研究緣起與背景

第一節 研究緣起與背景

一 、 緣 起

隨 著 營 建 技 術 的 進 步，國 內 高 層 建 築 物 大 量 的 出 現。由 於 目 前 超 高 層 建 築 物 特 色 多 採 用 質 輕 堅 韌 的 鋼 骨 結 構，結 構 系 統 阻 尼 較 傳 統 混 凝 土 構 造 為 低，且 因 其 高 度 高，故 構 造 物 的 柔 性 增 加，建 築 物 受 風 作 用 行 為 的 考 量 即 顯 得 更 加 的 重 要 。 通 常 建 築 物 的 橫 斷 面 多 為 非 流 線 形，風 場 中 於 建 築 物 之 下 風 處 常 產 生 渦 散 現 象 (vortex shedding)，對 建 築 物 而 言 則 導 致 了 非 恆 定 之 風 荷 重，復 因 其 結 構 動 力 特 性 而 導 致 振 動 或 位 移 反 應 之 發 生。對 高 層 建 築 物 而 言，由 於 其 相 對 勁 度 較 低，在 順 風 (along-wind)向 、 橫 風 (acrosswind)向 及 扭 轉 (torsional)向 位 移 反 應 相 對 地 較 大。因 此，在 風 力 設 計 觀 點 中，動 態 位 移 成 為 評 估 使 用 者 舒 適 度 (comfortability)之 重 要 指 標 之 一 。

建 築 物 的 順 風 向 位 移 反 應 直 接 反 映 出 來 流 風 場 的 作 用，因 此 在 考 量 上 多 以 平 均 值 為 主，又 因 其 相 應 之 擾 動 風 力 較 為 寬 頻，所 形 成 的 位 移 擾 動 值 亦 不 大，對 於 結 構 安 全 的 影 響 較 小。另 一 方 面，橫 風 向 反 應 來 則 自 建 築 物 周 邊 分 離 剪 力 層 的 渦 散 過 程，其 相 應 之 擾 動 風 力 較 屬 窄 頻 之 範 疇，如 與 結 構 物 特 徵 頻 率 接 近，易 與 結 構 之 振 動 發 生 共 振 行 為 (resonance)， 建 築 物 所 形 成 的 位 移 擾 動 量 較 大 。 此 類 因 建 築 物 振 動 而 引 起 之 二 次 互 制 (interaction)或 氣 彈 力 效 應 (aero-elastic effect)，乃 為 風 工 程 中 有 關 高 層 建 築 研 究 之 重 要 課 題 。

二 、 背 景

近 五 十 年 來 隨 著 電 腦 運 算 速 度 及 技 術 的 提 升，利 用 計 算 流 體 動 力 學 (computational fluid dynamics; CFD)的 方 法 來 求 解 流 體 各 種 物 理 現

象 變 化 不 再 是 那 麼 遙 不 可 及。數 值 模 擬 技 術 也 因 電 腦 的 提 升，發 展 更 上 了 一 層 樓 。 利 用 數 值 方 法 為 運 算 基 礎 ， 使 不 易 求 解 流 體 力 學 理 論 ， 藉 由 高 速 電 腦 之 便 利，得 以 快 速 並 達 到 模 擬 流 體 於 各 種 邊 界 條 件 下 的 運 動 方 式 ， 同 時 配 合 上 影 像 後 處 理 ， 可 將 其 運 動 過 程 及 結 果 顯 示 出 來。CFD 應 用 的 範 圍 非 常 的 廣 泛，舉 凡 機 械、土 木、航 太、電 子、車 船、醫 工、大 氣、化 材 甚 至 於 軍 事 領 域。以 往 進 行 環 境 風 場 評 估 及 風 洞 試 驗，都 需 耗 費 龐 大 的 金 錢、時 間 及 人 力。近 年 來，計 算 流 體 力 學 運 用 在 鈍 體 空 氣 動 力 學 、 建 築 風 環 境 的 評 估 、 街 谷 污 染 擴 散 分 析 模 擬 ， 都 有 不 錯 的 結 果 。

內 政 部 建 築 研 究 所 風 洞 試 驗 室 歷 年 有 關 高 層 建 築 之 風 力 研 究 中，無 論 是 自 剛 性 的 氣 動 力 建 築 模 型 到 反 映 風 場 與 結 構 振 動 互 制 效 應 柔 性 氣 彈 力 建 築 模 型 的 風 力 問 題 研 討，在 風 洞 試 驗 的 資 料 庫 建 置 與 研 究 成 果 上 愈 見 成 長。以 平 坦 地 形 中 柱 形 建 築 物 的 問 題 為 例，經 由 模 型 試 驗 量 測 ， 建 築 物 的 區 域 環 境 風 場 (如 行 人 道 風 )、 受 風 效 應 (表 面 風 壓 、 柱 體 風 荷 重 )與 振 動 反 應 均 已 建 立 了 一 套 成 熟 的 技 術 程 序 與 分 析 方 法，以 充 分 提 供 國 內 工 程 與 產 業 界 在 建 築 風 工 程 相 關 問 題 的 分 析 與 服 務。為 進 一 步 擴 展 風 力 分 析 上 的 廣 度 與 服 務 能 量，促 進 本 國 家 級 試 驗 室 在 風 場 與 結 構 動 力 數 值 模 擬 技 術 與 能 力 之 提 昇 實 為 現 階 段 亟 待 精 進 的 重 要 目 標 。

三 、 計 畫 之 重 要 性

風 洞 試 驗 除 了 需 耗 費 相 對 較 多 之 人 力、物 力 與 時 間 外，有 時 亦 會 因 縮 尺 效 應 (scale effect)而 產 生 風 力 結 果 之 誤 差 ， 此 等 情 況 多 肇 因 於 實 場 (prototype) 與 模 型 (model) 在 風 場 雷 諾 數 (Reynolds number) 之 差 異。此 外，執 行 試 驗 時，因 量 測 空 間 或 設 備 數 量 與 功 能 之 限 制，獲 得 之 結 果 常 有 完 整 性 不 足 之 憾。另 一 方 面，隨 著 近 年 來 電 腦 在 硬 體 與 軟 體 的 長 足 進 步，應 用 數 值 模 擬 的 方 法 解 析 此 類 問 題 為 另 一 重 要 的 研 究

工 具 ， 其 優 點 是 可 以 較 經 濟 地 獲 取 更 為 完 備 之 整 場 動 力 設 計 的 資 料 。 此 外 ， 以 時 間 域 (time domain)表 徵 之 風 場 在 評 估 結 構 受 風 效 應 時 除 了 沒 有 縮 尺 效 應 慮 外 ， 更 可 以 系 統 化 地 從 事 來 流 條 件 (雷 諾 數 、 速 度 剖 面 )以 及 幾 何 條 件 (建 築 物 外 形、尺 度 )對 相 應 來 流 與 物 體 受 力 等 問 題 的 探 討 以 貼 切 地 描 述 來 流 變 化 與 柱 體 鄰 近 流 場 二 者 間 互 制 效 應 之 機 制 。

目 前 內 政 部 頒 布 的 「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」 第 五 章 中 有 ” 建 築 物 之 耐 風 設 計，依 本 規 範 無 法 提 供 所 需 之 主 要 抗 風 系 統 設 計 風 力 或 是 外 部 被 覆 物 之 設 計 風 壓 風 力 資 料 時，得 以 風 洞 試 驗 作 為 耐 風 設 計 之 依 據 ”之 規 定 ， 並 針 對 風 洞 試 驗 之 主 要 項 目 、 應 遵 守 之 模 擬 要 求 與 設 計 時 風 洞 試 驗 報 告 之 引 用 等 方 面 提 出 了 相 關 之 建 議。然 而，在 數 值 模 擬 方 法 應 用 於 耐 風 設 計 方 面 並 無 著 墨，此 與 國 際 主 流 趨 勢 相 較 確 有 遺 珠 之 憾。本 計 畫 之 執 行 期 提 昇 建 研 所 試 驗 室 在 風 場 與 結 構 動 力 數 值 模 擬 之 經 驗 與 能 力 並 增 益 其 在 工 程 與 產 業 界 之 主 導 性 與 服 務 之 能 量 。 四 、 計 畫 目 的

本 計 畫 之 目 的 主 要 在 提 昇 建 研 所 試 驗 室 在 風 場 與 結 構 動 力 數 值 模 擬 之 經 驗 與 能 力，並 配 合 以 既 有 之 風 洞 試 驗 分 析 達 到 相 輔 相 成 之 效 果，增 益 其 在 工 程 與 產 業 界 之 主 導 性 與 服 務 之 能 量。研 究 中 以 平 坦 地 形 中 三 維 方 形 截 面 之 獨 立 柱 體 為 基 準 問 題，分 別 針 對 氣 動 力 與 氣 彈 力 兩 種 情 況，建 立 足 以 正 確 描 述 相 應 風 場 與 建 築 物 動 力 特 性 之 數 值 計 算 模 式 ， 以 供 相 關 風 力 分 析 之 用 。

計 畫 之 推 行 係 針 對 如 後 三 個 目 標 ：

1、 建 立 流 場 與 剛 性 氣 彈 結 構 物 耦 合 之 數 值 模 式 。

2、 建 立 風 洞 試 驗 常 用 風 速 剖 面 之 數 值 給 定 方 法 ， 以 供 後 續 數 值 分 析 研 究 之 用 。

3、 整 合 剛 性 氣 彈 力 模 型 試 驗 與 數 值 結 果 ， 探 討 風 場 與 結 構 振 動 之 互 制 機 制 。