都市區域風環境影響評估分析研究

都市區域風環境影響評估分析

研究

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見)

PG10404-0093

都市區域風環境影響評估分析

研究

研究人員：郭建源

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見)

MINISTRY OF THE INTERIOR

RESEARCH PROJECT REPORT

A Study on Wind Environmental

Impact Asseessing in Urban Area

By

Chien-Yuan Kuo

目次

圖次 ... III

 

表次 ... VII

 

摘 要 ... IX

 

ABSTRACT ... XIII

 

第一章 緒 論 ... 1

 

第一節

研究背景 ... 1

 

第二節

研究緣起與目的 ... 2

 

第三節

研究內容與方法 ... 4

 

第二章 文獻與理論背景分析 ... 5

 

第一節

地表風場特性 ... 5

 

第二節

建築物週遭氣流特性 ... 9

 

第三節

行人風場改善方法 ... 12

 

第四節

文獻回顧 ... 14

 

第五節

國內環境風場相關規定 ... 17

 

第三章 基本型式風洞試驗 ... 19

 

第一節

試驗規劃 ... 19

 

第二節

試驗儀器設備 ... 23

 

第四章 試驗結果 ... 29

 

第一節

街谷內風速比曲線 ... 30

 

第二節

街谷內風速比等值圖 ... 41

 

第三節

油膜試驗 ... 54

 

第四節

小結 ... 56

 

第五章 都市區域風洞試驗案例 ... 59

 

第一節

試驗規劃 ... 59

 

第二節

街谷內風場特性綜合比較 ... 64

 

第三節

街谷內風場特性綜合比較 ... 67

 

第四節

小結 ... 73

 

第六章 結論與建議 ... 75

 

第一節

結論 ... 75

 

第二節

建議 ... 77

 

附錄一 期中報告審查意見回應 ... 79

 

附錄二 期末報告審查意見回應 ... 83

 

附錄三 新北市板橋（江翠北側地區）都市設計審議原則 87

 

附錄四 開發行為環境影響評估作業準則 ... 91

 

附錄五 台北市「綜合設計公共開放空間設置及管理維護

要點」 ... 105

 

參考書目 ... 113

 

圖 次

圖 2-1

不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 ... 7

 

圖 2-2 金字塔效應示意圖 ... 10

 

圖 2-3 縮流效應示意圖 ... 10

 

圖 2-4 渠化效應示意圖 ... 11

 

圖 2-5 建築物週遭流場 ... 14

 

圖 2-6 建築物配置型式 ... 15

 

圖 2-7 高層建築物附近風場分佈圖 ... 16

 

圖 2-8 板橋江翠北側重劃區域範圍 ... 18

 

圖 2-9 基地內建築物面寬限制 ... 18

 

圖 3-1 試驗模型規劃配置圖 ... 19

 

圖 3-2 高層建築間通道型式 ... 20

 

圖 3-3

高層建築內通道風速剖面 ... 21

 

圖 3-4

B 地況平均風速剖面 ... 22

 

圖 3-5 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 ... 24

 

圖 3-6 地表風速計剖面圖 ... 26

 

圖 3-7 使用動態皮托管校驗地表風速計 ... 26

 

圖 3-8

地表風速計校正回歸線 ... 26

 

圖 3-9 多頻道電子式壓力掃瞄器 ... 27

 

圖 4-1 風洞試驗模型配置圖 ... 29

 

圖 4-2 風洞試驗模型街谷編號 ... 30

 

圖 4-3

順風向 L1 街谷風速比曲線 ... 33

 

圖 4-4 順風向 L2 街谷風速比曲線 ... 34

 

圖 4-5 順風向 L3 街谷風速比曲線 ... 35

 

圖 4-6 順風向 L4 街谷風速比曲線 ... 36

 

圖 4-7 橫風向 S1 街谷風速比曲線 ... 37

 

圖 4-8 橫風向 S2 街谷風速比曲線 ... 38

 

圖 4-9 橫風向 S3 街谷風速比曲線 ... 39

 

圖 4-10 橫風向 S4 街谷風場分佈曲線 ... 40

 

圖 4-11

前無高層建築街谷內等值風速分佈圖 ... 43

 

圖 4-12

L=1D 時主建築物間距 S=0.375D 街谷內等值風速分佈圖

... 43

 

圖 4-13

L=1D 時主建築物大樓間距 S=0.75D 街谷內等值風速分佈

圖 ... 44

 

圖 4-14

L=1D 時主建築物大樓間距 S=1.125D 街谷內等值風速分佈

圖 ... 44

 

圖 4-15L=1D 時主建築物大樓間距 S=1.5D 街谷內等值風速分佈圖

... 45

 

圖 4-16

L=1D 時主建築物大樓間距 S=1.875D 街谷內等值風速分佈

圖 ... 45

 

圖 4-17

H=1D

街谷內等值風速分佈圖(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 46

 

圖 4-18

H=2D

街谷內等值風速分佈圖(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 47

 

圖 4-19

H=3D

街谷內等值風速分佈圖(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 48

 

圖 4-20

H=4D

街谷內等值風速分佈圖(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 49

 

圖 4-21

H=5D

街谷內等值風速分佈圖(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 50

 

圖 4-22

H=6D

街谷內等值風速分佈(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 51

 

圖 4-23

H=7D

街谷內等值風速分佈(

A

)

S=0.375D

(

B

)

S=0.75D

(

C

)

S=1.125D

(

D

)

S=1.5D(

E

)1.875D ... 52

 

圖 4-24

H=7D 時不同間距比低風速所佔百分比 ... 53

 

圖 4-25

H=2D

S=1.125D 試驗條件下油膜試驗結果 ... 54

 

圖 4-26

H=7D

S=1.125D 試驗條件下油膜試驗結果 ... 54

 

圖 4-27

H=2D

S=1.125D 試驗條件下地表風速計量測與油膜試驗

結果比較圖 ... 55

 

圖 5-1 試驗模擬範圍 ... 59

 

圖 5-2 風洞實驗室內模型 ... 60

 

圖 5-3

地表風速計街谷內佈設型式 ... 60

 

圖 5-4 板橋區 2003~2013 各風向平均風速分佈圖 ... 62

 

圖 5-5 板橋區 2003~2013 各風向發生機率分佈圖 ... 63

 

圖 5-6

B 地況平均風速剖面 ... 63

 

圖 5-7 都更前後新舊建築全部測點平均風速趨勢圖 ... 66

 

圖 5-8

C1 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 68

 

圖 5-9

C2 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 68

 

圖 5-10

C3 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 68

 

圖 5-11

C4 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 70

 

圖 5-12

C5 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 70

 

圖 5-13

C6 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 70

 

圖 5-14

C7 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 71

 

圖 5-15

C8 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 71

 

圖 5-16

C9 街谷都更前後新舊建築風場特性比較 ... 71

 

圖 5-17

都更前原建築基地附近街谷內平均風速 ... 72

 

圖 5-18

都更前新建築基地附近街谷內平均風速 ... 72

 

表 次

表 2-1

大氣邊界層之

Α

、

Δ

及

Z₀

建議值 ... 8

 

表 3-1 本研究參數表 ... 20

 

表 5-1

街谷特性說明表 ... 61

 

表 5-1 都更前原建築物各測點風速大於 1

M

/

S

百分比 ... 65

 

表 5-2 都更後新建築物各測點風速大於 1

M

/

S

百分比 ... 65

 

摘 要

關鍵詞：高層建築、都市設計審議、空氣自然流通、風洞試驗 一、研究緣起 密集的都市區域建築量體櫛比鱗次對風場形阻礙而使都市中心形成嚴 重的弱風區域，亦即都市中心內有較小的環境風場通風量。而戶外低環境風 場通風量：(1)易造成都市熱島效應而增高戶外溫度，影響人體舒適度，(2) 使污染物蓄積都市內形成環境污染，(3)降低室內通風交換率而弱化室內通風 量影響居室建康。 102 年 9 月新北市政府為促進環境通風的效益，率先全國第一個提出風 環境管制事項，針對板橋江翠北側重劃區，規定在建築物開發上，建築物各 幢立面最大淨寬度與基地平均寬度之百分比低於 70%設計，拉開了建築物間 的棟距，避免過去水岸建築物臨河景觀面最大化設計方式，避免對水岸都市 景觀之產生不良影響外，藉由環境風對流，達到通風之目的。本地區沿河第 一排街廓之高層建築物，未來進行都市設計審議，除應依相關規定辦理風洞 試驗外，亦應提出環境風場試驗成果說明，以利都市設計委員進行審查。 為提早因應此類環境風場通風效應之風洞試驗，本研究擬建立環境風場 通風量測方法以了都市中街谷內風場特性供，除可供都市設計審議參考，並 可建立本所風洞實驗室之新檢測能量，同時驗證新北市政府研擬之建築物各 幢立面最大淨寬度與基地平均寬度之百分比低於 70%設計是否合宜。 二、研究方法及過程 本計畫主要是以風洞試驗方法進行環境風場通風量測，因此將規劃一系 列的風洞試驗進行不同建築量體之風廊道風速量測。進行風洞試驗時將配合 台灣都市型態建置 B 地況粗糙元以形成適當之風速剖面，建置適量之地表風 速計，以量測在風場通風量變化。 本研究預計之研究內容與步驟如下： 一、國內外研究文獻之蒐集與整理

(一) 蒐集國內外都市環境風場通風量效益之相關資料。 (二) 蒐集都市環境風場通風量之風洞試驗方法以供試驗規劃參考。 二、試驗規劃與模型製作 (一) 參考相關文獻規劃試驗參數與通風量量測點位佈設方式。 (二) 製作主建築物模型及周遭建築物量體模型。 三、風洞試驗量測 (一) 針對高層建築物不同間距進行風洞試驗，量測下游街谷之風場特性， 並與同時量測下游周遭建築量體間之風速。 (二) 量測不同高層建築物與第一排街廓距離，對下游街谷風場特性之影 響。 四、風洞試驗數據整理： (一) 本研究將以無因次平均速度等值圖及街谷內中心點位風速曲線圖以 表示前述各項試驗變數下之風場特性。 (二) 探討分析主建築物興建前後其下游風場特性變化，以探討分析高層 建築物影響下游風場之程度。 五、歸納與分析： (一) 藉由前述的試驗結果驗證開放空間對風環境的影響，同時由試驗過 程研擬出環境風場影響評估方法、步驟與相關注意事項。供未來相 關法令規範研擬之參考。 三、重要發現 本研究重要發現如下： 1. 不論街谷寬度，其內均有局部風速較未進入街谷前風速高，有明顯的渠 從技術面而言，由本研究之試驗配置與參數擬定方式，在空氣能自然流 通與避免擾人強風權衡下，間距比(S/D)=1.125(相鄰兩建築間距為 22.5m) 即開放空間比約 33%最適比例，可驗證新北市政府於板橋江翠北側地區 基地面寬總和不得大於基地平均寬度 70%之規定尚屬合宜。 2. 當高度比(H/D)=3(建築物高度 60m)時即應注意遮蔽效應所產生低風速問 題。同時由試驗結果可知高度比(H/D)=3 時，因高度增加迎風面的下切 氣流增強，使角隅渦流與渠化效應增強，而開始產生加局部的強風。高 度比(H/D)=3 以上時此現象更為明顯，因此高度比(H/D)=3 即應開始注意 遮蔽效應產生的低風速與擾人強風問題。 3. 整體而言，棋盤式順風向街谷因與來流方向平行，所受風場速度均較橫

風向街谷來得高。由本研究試驗顯示，順風向街谷上游入口處若干情況 風速比達 0.8 以上，甚至接近 1.0 之情況，此時有很高的機率出現干擾行 人的強風出現，實務上應加以避免或改善。 4. 橫風向街口往往是風速比較低的區域，特別是在下游最外側之橫向街谷， 風速比多為 0.3 以下或接近 0.1，低風速比的風場將使行人容易感到悶熱 不舒適，且影響空氣流通。 5. 流體力學渠化效應獲得驗證，本研究究進行棋盤式街谷之行人風場特性 試驗前，先以熱線則速儀(hotwire probe)進行兩高層建築物間通道風速剖 面量測，共量測通道內上中下游 3 個剖面。量測結果顯示，通道內風場 有明顯的渠化效應，使中下游之風速剖面有明顯加速現象。 6. 綜合比較都更前後街谷內風場特性，都更前後各街谷風速在舒適性風速 之上的風攻角分佈區域約在 10°~120°，但都更後基地興建新高層建築使 得原來街谷風場風速相對降低，驗證高層建築物對街谷內風場具有一定 的影響程度。 四、主要建議事項 建議一 以實際案例進行風洞試驗或 CFD 模擬：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：風雨風洞實驗室 本研究於試驗規劃時為簡化問題將高層建築下游區域假設為棋盤式街 廓，並以固定長寬高與街谷寬度進行試驗，此方式可了解前方高層建興建後 對下游街谷內的風場特性。惟實際都市區域並非此類型態，建議於未來研究 應以一實際案例進行風洞試驗或 CFD 模擬，分析討論街廓內的建築型態或排 列方式對戶外空氣自然流通的影響。 建議二 建立空氣流通評估標準：立即可行建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 高層建築物容易因密集化排列而形成巨大的阻礙對下游街谷通風產生

遮蔽效應，影響自然通風能力。目前新北市政府已領先全國注意到此環境問 題，將空氣流通評估納入都市設計審議規則中，惟多大的自然通風量才是合 理的，亦或該以何種指標代表戶外通風能力，目前在相關規定中皆付之闕如， 因此建議相關單位除重視戶外通風問題外，應明訂相關標準俾供都市設計審 議參考。 建議三 風環境評估項目納入都市設計審議規則：中長期建議 主辦機關：各縣市政府 協辦機關：內政部建築研究所 環評法規規定高層建議物應對其產生的風場加以評估，並提出適當的改 善策略，必要時得以模擬或試驗分析之。此乃針對高層建築所產生的強風問 題加以規定，但尚未強制執行相關試驗。另一方面自然通風問題目前則僅新 北市政府於板橋江翠北側地區之都市細部計畫加以規定，建議其他縣市政府 應將風環境評估項目落實於都市設計審議規定中，以確保都市發展與環境問 題能共存共榮。

ABSTRACT

Keywords： High-rise building、Urban design review、Air ventilation assessment 、Wind tunnel test

Ⅰ Foreword

Dense urban area of the building amount of body fish scales hinder wind farm shaped urban centers leaving a serious weak wind regions, that have a smaller environmental wind ventilation within the city center. And Outdoor low ambient wind ventilation: (1) easy to create urban heat island effect and increased outdoor temperature, affect human comfort, (2) make the accumulation of pollutants in the formation of environmental pollution in the city, and (3) reduce indoor air exchange rates and weakening interior room ventilation affect our health.

For early response to such environmental wind tunnel test ventilation effect, this study intends to establish an environmental wind field measurement method of ventilation to the Valley of the wind field characteristics for the city streets, except for urban design review for reference, and the establishment of the firm the new wind tunnel laboratory detection of energy, and to verify the percentage of new buildings north of the city government each building facade width and maximum net base average width is less than 70% if appropriate design.

Ⅱ Methodology and Procedures

This project is based on wind tunnel test methods for environmental wind field measurements of ventilation, so will plan a series of wind tunnel tests of different amounts of body building corridors wind speed measurements. Will cooperate with Taiwan's urban patterns to build a wind tunnel test B when the conditions were rough element to form a proper wind profile, build the right amount of surface anemometer to measure wind ventilation changes.

Ⅲ Important Findings

regardless of the width of street canyons, which are within the local wind speed did not enter the street than the valley before the wind is high, there is a clear drainage from the technical side is concerned, the test configuration and parameters of this study is to develop ways in the air to avoid interference with the natural flow who weigh under strong winds, pitch ratio (S / D) = 1.125 (spacing between two adjacent buildings 22.5m) that open space than the optimal ratio of about 33%, verifiable new North north of the city government in the sum of Itabashi not wide regional base 70% of the predetermined average width of the base is still larger than desirable.

When the height ratio (H / D) = 3 (building height 60m) It should be noted that when the shadowing effect of low wind speed problems arising. From the test results while height ratio (H / D) = 3, because of the height increase airflow under the windward side of the cut increased, so that the corner vortex effect increases with canalization, and begin to add localized strong winds. When height ratio (H / D) = 3 over this phenomenon is more obvious, so height ratio (H / D) = 3 which should begin to pay attention and disturbing low wind shadowing effect strong winds problems arising.

Overall, the checkerboard downwind valley due to the street parallel to the flow direction, suffered wind speed is more than acrosswind Valley High Street. By the research trials showed that the upstream entrance to the street canyons certain circumstances downwind wind speed ratio of 0.8 or more, or even close to the case of 1.0, then there is a high probability of interference occurs pedestrian strong winds occur, should be avoided or improved on the practice.

blocks are often acrosswind relatively low wind speed areas, especially in the transverse valley downstream of the outermost of the street, the wind speed more than 0.3 or less than or close to 0.1, lower wind speed than the wind farm will make pedestrians easy to feel uncomfortable hot, and the impact of air

circulation.

Hydrodynamic effect before canalization validated, this research study conducted pedestrian street wind farm performance test checkerboard Valley, first to the hotline will speed meter (hotwire probe) were measured channel wind profile between the two high-rise buildings, a total measurement channel within the middle and lower reaches three sections. Measurement results show that the wind farm has a clear channel of canalization effect, the middle and lower reaches of the wind speed profile has significantly accelerated the phenomenon..

Valley is more comprehensive comparison of before and after the wind field characteristics of the street, both before and after the street more valley region wind speed distribution angle of attack on the comfort of the wind speed of about 10 ° ~ 120 °, but are more base after making the original construction of the new high-rise building Street Valley wind farm wind speed is relatively lower, verify high-rise buildings across the street from Valley wind farm has a certain degree of influence.

Ⅳ Major suggestions

In actual cases wind tunnel tests or CFD simulations

In this study, test planning in order to simplify the problem will rise buildings downstream area is assumed to be checkerboard street blocks, and a fixed length and breadth and width of street canyons test, this approach can be understood in front of the high-rise building construction downstream Street, Valley of the Wind field characteristics. But not the actual urban area such patterns, it is recommended in the future should be based on an actual case study of wind tunnel testing or CFD simulation, analysis discuss the impact of architectural style or arrangement of street blocks within the natural flow of outdoor air.

Establish evaluation criteria air circulation

Vulnerable to intensive high-rise buildings are arranged to form a huge impediment to downstream street canyons ventilation produce shadowing effect,

the impact of natural ventilation capacity. Currently, the new government has a leading North nationwide notice this environment, the air flow assessments into the urban design review rules, but how much is a reasonable amount of natural ventilation, or will the index in which representatives of the outdoor ventilation capacity, is currently in the relevant lacking provisions are paid, it is recommended that the relevant units in addition to attention to outdoor ventilation problems, should express the relevant standards to serve for urban design review reference.

Wind environmental assessment projects into urban design review rules

EIA regulations to deal with high-level recommendations substance which produces a wind farm to be assessed, and to make appropriate improvement strategy, to simulate or test analysis when necessary. This is to be provided for the strong winds problems arising from high-rise buildings, but not to enforce the relevant tests. On the other hand natural ventilation problems at present only new provision in the city north of the city government to plan detailing the north area of Banqiao recommend other county and city governments should wind environmental assessment project implementation in urban design review regulations to ensure that urban development and environmental problems can be coexistence.

第 一 章 緒 論

第一節 研究背景

隨著台灣地區經濟的迅速發展以及都會區人口聚集，建築物的高層化與 高密度化已無法避免，高層建築可視為巨型阻礙物，氣流因建築、建築群的 存在而改變行進方向，進而造成下切、縮流、渠化、渦漩(vortex)、角隅流(corner flow)、尾流(wake)；另有遮蔽、穿堂風(through flow)等效應，上述效應除了 造成建築物或建築群興建後產生瞬間的強風，而影響行人及低樓層建築使用 者的安全性及舒適性問題外。對其下游空間亦因遮蔽效應而產生弱風區域， 進一步使空氣對流減少而影響戶內外自然通風，造成都市熱島效應加劇，甚 至使得空氣污染物蓄積於都市內。 過去高層建築僅評估瞬間強風對人的安全性影響，係因過去數十年有許 多案例行人強風造成意外傷亡事件，列如美國與英國均有發生過行人被建築 物周遭的強風吹襲而跌倒受傷的案例，美國在 1972 年甚至有兩位老婦人在高 樓附近被強風吹倒而受傷致死，在國內則有台北市羅斯福路台電大樓周遭發 生的掀裙風。相反的，高層建築的密集化所產生的遮蔽效應使得部份區域風 場弱化，因無涉生命安全較不為世人所重視，但近年來環境議題逐漸抬頭， 為節能減碳，綠建築成為我國重要的環保建築系統，而其評估指標中空調節 能即為重要的參數之一。欲減少空調的使用除了須阻隔熱能外，最重要的就 是須有最佳的室內通風效益，但室外如長年為低風速之弱風特性，室內想達 到良好的通風效果無異是緣木求魚。 如同前述，強風和弱風對我們居住環境的安全性、舒適性均有重要的影 響，在同一都市區域內兩者如何取得平衡即為重要的課題。行人強風問題國 內除已相關法令規定，在評估技術上亦有一套完整的評估方法與準則。而弱 風影響的探討相對較少，但新北市政府於 102 年 8 月 29 日通過之板橋江翠北 側地區都市設計審議原則，首創全國風環境管制項目，其主要用意在避免高 層建築興建後弱化下游地區之風場，顯見弱風速問題已逐漸受到重視。

第二節 研究緣起與目的

建築物型式受到經濟的高速發展、人稠地稀以及建築材料的強化等因素 影響下，在高度以及密集度有漸增的趨勢。同時考量日照、景觀以及交通而 必須將建築物間距拉大，並設置購物、商場、餐廳、兒童遊玩乃至戶外展覽 等開放空間以提高居住、生活品質以及商業利用價值，部分都會商區大樓於 低樓層及露台提供了類似的設計，此區域之空間規劃常將花園、植栽、水池 及噴泉等設計納入考量，但由於鄰近高樓改變了風向、風勢往往使得這些規 劃經常暴露在惱人的強風之下，使得原先設計的美意大打折扣。 為求開發案的成功與完美，業主、開發商及建築師均盼能在開放空間、 行人徒步區提供舒適、安全的活動環境，對於建築物含基地周圍在興建前自 概念、規劃、設計階段即先預估建築物四周及建築群間的風場、氣流狀況， 並進一步提出較佳之設計方案來予以改善控制。因此，一些先進國家包括台 灣在內也紛紛立法來要求作風場的環境影響評估。環境風場評估標準在歐美 各國及大都市運用已久，相關都市開發單位及建築業者皆依循此進行設計考 量，國內亦有進行環境風場評估建築之相關規定。 基於前述，環保署於民國 86 年 12 月 31 日發佈之「開發行為環境影響 評估作業準則」，其中第 22 條規定：「開發行為中除煙囪外有 70 公尺以上 之高層結構體者，其可能產生之風場、日照、電波以及空氣污染物擴散之干 擾等負面影響，應予預測及評估，並提出因應對策；必要時應進行相關之模 擬分析或試驗」。其中第 42 條規定：「規劃高樓建築時，應重視其品質與景 觀之整性；並評估高樓建築對周遭環境所產生之風場、日照、電波、交通、 停車或帷幕牆反光以及室內停車場廢氣排放等之衝擊」。台北市「綜合設計 公共開放空間設置及管理維護要點」第 7 條規定：「建築高度超過 60 公尺， 應作風洞效應評估，尤其側重超高層建築物所可能產生之微氣候及對公共開 放空間使用之影響。」，以上兩法規均規定，高層建築對周遭環境所產生之 風場應加以評估，並提出適當的改善策略。 另一方面，密集的都市區域建築量體櫛比鱗次對風場形阻礙而使都市中

心形成嚴重的弱風區域，亦即都市中心內有較小的環境風場通風量。而戶外 低環境風場通風量：(1)易造成都市熱島效應而增高戶外溫度，影響人體舒適 度，(2)使污染物蓄積都市內形成環境污染，(3)降低室內通風交換率而弱化室 內通風量影響居室建康。 102 年 9 月新北市政府為促進環境通風的效益，率先全國第一個提出風 環境管制事項，針對板橋江翠北側重劃區，規定在建築物開發上，建築物各 幢立面最大淨寬度與基地平均寬度之百分比低於 70%設計，拉開了建築物間 的棟距，避免過去水岸建築物臨河景觀面最大化設計方式，避免對水岸都市 景觀之產生不良影響外，藉由環境風對流，達到通風之目的。本地區沿河第 一排街廓之高層建築物，未來進行都市設計審議，除應依相關規定辦理風洞 試驗外，亦應提出環境風場試驗成果說明，以利都市設計委員進行審查。 為提早因應此類環境風場通風效應之風洞試驗，本研究擬建立環境風場 通風量測方法以了都市中街谷內風場特性供，除可供都市設計審議參考，並 可建立本所風洞實驗室之新檢測能量，同時驗證新北市政府研擬之建築物各 幢立面最大淨寬度與基地平均寬度之百分比低於 70%設計是否合宜。

第三節 研究內容與方法

本計畫主要是以風洞試驗方法進行環境風場通風量測，因此將規劃一系 列的風洞試驗進行不同建築量體之風廊道風速量測。進行風洞試驗時將配合 台灣都市型態建置 B 地況粗糙元以形成適當之風速剖面，建置適量之地表風 速計，以量測在風場通風量變化。 本研究預計之研究內容與步驟如下： 一、國內外研究文獻之蒐集與整理 (一) 蒐集國內外都市環境風場通風量效益之相關資料。 (二) 蒐集都市環境風場通風量之風洞試驗方法以供試驗規劃參考。 二、試驗規劃與模型製作 (一) 參考相關文獻規劃試驗參數與通風量量測點位佈設方式。 (二) 製作主建築物模型及周遭建築物量體模型。 三、風洞試驗量測 (一) 針對高層建築物不同間距、高度進行風洞試驗，量測下游街谷之風 場特性，並與同時量測下游周遭建築量體間之風速。 (二) 量測不同高層建築物與第一排街廓距離，對下游街谷風場特性之影 響。 四、風洞試驗數據整理： (一) 本研究將以無因次平均速度等值圖及街谷內中心點位風速曲線圖以 表示前述各項試驗變數下之風場特性。 (二) 探討分析主建築物興建前後其下游風場特性變化，以探討分析高層 建築物影響下游風場之程度。 五、歸納與分析： (一) 藉由前述的試驗結果驗證開放空間對風環境的影響，同時由試驗過 程研擬出環境風場影響評估方法、步驟與相關注意事項。供未來相 關法令規範研擬之參考。

第 二 章 文 獻 與 理 論 背 景 分 析

第一節 地表風場特性

地表附近空氣的移動受到地面之起伏、建築物、林木作物分佈等的磨擦 作用的影響，使得平均風速隨高度而變，形成一垂直分佈剖面，越接近地表 風速越慢(參見圖 2-1)；換言之此「風速剖面」直接受到地表粗糙狀況之影響。 而影響所及的範圍就稱之為「大氣邊界層」。在邊界層頂部之風速通常稱之 為梯度風速(gradient wind)。 一般風工程之應用所涉及的問題大都發生在較強的風勢情況下，近地表 上數百公尺高度的大氣邊界層範圍之內。在強風的情況下，大氣紊流作用遠 超過熱對流作用。由於紊流之強制混合趨向於形成中性層差。所以本節對大 氣邊界層之討論僅限於中性層差之大氣邊界層。 大氣邊界層之厚度，在中性層差的情況下，視風之強度、地表之粗糙程 度及所在之緯度而定，通常在數百公尺至數公里之間。本案之風洞模擬實驗， 很重要之一項工作即是要模擬邊界層高度內紊流流場的各項重要性質，其中 包括有平均風速特性及紊流特性。 一、平均風速剖面 一般常用於規範邊界層風速剖面的有兩定律，一為指數律(power law)， 另一則為對數律(logarithmic law)。 （1）指數律(power law) 邊界層流中水平方向均佈之地形上的平均風速剖面，以指數律表示：  

















Z

U

Z

U

(

)

(2-1)

其中，U 為縱向之平均風速；Z 為地表上之高度；Uδ為梯度風速；δ為 大氣邊界層厚度；α為指數。在現行工程應用中之假設為：○1 一個α為定值 之指數律可是用至梯度高度δ。○2 邊界層厚度δ僅只為指數α之函數。 （2）對數律(logarithmic law)

越接近地表的地方，其風速的擾動性越高，解析描述也就越加困難。在 地表層(或稱之為常應力層)其剪應力值τu與地表面之剪應力值τ0極為接近， 且其橫風向之風速分量 V 極小。對邊界層橫風向之平均風速方程積分至高度， 再加以整理可得。 f u b Z_l  *

_(2-2)

其中，Zl 為對數律之有效高度；u*為剪力風速＝(τ0/ρ)0.5；f 為科氏力 參數；ρ為空氣密度；b 為常數，其值約在 0.015 至 0.03 之間。微氣象學研 究的一些結果顯示，在地表其平均風速剖面可用下式表示：

U(Z)=(1/k) u

*

ln(Z/Z

0

) (2-3)

其中，k(≅0.4)為 Von Karman 常數；Z0為地表粗糙長度(roughness length)。

公式(2-3)即為通常所稱之對數律。實場量測結果指出，在強風之情況下，對 數律之適用範圍可達數百公尺之高度。有關在不同地表情況下，上述討論之 大氣邊界層各參數的建議值詳見表 2-1。 二、紊流特性 紊流強度是紊流擾動流速大小的表達方式。將擾動風速之均方根值(root mean square)除以平均風速值，以百分比之方式表達出來，邊界層中某特定高 度 Z 之紊流強度，其定義如下：

 

₁₀₀

_%

.(%)

.

5 . 0 2





i i

U

u

I

T

(2-4)

其中，T.I.(%)為 i 方向上之紊流強度；ui為 i 方向上之擾動風速；Ui為 i

方向之平均風速。而縱向擾動風速之均方根值與地表剪應力風速有下列關 係： 2 * 2

u

u

_i





(2-5)

其中，β值通常假定與高度無關，在一般工程應用上可取為 0.6。在非 常粗糙的地況下，其值最低可達 0.4。

大氣邊界層中的紊流性質除了前述的紊流強度之外，紊流長度尺度 (turbulence length scale )以及紊流頻譜密度函數(turbulence power spectrum density function)和交相關頻譜(cross-spectrum density function)都是進行風洞 模擬時不可忽略的重要特性。

圖 2-1 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 資料來源：【11】

表 2-1 大氣邊界層之α、δ及Z 建議值 ₀

參考文獻 Coastal Area Open Terrain Suburban Terrain

Centers of Large City α1 δ2 Z03 α δ Z 0 α δ Z0 α δ Z0 Davenport – – – 0.16 275 – 0.28 400 – 0.40 520 – ANSI 0.1 215 – 0.14 275 – 0.22 370 – 0.33 460 – Cook, N. J – – 0.003 ∣ 0.01 – – 0.03 ∣ 0.1 – – 0.3 – – 0.8 ESDU – – – – – 0.02 ∣ 0.1 0.26 – 0.2 ∣ 0.6 0.35 – 0.7 ∣ 1.2 耐風設計 規範 － － – 0.15 300 – 0.25 400 – 0.36 資料來源：【本研究整理】 1_{α：邊界層風速剖面冪數律指數} 2_{δ：邊界層厚度，單位：公尺} 3 Z0：粗糙長度，單位：公尺

第二節 建築物週遭氣流特性

由於大氣中複雜的氣流運動造成行人風場，進而影響建築週遭的居住、 用路人生活品質。影響氣流複雜變動的可能因素包含有：風速、風向、建築 物的外形、及附近建築物高度、位置、外形等。本節就建築物附近可能形成 行人風場的氣流描述如下： 一、渦漩(Vortex)： 當風場遇到高層建築時，一部分的氣流往上或往左右兩側溢散，另一部 分則產生下切氣流，對地面形成加速的渦漩，當建築物斷面愈寬愈大時，此 種渦漩現象越明顯。 二、尾流(Wake) 當風場越過建築物，流場會在建築物的背面形成一尾流，此氣流會向下 形成一迴旋的流場。 三、穿堂風(Through Flow) 當建築物有前後貫穿的街谷，氣流通過此街谷會產生加速的現象，此現 象稱之為穿堂風，此種氣流對貫穿的街谷的行人或緊鄰此街谷的出入口將產 生不舒適或產生危險的情形。 四、角隅強風 當氣流由建築物的兩側溢散時，在角隅處會產生突然加速的強風，對結 構外強形成強勁的負風壓，因此角隅處結構外牆或其他景觀設部設計應更為 小心謹慎。 五、遮蔽效應(shelter effect)： 相近高度的建築群相鄰而立時，對於近面來的氣流產生類似阻牆的遮蔽 效應，迫使流場往建築群的上方越過或側邊繞過[2]。

六、金字塔效應(Pyramid effect) 對於逐漸上升的建築或建築群，建築物頂部分離的剪力層受到漸次升高 的邊界影響，匯聚成一股向上的氣流。 圖 2-2 金字塔效應示意圖 資料來源：【本研究繪製】 七、縮流效應(venture effect) 當風由一寬廣的區域進入狹窄的街道時，由於斷面積減小，造成氣流加 速現象，形成高風速出現，此種加速應會隨著建築物距離的增大會明顯減低。 [2] 圖 2-3 縮流效應示意圖 資料來源：【本研究繪製】 縮流效應

八、渠化效應 都會區中沿街兩側建築物多有平整的立面且相互比鄰，對於運行期間的 氣流而言，有如渠道之兩壁，此現象會驅使接近地面的氣流脫離原來風向而 沿街谷的走向流動。[2] 圖 2-4 渠化效應示意圖 資料來源：【本研究繪製】

第三節 行人風場改善方法

行人風場評估後若無法滿足區域使用目的，則應提出適當的改善措施以 滿足安全性與舒適性的要求，依據朱佳仁教授提出之改善措施可分為修改建 築物的設計與在建築物周遭設置防風設施，分述如下[3]： 一、修改建築物的設計 （一）建築物的座向：若建築物的迎風面為寬邊，則此迎風面與角隅處 出現強風的機率相對提高，迎面愈寬愈高，下切氣流會愈強，強風的區域愈 大。反之，建築物的寬邊座向與建築物平行，則下切氣流會較弱。因此，設 計時應注意盛行風與座向關係。 （二）建築物的基座：若建築物底部數層有突出的基座、平台或裙樓， 可減少下切氣流對地面行人之干擾，但另一方面，下切氣流在突出基座上方 會形成強烈的渦流，可以配合其他防風設施以減緩下切氣流的強度。 （三）建築物角隅設計：若建築物外型有尖銳的角偶或較大的削角，則 可能會引發角偶渦流。若將角隅圓角化或採用多邊形，則可減弱角隅渦流。 （四）建築物之出入口：若大樓底層為挑空式設計或有前後貫通的街谷 或開口，則可能產生穿堂風，會對進出大樓及經過開口的行人形成干擾。如 設計上難以避免，則可考慮設置自動門、旋轉門或屏風等設施，兼顧防風與 出入安全。 （五）中空式建築：若建築物的立面開了一個大型的中空開口，氣流可 直接穿透而過，則建築物迎風面與背風面的壓差會變小，迎風面的下切氣流 和角隅渦流亦會減弱，但中空開口處可能會產生穿堂風的現象。 （六）騎樓：建築物底部靠近街道處若採用騎樓式設計，不但可以遮日 避雨，亦可減少下切氣流對騎樓下方行人的直接影響。 （七）建築物的表面粗粗糙度：建築物的表面粗糙度會影響附近的風速 和其表面的風壓，建築物表面愈粗糙，下切氣流愈弱。建築物外形若為圓弧 形的斷面，氣流與建物表面分離的位置和雷諾數及其表面粗糙度有關。 （八）相鄰建築物的配置：高度相差太大的建築物若仳鄰而立，容易產

生較強的下切氣流，故設計時應儘量避免高度相差較大的建築物配置在一起。 近似高度與規模的建築群，則須注意其寛邊的座向儘量不要和該地盛行風向 一致或接近，以防止縮流效應或渠化現象。 設置防風設施 若建築物無法修改其設計，可以在建築物四周設置防風設施以改善風場。 防風設施包括防風柵網、植栽、棚架和雨披。以下分述之： （一）防風柵網：防風柵、防風網或圍籬對於地表風場的影響有遮蔽、 過濾、偏向及導引等作用，其效果視防風柵網的高度、孔隙密度及其座向與 風向的關係而定。在防風設施後方 5~10 倍防風設施高度的距離內，有最佳的 防風效果。且防風柵網應與盛行風的方向垂直，但必須考慮防風柵網是否會 影響到周遭的視野、景觀或阻礙行人的活動。 （二）植栽：植栽對行人風場的改善效果類似防風柵網，且兼具有綠化、 美觀、改善空氣品質和吸收噪音的效用。至於防風效果則視植物之種類及栽 植方式而異，無論濃密或稀疏的樹林，對氣流都會產生阻力，減低風速。過 於濃密的樹林反而因貫穿氣流過少，在背風面形成低壓區，造成逆向流，防 風效果反而變差。孔隙密度在 30~50%之間，會有最佳的防風效果。 棚架和雨披： （三）大樓底部若常發生強風，可以設置棚架或雨披以減弱下切氣流對 地面行人的直接衝擊，且棚架可遮陽和遮雨，棚架下可規劃為休憩、活動或 商業區域，棚架上亦可種植爬藤式的植物以達到綠化的功效。

第四節 文獻回顧

單棟矩形版高層建築附近流場型態如下圖 2-10 所示【5】，當風場接近 建築物時會逐漸分離，部分流場越過建築物上方 1 號流線，另一部分則在建 築物附近如 2 所示，於迎風面建築物高度約 70%的位置會有停滯點而出現最 大風壓力，由此停滯點開始流場在迎風面往向上、兩側及往下低壓力區移動， 分別如流線 3、4、5 所示，流量最大的下切流場在接近地表處產生渦流，此 渦流可稱為：直立渦流(Standing Vortex)、前方渦流(Frontal Vortex)或馬蹄渦 流(Horseshoe Vortex)，接近地面的馬蹄渦流方向正好與來流(approaching flow) 相反，此兩股流場會在建築物前方如點 7 位置交會產生低速區。 圖 2-5 建築物週遭流場 資料來源：【7】 另一部分馬蹄渦流(Horseshoe Vortex)往兩側延伸，繞過角隅處造成流場 分離而形成如點 8 處之高風速角隅強風，同時與另一波來流匯集如流線 9 所 示 。 另 外 在 背 風 面 處 產 生 低 風 壓 區 域 而 形 成 逆 流 (backflow) 和迴旋流 場 (recirculation flow)，如流線 10 和 13 所示。另一個低風速的遲滯區在建築物

下游處，迴旋流場(recirculation flow)終點形成如點 11 所示，通過此區域流場 重新恢復原來的方向以低風速向前進，如流線 12。逆流亦可視為造成建築物 後方旋轉渦流之主要原因，在此渦流和角隅風場之間，有一高速度梯度存在， 稱為分流剪力流(separation shear layer)。

事實上，有兩個風壓系統存在前述的流場型態，第一個風壓系統主要作 用在建築物的迎風面區域的最大壓力停滯點及其他低壓力區，此系統造成直 立渦漩的產生並延續至角隅流場。另一個風壓系統是由迎風面的高壓區域和 背風面的低壓域組成，形成建築物後方的逆流和角隅風。此二風壓系統造成 建築物附近的複雜流場型態【5】。 李偉誠，謝俊民(2011)利用計算流體力學(CFD)以台南市的氣象資料探討 不同的街廓比對街谷內風環境的影響，其主要針對風速低於 1.5m/s 的微風， 分析不同街廓比在地表高 1.5m 和 5m 處之風環境特性，並以韋伯機率推估低 風速之發生機率，研究結果顯示都市街道中隨著街廓長寬比的增加，風速減 緩現象越趨明顯。 A.P. To,K.M.Lam(1995) 等人以在風洞進行鄰棟建築之配置型式對其周 遭行人風場之影響。配置型式有三種：單棟建築、順風向前後排列和橫風向 的左右排列，採用固定街谷寬度進行試驗，研究顯示，前後排列對行人風場 影響較小，但若以左右橫向排列，街谷的流場風速則明顯受鄰棟建物影響而 有加速的現象。 圖 2-6 建築物配置型式 資料來源：【8】

T. Stathopoulos, H. Wu and C. Bedard 等人(1992)以 4 種不同建築尺寸分 別改變 8 組相鄰間距大小進行風洞試驗，探討兩棟建物街谷之地表風場特性， 結果顯示當 L/S=0.4 (L 為街谷寬，S 為斷面尺度影響因子)。時，有最大的風 速出現。

Bert Blocken, Ted Stathopoulos(2007),以 CFD 進行相鄰建物街谷風場模 擬研究，研究結果將街谷內流場分為阻抗流場、交互作用流場和獨立流場， 阻抗流場為街谷寬度很小其流場類似兩建物併排的情況，獨立流場則是街谷 寬度很大，兩建築對街谷流場不交互影響，交互作用流場則介於兩者之間街 谷內流場受兩建築物影響而互相干擾。

Bert Blocken, Ted Stathopoulos ,Jan Carmeliet, (2008),以風洞試驗進行雙 棟 狹 長 建 築 不 同 配 置 型 式 之 風 環 境 研 究 。 研 究 結 果 顯 示 ， 開 叉 式 街 谷 (diverging passage)的風速高於交會式街谷(converging passage)，同時也顯示風 速隨著街谷寬度的增加而增加。開叉式街谷風速在風攻角=0 度時最大。交會 式街谷的最大風速則出現在風攻度=15 度時。 C.W. Tsang(2011)等人針對不同的建築尺寸、排列間距與基底探討建物 附近行人風場的影響，排列間距部分設定 4 棟並排建物，尺寸為 25m(寬)、 25m (深) 、 125m (高) ，相鄰間距 S=0、6.25、12.5、18.75、25m，進行風 洞試驗。分析結果顯示，間距 S 從 0.65 到 25m，街谷間最大無因次化風速分 別為 1.0、1.12、1.15、1.11。 圖 2-7 高層建築物附近風場分佈圖 資料來源：【10】

第五節 國內環境風場相關規定

一、環保署 依據我國環保署於民國 86 年 12 月 31 日發佈之「開發行為環境影響評 估作業準則」，第 22 條規定：「開發行為中除煙囪外有 70 公尺以上之高層 結構體者，其可能產生之風場、日照、電波以及空氣污染物擴散之干擾等負 面影響，應予預測及評估，並提出因應對策；必要時應進行相關之模擬分析 或試驗」。 第 42 條亦規定：「規劃高樓建築時，應重視其品質與景觀之整性；並 評估高樓建築對周遭環境所產生之風場、日照、電波、交通、停車或帷幕牆 反光以及室內停車場廢氣排放等之衝擊」。同時 二、台北市政府 為了評估高層建築對環境微氣候的影響，台北市「綜合設計公共開放空 間設置及管理維護要點」第 7 條亦規定：「建築高度超過 60 公尺，應作風洞 效應評估，尤其側重超高層建築物所可能產生之微氣候及對公共開放空間使 用之影響」。 一、新北市政府 新北市政府針對板橋江翠北側重劃區，其地點與範圍如圖 2-12 所示，首 創全國第一個提出風環境管事項的者市審議規則，該規則共包含 3 點如下： 建築基地平均寬度大於十五公尺以上者，建築物各幢立面最大寬度（以 淨寬度計算）與送審基地平均寬度之百分比應不大於百分之七十為原則。(如 下圖 4-13 所示) 為促進環境通風的效果，降低都市熱島效應，並避免高樓風對人行的影 響，沿河第一排街廓之高層建築物，應提出環境風場試驗成果說明 為確保通風廊道與景觀廊道的功能，垂直河岸道路留設之四公尺無遮簷 人行道，規劃時應能保持良好自然環境視覺通透，且全天二十四小時供公共 人行通行，並得計入法定空地。所留設之無遮簷人行道，除考量夜間照明外，

應與相鄰道路之人行道高程齊平，且沿該無遮簷人行道兩側一點五公尺範圍 內植栽喬木以綠化。 以上第一點係為避免建築物過於寬扁而影響其下游的環境通風效果，將 開放空間加大，可增加通風效果。同時為了確認環境通風效益且降低都市熱 島效應，並避免行人強風，規定沿岸第一排建築應提出環境風場風洞試驗成 果說明，這也足以說明過去高層建築僅針對行人強風探討，現在對於環境通 風效益也相對重視。同時於第 3 點為了使垂直河岸道路增加開放空間規定應 留設 4 公尺的無遮簷人行道。 圖 2-8 板橋江翠北側重劃區域範圍 資料來源：【6】 圖 2-9 基地內建築物面寬限制 資料來源：【5】

第 三 章 基 本 型 式 風 洞 試 驗

第一節 試驗規劃

本計畫研究重點在探討高層建築興建後對其下游街谷之風場特性影響， 以街谷中心線地表風速特性為主要探討重點，採用剛性模型設計，固定下游 街廓型式及街谷寬度等尺寸，而變異參數包括：高層建築與下游第一排街廓 距離及高層建築物之間距、高度等。藉由風洞試驗量測高層建築物下游之縱 橫向街谷及其外圍之地表風速，以探討高層建築興建前後其下游街谷內在行 人高度位置之風場特性變化。 本研究實驗規劃試驗模型比例為 1/250，含街廓模型如下圖 3-1 所示， 主建築物模型方柱長為 12cm，寬 D 為 8cm，H 為 7D，街廓型式為 3×3 的棋 盤式街廓，各街廓尺寸為 12cm(長)×12 cm(寬)×8 cm(高)，兩高層建築物間距 S 分 別 設 定 為 ： 0.375D(3cm) 、 0.75D(6cm) 、 1.125D(9cm) 、 1.5D(12cm) 、 1.875D(15cm)，而與下游街廓距離 L 為：0.75D(6cm)、1D(8cm)、1.25D(10cm)、 1.5D(12cm)。本研究試驗參數如表 3-1 所示。 圖 3-1 試驗模型規劃配置圖 資料來源：【本研究繪製】 WIND L S D

表 3-1 本研究參數表 參數 比值 高度比 H/D 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 間距比 S/D 0.375 0.75 1.125 1.5 1.875 -- -- 開放空 間比 例 20% 25% 33% 40% 45% -- -- 深度比 L/D 0.75 1 1.25 1.5 -- -- -- 資料來源：【本研究繪製】 地表風速計(Irwin Probe)配置型式如上圖 3-1，主要佈設在棋盤式街廓之 街谷內共 58 個點位，主要佈設區域為順風向的街谷內，其他則為橫向街谷及 外圍區域。 圖 3-2 高層建築間通道型式 資料來源：【本研究繪製】

上圖 3-2 為本研究設定之高層建築內通道型式，風洞實驗室內來流 (approaching flow)為 B 地況之風速剖面，首先進入高層建築間之通道內，通 道因渠化效應會有加速的現象。而本研究為確認通道內的風速剖面型態，在 通道內以熱膜探計(Hotwire)分別在上中下游三點處進行風速剖面量測，量測 結果如下圖 3-3 所示，B 地況風速剖面在進入通道後風速有加快的現象。 風場經過通道後再往下游移動，先經過第一排橫向街谷，由於風場不再 限縮於通道內其流場行為就與第一排街谷的寬度有相當程度的影響，若第一 排街谷寬度大，流場能量消散空間就大；如果寬度小是否就直接往順風向街 谷移動？兩者流入順風向街谷型態為何？是否影響其後棋盤式街廓內街谷的 風場，則有待進一步驗證。 圖 3-3 高層建築內通道風速剖面 資料來源：【本研究繪製】 本研究於風洞實驗室模擬 B 地況進行風洞試驗，如圖 3-4 所示以擾流板 及粗糙元形成 B 地況之風速剖面，圖 3-4 為本所風洞實驗室 B 地況之平均風 速剖面及其紊流強度剖面，指數律α值=0.25，符合我國「建築物耐風設計規 範與解說」定義之 B 地況。

(a)平均速度 (b)紊流強度 圖 3-4 B 地況平均風速剖面 資料來源：【本研究繪製】 Umean/U z/  0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Experimental =0.25 Turbulence Intensity (%) z/  0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

第二節 試驗儀器設備

內政部建築研究所風洞實驗室風洞本體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，為東南亞目前最大之 建築風洞實驗室。 整個風洞本體具有兩個測試區段，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 2.6 m，置於可移動式軌道上，定位於距測試區入口端約 25.5m 或 31.5m 處，並以機械控制使其做旋轉及上下運動，以進行建築物受 風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主。第二測試區則配置一座旋 轉盤，位於風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑為 2.6 m，主要用途以橋 梁測試為主。 環境風場試驗於本實驗室第一測試段之第二旋轉盤進行，本測試段長 36.5 公尺、寬 4 公尺、高 2.6 公尺，最大風速為 30 公尺/秒。風洞頂部為可調 式上蓋板，以維持測試段壓力梯度為零，並將阻塞比降到最低。實驗室相應 性能參數與配置圖如圖 3-5 所示。 一、循環式風洞性能 (一)、風洞尺寸 測試段長度 36.5 m 測試段寬度 4 m 收縮比 4.7:1 (二)、驅動系統 總功率 500 kW 風扇型式 直接傳動軸流式風扇 風速控制 變頻器控制馬達轉速 (三)、風速

最高風速 30 m/s 邊界層厚度 最高 200 cm 紊流強度 測試區處約 2 % (四)、順風向壓力梯度 零梯度由可調式上蓋板調整 圖 3-5 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 資料來源：【本研究整理】 二、風速量測設備 (一)、皮托管 本研究採用皮托管進行來流平均風速之量測，由皮托管所量測到的壓力 差值，利用伯努利方程式(Bernoulli equation)，即依據後式計算出相應之風 速。 (二)、熱線測速儀 來流風速剖面量測採用 Dantec 公司生產之熱線(hot-wire)測速儀進行。

所謂熱線測速儀是利用電流通過金屬導線時會使導線溫度升高，而當流體流 經金屬表面時會帶走部分熱量之原理來量測流體之速度。當探針(probe)所在 位置之電阻 R 值因溫度之改變而改變時，使得電橋失去平衡。本實驗室所有 之恆溫式流速儀，利用補償電路(compensating circuit)，因應流速之變動，對 流經探測元之電流做瞬間之改變來維持探測元之操作溫度固定不變(因而探 測元之電阻亦不變)，使電橋保持平衡狀態。如此即可經由回饋電壓的變化來 得知所要量測流場中流速之變化。實驗中，將測速儀裝設於可垂直與橫向移 動的移動機構，測針擺設位置均以電腦控制。 (三)、地表風速計 在進行行人環境風場試驗時，於風洞實驗中須定義行人高度的風場，在 風速的量測上，通常需要在不同的風向情況下，量測許多接近地表、不同位 置的測點。由於邊界條件的複雜，導致各測點風向的高度不準確性。再加上 紊流強度高，傳統之量測工具如皮托管與熱流速儀使用起來相當困難，其誤 差亦大。 本案之行人高度風速量測採用 Irwin[24]於 1981 年所發展出來的無方向 性地表風速計測器來進行，其原理是利用管與管中之細管(即管中管，內外兩 管共一中心軸，但內管突出較高)，兩者間之壓力差，參照預先率定之結果， 可迅速、正確地量測到行人高度上之水平方向風速。如下圖 3-6 所示。而其 風速計算方式如下式所示，其中 u 為風速，△P 為上述兩內外管之壓力差， α、β則為公式常數。 進行試驗前須率定每個地表風速計(Irwin Probe) 之α、β值方能進行風 速計算，本研究以用三維動態皮托管進行率定，如圖 3-7 所示。將三維動態 皮托管探針放置接近地表風速計處，同時量測 8 個風速點，將動態皮托管及 地表風速計之壓力差繪製如圖 3-8 所示，進行線性迴歸即可得α、β值。 P u  

y = 2.3228x - 1.4321 R2 = 0.9997 2 4 6 8 10 12 14 16 2 3 4 5 6 7 8 地表風速計壓力差(Pa) 三維 動態 皮托 管風 速( m /s) 圖 3-6 地表風速計剖面圖 資料來源：【24】 圖 3-7 使用動態皮托管校驗地表風速計 資料來源：【本研究整理】 圖 3-8 地表風速計校正回歸線 資料來源：【本研究整理】

(四)、壓力量測 上述之風速量測方法中，亦涉及壓力之量測。是本計畫採用多頻道電子 式壓力掃描閥，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。 本儀器為 SCANIVALVE 公司之產品，如圖 3-9 所示，其元件包括： 1.壓力訊號處理系統(RADBASE3200) (1) 最多可支援 8 組類比訊號轉換成數位訊號之轉換器(A/D MODULE) (2) 最多可支援 8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。

(3) 其類比訊號轉換成數位訊號(A/D convert)解析度達 16bit。 (4) 最大採樣速率可達 500Hz (5) 採用 USB 介面傳輸。 (6) 具備網路控制與傳輸功能。 2.壓力感應器模組特性： (1) 壓力感應範圍為±10in H2O (2). 誤差範圍為±0.2% 實驗中將各個風壓孔之壓力訊號經 PVC 管傳遞至壓力感應器模組，其 量得之訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦 圖 3-9 多頻道電子式壓力掃瞄器 資料來源：【本研究整理】

第 四 章 基 本 型 式 試 驗 結 果

本研究首先於風洞實驗室中以 B 地況分佈 58 個地表風速計進行高層建 築下游棋盤式街廓之風洞試驗，試驗時模型與地表風速計配置狀況如下圖 4-1 所示。以下就初步試驗結果說明如下。 圖 4-1 風洞試驗模型配置圖 資料來源：【本研究整理】 本研究主要探討棋盤街谷內外的之行人風場特性，研究數據皆以無因次 化平均風速型式呈現，本研究以大氣邊界層緣風速 Uh 為參考風速，各量測 點之平均風速為 Ui，各測點無因次平均風速為 Ui/Uh。研究成果以兩種型式 呈現，一為街谷中心線測點之無因次平均風速曲線圖，如圖 4-3 至圖 4-10 所 示；另一為無因次化之等值平均風速分佈圖，如圖 4-11 至圖 4-16 所示。

第一節 街谷內風速比曲線

本研究為利於探討棋盤式街谷內之風場特性變化將研究範圍內街谷加 以編號如圖 4-2 所示，圖中 L1~L4 分別為順風向各街谷編號，其中 L1 及 L2 為棋盤式街廓內順風向主要兩街谷，而 L3、L4 則為順風向棋盤式街廓外圍 部份。S1~S4 則分別為橫風向街谷，其中 S1 及 S2 為棋盤式街廓內橫風向主 要兩街谷，而 S3、S4 則為橫風向棋盤式街廓外圍部份。 本節就不同街谷探討其內行人高度之風場特性，分別以高層建築間距 S 及其與第一排街廓距離 L 為變數繪製成曲線圖，如圖 4-3 至圖 4-10 所示，圖 4-3 到圖 4-6 之橫軸為順風向街谷內地表風速計間距 Y 與街廓前高層建築物 深度 D 之無因次化，縱軸則為各地表風速計測得之平均風速與大氣邊界層風 速之無因次化，以下簡稱為風速比。圖 4-7 到圖 4-10 之橫軸順風向街谷內地 表風速計間距與街廓前高層建築物深度 D 之無因次比，縱軸則為風速比。 圖 4-2 風洞試驗模型街谷編號 資料來源：【本研究整理】

L 1

L 2

L 3

L 4

S 3

S 1

S 2

S 4

WIND

順風向街谷風速比 圖 4-3 為街谷 L1 之風速比曲線圖，其中(a)為高層建築與其後第一排街 廓之深度比(L/ D) =0.75， (b) (c) (d) 則分別為 L/ D =1、1.25 及 1.5，各圖又 分別以不同高層建築間距比 S/D =0.375、0.75、1.125、 1.5 及 1.875D 作為變 數。由圖(a)可以觀察當高層建築間距比(S/D)=0.375(3 cm)時由於三棟高層建 築幾乎是併排對下游街谷形成遮蔽效應，所以在 L1 的街谷內產生的風速比 相對偏低。將間距比(S/D)=0.75(6 cm)時街谷內的風速比則相對增加，特別是 進入街谷第 1 測點到第 6 測點範圍增加最為明顯。間距比增加至 S/ D =1.125 (9 cm)、1.5 (12 cm)及 1.875(15 cm)時街谷入口之風速比則接近 1。由圖 4-3(a) 亦可發現一個現象，隨著高層建築間距 S 的增加，在街谷 L1 中上游會之風 速比會隨著之增加，但在下游風速比則處於較低的現象，此一現象說明，當 來流風場(Approach Flow)通過高建築時因渠化效應兩建築間通道風速加快隨 之進入街谷 L1 內，除了間距比(S/ D) =0.375 (3 cm)，街谷內上游風速受前方 高層建築通道渠化效應加速影響使得風速比增加，但至下游處，則因能量消 散風速比逐漸不受前方高層建築通道影響。 高層建築與第一排街廓距離 L 為變數來看，L/D =0.75 (6cm)與 1(8cm) 曲線型態較為相近，風速比皆由上游往下游遞減。但 L/D =1.25 (10cm)與 1.5(12cm)則在街谷第第 5 個測點有風速突然增高的現象，其後再往下游銳減。 整體而言，L 越大即高層建築離後面街廓越遠，風速比曲線係逐漸下降。 圖 4-4 為街谷 L2 之風速比曲線，線型大致與 L1 相近，當高層建築間距 比 S/D=0.375 是風速比最低，S/D=0.75 時則略為提高，在間距比加大至 S/D =1.125、1.5 及 1.875 時三者曲線相近，而其下游風速比則較 L1 街谷波動大。 另以高層建築與第一排街廓距離 L 來看，也是 L 越大即高層建築離後面街廓 越遠，風速比曲線係逐漸下降。 圖 4-5 與圖 4-6 則為街廓內之兩外側街谷 L3、L4 之風速比曲線，當 3 棟高層建築間距 S 小，L3、L4 街谷所受風場係來流風場(approaching flow ) 遇高層建築受阻擋向往兩側角隅移動之渦流，同時與另一波來流於角隅外側 處有較快的風速。因此，由圖 4-5 與圖 4-6 可以看出，當高層建築間距 S 小

時相對其他間距型態之風速比為大，當間距逐漸加大時外側街谷受到阻塞效 應影響風速比逐漸下降。同時，可以發現上游風速比最高其後逐漸減少，到 約第 3、4 個測點時風速最低，再往上增加。主要係因高層建築角隅渦流往下 游移動後，形成低速逆流與迴流風場，本研究推估街谷中第 3 或 4 個測點(接 近第 4 測點)，應為逆流區的低速點，之後再往下游稍增加速度移動。 橫風向街谷風速比 橫風向街谷部分，本研究將其分為 S1~S4 四條街谷 S1 與 S2 為試驗範圍 街廓中內部橫向街谷，S3 為高層建築與第一排街廓間之街谷，S4 則為下游 最外側橫向街口。理論上來講，橫向街谷由於受街廓建築物阻擋，順風向來 流較不易進入橫向街谷內，因此，橫向街谷之風速比應較緃向街谷來得小。 圖 4-7 為橫向街谷 S1 之風速比曲線，由(a)(b)可以看出在第 3 及第 6 測 點兩個突高的風速比，此兩點為橫向街谷 S1 與順風向街谷 L2 及 L1 之路口， 因此風速比有增加的現象。但此現象在(c)(d)兩曲線圖相對不明顯，此仍高層 建築物與街廓距離變大所致，而其風速比均在 0.3~0.4 附近波動，屬於低風速 比區域。圖 4-8 則為再往下游移動之橫向街口，其圖(a)(b)型態與前述相同且 因位在更下游處，大部份風速比更為偏低約在 02~0.3 之間。 圖 4-9 為緊臨高層建築之第一排橫向街谷 S3，由圖(a)(b)可以看出，在 S=0.1875D 時有兩個風速比在 0.7~0.9 間，此種現象仍因高層建築間距加大後， 圖中風速比突高之測點係在角隅渦流強風位置，而其他點位則受高層建築遮 蔽影響處於低風速比。而前述之兩突高點，在圖(c)(d)則相對減弱此仍因高層 建築物距離拉遠後，該兩測點已不在角隅渦流之強風區內。另外，從小間距 S=0.375D 來看，最外側兩點風速比最高，越往內側風速比越低，而 S=0.75D、 1.125D、1.5D 則因各測點正好處於高層建築的背後低速尾流區，因此風速比 相對較小。而圖 4-10 為 S4 街谷處在試驗範圍最下游之橫向街谷，由圖(a) (b) (c) (d)可以看出，不論高層建築物之間距大小與下游街廓距離遠近，S4 街谷 均處於低風速比，大部分風速比均小於 0.3。因此可推論，高層建下游第三排 街廓即應考慮其低風速之問題。

(a) (b) (c) (d) 圖 4-3 順風向 L1 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-4 順風向 L2 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-5 順風向 L3 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-6 順風向 L4 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-7 橫風向 S1 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 X/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D X/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-8 橫風向 S2 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D X/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D

(a) (b) (c) (d) 圖 4-9 橫風向 S3 街谷風速比曲線 (a) L=0.75D (b) L=1D (c) L=1.25D (d) L=1.5D 資料來原：本研究繪製 Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D Y/D Ui /U h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S=0.375D S=0.75D S=1.125D S=1.5D S=1.875D