圖1-1 風洞實驗室流場可視化方法 資料來源：劉文欽[3]
以往在觀測 CFD 流場或建築表面壓力結果時，多在後處理軟體 (post-processing)中分析，或製作成動畫後提供外界檢視。擴增實境 (Augmented Reality，簡稱 AR)代表透過手機等介面，把「虛擬的物品」
與「真實的場景」結合起來，「真實+虛擬」也就是 AR（擴增實境）。
虛實整合技術常應用於遊戲，讓玩家在實體環境中結合遊戲場景做互動。
也有部分商家如 IKEA 透過 AR 方式，利用手機 APP 將其傢俱商品展 示於用戶家中，以低廉成本提供用戶沉浸式體驗，提高購買意願。新聞 台也透過 AR 整合氣象報導(圖 1-2)，將無趣的氣象報導在視覺化效果 的加強下，強化閱聽人的視覺感受，體認大自然災害的威力。
圖1-2 AR 整合氣象報導
資 料 來 源 ：
https://digitalsynopsis.com/design/the-weather-channel-hurricane-florence-augmented-reality/
近 年 隨 著 移 動 設 備 以 及 穿 戴 式 裝 置 發 達 ， 加 速 了 擴 增 實 境 (Augmented Reality，AR)與虛擬實境 (Virtual Reality，VR)的多方面應 用，除了遊戲層面、乃至於工程應用與教學等領域，使得人們在理解或 觀察物理現象或工程問題時，有一個更直觀且簡便的工具。整合多重物 理資訊至AR 平台，在相機追蹤實體物件技術上，仍有部分難題需要克
服。
就目前國內外發展現況來看，此類AR 應用有以下問題亟待克服。
首先在建構之初需要使用者採用人工方式，並且複雜地將模擬資料投射 到3D 模型空間中，十分耗費人力，需要發展快速應用模式。另在進行 即時流場視覺化時，必須要有效追縱相機之位置，用以導入適當流場資 料，但在過去模型上缺乏有效之追縱機制。此外，長時間且大範圍的流 場資訊，由於資料量龐大，無法完整存在展示平台中，需要設計有效即 時快速機制以達到動態展示之目的。
本研究擬利用CFD 模擬建置之建築風場資訊，透過 AR 軟體整合 至實體建築模型，據以呈現瞬時風場的可視化結果，讓使用者可以在風 洞實驗室中即時觀測流場及建築表面風壓。對於實驗室業務推廣以及研 究成果展現將有極大的助益，透過互動式學習亦可深化國內建築風工程 科普教育。