高層建築物風場環境評估準則研議

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(1)內政部建築研究所. 研究計畫成果報告. 高層建築物風場環境評估準則研議. 計畫主持人：丁副所長育群共同主持人：朱教授佳仁. 研究單位：內政部建築研究所計畫編號：MOIS 892030 執行期程：八十九年七月至八十八年九月中華民國八十八年九月三十日.

(2) 內政部建築研究所研究計畫成果報告. 高層建築物風場環境評估準則研議. 計畫主持人：丁副所長育群共同主持人：朱教授佳仁研究人員：林碧亮曾明性研究助理：蘇美双高昇敬. 研究單位：內政部建築研究所計畫編號：MOIS 892030 執行期程：八十九年七月至八十八年九月.

(3) ARCHITECTURE & BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Evaluation Criteria of Pedestrian Level Wind around High-Rise Buildings. BY Yuh-Chyurn Ding Chia R. Chu September 30, 1999.

(4) 誌. 謝. 本研究計畫進行期間舉辦之期初、期中及期末審查會議及一次專家諮詢會議，承蒙許多學者、專家及政府相關單位代表提供寶貴意見，特此申謝。.

(5) 摘. 要. 關鍵詞：高層建築物、行人風場、風洞試驗、計算流體動力學建築物周遭接近地面處之風場可能會影響到行人的舒適性與安全性，擾人或不安全的行人風場會直接影響到建築物的使用與其周遭區域的規劃，因此有關風場環境的評估與改善措施，已成為大型建築規劃設計時必須加以考慮的要項之一。國內一直缺乏環境風場的評估標準，使得國內的建築業者無所是從。這主要是因為建築物周遭的環境風場是十分複雜的現象，若要針對某個建築物在其興建之前，評估其環境風場，必須考量建築物的幾何外型、周遭建築物的相關位置、當地的氣象資料與區域的使用規劃，往往無通則可循。且風場的預測方法往往會影響到評估之結果。本研究便是針對適用於台灣都市使用分區和氣候條件的環境風場提出一個評估標準，並建議風場預測的方式如風洞實驗、數值模擬和風速機率函數應遵循事項，期望能建立一個客觀的環境風場評估標準和正確的風場預測方式，以減少都市開發對環境生態所造成的衝擊，並為台灣創造一個健康舒適的居住環境。.

(6) ABSTRACT. Keywords: High-rise Building、Pedestrian level wind、Wind tunnel testing、Computation Fluid Dynamics. The purpose of this research is to study the evaluation criteria regarding to the pedestrian level wind (P.L.W.) around high rise buildings. Based on the wind comfort criteria of foreign countries, a criterion suitable for Taiwan environment is suggested. The essentially parts of the evaluation criteria are included in the report：(1) Buildings should be evaluated; (2) wind comfort criteria; (3) Prediction method of wind field. Both the wind tunnel study and numerical simulation can be used to predict the wind environment around a proposed building. The method and procedure of wind tunnel experiment and numerical simulation are critically appraised. Furthermore, the probability cumulative functions for wind speed distribution of 25 meteorology stations in Taiwan are found..

(7) 目. 次. 第一章緒論第一節計劃緣起......................................................................................1-1 第二節研究目的......................................................................................1-2 第二章環境風場第一節地表風場特性 .............................................................................2-1 第二節建築物的影響 .............................................................................2-9 第三章評估方式第一節風場評估方法 .............................................................................3-1 第二節評估步驟......................................................................................3-4 第四章環境風場標準第一節國外標準......................................................................................4-1 第二節國內標準....................................................................................4-17 第五章風洞試驗第一節實驗設備......................................................................................5-1 第二節實驗條件......................................................................................5-4 第三節量測方法....................................................................................5-16 第四節實驗應注意事項.......................................................................5-21 第六章數值模擬第一節控制方程式 .................................................................................6-1 第二節紊流模式......................................................................................6-4 第三節邊界條件....................................................................................6-10 第七章風速機率第一節機率函數......................................................................................7-1.

(8) 第二節台灣地區的風速資料................................................................7-3 第八章改善措施第一節修改建築物的設計 ....................................................................8-1 第二節設置防風設施 .............................................................................8-3 第九章評估範例第一節評估流程......................................................................................9-1 第二節案例說明......................................................................................9-3 第十章結論與建議第一節環境風場標準 ...........................................................................10-1 第二節風場預測方式 ...........................................................................10-2 第三節諮詢單位....................................................................................10-5 第四節建議.............................................................................................10-6.

(9) 表. 目. 錄. 表 2.1. 地況分類與指律指數α值之關係............................................ 2-2. 表 2.2. 地表粗糙長度及零風面位移 ................................................... 2-3. 表 2.3. 蒲福風級表.................................................................................. 2-8. 表 4.1. 西安大略大學風洞實驗室的行人風準則 ........................... 4-10. 表 4.2. 美國學者 Simiu & Scanlan 的行人風評估標準 .................... 4-13. 表 4.3. 加拿大 RWDI 公司的行人風評估標準................................. 4-14. 表 4.4. 各國所使用之評估標準.......................................................... 4-16. 表 4.5. 各國環境風場舒適性標準之特性參數 ............................... 4-18. 表 4.6. 住宅區及風害敏感地區之評估標準.................................... 4-19. 表 4.7. 商業區及工業區的評估標準 ................................................. 4-20. 表 7.1. 中央氣象局所屬地面氣象站 ................................................... 7-7. 表 7.2. 台北市風速機率密度函數之參數值.................................... 7-11. 表 7.3. K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢定的臨界值 Dn ...................... 7-12. 表 7.4. 台北市風速資料之 K-S 檢定結果......................................... 7-13. 表 7.5. 台北市各風向之韋伯機率分佈參數.................................... 7-14. 表 7.6. 淡水各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-15. 表 7.7. 基隆各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-16. 表 7.8. 新竹各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-17. 表 7.9. 宜蘭各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-18. 表 7.10. 蘇澳各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-19. 表 7.11. 台中各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-20. 表 7.12. 梧棲各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-21. 表 7.13. 花蓮各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-22. 表 7.14. 日月潭各風向之韋伯機率分佈參數.................................... 7-23. 表 7.15. 澎湖各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-24.

(10) 表 7.16. 嘉義各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-25. 表 7.17. 台東各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-26. 表 7.18. 高雄各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-27. 表 7.19. 恆春各風向之韋伯機率分佈參數 ........................................ 7-28. 表 9.1. 台北市各月份平均風速、最大風速及主要風向.............. 9-11. 表 9.2. 台北市各風向之 Weibull 機率分佈參數............................... 9-17. 表 9.3. 台北市全年各風向的風速分佈百分比 ............................... 9-18. 表 9.4. 台北市春季各風向的風速分佈百分比 ............................... 9-19. 表 9.5. 台北市夏季各風向的風速分佈百分比 ............................... 9-20. 表 9.6. 台北市秋季各風向的風速分佈百分比 ............................... 9-21. 表 9.7. 台北市冬季各風向的風速分佈百分比 ............................... 9-22. 表 9.8. ~ 大樓周遭各測點之陣風風速 U / U δ (%) .............................. 9-24. 表 9.9. ~ 大樓周遭各測點之陣風風速 U / U δ (%) .............................. 9-26. 表 9.10. 各測點之風環境舒適性等級 ................................................. 9-28.

(11) 圖. 目. 錄. 圖 2.1. 不同地況之風速分佈 ..........................................................2-7. 圖 2.2. 下切氣流之示意圖 ..............................................................2-9. 圖 2.3. 建築物尾流示意圖 ............................................................2-10. 圖 2.4. 穿堂風之示意圖 ................................................................2-10. 圖 2.5. 建築物角隅強風之示意圖 ................................................2-11. 圖 2.6. 角隅渦漩發生處 ................................................................2-11. 圖 2.7. 遮蔽效應之示意圖 ............................................................2-12. 圖 2.8. 金字塔效應之示意圖 ........................................................2-12. 圖 2.9. 縮流效應之示意圖 ............................................................2-13. 圖 2.10 渠化效應之示意圖 ............................................................2-14 圖 3.1. 環境風場的評估步驟 ..........................................................3-5. 圖 4.1. 蒲福 1 級風 ..........................................................................4-2. 圖 4.2. 蒲福 2 級風 ..........................................................................4-3. 圖 4.3. 蒲福 3 級風 ..........................................................................4-4. 圖 4.4. 蒲福 4 級風 ..........................................................................4-5. 圖 4.5. 蒲福 5 級風 ..........................................................................4-6. 圖 4.6. 蒲福 6 級風 ..........................................................................4-7. 圖 4.7. 蒲福 7 級風 ..........................................................................4-8. 圖 4.8. 可供長時間停留的露天咖啡座 ........................................4-11. 圖 4.9. 快步行走時所感受到的風場............................................4-12. 圖 4.10 舒適性與安全性之風速機率圖........................................4-19 圖 5.1. 閉路循環式風洞之立體構造圖 ........................................5-11. 圖 5.2. 開放、吸入式風洞之立體構造圖 ....................................5-12. 圖 5.3. 中央大學大型風洞之上視圖及側視圖 ............................5-13. 圖 5.4. 中央大學大型環境風洞之影像圖 ....................................5-14.

(12) 圖 5.5. 風洞中邊界層流發展示意圖 ............................................5-15. 圖 5.6. 紅外線顯像法 ....................................................................5-18. 圖 5.7. 風蝕法 ................................................................................5-19. 圖 5.8. 油膜法 ................................................................................5-20. 圖 5.9. 地表風速計 ........................................................................5-21. 圖 6.1. 計算範圍之示意圖 ............................................................6-13. 圖 6.2. 邊界條件之示意圖 ............................................................6-14. 圖 7.1. 中央氣象局風速測站位置圖 ..............................................7-8. 圖 7.2. 中央氣象局風向圖 ..............................................................7-9. 圖 7.3. 台北市東風的風速累積機率分佈圖 ................................7-10. 圖 8.1. 中空式建築物對環境風場的影響 ......................................8-5. 圖 8.2. 建築物基座對下切氣流的影響 ..........................................8-6. 圖 8.3. 騎樓式建築物對行人風場的影響 ......................................8-7. 圖 8.4. 建築物表面粗糙度對下切氣流的影響 ..............................8-7. 圖 8.5. 底層挑空式建築物對風場的影響 ......................................8-8. 圖 8.6. 防風柵網、圍籬對風場的影響 ..........................................8-9. 圖 8.7. 植栽對風場的影響 ............................................................8-10. 圖 8.8. 灌木與喬木搭配對風場環境之影響 ................................8-11. 圖 8.9. 棚架、雨披對風場的影響 ................................................8-12. 圖 9.1. 台北市各月份之平均風速分佈圖 ....................................9-12. 圖 9.2. 台北市不分風向之風速分佈百分比圖 ............................9-13. 圖 9.3. 台北市全年與各季之風花圖 ............................................9-14. 圖 9.4. 風洞中試驗段之平均風速及紊流強度分佈圖 ................9-15. 圖 9.5. 風洞實驗模型之影像圖 ....................................................9-15. 圖 9.6. 量測點之位置圖 ................................................................9-16.

(13) 第一章. 緒論. 第一節計畫緣起隨著經濟的迅速發展、人口的增加，台灣各地都市化的現象愈形顯著。在都市有限的土地上，建築的高層化、高密度化已無法避免。因此建築物與都市微氣候間的互動、環境風場、熱島效應、空氣污染擴散……等問題已逐漸成為不容忽視的課題。為了減少都市開發對環境生態所造成的衝擊，並期望創造一個健康舒適的居住環境，以加強建築物與周遭環境的親和性，敷地生態環境的相關科技有必要做一些本土化的研究。環境風場為敷地生態環境中重要的一項，環境風場一般是指建築物周遭，會影響到行人的風場（Pedestrian level wind），在英國與美國都曾發生行人被建築物周遭的強風吹襲跌倒而受傷的案例，在國內則有台北市台電大樓周遭的掀裙風。擾人或不安全的行人風場會直接影響到建築物的使用與其周遭區域的規劃，因此有關風場環境的評估與改善措施，已成為大型建築規劃設計時必須加以考慮的要項之一。國內環保署民國 86 年 12 月 31 日發佈之「開發行為環境影響評估作業準則」第二十二條規定：『開發行為中超過七十公尺以上之高層結構體，其可能產生之風場、日照、電波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』。第四十二條規定：『規劃高樓建築時，應重視其品質與景觀之整體性，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負面影響』。台北市綜合設計公共開放. 1-1.

(14) 空間設置及管理維護要點：『建築高度超過六十公尺，應對其建築物之量體及配置對公共開放空間的微氣候等之影響進行檢討』。以上的規範皆有明文規定應做環境風場評估的建築物規模，但並未詳述環境風場的評估標準，使得國內的建築業者、審議的學者及官員往往無所適從。這是因為都會地區的行人風場是許多因素交互影響而成的複雜氣流運動，影響參數包括有建築物幾何外形、鄰近之建築物的相關位置、基地的氣象狀況（風速、風向）等，其流場屬於非穩定紊流流場。若要針對某個建築物在其興建之前，評估其環境風場，必須考量以上的影響參數及建築物周遭區域的使用規劃，並無通則可循。且風場的預測方法往往會影響到評估之結果。譬如：風洞實驗所使用之量測儀器、縮尺模型或數值模擬所使用的數值程式、計算格網等等都可能影響所得之風速。因此有必要做深入的研究，以建立一個客觀的評估標準與評估方式，以供都市開發與建築業者依循或參考之用。. 第二節研究目的本研究的目的包括下列三項：一、整理國外現有的環境風場之評估標準，並建立適合國人及國內都市使用分類的風場評估標準。二、研究大型建築物對其周遭風場的影響，以確實訂出建築物周遭需做風場評估的範圍與位置。. 1-2.

(15) 三、訂定風場預測方式（風洞實驗、數值模擬）進行時應遵循事項，以建立正確客觀的預測方式。研究期間並召開一次專家會議，參與人員包括有建築、都市計畫環境工程、風工程及氣象等專長的專家學者，對本計畫的實用性與完整性提出許多的建議，會議記錄詳見附錄三。本研究內容共分為九章，主要章節內容簡述如下：第一章為緒論，說明研究的背景、研究目的及本報告之大綱。第二章介紹環境風場的相關文獻，包括地表風場特性、建築物的影響均予以簡述說明。第三章主要敘述環境風場的評估方式及預測方式。第四章列舉各國的風場評估標準，並建議我國可採用的評估標準。第五章為風洞實驗所需的實驗設備、量測儀器、實驗方法及條件的介紹。第六章說明以數值模擬預測環境風場時需要注意的事項。第七章簡介風速機率的相關理論及台灣各地的風速資料分析之結果。第八章列舉環境風場的改善方式，以供建築業者的參考。第九章說明評估流程，並列舉一個環境風場的評估範例，藉以說明環境風場評估的流程及應注意事項。第十章為結論與建議，對本報告的內容做綜合歸納整理及未來相關研究的建議，並列舉國內環境風場評估可供諮詢的單位。. 1-3.

(16) 第二章環境風場第一節地表風速特性環境風場一般是指離地面 1.5 ~ 2.0 公尺高度，行人撐傘或戴帽高度的風場，又稱為行人風場(Pedestrian Level Wind)，為大氣邊界層流的一部份，亦屬於微氣候(Micro-Meteorology)的範圍。都會地區的環境風場會受許多因素的影響，影響參數包括有基地的氣象狀況（風速、風向）、建築物的幾何外形、鄰近之建築物的相關位置等，其流場屬於非穩定紊流流場。一般而言，地表附近的風速會隨高度的增加而遞增，其風速的垂向分佈與地表上的地物、地況有關，如圖2.1所示。都會地區高樓林立，對氣流而言，阻礙空氣流動的地表粗糙度較大，而邊界層厚度亦較大。而平坦的沿海地區，地表粗糙度較小，邊界層厚度亦較小。工程上常用指數律或對數律來描述風速之垂向分佈。指數律(power law distribution). U(z)  z  =  Uδ δ . α. 其中α為指數，δ為梯度高度(邊界層厚度)，U(z)為高度z處之平均風速，. Uδ為梯度風速(邊界層外之風速)。梯度風速會因氣象狀況隨時在變，但梯度高度與指數則視地況而定。依據國內外的建築物風力規範[文獻8, 14] 所建議之地況分類，地況可依建築物所在位置的地表特性分為以下四類：. 2-1.

(17) 表2.1. 地況分類與指律指數α值之關係. 地況分類. 地況特性. 指數α值. δ (m). I (%). 地況A. 大城市之市中心區. 0.35. 460. 25 ~ 50. 地況 B. 郊區、小市鎮. 0.25. 400. 20 ~ 30. 地況C. 開闊之平原. 0.15. 275. 15 ~ 20. 地況D. 地勢平坦之海岸地區. 0.11. 215. 10 ~ 15. (1)地況A：大城市之市中心區，至少有50%的建築物高度大於20公尺者，建築物的迎風面的前方至少有800公尺或建築物高度10倍的範圍（兩者取較大值）係屬此種條件下，方可使用地況A。. (2)地況B：市郊、小市鎮或有許多高度介於10 - 20公尺建築物散佈其間的地區，建築物的迎風面的前方至少有500公尺或建築物高度10倍的範圍（兩者取較大值）係屬此種條件下，方可使用地況B。. (3)地況C：地勢平坦開闊之地面、草原或地面散佈的障礙物高度皆小於10公尺的地區。. (4)地況D：平坦無障礙物之海岸地區或湖岸地區，風係由水面方向吹過來，距海岸線500公尺或建築物高度10倍的範圍（兩者取較大值）係屬此種條. 2-2.

(18) 件下，方適用此種地況。表2.1列舉四種地況的指數α，梯度高度δ、紊流強度Iu。由此表可看出地況愈粗糙，指數和梯度高度愈大。中性大氣邊界層之平均風速剖面可以對數律表示：. U(z) 1 z − d o = ln u* κ zo 式中u*為剪力速度，zo為地表粗糙長度，do為零風面位移。零風面位移代表接近地表處，風速受地表地物的局部效應影響，可能有風速等於零的現象發生。因此必須將風速起算的高度提高。平坦地形中，零風面位移. do = 0。地表愈粗糙，零風面位移愈大，如表2.2所示。表2.2 地表粗糙長度及零風面位移地況分類. 地表粗糙長度 zo (cm). 零風面位移值do (cm). 沙地. 0.01 ~ 0.1. 0. 海面. 0.0003 ~ 0.5. 0. 雪面. 0.1 ~ 0.6. 0. 草原. 1 ~ 10. 0. 郊區. 20 ~ 45. 5 ~ 10. 大城市. 60 ~ 80. 15 ~ 25. 在氣象上，常以高出空曠地面十公尺處之平均風速將風力加以分級，此種分類稱為蒲福（Beaufort）風級，如表 2.3 所示。一般來說，七級風之風力已經可以造成災害，當陣風達十級以上時（風速超過 25 m/s），鐵. 2-3.

(19) 路局的列車會停止行駛。行政院人事行政局停止上班上課的標準為「平均風力可達 7 級以上或陣風可達 11 級以上時，即達全面停止上班及上課；但平均風力可達 6 級以上或陣風可達 10 級以上時高級中學以下學生可先行停止上課。」，可見風力對一般民眾日常生活的影響。風速為風的速度，即在單位時間內風的行程。世界氣象組織規定其單位為每秒公尺（m/s），但目前亦有以每小時浬（knot）計算者；其關係為. 1.0 m/s ＝ 1.9424 knots 根據蒲福風級估計風速時，須注意各該目標物是否受障礙物之影響。蒲福風級與風速之關係為：. V ＝ 0.836 B3/2 V 為風速（m/s） B 為蒲福風級。因風有陣性，故風速不能保持長時間而不變。我國中央氣象局係根據世界氣象組織規定，採用 10 分鐘之平均速度，即觀測時間正時之前 10 分鐘內之平均風速。（美國 JTWC 及我國空軍氣象單位採 1 分鐘平均值，中國大陸氣象單位採 2 分鐘平均值，日本氣象廳係採用 10 分鐘之平均值。）我國中央氣象局係根據世界氣象組織規定，採用 10 分鐘之平均值。依據我國中央氣象局的定義：瞬間風速為在某一短暫時間（約 5 至. 20 秒間，依儀器構造及性能而不同）內之風速。瞬間風速與當時平均風速之比，隨風速大小及變動周期而改變，必要時可以 1.5 ~ 1.7 倍加以估計。陣風的定義為 10 分鐘平均風速與在此 10 分鐘內所出現之最大瞬間風. 2-4.

(20) 速之差，如大於 5.0 m/s 時，即為有陣風現象。平均風速與最大瞬間風速之差在 5.0 ~ 10 m/s 者稱為小陣風，在 10 m/s 以上者稱為大陣風。風速 u u’ U. 時間 t. T. 在同一位置，風速變動的劇烈程度可以均方根速度 (Root Mean. Square velocity)表示 U rms =. [. 1 N ∑ u(t i ) − U N i=1. ]. 2. 其中 T = N ∆t 為取樣時間(Sampling duration)， ∆t 為取樣時距，N為取樣總數(Sampling no.)，f = 1/ t為取樣頻率(Sampling freg.)。均方根速度愈大，代表紊流速度變化愈劇烈。另外可用紊流強度(Turbulence Intensity)代表紊流速度變化劇烈的程度. Iu =. U rms × 100 % U. 譬如層流之均方根速度十分小（ I u < 1.0 % ），表示速度不會隨時間劇烈變化。近地層中紊流速度的均方根值與地表粗糙度及大氣穩定度有關。在2 ~ 30公尺範圍內，縱向紊流強度. 2-5.

(21) 都市地區：. 20 % ≤ I u ≤ 35 %. 市郊地區：. 10 % ≤ I u ≤ 20 %. 在中性及穩定的大氣狀態下，均方根速度與剪力速度成正比關係. (Panofsky and Dutton, 1984)： U rms = 2.4u * ,. Vrms = 1.9u * ,. Wrms = 1.25u *. 紊流流速頻譜顯示紊流擾動速度在頻率上的分佈，俄國學者科莫葛洛夫(Kolmogorov, 1941)推論在高雷諾數、均質、等向性的紊流流場中，紊.  流動能由大渦流傳遞給小渦流的過程中，若某一個渦流之尺度不受邊界條件（大渦流）亦不受流體之黏滯係數（小渦流）的影響，僅與動能消散率有關，此範圍稱之為慣性次階(inertial subrange)，其速度頻譜具有-5/3 斜率。依據 Kaimal and Finnigan (1994)整理現場實驗的結果，建議開闊地區之縱向、橫向及垂向的紊流流速頻譜分別為. (A) 縱向流速頻譜. Su ( f ) =. 102n. f (1 + 33n ). 5/3. u*2. 式中f 為頻率，n = f z/U為無因次頻率，z為高度，U為縱向流速。. (B) 橫向流速頻譜. Sv ( f ) =. 17n. f (1 + 9.5n ) (C) 垂向流速頻譜 Sw ( f ) =. 5/3. 2.1 n. f (1 + 5.3n ). 5/3. u*2. u*2. 2-6.

(22) (m) 600. 都市. 郊區. 400. 200. 0. 圖2.1 不同地況之風速分佈. 2-7. 海邊.

(23) 表 2.3 蒲福風級名稱. 蒲福風級表. 風速 (m/s). 風. 級. 說. 明. （陸地情形）. 0. 無風. 0 ~ 0.2. 1. 軟風. 0.3 ~ 1.5. 無明顯感覺. 2. 輕風. 1.6 ~ 3.3. 風拂面，樹葉有聲. 3. 微風. 3.4 ~ 5.4. 樹葉及小枝動搖，頭髮被吹動. 4. 和風. 5.5 ~ 7.9. 地面揚塵，紙片飛舞，小樹幹搖動. 5. 清風. 有葉之小樹搖擺，水面 8.0 ~ 10.7 有小波. 6. 強風. 大樹枝搖動，電線呼呼 10.8 ~ 13.8 有聲，舉傘困難. 7. 疾風. 全樹搖動，迎風步行有 13.9 ~ 17.1 阻力. 8. 大風. 17.2 ~ 20.7. 9. 烈風. 煙囪屋瓦等將被吹 20.8 ~ 24.4 毀，行人易被陣風吹倒. 10. 狂風. 24.5 ~ 28.4. 2-8. 炊煙直上，風標不動. 小枝吹折，行人不易前行. 陸上不常見，見則拔樹倒屋.

(24) 第二節建築物的影響行人風場是許多因素交互影響而成的複雜氣流運動，影響參數包括風速、風向攻角、建築物幾何外形、鄰近之建築物等，其流場屬於非穩定紊流流場。本節將就建築物周邊氣流的特性做定性描述：. 1. 迎風面渦漩(upstream vortex)：當風遇到高層建築物時，部份氣流會由建築物上方與兩側加速地繞過去，部份氣流沿建築物的迎風面向下切，在建築物的前方形成渦漩，此種下切氣流又稱為掀裙風。建築物的迎風面愈寬愈大，下切氣流愈強。. 圖 2.2. 下切氣流之示意圖. 2. 建築物尾流(building wake)：當風遇到建築物時，會在建築物的背風面 (leeward side)會形成一流場紊亂的尾流區。因尾流區之壓力低於大氣壓力，故越過建築物上方的氣流會受到背風面之負壓力的吸引，向下及向建築物後方流動，形成一個氣流迴旋的流場。其尾流區的流場特性. 2-9.

(25) 會受到建築物的幾何外型、風向角和周遭建築物的影響。. 圖 2.3 建築物尾流之示意圖. 3. 穿堂風(through flow)：建築物迎風面與背風面之間有氣壓差，以致當有前後貫通的通道或開口打開時，大樓內的通道會形成氣流的快速流動，此現象稱之為穿堂風，會對進出大樓及經過出入口的行人構成不舒適的情形。. 圖 2.4 穿堂風之示意圖. 2-10.

(26) 4. 角隅強風(corner flow)：當氣流要由建築物兩側繞過去時，流體會有加速的現象。同時在角隅處，會產生渦漩分流現象，造成建築物角隅兩側有較強的風速。建築物角隅的細部設計與幾何形狀會影響到此處的風場。譬如矩形的建築物，渦漩會發生在角隅處；但圓弧形的建築物，渦漩分離點則與表面粗糙度有關。. 圖 2.5. 建築物角隅強風之示意圖. 圖 2.6. 角隅渦漩發生處. 2-11.

(27) 5. 遮蔽效應(shelter effect)：近似高度與規模的建築群比鄰而立時，對於迎面而來的氣流產生類似阻牆的遮蔽作用，迫使氣流由建築群的上方越過及側邊繞過。反之，若高層建築物的前方為低矮建築物，則兩建築物之間會有極強的渦漩發生。. 圖 2.7 遮蔽效應之示意圖. 6. 金字塔效應(pyramid effect):對於逐漸上升且退縮的建築或建築群，建築物頂部分離剪力層受到漸次升高的邊界影響，匯聚成一股向上湧昇的氣流。在金字塔效應的影響下，下切氣流與角隅強風會較弱。. 圖 2.8 金字塔效應之示意圖. 2-12.

(28) 7. 縮流效應(venturi effect)：當風由一寬廣之區域吹進狹窄的街道時，由於流通斷面積減小，氣流會有加速的現象，形成高風速區出現。氣流加速的現象會隨著建築物之間距離的增大會明顯減低。. 圖 2.9. 縮流效應之示意圖. 8. 渠化效應(channel effect)：都會區中沿街兩側建築物多具有較平整的立面且相互庇鄰，對於運行期間的氣流而言，猶如渠道之兩壁，一般稱. 2-13.

(29) 之為街谷(street canyon)，此現象會驅使接近地面的氣流脫離原來的風向而沿街谷的走向流動。. 圖 2.10 渠化效應之示意圖由以上的描述可知，都會地區建築物周遭的行人風場是十分複雜的現象。若要針對某個建築物評估其對行人風場的影響，必須考量當地的氣象資料、建築物的幾何外型、周遭建築物的相關位置與周遭區域的使用規劃，並無通則可循。而目前較為實際可行的評估方法仍是以製作建築物及其周遭建築物的縮尺模型，配合基地的風速、風向資料在風洞中模擬其流況才能做較為完整的風場評估。. 2-14.

(30) 第三章. 評估方式. 第一節風場評估方式建築物環境風場的評估，乃依據風洞實驗或數值模擬預測之結果來評估計畫建築物興建後環境風場的變化，其評估方式依所引用之評估基準可分為：相對評估法、絕對評估法和風速發生百分率評估法三種。以下分述之：. 一、相對評估法相對評估法乃計算建築物周遭各測點之風速與一個基準風速之比值，再以此比值來判斷環境風場受建築物影響的程度及風速變動的情形。而採用不同之基準風速，相對評估法又可分為： (1) 以興建前之風速為基準風速：現場量測計畫建築物興建前各測點風速資料，分別與興建後各測點之預測風速對應比較，瞭解建築物興建後環境風場受影響的程度。此風速比可以下式表示：風速比＝. 建築物興建後之風速建築物興建前之風速. 此種興建前後的「風速比」評估方式，只能表示風速增減的程度。譬如風速比接近 1.0 時，表示該點不受建築物的影響；小於 1.0 時表示興建後風速會減低；大於 1.0 時則代表興建後會變大。但此種風速比值無法說明各測點實際風速的強弱。. 3-1.

(31) (2) 以不受計畫建築物影響地點之風速為比較基準，選擇基準點之參考風速又可分為： a. 建築物基地附近不受地形地物影響之風速，譬如附近之氣象觀測站或空曠地區之平均風速。 b. 以指數法則計算之大氣境界層高度之平均風速。 c. 高層建築物屋頂上之風速。選擇基準點時，必須考慮其平均風速之高低，若基準風速太低時，則風速比值會變大，導致各測點的風速差距會更為明顯。反之，當基準點風速較高時，其各測點之風速差距相對變小。可取兩高低不同之基準風速進行對照比較，以評估整體風場之變化。 (3) 各風向之「陣風風速比」：陣風風速比的評估乃在計算各測點之最大瞬間風速與平均風速的比值，來判斷各測點受建築物影響的特性。. 二、絕對評估法絕對評估法主要依人體對於舒適、不舒適或危險等不同感受所對應之風速值與預測所得之風速進行比較，藉以判斷行人可容許的風速，故此評估法又稱『容許風速評估法』。但由於人體受強風影響的敏感度涉及不同生活背景、年齡大小、性別、所進行的活動場等因子的考慮，很難定出廣泛適用於不同情況的評估基準。一般而言，當風速 V < 3 m/s，環境風場是十分宜人的；當風速 V > 5 m/s，會令人覺得有點不舒適；當風速 V >. 3-2.

(32) 10 m/s，會令人覺得十分不舒適；當風速 V > 20 m/s，則可能會危及到行人的安全。. 三、百分率評估法此評估法依風洞實驗或數值模式預測得各測點之流場結果配合基地之風向、風速記錄資料來計算強風發生機率，用以判斷各測點受建築物影響的程度。若各風向之風速發生機率分佈近似韋伯函數，可依下式計算風向為 i 時，風速之機率累積分佈函數：.   U  ai  Pi (≥ U) = 1 − exp −      U i   其中 ai 為機率函數之形狀因子(Shape factor)，Ui 為機率函數之尺度因子 (Scale factor)，i 代表 1 至 16 的風向。因此，風速超過 U 值的總發生機率為.    U  a i   P(≥ U) = ∑ d i 1 − exp −       U i    i =1  16. 其中 d i 為各風向的發生機率。各地之風速、風向的機率參數 ai、Ui、 d i 可由基地附近氣象站（譬如中央氣象局所屬之氣象站）之長期風速觀測資料統計迴歸求得。再藉由風洞實驗或數值模擬所量測得之風場資料，配合上式便可計算各測點之風速超過百分率。此評估法由於同時考慮環境風場的三個基本特性（風速、風向及發生頻率），故較前述二種評估方法更能實際反應環境風場受影響的程度，此法亦為目前環境風場評估最常用之評估. 3-3.

(33) 方法。. 第二節評估步驟高層建築物環境風場的評估步驟如圖 3.1 所示，首先依據主建築物的設計圖和周遭建築物的配置預測將來主建築物興建之後建築物周遭各測點的風速，再依據氣象局所提供的建築物基地風速、風向發生機率預估建築物周遭各級風速的發生機率。若強風發生的機率超過舒適性或安全性的等級，則表示該建築物的環境風場不合格，必須加以改善。在建築業者提出改善措施後，再一次地來預測和評估建築物周遭各級風速的發生機率，直到建築物周遭各測點皆合格為止。由於環境風場的預測方法往往會影響到評估之結果，因此必須對風場預測方法做深入的瞭解，以建立一個客觀的預測方式。風場預測方法包括現場量測、風洞實驗與數值模式。以現場量測來獲得風場資料是最具說服力的評估方式，但需要做長時間的觀測，才能對強風發生的機率有正確之評估。且現場量測無法於建築物興建之前準確預測建築物對風場的影響，故較少採用。本研究僅探討利用風洞實驗與數值模式之預測方式。. 3-4.

(34) 建築物的設計圖及配置圖. 基地之風速、風向資料. 預測建築物周遭之風速. 評估風場是否符合舒適性之標準. No 擬定改善措施. 圖 3.1 環境風場的評估步驟. 3-5. Yes. 准予興建.

(35) 第四章環境風場標準國外許多先進國家及大都市皆有其環境風場的評估標準，以供都市開發與建築業者依循之用。國內的規範有明文規定應做環境風場評估的建築物規模，但並未訂定環境風場的評估標準，使得國內的建築業者、審議的學者及官員往往無所是從。本計畫整理國外現有的環境風場之評估標準，並建議一套適合國人及國內都市使用分類的風場評估標準。. 第一節國外標準在評估環境風場是否舒適或安全主要考慮：人體受風感受、高風速出現的機率、陣風風速及評估區域的使用特性。. 一、人體受風感受： Melbourn 與 Joubert 於 1971 年依據澳洲墨爾本市內三棟高層建築物周邊風環境的實地調查，當陣風風速（瞬間風速）達 20m/s 以上時，會使人體失去平衡，當陣風風速達 23m/s 以上時有將人吹走之虞。依據 Hunt et al. (1976)在風洞中對人體受風之舒適性試驗，可發現一般人在風速低於 6 m/s 時，風並不會影響到行人的活動；當風速超過 9 m/s 時，行人的活動會受到影響；當風速超過 15 m/s 時，行走會發生困難；當風速超過 20 m/s 時，行走會發生危險。. 4-1.

(36) 圖 4.1 蒲福 1 級風. 4-2.

(37) 圖 4.2 蒲福 2 級風. 4-3.

(38) 圖 4.3 蒲福 3 級風. 4-4.

(39) 圖 4.4 蒲福 4 級風. 4-5.

(40) 圖 4.5 蒲福 5 級風. 4-6.

(41) 圖 4.6 蒲福 6 級風. 4-7.

(42) 圖 4.7 蒲福 7 級風. 4-8.

(43) 二、風速發生機率：環境風場必須考慮各級風速發生的機率，若高風速的狀況常常發生，令人覺得無法容忍，則可稱為擾人的環境風場；但若高風速發生的機率並不大時，僅颱風時會發生，則其環境風場尚可容忍。至於發生機率高於何者謂太頻繁，機率低於何者謂尚可接受，則因人而定。Penwarden (1973) 的現場調查發現當強風出現機率超過10%時，行人會感受到困擾；當強風出現機率超過20%時，行人會要求對風場提出改善措施。. 三、陣風風速：風速變動量的大小（紊流強度）亦會影響到人體受風吹襲時的感受， ~ 若風速忽強忽弱，行人亦會產生不舒適的感覺。而陣風風速 U. ~ U = U + k U rms 其中 U 為平均風速，k 為陣風因子，k 值介於 1.0 ~ 3.5 之間[文獻 14]。 U rms 為均方根速度. U rms =. [. ]. 2 1 N u(t i ) − U ∑ N i=1. 均方根速度愈大，代表紊流速度變化愈劇烈。另外可用紊流強度 (Turbulence Intensity)代表紊流速度變化劇烈的程度. Iu =. σu × 100 % U. 譬如層流之均方根速度十分小（ I u < 1.0 % ），表示速度不會隨時間劇烈. 4-9.

(44) 變化。大氣邊界層中紊流強度與地表粗糙度有關，都市地區地表附近的紊流強度約為20 ~ 35 %。若紊流強度太大，行人亦會產生不舒適的感覺。. 四、區域的規劃使用行人於室外所進行的活動，諸如步行、站立或坐定等，亦會影響到人體受風吹襲時的感受，譬如行人在步行時可忍受較強的風速，但坐定時則不希望有強風出現。加拿大的西安大略大學 (University of Western. Ontario) 的風洞實驗室建議將活動分類為(1)長時間停留；(2)短時間停留；(3)慢步行走；(4)快步行走。在評估時要視各區域的使用性質不同，選擇適當的標準。譬如規劃露天餐廳時，風場條件需要滿足〝長時間停留〞標準，若是公園、開放廣場只需要滿足〝短時間停留〞的風場環境即可。其所建議之各區域的風速標準及最大發生頻率可參見表4.1。表 4.1 西安大略大學風洞實驗室的行人風準則活動. 適用之區域. 可容忍. 相對舒適性不舒適. 危險. 長時間停留. 室外餐廳. 5.0 m/s. 7.0 m/s. 20 m/s. 短時間停留. 公園、廣場. 7.0 m/s. 9.5 m/s. 20 m/s. 慢步行走. 公園. 9.5 m/s. 12.5 m/s. 20 m/s. 快步行走. 人行道. 12.5 m/s. 16.0 m/s. 20 m/s. 發生. 頻率. 小於 1 次/週小於 1 次/月小於 1 次/年. 4-10.

(45) 圖 4.8 可供長時間停留的露天咖啡座. 4-11.

(46) 圖 4.9 快步行走時所感受到的風場. 4-12.

(47) 若考量到區域的使用性質，美國學者Simiu & Scanlan (1996)建議在不同區域，最大風速發生之頻率應有不同的標準。表 4.2 美國學者 Simiu & Scanlan 的行人風評估標準分類. 區域. 風速限度. 發生頻率. 1. 公園、廣場. 6 m/sec. 1000 小時/年. 2. 人行步道、出入口. 12 m/sec. 50 小時/年. 3. 全部區域. 20 m/sec. 5 小時/年. 4. 全部區域. 25 m/sec. 小於 1 小時/年. 加拿大 RWDI 公司建議評估標準，舒適性等級分成坐定 ( 長時間停留)、站立(短時間停留)、行走及不舒適四個等級：. (1)坐定：若陣風風速小於4.7 m/s的發生機率大於80%，則坐定時可感受舒適的風場環境，該區域可長時間停留，可做為露天餐廳或室外休憩處。. (2)站立：指陣風風速介於 4.7 ~ 6.9 m/s的狀況，這種風速可使地面揚塵，紙片飛舞。這類風速若發生於大樓入口處、公車站或短暫停留的區域並不會造成行人太大的困擾。. (3)行走：指陣風風速介於 6.9 ~ 8.9 m/s的範圍，這類風速可吹動頭髮或寬鬆的衣服，因為正在活動的行人一般較能接受稍微高一些的風速，故這一風速範圍可發生在行人道、廣場或公園等行人活動區。. 4-13.

(48) (4)不舒適：指陣風風速大於 8.9 m/s (約為五級風) 的發生機率大於20%，這種狀況下可使逆風行走的行人感受到阻力，舉傘覺得有困難。一般認為這一範圍的風速對行人的活動是有妨礙的或不舒適的。表4.3. 加拿大RWDI公司的行人風評估標準等. 級. 瞬間最大陣風. 發生機率底限. 舒. 坐定. ≦ 4.7 m/s. 80%. 適. 站立. ≦ 6.9 m/s. 80%. 性. 行走. ≦ 8.9 m/s. 80%. 不舒適. ＞ 8.9 m/s. 20%. 有影響. ＞ 24.4 m/s. ＞ 3 次/年. 無影響. ＜ 24.4 m/s. ≦ 3 次/年. 安全性. 若陣風風速＞24.4 m/s (十級風) 的發生機率大於3次/年，則更可能會影響到行人的安全。一般而言，若某一風速範圍的發生機率大於80%，則對相應的行人活動（坐定、站立、行走）其風環境是可以接受的；反之，若其風速範圍的發生機率低於80%，則所得舒適性等級與相應區域的實際用途不符，有可能需要考慮修改建築物之設計、改善風環境或更改使用目的。此外，國外許多國家及大都市皆有其環境風場的評估標準，如英國學者 Lawson & Penwarden (1975) ，加拿大學者 Isyumov & Davenport. 4-14.

(49) (1975)，英國學者 Hunt et al. (1976)，澳洲學者 Melbourne (1978)，美國波士頓都市發展局 Boston Redevelopment Authority (1981) ，日本學者. Murakami et al. (1986)及美國舊金山市政府(1989)所採用的標準皆列於表 4.4，其評估基準多半依據蒲福之風力等級為基礎加以修正而定出的標準。. 五、風場評估點：風場評估點位置可分為近地面之測點與非近地之測點： (1)近地面之評估點：評估點位於離地面 1.5 ~ 2.0 m 高處，主要考慮對地面行人的影響。. a. 基地四周的人行道、建築物的出入口。 b. 主建築物的迎風面、背風面及角隅。 c. 基地附近的街道及窄巷。 d. 基地四周易受風害影響的區域，譬如學校、公園、露天座椅、公車站、醫院、療養院及幼兒遊戲設施等。. (2)非近地之評估點： a. 主建築物的陽台、露台或其他設施的頂部。 b. 主建築物透空或開口之處。 c. 基地四周高層建築物的陽台、露台或其他設施的頂部。 d. 主建築物周遭之木造建築物或大型看板等易受強風影響之構造物。. 4-15.

(50) 表 4.4 各國所使用之評估標準評估標準. Lawson & Penwarden (1975). Isyumov & Davenport (1975). Hunt et al. (1976). Melbourne (1978). Boston (1981). Murakami et al. (1986). San Francisco (1989). 使用目的. 風速. 長時間停留. 發生機率底限. U. 範圍 (m/s) 3.4. 站立. U. 5.5. < 4.0 %. 行走. U. 8.0. < 4.0 %. 不舒適. U. 13.9. > 2.0 %. 長時間停留. U. > 3.6. < 1.5 %. 短時間停留. U. > 5.3. < 1.5 %. 行走. U. > 9.8. < 1.5 %. 危險. U. > 15.1. > 0.02 %. 長時間停留. U + 3U rms. >6. < 10 %. 公園、廣場. U + 3U rms. >9. < 10 %. 不舒適. U. >9. >1%. 長時間停留. U + 35 . U rms. > 10. < 0.075 %. 短時間停留. U + 35 . U rms. > 13. < 0.075 %. 行走. U + 35 . U rms. > 16. < 0.075 %. 危險. U + 35 . U rms. > 23. > 0.075 %. 舒適. U + 15 . U rms. > 13.9. < 1.0 %. 不舒適. U + 15 . U rms. > 13.9. > 1.0 %. 露天餐廳. U + 2.5U rms. > 10. < 10 %. 公園. U + 2.5U rms. > 10. < 22 %. 人行道. U + 2.5U rms. > 10. < 35 %. 危險. U + 2.5U rms. > 20. > 1.5 %. 坐定. U + 2.7 U rms. > 3.1. < 10 %. 行走. U + 2.7 U rms. > 4.9. < 10 %. 危險. U. > 12. > 0.011 %. 4-16. < 4.0 %.

(51) 第二節國內標準因為國內的氣候條件、國人體格及都市使用分區的不同，國外的環境風場標準並不一定適用於台灣。譬如在寒帶地區，強風會帶走一部份人體的體溫，造成行人極為不舒適的狀況，此現象稱為寒風效應(Wind Chill Effect)。但在台灣亞熱帶的氣溫下，此現象應不至於發生。因此有必要擬定一套適用於國內的環境風場評估標準。依據中央氣象局的風速資料可計算得台灣地區各級風速的發生機率，以台北市為例：風速低於5 m/s之機率約為80%，風速低於 10 m/s之機率約為99.9%，風速高於17 m/s之狀況應皆為颱風所造成。至於濱海地區，如梧棲、澎湖等地，發生強風之機率則高於內陸地區，因此環境風場評估時應考慮地區之效應。在訂定風場規範時，可將各級風速之發生機率視為一個萊利分佈 (Rayleigh Distribution)，累積機率函數為.   U 2  F( U) = 1 − exp −      b   上式中 b 值為特性參數，本研究將 Lawson & Penwarden (1975) ，. Isyumov & Davenport (1975)，Hunt et al. (1976)，Melbourne (1978)， Murakami et al. (1986)及美國舊金山市政府(1989)所採用的評估標準中的機率和風速值代入萊利分佈，利用等效風速的觀念便可求出其所採用之b值，如表4.5所示。再將相同使用目的之b值加以平均，即可得到一個新的特性參數值。本研究所得之舒適性等級上限(宜人) ：b = 3.8；及不舒適等級上限(擾人)：b = 5.0。最後再將b值代入機率函數便可得新標準所對應之風速機率，如圖4.10所示。. 4-17.

(52) 表4.5 參考文獻. Type. I&D 75. 各國環境風場舒適性標準之特性參數. 平均風速. 風速 (m/s) 9.8. E.A. 機率(%) (m/s) 8.9. L&P 75. 平均風速. 8. HUN 76. 陣風(k=3). b(m/s). b(E.A.). 1.5. 4.78. 4.34. 7.3. 4. 4.46. 4.04. 9. 5.1. 10. 5.93. 3.36. MEL 78 陣風(k=3.5). 16. 8.5. 0.075. 5.96. 3.18. MUR 86 陣風(k=2.5). 10. 6.0. 35. 9.76. 5.90. S.F. 89 陣風(k=2.7). 4.9. 2.9. 10. 3.23. 1.90. 平均. 3.8. I&D 75. 平均風速. 15.1. 13.7. 0.02. 5.17. 4.69. L&P 75. 平均風速. 13.9. 12.6. 2. 7.03. 6.37. HUN 76. 平均風速. 9. 8.2. 1. 4.2. 3.81. MEL 78 陣風(k=3.5). 23. 12.3. 0.075. 8.6. 4.59. BOS 81 陣風(k=1.5). 13.9. 9.7. 1. 6.5. 4.53. MUR 86 陣風(k=2.5). 20. 12.1. 1.5. 9.76. 5.9. 平均. 5.0. 國內環境風場的標準可依都市使用分區，諸如住宅區、商業區與工業區，而有不同的標準。因為住宅區為一般民眾居休息的地方，可容許的強風發生機率應較低，另外風害敏感地區，常有老弱殘障人士出沒處，譬如學校、公園、露天座椅、公車站、醫院、療養院及幼兒遊戲設施等，可容許的強風發生機率亦應較低。商業區為上班、購物之處，發生強風的機率則可以稍微放寬。至於國內住商混合使用的區域，環境風場的標準應採用住宅區之標準。因此本研究建議住宅區及風害敏感地區（譬如學校、公園、露天座椅、公車站、醫院、療養院及幼兒遊戲設施等有老弱殘障人士常出沒之處）的環境風場標準如表4.6所示： 4-18.

(53) 100. 10-1. Probability. 宜人. 危險. 擾人. -2. 10. 10-3. 10-4. -5. 10. 0. 5. 10. 15. 20. WindSpeed(m/s) 圖4.10 舒適性與安全性之風速機率圖. 4-19. 25.

(54) ~ 風速標準係指離地面2.0 m高處之陣風風速 U ~ U = U + k U rms 式中 U 為平均風速，Urms為風速之均方根，k為陣風因子，建議採用k. = 3.0。依照中央氣象局之定義：平均風速之平均時間為10分鐘。本研 ~ 究將之陣風風速 U 設為 8 m/sec( 蒲福 4 級風以下 ) ，擾人風場設為 11m/sec( 蒲福 5~6 級風 ) ，危險風場設為超過 25m/sec( 蒲福 9 級風以上) 。將陣風風速轉換為等效風速後(將陣風風速除以1.765)，對應圖. 4.10之機率函數，即可得到發生頻率上限(下限)值。表4.6. 住宅區及風害敏感地區之評估標準. 分類. 等級. 陣風風速. 發生頻率. 機率. 1. 宜人. > 8 m/sec. < 每月 180 小時. < 25 %. 2. 擾人. > 11 m/sec. > 每月 50 小時. >7%. 3. 危險. > 25 m/sec. > 每年 3 小時. > 0.03 %. (1)宜人：若陣風風速大於8.0 m/s的發生機率小於25 %，則行人可感受舒適的風場環境，該區域可作為停留等待區或室外休憩處。. (2)擾人：指陣風風速大於11.0 m/s的發生機率大於7%，這種風速可使大樹搖晃、電線呼呼有聲、舉傘困難。這類風速若發生於大樓四周行人出沒處，則可能造成行人的困擾。. 4-20.

(55) (3)危險：陣風風速大於25.0 m/s時會造成行人被陣風吹倒，路樹、木造建築物可能會被吹壞，若其發生機率大於每年3次（3小時），定義為危險等級。依據區域使用目的之不同，可利用一重要因子，將住宅區之標準換算成為商業區及工業區的環境風場標準，如表 4.7 所示，舒適性標準（宜人及擾人）較住宅區略微寬鬆，但危險性標準則相同。. 表4.7. 商業區及工業區的評估標準. 分類. 等級. 陣風風速. 發生頻率. Prob.. 1. 宜人. > 8 m/sec. < 每月 225 小時. < 31.25 %. 2. 擾人. > 11 m/sec. > 每月 72 小時. > 10 %. 3. 危險. > 25 m/sec. > 每年 3 小時. > 0.03 %. 4-21.

(56) 第五章風洞試驗因為風洞實驗的控制性佳，可重複性高，故可用來預測複雜流場所可能發生的流況。譬如建築物、植栽等地物及山坡、山谷等地形皆可以利用幾何相似的模型置於風洞中，再以流速量測儀器量測建築物周遭區域的風速，十分經濟可行。且一些研究也指出風洞實驗之結果與現場長期的觀測有相同的趨勢[文獻15]，故風洞實驗是預測環境風場最常用的方法。以下描述環境風場實驗所需之設備、量測方式及實驗條件。. 第一節實驗設備一、風洞種類：風洞有二種基本類型：(1)閉路循環式與(2)開放式。閉路循環式風洞如圖5.1所示，其優點為不受外界風場的影響，能量效率高，適於模擬溫度分層或低紊流強度之流場。但其缺點為佔地較大，造價昂貴，且易產生二次流，風扇運轉所產生的熱能不易排出，會造成風洞內溫度逐漸升高，或擴散實驗之追蹤劑的濃度會累積而造成背景濃度逐漸升高等問題。開放式風洞依其送風方式又可分為兩種基本類型：吹送式及吸入式。吹送式(Blowing type)風洞之設計較簡單，風扇自外界吸入空氣後，經由整流段吹入風洞之試驗段。但其缺點為試驗段之風場易受外界風場及風扇所產生之螺旋渦流的影響，容易形成風速分佈的不均勻性。吸入式(Suction type)風洞將外界空氣吸入後，經整流段、收縮段，由風扇口排. 5-1.

(57) 出。此類風洞試驗段的氣密性(air-tight)的要求較高，但試驗段風速的均勻性及穩定性較吹送式風洞來得好，故許多研究風力工程問題的大氣邊界層風洞皆屬吸入式風洞。. 二、風洞構造：風洞主要構造部份可分為整流段、收縮段、試驗段及動力段，圖5.2 便是一個開放、吸入式風洞的立體構造圖，圖5.3為風洞的上視與側視圖。其設計分別說明如下： 1. 整流段：自然界風場極不穩定，所以在進入收縮段前必須加裝整流段，以使氣流趨於穩定，即增加速度均勻性，將流場擾動減至最少。一般而言，風洞之進口整流段包括有蜂巢管(honey cone)與整流細網(screen) 等裝置。蜂巢管是由許多塑膠圓管整排列而成，其目的在減小氣流流動方向上的擾動和渦漩，即可將渦流再切割成更小之渦流，減少氣流的靜壓擾動及橫向擾動，使其為低紊流強度之流況，增進氣流的均勻和穩定性。蜂巢管之後便是整流網，整流網的功能是將通過蜂巢管的渦流在切成更小的渦流，使流場的紊流強度降低到最小，亦可使得收縮段較不易產生分離(separation)現象。一般來說，網目越細整流越好，但相對的能量耗損也越大。 2. 收縮段：. 5-2.

(58) 收縮段的目的在於藉通風斷面的縮小，使得通過之氣流加速。較小的收縮段需要較大的風扇馬力，且容易產生分離現象。然而若將收縮段增大，則整流段亦需要按比例增大，收縮段長度亦需要加長，工程造價與所佔的空間也就需要增加。風洞之收縮段大多為多項式曲線相接而成，良好的收縮段可進一步的抑制紊流擾動，並造成試驗段內近似成均勻的流場。 3. 動力段：動力段包括收縮管、風扇及出口擴散管。收縮管由長方形之試驗段轉變為圓形之風扇進口，風扇直徑應與試驗段尺寸相近，風扇葉片的角度最好可以調整以微調風速。風扇以馬達驅動，最高風速最好可達20 m/s以上，風扇馬達之馬力應以最高風速來設計。為了避免馬達及風扇轉動而引致的振動會影響試驗品質，動力段宜具有一獨立地基，且動力段與試驗段接縫處應以軟性帆布相連，以防止振動的傳遞。出口擴散管形狀多為圓形之喇叭口。 4. 試驗段：風洞的試驗段(test section)為模型進行測試之處，試驗段的尺寸與模型的縮尺有密切的關係。風洞實驗中若模型之阻塞比（模型之迎風面積與風洞斷面積之比值）過大時，氣流會因通風斷面的縮小會產生加速現象，故風速之量測結果可能會導致誤差。一般而言，模型之阻塞比應小於5 %，若阻塞比大於10% ，應調整風洞試驗段之屋頂的高度，或對實驗結果做適當的修正[文獻15]。因此採用較大尺寸的模型時，試驗段之斷面亦需很大，但這會增加整個風洞的尺寸、所需馬力. 5-3.

(59) 和造價。反之，若採用較小的模型，風洞試驗段不需太大，但製作小而精準的模型則十分困難。試驗段之上壁應可調整其高度，以便於調整風洞中的壓力梯度。在試驗段內有實驗轉盤，轉盤可輕易地旋轉以改變對模型之有效風向。試驗段入口至轉盤圓心之距離可用於邊界層之發展。試驗段內部可設置三度空間活動之天車，由風洞外遙控風速探針之位置。另外於試驗段上壁可設置照明設備，可在左右側壁及上壁設置大型透明窗，以便於試驗者直接觀測風洞中流況。因為地表附近的大氣邊界層往往較一般結構物高出許多，為使建築物之模型尺寸在合理範圍內，風洞中之邊界層厚度亦須相當大。且風洞之試驗段需要相當長，以供邊界層的發展出夠厚的邊界層。依據 Cermak (1984)之建議：風洞試驗段的長度應介於10 ~ 20 δ ，高度應大於2 δ ，寬度應在2 ~ 4 δ ， δ 為邊界層厚度。譬如都會地區的大氣邊界層厚度約為400 m，若以1/400的比例縮尺製作模型，則風洞中的邊界層厚度為1.0 m，亦即試驗段的長度起碼要有10 ~ 20 m，高度必須大於 2.0 m，寬度約為2.0 ~ 4.0 m。. 第二節實驗條件依據流體力學的原理，風洞內模擬之流場與實際流場須滿足下列相似性要求：一、幾何相似性：. 5-4.

(60) 1. 模型和真實建築物各方向之比例縮尺必須相同. H m B m Wm = = H p B p Wp 其中H、B、W分別代表建築物的高度、長度和寬度，下標p和m 分別代表實體(Prototype)和模型(Model)，而Lr= Hm/Hp可稱為模型的縮尺比。建築物的幾何外形、相鄰地形、地物的配置皆可能會影響建築物周遭的風場，因此實體建築物周遭的植栽、圍籬或棚架，和建築物表面的凹凸狀況，譬如陽台、屋頂的突出物等，皆須按模型的縮尺比例，正確精準地製作，以確保模擬風場的正確性。模型的縮尺比例不宜太大及太小，太大的模型需要大斷面之風洞，太小的模型則製作不易，建築物風洞試驗的縮尺比最好在1/200 ∼1/600 [文獻15]。譬如建築物的實際高度Hp= 200 m，寬度Wp= 50 m，以1/400的比例縮尺製作模型，則模型的高度Hm = 0.5 m，寬度Wm = 0.125 m，為避免模型之阻塞比小於5 %，風洞試驗段的斷面積必須大於1.25 m2。 2. 建築物模型的高度必須與邊界層厚度成一定的比例. H H   =   δ m  δ p 其中 δ 為邊界層的厚度，譬如大氣邊界層的厚度 δ p = 400 m，建築物的高度Hp =200 m，若以1/400的比例縮尺製作模型，則模型的高度. 5-5.

(61) Hm = 0.5 m，風洞中邊界層的厚度 δ m = 1.0 m。 3. 建築物模型的高度必須與地表粗糙長度成一定的比例 H H   =    zo m  zo p. 其中 z o 為地表粗糙長度，譬如市郊的地表粗糙長度 z op = 40 cm，建築物的高度Hp = 200 m，以1/400的比例縮尺製作模型，則風洞中的粗糙長度 z om = 1.0 mm。 4. 建築物模型的高度必須與紊流的長度尺度成一定的比例. H   Lt. H   =   m  Lt p. 其中 L t 為紊流的積分尺度(Integral length scale)，邊界層流中的積分尺度約為 L t = 0.3 δ 。. 5. 模型的範圍因建築物周遭的風場與建築物的幾何外形、相鄰地形、地物的配置皆有密切的關係[文獻5]。本研究依據風洞實驗結果建議：模型範圍以主建築物高度3 ~ 5倍半徑範圍內所有之建築物、街道、地形及地物皆須包括在內。且因為行人風場會受到實際高度高於0.5公尺植物的影響，故植栽計畫內所有預定種植的灌木與喬木亦需要以模型種植於正確的位置。建築研究所之研究報告「高層建築之風洞試驗及準則」(1992)建議以建物斷面積之方根之8倍為範圍。舉例而言，一棟高100 m，寬度. 5-6.

(62) 50 m的建築物，迎風面積之方根之8倍為560 m，若縮尺比為1/200，則模型半徑為2.8 m，亦即風洞寬度至少需要5.6 m以上，較不合理。但若以建物高度3倍為半徑，若縮尺比為1/200，則模型半徑為1.5 m，風洞寬度僅需要3.0 m，較接近一般建築物試驗用風洞之尺寸。. 6. 圓弧形建築物圓形物體角隅渦流的分離點位置與物體表面粗糙度及雷諾數有密切的關係，平滑表面之分離點於物體前方發生，尾流區會較大；粗糙表面易發展成為紊流邊界層，當雷諾數大於一個臨界值時，分離現象於物體後方發生，尾流區較小。表面愈粗糙的物體，臨界雷諾數愈小。若建築物的整體或一部份為圓弧形設計，建築物模型的表面粗糙度必須遵守. ε ε   =   D m  D p 式中 ε 為物體表面粗糙長度，D為圓弧的直徑。. 二、運動相似性：要求風洞實驗之速度與實際流場成一定的比例。. 1. 速度比例：風洞實驗之風速 U m 與現場風速 U p 的關係為.  U    U  δ p.  U   = U  δ m. 5-7.

(63) 式中 U δ 為邊界層外之風速。環境風場之風洞實驗所採用之風速 U δ 大約介於8 ~ 15 m/s之間。. 2. 黏性次層地表附近有黏性次層(viscous sublayer). z = 10. ν u*. 式中u*為剪力速度。若在風洞實驗中，黏性次層的厚度大於行人風場之高度，則所量測得之地表風速因受到流體黏滯性的影響，便無法滿足紊流流場的相似性。譬如建築物的縮尺比例為1/500，行人風場的實際高度為1.5 m ~ 2.0 m，則風洞實驗需量測離地表3.0 m ~ 4.0. mm高度處之風速，若此高度小於黏性次層的厚度，則此處之風速無法正確地反應出現場的紊流流速。. 三、動力相似性：要求風洞實驗之雷諾數、羅士比數、理察生數與實際流場相同。. 1. 雷諾數相似雷諾數(Reynolds no.)的定義為. Re =. UL ν. 式中L為流場之特徵長度，U為流場之特徵速度，ν為空氣之運動黏滯係數。雷諾數代表慣性力和黏滯力之比，雷諾數小時，黏滯力大於慣性力，流場中的擾動會因黏滯力而衰減，流速穩定，流況為層流；反. 5-8.

(64) 之，若雷諾數較大時，流場較不穩定，擾動容易增強，形成亂流。大氣邊界層之特徵雷諾數高達107 ~ 108以上，表示流況屬於亂流，且慣性力遠大於黏滯力。但要求風洞內之雷諾數與實際情況相同幾無可能，所幸紊流在高雷諾數具有雷諾數相似性之特徵，亦即當雷諾數超過某臨界值時，紊流結構之特徵不受雷諾數大小的影響。由實驗結果顯示，當雷諾數大於104時，非流線形物體所受的阻力係數及紊流流場不再受雷諾數的影響[文獻15]。一般在評估建築物周遭風場時，建築物實體的高度約為100 ~ 200 公尺，如果模型之比例縮尺為1/200 ~ 1/500，風速的縮尺為1/2 ~ 1/3，亦即模型之高度約為0.3 m，風洞內風速約為10 m/s，則風洞內模型的雷諾數約為105，超過臨界雷諾數104。換句話說，當風洞內的特徵雷諾數超過臨界雷諾數，風洞內的風場應能合理地模擬實際建築物周遭之風場。. 2. 羅士比數相似：羅士比數(Rossby no.)的定義為. Ro =. U ΩL. 式中Ω = 7.29 × 10-5 s-1為地球自轉之角速度，L為水平距離。羅士比數. Ro代表地球自轉之科氏力對氣流的影響。高層建築物所影響之風場環境約為高樓周遭L = 1000 m的範圍，若風速之數量級為10 m/s，羅士比數Ro為140。這表示環境風場的問題中，科氏力遠小於慣性力，科氏力的效應可予以忽略。. 5-9.

(65) 3. 理察生數相似：理察生數(Richardson no.)的定義為. Ri =. g∆ρL o ρU o2. 式中∆ρ為空氣的密度差異，g為重力加速度。理察生數Ri代表空氣密度差異對大氣邊界層流的影響，理察生數愈大，浮力效應愈重要。因為環境風場所考量的是強風狀況下地形或建築結構物與氣流之交互作用，其理察生數Ri趨近於零，屬於中性的大氣穩定狀態，故此類的風洞實驗並不需要特殊的加溫設備。. 四、初始條件相似性：模型實驗之初始條件的相似性要求風洞中迫近流場(approaching. flow) 與實際流況相似，且迫近流場之邊壁必須滿足完全粗糙 (completely rough)的條件 u *z o ≥ 25 ν. 其中u*為剪力速度， z o 為地表粗糙長度，ν為空氣的運動黏滯係數。而流況相似又可分為平均風速相似與紊流流況相似，大氣邊界層流之平均風速剖面可用指數律或對數律來模擬，紊流流況相似則要求迫近流場的紊流速度、雷諾應力及紊流頻譜與實際流場相似。此外，風洞試驗段之壓力梯度應接近零。為達到平均風速與紊流流況的近似大氣邊界層流，一般的風洞都在試驗段進口處設置阻牆 (Barrier) 或三角錐形 (Spire) 之渦流產生器及. 5-10.

(66) 試驗段地面設置適當的表面粗糙元(Roughness elements)，再加以足夠的試驗段長度，便可發展出一穩定、平衡的邊界層流所具有的平均風速剖面與紊流特性。阻牆、渦流產生器及粗糙元的配置可以試誤法反覆調整自到符合該地區之風場特性為止。. 圖 5.1 閉路循環式風洞之立體構造圖. 5-11.

(67) No. 說明 1. 保護網 2. 蜂巢管 3. 整流網 4. 整流收縮段 5. 收縮段 6. 試驗段. 明 No. 說 7. 試驗轉盤 8. 可調式屋頂 9. 安全網 10. 收縮段 11. 軸流風扇 12. 擴散管. ➅ ➀ ➁➂➃. ⑦. ➄. 圖5.2 開放、吸入式風洞之立體構造圖. 5-12. ⑧. ⑨. ⑩. 11. 12.

(68) 1578 966 609. 100. 305. 480. 2094. 140. 160. 122. 147. 213. 420 275. 212. 264. 287. 單位：cm. 圖 5.3 中央大學大型風洞之上視圖及側視圖. 5-13.

(69) 圖 5.4 中央大學大型環境風洞之影像圖. 5-14.

(70) 測試之建築物. 渦流產生器 δ. 阻牆. 粗糙元. 圖 5.5 風洞中邊界層流發展示意圖. 5-15. 轉盤.

(71) 第三節量測方法風洞中地表處風場量測方法包括有：(1)風速探針法；(2)紅外線顯像. 法；(3)風蝕法；(4)油膜法；(5)地表風速計。以下分述之：. (1) 風速探針法風洞中常用之風速探針包括有皮托管(Pitot tube)與熱線流速儀(Thermal. Anemometer)，皮托管乃利用壓力差異換算平均風速，但皮托管的缺點為無法量測逆向流與紊流流速。熱線流速儀可以用來量測紊流風場中紊流擾動速度，為使用於紊流速度量測最廣泛悠久之儀器。熱線流速儀之探針依其材料可分為熱絲(Hot wire)與熱膜(Hot film)探針，其原理乃利用電流通過金屬探針會導致探針發熱，而風速會降低探針之溫度，因而改變探針之電阻，電阻之改變可由惠斯敦電橋來量測。實驗前先找出風速與探針輸出電壓的校正關係，實驗中便可以電子儀器來量測與記錄紊流流速之變化。但其缺點為探針極為脆弱，且維修費用昂貴。. (2) 紅外線顯像法(Infrared Thermography) 紅外線顯像法如圖 5.6 所示，以熱水管加熱風洞地板，當風通過地面時會將部份的熱量帶走，風速愈大帶走的熱量愈多。因此可在風洞的頂部設置一紅外線照相機感應地表溫度之分佈，再換算成地表風速之分佈。其優點為可快速且全域地瞭解風速的分佈，但缺點為紅外線照相機價錢昂貴，且無法量測紊流流速。紅外線顯像法的實驗細節可參見 Wu &. Stathopoulos (1997)。 (3)風蝕法(Wind Erosion Technique). 5-16.

(72) 風蝕法在實驗進行之前，均勻地在模型四周撒上木屑或細砂，然後再逐次增加風速，因高速的氣流會將木屑吹散，而木屑匯集之處便為低風速區，如此便可判不同區域的風速強弱。且可在模型四周插上風標顯示風向之變化，如圖 5.7 所示，但風蝕法的缺點為無法量化高風速區之風速. (Livesey et al., 1990)。 (4) 油膜法油膜法類似風蝕法乃定性地觀察地表流場的方法，在建築物四周的地面上均勻地塗抹調配好之油料（二氧化鈦粉末 20 %、油酸 10 %、機油 20. %、煤油 50 %），在啟動風洞之後，強風會吹動地面上油膜，可藉油膜的流動觀察地表流線的變化，如圖 5.8 所示。. (5) 地表風速計地表風速計為加拿大學者 Irwin (1981)所發明之地表風速的量測設備，故又稱為 Irwin Probe。如圖 5.8 所示，地表風速計利用凸出地面之靜壓管壓力與地面壓力之差異來換算風速。靜壓管凸出地面的高度為 0.5. cm，經縮尺比 1/300 ~ 1/400 放大之後約為行人風場之高度(1.5 m ~ 2.0 m) 。地表風速計若配合電子式壓力掃描計可同時量測許多測點之風速。其優點為堅固耐用且造價低廉，故風洞實驗多採用地表風速計來量測地表風速。. 5-17.

(73) 紅外線攝影機. 測試之建築物. 熱水管. 粗糙元. 側視圖. 上視圖. 圖 5.6 紅外線顯像法. 5-18.

(74) 圖 5.7 風蝕法. 圖 5.8 油膜法. 5-19.

(75) 0.3. 1.2. 0.1. 1.2. 單位：cm. 0.4. 圖 5.9 地表風速計. 5-20.

(76) 第四節實驗應注意事項一、量測點的選取環境風場受到影響的區域與建築物的高度、寬度、幾何形狀有關，大約為 3~5 倍建築物高度的半徑範圍。風洞實驗若不能全域地量測受影響區域內所有位置的風速，必須選擇重要的位置來量測風速。量測點應選擇在基地四周可能發生強風之處及行人常出沒的地方，可藉煙流觀察及學理來判斷。量測點數目視基地大小而定，大多介於 20 ~ 40 點。量測位置可分為近地面之測點與非近地之測點：. (1)近地面之測點：量測點位於離地面 1.5 ~ 2.0 m 高處，主要考慮對地面行人的影響。. a. 基地四周的人行道、建築物的出入口及停車場出入口。 b. 主建築物的迎風面、背風面、角隅及特殊突出處。 c. 基地附近的街道及窄巷，可能發生強風之處。 d. 基地四周易受風害影響的區域，有老弱殘障人士出沒處，譬如學校、公園、露天座椅、公車站、醫院、療養院及幼兒遊戲設施等。. (2)非近地之測點： a. 主建築物的陽台、露台或其他設施的頂部。 b. 主建築物透空或開口之處。 c. 基地四周高層建築物的陽台、露台或其他設施之頂部。 d. 主建築物周遭之木造建築物或大型看板等易受強風影響之構造物。. 5-21.

(77) 二、試驗風速的決定試驗風速的取決於雷諾數必須. Re =. UoH > 104 ν. 其中Uo為風洞中自由流之流速，H為主建築物的高度，ν為空氣的運動黏滯係數。譬如風洞內自由流之流速 U o = 8.20 m/s，邊界層之厚度. δ = 2.0 m ，因此風洞內邊界層流的特徵雷諾數為 Re δ = U o δ / ν = 1.0 × 106。若主建築物模型之高度H = 0.35 cm，建築物周遭流場之局部雷諾數為 Re H = U o H / ν = 1.8 × 105，皆必須超過臨界雷諾數104，方能忠實地模擬出大氣之流況及建築物周遭的流場。. 三、量測時間的選取模型和現場時間之比例必須遵守.  H   H    =   U ⋅ t m  U ⋅ t p 其中H為建築物的高度，t為時間，下標p和m分別代表實體(Prototype) 和模型(Model)。因此試驗時紊流速度量測時的取樣頻率. 1 fm t m Hp Um = = ⋅ 1 Hm Up fp tp. 5-22.

(78) 量測儀器之取樣頻率則依儀器構造及性能而有所不同，因此在選擇量測儀器時必須注意是否能量測快速變化的紊流流速。. 四、其他應注意事項： 1. 風洞模型之縮尺比例應在 1/200∼1/600，太小的模型不易製作，且地表的黏性次層會影響到風洞實驗的正確性。. 2. 風洞模型應包含以主建築物為圓心，3 倍主建築物高度為半徑範圍內所有的地形、地物及植物等。. 3. 模型迎風面積與風洞斷面積的比值不得超過 5% ，以避免氣流加速現象的發生。若阻塞比大於 10% ，應做適當的修正。. 4. 風洞中的迫近流必須滿足平均風速與紊流流況的相似。 5. 風洞實驗時，必須針對 16 個風向（北北東、東北、東北東、東、東南東、東南、南南東、南、南南西、西南、西南西、西、西北西、西北、北北西、北）分別進行實驗，以配合中央氣象局之氣象站的風向資料。. 6. 風速量測儀器應可量測紊流及逆向流之流速。 7. 風洞實驗之結果必須進行誤差分析。. 5-23.

(79) 第六章. 數值模擬. 近年來高速電腦及數值模式有很大進步，一些邊界條件簡單的流場皆可用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方式加以模擬。但因為建築物周遭的風場屬於三維、非穩態的紊流流場，且流場的邊界條件極為複雜，輸入邊界條件的工作十分繁複，又因為所需的計算量極大，即使現有的高速電腦仍然需要很長的計算時間。故目前的數值模式應用於實際建築物周遭環境風場的計算仍在試驗階段(Yuan and Soong, 1990)，以下僅介紹數值模式的理論依據及一些工程常用的數值模式。. 第一節控制方程式依據流體力學的原理，風場的控制方程式為連續方程式與那維爾– 史托克方程式(Navier-Stokes equation)：. ∂ U ∂V ∂W + + =0 ∂ x ∂y ∂ z. (6.1). DU 1 ∂P =− + 2ΩV sin φ − 2ΩW cos φ + ν∇ 2 U Dt ρ ∂x. (6.2). DV 1 ∂P =− − 2ΩU sin φ + ν∇ 2 V Dt ρ ∂y. (6.3). DW 1 ∂P ∆ρ =− − g + 2ΩU cos φ + ν∇ 2 W Dt ρ ∂z ρ. (6.4). 6-1.