第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
台灣位處強風盛行地區，因此建築物在進行結構分析，風力部分占有相當重 要之地位。對於高層建築及大跨度屋頂結構物而言，風力甚至會超過地震力，而 成為結構設計時的主要環境活載重。影響建築物設計風載重的三大項因素，分別 是：設計風速、風力參數以及結構動力特性。其中風力參數以及結構動力特性因 個別建築物之幾何造型與結構系統而異。建構風力規範時，為考慮其廣泛的適用 範圍並避免計算流程過於繁複，風力參數採用最基本型態建築物風洞試驗數據，
其值多半保守，但也有例外。對於建築物結構動力的影響則以簡易模式為之，對 於結構動力影響明顯的大型建築，亦有不足的現象。
內政部建築研究所在前期的研究案中，曾根據現行風力規範之高寬比適用範 圍執行風洞模型試驗，因此建築物高寬比範圍在 3~6 之間。然而大多高層建築之 高寬比在 3 以下，此為現有風洞數據不足之處，應增補風洞實驗數據，建築物高 寬比範圍擴增為 =1~7，斷面深寬比範圍 D/B=0.2~5。此外，對於結構動力 影響明顯的大型建築，現行風力規範亦有不足的現象。前期研究案所得之修正模 式雖然準確性較高，計算過程相對複雜，不易被工程界接受，這是傳統規範中精 準度與方便性無法共存之兩難。然而在電腦高度發展的世代中，前述困境可以藉 由資訊方法直接應用資料庫獲得解決。近幾年來出現二項對於風工程應用具有重 大影響的現代科技便是人工智慧與無遠弗屆的網路技術。換言之，與其採用部分 數據再經由大量的迴歸與簡化求得資料庫數據的風力參數經驗公式，可以使用類 神經網路等方法應用整個資料庫估算建築物的風力參數。本研究計畫便是基於此 一背景，建構一個根據建築物風力資料庫，考慮各項風力參數與結構動力特性之 建築物設計風載重計算程式，加上人性化的使用者介面，使建築設計者能透過此 系統快速得到所需之設計風載重。
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第二節 國內外之相關研究
國際間有不少學者及風工程研究機構注意到應用網路技術可以大幅度拓展 傳統風洞實驗室資料庫的應用。Ahsan Kareem [1,2]在 University of Notre Dame 建構了第一個互動式的高層建築氣動力資料庫(aerodynamicdatabase)，日本東京 工藝大學的 Global Center of Excellency Program 建構了一個包括各種建築物風力、
風壓，自然通風、大氣擴散等空氣動力資料庫[3]，Kopp and Chen (2006)在美國 NIST 建構了一個低層建築物的風力風壓資料庫與一套配合使用的建築設計流程 [4]。除此之外，國際間許多著名風工程實驗室都分別在建構不同功能的空氣動 力資料庫以因應未來資訊技術的發展與應用。在國內，淡江大學風工程研究中心 在多年前開始相關的研究，鄭啟明與王人牧曾以不同幾何造型建築模型的高頻力 平衡儀(HFFB)實驗數據建構一個高層建築氣動力資料庫及高層建築耐風設計之 專家系統[5,6]。上述的高層建築耐風專家系統雖然使用了過於簡易的風力計算模 式，由資料庫中擷取及修正設計參數流程也需改進，但是繁雜的設計風載重計算 流程藉由內建風力計算程式配合人性化的使用介面，讓建築設計者很容易得到較 準確的設計風力估算值。內政部建築研究所在 2007 與 2008 二年，曾委託鄭啟明 等人執行「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」二項研究計畫案[21,22]。研究成果包括執行風洞實驗 完成大量規則矩形斷面高層建築的風力數據，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。本研究計畫便是根據前述研究成果，建構一個 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。
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第三節 研究內容與方法
壹、補強現有之矩形斷面建築物風洞試驗數據
內政部建築研究所 96、97、101 年度研究案「高層建築耐風設計風力頻譜與 風載重之修訂研究」、「建築物耐風設計風載重條文之修訂研究」與「設計風載重 資料庫之應用研究(1)」[21,22,23]有關風洞試驗方面，完成在都市地況(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，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 =3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7，共 9 組；斷面深寬比 D/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。
然而在本計畫之先期研究主要針對高寬比 3 以上的建築物進行研究，然而大多高 層建築物之高寬比在 3 以下，此為現有風洞數據不足之處，應增補風洞實驗數據。
故本案補強前述數據，擬增加模型幾何形狀包括：高寬比 =1、1.5、2、2.5，
共 4 組；斷面深寬比 D/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。風洞試驗流場依然是符合風力規範中都市地況(α
=0.32)、鄉鎮地況(α=0.25)、平坦闊地況(α=0.15)等三種紊流邊界層流場。
貳、高層建築設計風力計算模式
內政部建築研究所 96、97 年度委託研究報告[21,22]，提出初步之順風向、
橫風向及扭轉向之風載重修正模式。本計畫將以上述風力計算式為基礎，配合本 計畫擬建構之高層建築設計風載重資料庫，撰寫適於工程實務應用的風力計算程 式。
参、建構矩形斷面建築物高層建築物之風力資料庫。
本計畫將根據 101 年度第一期建構資料庫之方式分兩階段進行：(1)將本期 新增風洞試驗數據先匯入大型氣動力資料庫，與之前之數據整合，並進行資料完 整性、一致性與相容性之檢核。(2)接下來再進行本案風力計算模式所需氣動力 參數和空間相關性係數之前處理和分析計算，之後再將各項參數建為便於使用的
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程式內資料庫表單，如此便可在程式執行時快速取得所需的氣動力參數和相關係 數。
肆、改進前期所建立之風力係數與風力頻譜估算模式
本計畫前一年所建構之風力係數與風力頻譜估算模式僅適用於高寬比大於 三之建築物，本年度計畫將延伸其適用範圍。前一年度的風力係數及風力頻譜預 估值大多滿足工程應用精準度的要求，然而仍有極少數案例有提昇精準度的空間，
本計畫將根據前期累積之經驗，加入新數據後細調網路的大小和神經元數量，以 及中心點、標準差和權重的學習速率、目標門檻值等，以期達到更佳之預測效果。
伍、發展單機版及網路版之高層建築物設計風載重計算軟體
本計畫持續發展前期研究之單機版高層建築物設計風載重計算軟體，並擬將 前期單機視窗版軟體移植到網際網路的環境，架設網際網路伺服器，以瀏覽器為 使用者介面，提供圖形化的操作環境，進行建物、地況、結構等資料的輸入，並 在伺服端有效的進行設計風載重的評估與分析，最後的結果再透過網路傳回使用 者的瀏覽器中顯示。
陸、案例分析
以結構設計分析而言，在未能各別執行風洞實驗之前提下，規範應能提供一 個略偏保守之設計載重。本研究將根據風力模式與風力規範之比較結果，嘗試建 立一修正參數，使本計畫案所得分析模式之設計風載重修正為較風洞試驗略偏保 守之結果。
本計畫之研究方法及過程包括下列數項(圖 1-1):
1.
根據現行風力規範中適用範圍，增補現有之矩形斷面建築物風洞實驗數據。 2.
建構矩形斷面建築物高層建築物之風力資料庫。
3.
配合 E 化應用資料庫數據，簡化前期研究所得之設計風力計算模式。 4.
改進前期所建立之風力係數與風力頻譜估算模式。5.
發展單機版及網路版之高層建築物設計風載重計算軟體。5
6. 本計畫所得之設計風載重與風洞試驗及現行規範之比較。
圖 1- 1 研究流程
資料來源：本計畫研究人員繪製 檢討風洞試驗地況
C 之紊流特性 新增 =1~3
之建築物風洞試驗
改進高層建築等值設計風 載 重 計 算 分 析 程 式 ( 順 風 向、橫風向、扭轉向)
整合本年度與歷年風洞實 驗之數據
發展網路版視窗化高層建築物 設計風載重計算軟體
以風力歷時分析配合實際案 例以驗證本計畫發展系統之 準確性
結束
建 立符合 實際 建 築設計 要求 之應用案例
建立風力係數與風力頻譜 估算模式
建構高層建築物風力之氣 動力資料庫
蒐集國內外相關風力規 範專家系統
開始
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第四節 報告內容簡述
本報告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；
第二章高層建築設計風力模式：順風向、橫風向及扭轉向設計風力模式說 明；
第三章高層建築設計風力之風洞試驗：介紹實驗內容、初步實驗結果及風洞 實驗數據資料庫；
第四章風力係數與風力頻譜估算模式：介紹類神經網路預測及訓練模式；
第五章視窗化及網路版高層建築物設計風載重計算軟體：介面說明及其應 用；
第六章設計風載重案例分析：概述本研究預計使用之應用案例，包括樓高較 高之高層建築與樓高較低之建物二種；
第七章結論與建議：摘要此次期末報告之研究進度。