第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
一般對於高層建築物與大跨度屋頂結構而言，大多必須考量建築物的耐風性，
台灣不但易受到颱風的威脅且位處於強風盛行之地區，因此設計風力的準確性對 結構設計甚為重要。我國設計風力與設計風壓之相關規定與計算式，制定於內政 部民國 95 年 9 月 22 日頒布、96 年 1 月 1 日正式實施之「建築物耐風設計規範 及解說」[12]，其中相關條文大體上是參酌美國 ASCE 7-02 (2002)[1]之內容，並 引用日本 AIJ (1996)[2]之部分內容，研擬而成。
現行規範中，建築物順風向設計風力方面採用 ASCE7 建議的計算模式，以 迎風面與背風面的風壓組合而成，其相關條文主要是針對較為低矮的民宅、廠房 及渦致振動不明顯的建築物，對於動力效應與渦致振動敏感之建築物只稍做了較 為簡單的假設，有未盡保守之虞。橫風向與扭轉向設計風力計算式則採用日本 AIJ 建議之計算模式，式中使用的風力係數與風力頻譜則皆根據日本研究者的風 洞試驗數據彙整而成，但日本 AIJ 的橫風向與扭轉向風力係數與風力頻譜未能充 分考慮建築物高寬比與不同地況風場特性的影響，且僅可使用在制訂的範圍內，
由於無法對於所有建築物提供恰當的設計風載重，造成應用上有所限制。無法掌 握原始風洞數據，又採用不同國家的順風向、橫風向與扭轉向設計風力規範，使 得我國風力規範只能被動的隨著 ASCE7、AIJ 修訂，進而造成從事風力組合研究 的困難。為了改進前述困境，並建立自主性的風力規範，內政部建築研究所透過 委託研究計畫案，與國內風洞實驗室合作，逐年建構起在符合我國定義之三種標 準地況風場中，矩形斷面建築物高寬比範圍 h/√BL=1~6，斷面深寬比範圍 L/B=0.2~5 之風洞試驗數據。本研究根據前述已完成之矩形斷面建築物風洞試驗 數據，擬定適用於工程實務應用之設計風力模式，並提出做為未來修訂「建築物 耐風設計規範暨解說」中順風向、橫風向以及扭轉向設計風力之相關條文。
2
第二節 國內外之相關研究
美國 ASCE7 耐風設計相關內容雖然經過 2005 年以及 2010 年二度修訂，但 是在順風向設計風載重計算流程方面並無重要改變。日本的 AIJ-2004 對於橫風 向與扭轉向頻譜計算式做了少許的調整，然而並未改變橫風向與扭轉向設計風力 計算式在部分條件下會有低估風力的情況。我國風工程研究發展較晚，風力規範 引用美、日相關條文，由於無法掌握原始數據，風力規範只能被動的隨著美、日 規範的進展而修訂。為了逐步建立自主性的風力規範，內政部建築研究所在 2007 與 2008，曾執行「高層建築耐風設計風力頻譜與風載重之修訂研究」與「建築 物耐風設計風載重條文之修訂研究」[13,14]二項研究計畫案。研究成果包括完成 相當數量之規則矩形斷面高層建築的風洞實驗，並提出了高層建築在順風向、橫 風向及扭轉向設計風力的計算流程。2012 年與 2013 年執行「設計風載重資料庫 之應用研究」與「設計風載重資料庫之應用研究(2)」[15,16]完成建構一個內容完 整適用於風力規範未來發展 E 化應用之高層建築物風力資料庫，以及一個具有 高準確度且便於工程界使用之高層建築設計風載重計算程式。然而此一高層建築 設計風載重計算程式計算式極為複雜，無法直接列入建築物耐風設計規範條文之 中。本研究即是延續前述研究，進一步簡化高層建築設計風力之計算流程，使其 未來能納入耐風設計規範之修訂條文。
3
第三節 研究內容與方法
壹、現行規範風力計算式中各項參數與風洞數據之比較為能提出修訂「建築物耐風設計規範及解說」[12]之建議條文，首先以現行 規範風力計算式中各項參數與風洞數據進行比較，藉此瞭解在不同地況與建築物 幾何條件下，現行規範中順風向、橫風向與扭轉向之風力係數、風力頻譜與風洞 試驗數據之差異，以謀改進之道。風洞數據方面，依據內政部建築研究所 101、
102 年度研究案「設計風載重資料庫之應用研究(1)」與「設計風載重資料庫之應 用研究(2)」[15,16]之風洞試驗，在都市地況(α=0.32)、鄉鎮地況(α=0.25)、平坦 闊地況(α=0.15)等三種符合風力規範中地況特性的流場中，進行矩形斷面模型之 風洞試驗。矩形斷面建築物外形亦涵蓋風力規範定義之範圍：高寬比 h/(BL)
0.5
=2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7，共 11 組；斷面深寬比 L/B=1/5、1/4、
1/3、1/2.5、1/2、1/1.5、1/1、1.5/1、2/1、2.5/1、3/1、4/1、5/1，共 13 組。
貳、建構剛性樓版建築物之順風向風力計算式
以往現行風力規範之順風向設計風力對於無須考慮內風壓之剛性樓版建築 物過於繁複冗長，原因在於此一流程無論如何均需計算各牆面之外風壓與內風壓，
本研究簡化建研所前期研究計畫建立之順風向風力模式，建構一個適用於一般高 層建築物之順風向設計風力計算式，並挑出計算式中，需經由複雜之多重積分算 式取得之參數，建立其擬合式，大幅簡化計算程序。
参、修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式。
內政部建築研究所 101、102 年度研究案[15,16]之橫風向與扭轉向之設計風 力計算式中，橫風向及扭轉向的風力係數、風力頻譜、空間相關性修正因子主要 靠風力資料庫與類神經網路取得，但此方法卻受限於電腦軟體、網際網路，鑒於 前述理由，本研究案將修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式，以利「建築物耐 風設計規範暨解說」修訂之參考依據。
4
肆、建構順風向、橫風向、扭轉向風力計算式中，風力係數、風力頻譜與其他各 項參數之擬合式
本研究案主要風力計算之複雜度相較於現行風力規範之計算式，雖未明顯增 加，但其中有許多參數需要根據風洞試驗數據或是經由複雜的數值計算求得，
本研究案建立其擬合式，以提高計算效率。
伍、本研究所得之設計風載重與風洞試驗及現行規範之比較
主要以內政部建築研究所 101、102 年度研究計畫「設計風載重資料庫之應 用研究」[15,16]所建構之設計風力計算軟體，將本研究案所建構之設計風力模式 與國內現行風力規範「建築物耐風設計規範及解說」之計算結果一併列入比較，
以了解三種風載重計算數據之差異。標的物擬選取為高度分別設定為 60 公尺、
90 公尺及 180 公尺之矩形斷面高層建築，斷面高寬比介於 2-6 之間，斷面深寬比 則介於 0.2-5 之間，風場包括國內規範定義之標準地況 A、地況 B 與地況 C。建 築物之結構參數(質量、頻率、阻尼等)則參照耐風設計規範或常用之結構特性。
陸、提出「建築物耐風設計規範及解說」之建議修正條文
本研究案根據研究成果提出剛性樓版建築物順風向設計風力計算之建議修 正條文，以及建築物橫風向與扭轉向設計風力之建議修正條文，作為未來建築物 耐風設計規範修定之參考依據。本研究之研究方法及過程包括下列數項(圖 1-1):
1.
現行規範風力計算式中各項參數與風洞數據之比較。 2.
建構剛性樓版建築物之順風向風力計算式。
3.
修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式。
4.
建構順風向、橫風向、扭轉向風力計算式中，風力係數、風力頻譜與其他各 項參數之擬合式。5. 本研究所得之設計風載重與風洞試驗及現行規範之比較。
6. 提出「建築物耐風設計規範及解說」之建議修正條文。
5
圖 1- 1 研究流程
資料來源：本研究實驗數據整理
建 構 順 風 向 、 橫 風 向、扭轉向風力計算 式中，風力係數、風 力頻譜與其他各項參 數之擬合式
現行規範風力計算 式中各項參數與風 洞數據之比較
1.建構剛性樓版建築物 之順風向風力計算式 2.修訂橫風向與扭轉向 之設計風力計算式
本研究所得之設計風載重與 風洞試驗及現行規範之比較
提出「建築物耐風設計規範 及解說」之建議修正條文
結束
蒐集國內外相關風力規範 專家系統
開始
建 立 符 合 實 際 建 築 設 計 要 求 之 應 用 案 例
(第一次專家座談)
(第二次專家座談)
6
第四節 報告內容簡述及進度說明
本研究根據所列研究內容及方法，針對現階段研究所得結果作以下各章節之 探討。所探討內容依計畫目標逐次說明分析。
第一章 緒論：對整份報告做一整體性概述；