風雨風洞實驗室簡介

臺灣地處西太平洋颱風盛行區域，歷年在數次的強烈颱風侵襲中，造 成建築外牆及相關附屬設備破損災害案例頗多，由於風力對建築及環境的 影響是普遍存在的，包含強風可能造成建築帷幕外牆、門窗破損，高層建 築或長跨距橋梁的受風結構安全以及舒適性設計考量，抑或是大樓興建後 造成鄰近區域形成街廓強風，進而造成行人不舒適甚至跌倒受傷等問題，

均可能對於人民的生命財產造成危害。因此，行政院於 85 年核准「內政 部建築研究所實驗設施設置計畫」，本所於 93 年 6 月完成風雨風洞實驗室 的建置，建築總樓地板面積 4,700 m2，分設風雨實驗館及風洞實驗館。其 中風雨實驗館包含帷幕牆風雨測試艙及門窗風雨測試艙各 1 座，可進行建 築物外牆門窗與帷幕牆之氣密性、水密性、層間變位及抗風壓等物理性能 實驗及檢測，確保其整體性能達到設計標準及規範要求，並降低建築物外 牆門窗與帷幕牆於地震、強風可能發生之危害。風洞實驗館則擁有目前國 內斷面尺度最大之低速風洞設備，具有兩個測試區段，可進行建築物與橋 樑等縮尺模型風洞實驗研究，探討高層建築所受之風力、風壓及行人風場 影響，以及可對環境微氣候、風能利用及風工程基礎科研進行研發實驗及 檢測。

建置完成初期(93 至 95 年)屬於建築風雨風洞性能測試階段，主要由 具有風雨風洞實驗相關背景之專家學者協助辦理，進行試驗設備系統整合 測試暨性能驗證，於此同時推動並擬訂「建築物耐風設計規範與解說」。 第二階段(96 至 99 年)為試驗技術與檢測能量提昇，針對既有儀器設備研 擬最佳化試驗流程、改良試驗設備以及初步建置相關試驗技術。100 年後 則全面發揮實驗能量，配合年度風工程科技計畫發展風場之實場量測技術、

建立本土化風場特性資料庫、建築結構設計風載重及研修耐風設計規範，

並彙編相關技術手冊與分析軟體供業界參考使用。

實驗室包含二大實驗館，分別是風雨實驗館及風洞實驗館。其規劃之 軟硬體設備，無論在操作之便利性或測試之準確性、功能性，皆可提供各 界所需之專業試驗服務。因應上述研究實驗與測試驗證需求進行試驗設備 之規劃建置，各實驗室儀器設備及其功能分述如下：

一、風雨實驗館

風雨實驗館包含帷幕牆風雨測試艙（可測試 10m×12m 帷幕牆）及門窗 風雨測試艙（可測試 2.8m×2.8m 門窗）各一座，如圖 2-1 所示，主要進行 帷幕牆與門窗相關風雨試驗研究與性能檢測技術服務。帷幕牆風雨試驗檢 測項目可分為 1.氣密性能試驗、2.靜態水密性能試驗、3.動態水密性能試 驗、4.層間變位性能試驗與 5.正負風壓結構性能試驗。門窗風雨試驗可分 為 1.氣密性能試驗、2.水密性能試驗、3.抗風壓性能試驗。

帷幕牆試艙 門窗試艙

圖 2-1 風雨實驗館帷幕牆(左)及門窗試艙(右) 資料來源：本研究整理

以上 8 項試驗皆獲得 TAF 認證，其主要的功能分別為：

1. 氣密性能試驗—氣密性能是以漏氣量為其性能標示，主要反應空調節能

及隔音效果，氣密性好，室內空調不易流失，減少空調負荷，可減少空 氣傳音，提升隔音性能。

圖 2-2 以空氣流量計量測密閉測試艙之試體漏氣量 資料來源：本研究整理

2. 水密性能試驗—對密閉測試艙加壓及以造風設備（由 DC 變頻馬達及風扇 葉片－直徑 4.11m 組成，最高風速可達 43m/s）產生外風壓，並用固定 噴水量噴灑模擬強風豪雨狀態，以瞭解帷幕牆與門窗的防水性能。

圖 2-3 靜態水密性能試驗及動態水密性能試驗 資料來源：本研究整理

3. 抗風壓性能試驗—用鼓風機系統提供穩定正負壓，以瞭解帷幕牆與門窗 整體構造系統抵抗風壓力之安全性能。

圖 2-4 以位移計記錄試體的變形情形 資料來源：本研究整理

4. 層間變位性能試驗—層間變位設備之油壓缸最大推力 30 噸、衝程 300mm，

可模擬於地震侵襲下，確保帷幕牆構造之層間變位能力，不致造成破壞。

圖 2-5 帷幕牆層間變位測試 資料來源：本研究整理

二、風洞實驗館：

風洞實驗館主要進行風工程實驗研究，並提供業界相關檢測之技術服 務，主要實驗設備包括風洞本體、變頻器、風扇、量測系統等。由於建築 結構的多樣性，建築物在風力作用下的力學行為，目前尚無法以純理論模 式或數值方法解析，惟有透過風洞試驗方能進行合理的分析與評估。藉由 適當之實驗規劃，可合理探討構造物表面風壓、風力載重，以及評估環境 變化之微氣候影響。營運至今，執行建築環境風場試驗、建築外表披覆物 風壓試驗、建築結構風載重試驗、橋梁風洞試驗、建築設備抗風測試、百 葉窗通風率試驗、小型風力發電機效率試驗、流場可視化試驗、以及汙染 擴散等風工程相關項目試驗等。

1. 主要實驗設備包括：

（1）風洞本體：本所風洞本體(如圖 2-6)為一垂直向的封閉迴路系統，總 長度為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m。整個風洞本 體具有 2 個測試區段，第一測試區中配置有 2 個旋轉盤，第一座旋轉 盤直徑 1m，安置於距測試區入口處 3m 處，從事一般流體力學研究；

第二座旋轉盤直徑 3m，置於可移動式軌道上，定位於距測試區入口 端約 25.5m 處，並以機械控制使其做旋轉及上下運動，將以建築物受 風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主，空風洞最大風速為 30 m/s。第二測試區則配置一座旋轉盤，其距離風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑為 3m，主要用途以橋梁測試為主，空風洞最大風 速為 20 m/s。性能規格整理如表 2-1 所示。

（2）風扇：風扇型式為直接傳動軸流式風扇，直徑 4.75m，整體長度包 含風扇中心體、驅動馬達及尾錐，約 7.62m，如圖 2-7(左)。驅動馬 達的最大馬力為 500kW，最高轉速為 390rpm，最高風速可達 30m/s。

風扇主要功用係提供氣流起始動能，並補充氣流在風洞迴流中所產生 之壓力損失。

（3）變頻器：變頻器係藉由三相 3,300V 電壓，輸出 500kW 馬力來操控 風扇驅動馬達的轉數以調整風速，如圖 2-7(右) 。

風洞測試段

風洞控制台

圖 2-6 風洞實驗館 資料來源：本研究整理

表 2-1 測試區性能規格

測區名稱 第一測試區 第二測試區

斷面尺寸 長36.5m×寬4m×高2.6m 長21m×寬6m×高2.6m

最大風速 30m/s 20m/s

測試區用途

1.流體力學研究

2.建築物相關風工程研究 3.大氣擴散性研究

1.橋梁測試研究

2.建築物相關風工程研究 資料來源：本研究整理

圖 2-7 風扇(左)及變頻器(右) 資料來源：本研究整理

（4）量測系統：測試區內設有三維移動機構，可經由電腦操控進行三軸 運動，以量測各點流況。館內配置多頻道電子式壓力掃瞄系統、熱 線測速儀及雷射光頁產生器、氬離子雷射觀測系統、六軸力感測器、

長距離雷射位移計等多項精密量測系統與資料擷取系統，藉以提高 實驗數據之精確性。(如表 2-2)

表 2-2 儀器與適用範圍 編

號 量測

類型 儀器名稱 適用實驗狀況

1 風場 量測

熱線測速儀 動態風速量測，並依探針類型量取 1 維至 3 維的風 速。

皮托管 單方向平均風速量測。

地表風速計 近地表多方向動態風速量測，但無法判定方向。

超音波風速計 可測得風速以及風向資料，但取樣頻率較低，且儀

2. 風洞流場

執行風洞試驗前需確認欲使用的流場特性，於風洞實驗室內透過各種 手法建立與實場相似的流場，風洞中的流場包括我國「建築物耐風設計規 範及解說」規定的 A、B、C 地況，配合適當的模型縮尺，可進行全棟建築 物受風相關量測。但如果僅欲探討建築物局部區域之受風特性，則亦可在 風洞出風口以紊流產生器製造紊流流場，使其通過建築物再執行資料擷取。

本所風洞試驗紊流產生器，與模型及各項量測儀器之相對位置，如下圖 2-8 所示，模型位置距離紊流產生器約 2.8m，於接近模型等高位置處架設 3 維 動態皮托管，以量測參考風速。執行吹試過程以多頻道電子式壓力掃瞄器 透過電腦(PC)進行資料擷取，待一方向資料擷取完畢後，再轉動轉盤變換 下個風向進行試驗。圖 2-9 是前述風洞試驗過程所採用的儀器設備照片，

包括紊流流場、均勻流場、壓力計、資料擷取器、3 維動態皮托管及控制 電腦等。

圖 2-8 風洞試驗儀器設備配置圖 資料來源：本研究整理

紊流流場 均勻流場

壓力計 資料擷取器

風速計(3 維動態皮托管) 控制電腦 圖 2-9 多頻道電子壓力掃描器設備圖 資料來源：本研究整理

3. 多頻道電子壓力掃描器

用來同步擷取作用於結構表面各點的瞬時風壓，經過適當的處理便可 得到結構系統所受之平均風力、擾動風力以及外牆所受之局部風壓。本研 究所採用之儀器為 PSI 公司產品，其元件包括：氣體壓力數據擷取主機、

乙太介面電源供應器、64 頻道電子式壓力掃描模組及外接氣體壓力源等。

詳細規格及性能分別說明如圖 2-10 所示。

名稱 氣體壓力數據擷取主機 乙太介面電源供應器 3. 數據處理速率：325Hz/chs 4. 訊號傳輸解析度：±0.003％

4. 三維動態皮托管

三維動態皮托管用來進行風速量測，試驗前確認均勻流場及紊流流場 的風場特性，本研究以此設備進行風速剖面量測。風速量測前可進行溫度 及大氣壓力校正，並設定擷取頻率、取樣時間後，即可進行風速量測。量 測後可提供時序列的數據外，並有 U、V、W 三方向的平均風速，最大最小 風 速 ， 紊 流 強 度 等 資 料 ， 三 維 動 態 皮 托 管 TFI(Turbulance Flow Instrumentation )公司產品，其元件包括如下圖 2-11 所示：

三維動態皮托管用來進行風速量測，試驗前確認均勻流場及紊流流場 的風場特性，本研究以此設備進行風速剖面量測。風速量測前可進行溫度 及大氣壓力校正，並設定擷取頻率、取樣時間後，即可進行風速量測。量 測後可提供時序列的數據外，並有 U、V、W 三方向的平均風速，最大最小 風 速 ， 紊 流 強 度 等 資 料 ， 三 維 動 態 皮 托 管 TFI(Turbulance Flow Instrumentation )公司產品，其元件包括如下圖 2-11 所示：