建築物附置物之耐風設計評估研究

建

築

物

附

置

物

之

耐

風

設

計

評

估

研

究

內

政

部

建

築

研

究

所

委

託

研

究

報

告

106

年

度

建築物附置物之耐風設計評估研究

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 106 年 12 月

PG10601-0638

建築物附置物之耐風設計評估研究

受 委 託 單 位 : 社團法人中華民國風工程學會

研 究 主 持 人 : 陳若華

協 同 主 持 人 : 羅元隆

研

究

員 : 黎益肇

研 究 助 理 : 魏梓伊

研 究 期 程 : 中華民國 106 年 2 月至 106 年 12 月

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 106 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）

I

目次

目次 ... I

圖次 ... V

表次 ... XI

符號對照 ... XIII

摘 要 ... XV

ABSTRACT ... XIX

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

一、研究緣起 ... 1

二、研究背景 ... 1

第二節 研究內容與方法 ... 4

第三節 研究流程與進度規劃 ... 7

第二章 文獻回顧 ... 9

第一節 建築附置物之風荷載 ... 9

第二節 極值分析理論於風工程中設計氣動力參數推估 ... 17

第三節 計算流體動力學(CFD)之運用 ... 18

第三章 研究方法 ... 21

第一節 氣動力實驗流場規劃 ... 21

第二節 實驗量測與模型規劃 ... 23

第三節 計算流體動力學模擬 ... 34

第四章 研究成果與檢討 ... 37

第一節 建物雨庇板面整體風載重評估 ... 37

一、氣動力實驗成果 ... 37

二、雨庇設計風力係數推估 ... 50

三、計算案例 ... 52

第二節 建物屋頂太陽光電板陣列風載重數值模擬成果 ... 54

一、網格系統與初步測試 ... 57

二、LES 模擬驗證 ... 64

三、太陽能光電板陣列排列間距比... 66

四、屋頂太陽能光電板參數分析 ... 68

第三節 建物屋頂太陽光電板陣列設計風力推估 ... 73

第四節 建築物立面垂直招牌風載重評估 ... 76

III

第五章 結論與建議 ... 81

第一節 結論 ... 81

第二節 建議 ... 82

附錄一、評選委員意見及廠商回應一覽表... 85

附錄二、期中審查意見及回應一覽表 ... 91

附錄三、第一次專家座談意見及回應一覽表 ... 99

附錄四、第二次專家座談意見及回應一覽表 ... 103

附錄五、期末審查意見及回應一覽表 ... 107

參考書目 ... 113

V

圖次

圖 1-1 2015 年蘇迪勒颱風一般災情分類統計 ... 2

圖 1-2 臺北市 81 年至今成立災害應變中心暨交通號誌及廣告招

牌災情統計 ... 3

圖 1-3 計畫執行流程 ... 7

圖 2-1.低層建築物雨庇之峰值昇力係數 ... 14

圖 2-2 紐澳規範(ASNZS 1170 2:2002)有關低層建築物雨庇之外

型尺寸定義 ... 15

圖 2-3 紐澳規範(ASNZS 1170 2:2002)有關低層建築物雨庇之淨

風壓係數建議值 ... 15

圖 2-4 垂直遮陽板各片平均風壓係數隨風向角變化 ... 17

圖 3-1 淡江大學風工程研究中心第一號風洞實驗室示意圖 ... 21

圖 3-2 排除風洞底端邊界層效應之端板與導流板 ... 22

圖 3-3 產生均勻紊流之隔柵 ... 22

圖 3-4 均勻紊流場實驗模型位置的平均風速剖面、紊流強度剖與

長度尺度分布 ... 23

圖 3-5 模型風攻角定義 ... 24

圖 3-6 雨庇氣動力模型設計 ... 25

圖 3-7 雨庇模型符號說明 ... 25

圖 3-8 招牌氣動力模型設計 ... 26

圖 3-9 壓力訊號處理系統 ... 27

圖 3-10 電子式壓力掃描模組 ... 27

圖 3-11 雨庇與建築物氣動力模型 ... 30

圖 3-12 試驗段中雨庇模型氣動力實驗模型安裝狀況 ... 30

圖 3-13 招牌與建築物氣動力模型特徵尺度 ... 31

圖 3-14 招牌與建築物氣動力模型 ... 32

圖 3-15 試驗段中招牌模型氣動力實驗安裝狀況 ... 33

圖 4-1 雨庇模型氣動力，(a)安裝於屋頂高度處的實驗配置，(b)

可變化出挑長度之雨庇模型表面風壓孔分布(兩面均布設) .. 37

圖 4-2 風攻角零度時，雨庇模型淨風壓係數分布，h

c

/h=0.95，

h

c

/w

c

=1.58，(a)平均值，(b)擾度值，(c)尖峰值 ... 39

圖 4-3 風攻角 10 度時，雨庇模型淨風壓係數分布，h

c

/h=0.95，

h

c

/w

c

=1.58，(a)平均值，(b)擾度值，(c)尖峰值 ... 40

圖 4-4 風攻角 90 度時，雨庇模型淨風壓係數分布，h

_c

/h=0.95，

h

c

/w

c

=1.58，(a)平均值，(b)擾度值，(c)尖峰值 ... 41

圖 4-5 風攻角 0 度時，雨庇模型平均淨風壓係數分布， h

c

/w

c

=1.58，

h

c

/h= (a) 0.95，(b)0.48，(c)0.15 ... 43

VII

圖 4-6 風攻角 0 度時，雨庇模型擾動性淨風壓係數分布，

h

c

/w

c

=1.58，h

c

/h= (a) 0.95，(b)0.48，(c)0.15 ... 44

圖 4-7 風攻角 0 度時，雨庇模型尖峰淨風壓係數分布， h

c

/w

c

=1.58，

h

c

/h= (a) 0.95，(b)0.48，(c)0.15 ... 45

圖 4-8 雨庇模型淨風壓係數分布隨風攻角變化，h

c

/h=0.95，h

c

/w

c

=

(a) 1.58，(b) 2.11，(c)3.17，(d)6.33 ... 47

圖 4-9 雨庇模型淨風壓係數分布隨風攻角變化，h

c

/h=0.48，h

c

/w

c

=

(a) 1.58，(b) 2.11，(c)3.17，(d)6.33 ... 48

圖 4-10 雨庇模型淨風壓係數分布隨風攻角變化，h

c

/h=0.16，

h

c

/w

c

= (a) 1.58，(b) 2.11，(c)3.17，(d)6.33 ... 49

圖 4-11 雨庇版面整體設計風力係數隨安裝配置方式變化 ... 51

圖 4-12 雨庇風荷載計算案例圖示 ... 52

圖 4-13 本研究採用之屋頂太陽光電板陣列 CFD 模擬計算模型

圖 ... 55

圖 4-14 屋頂太陽光電板陣列模擬頂視圖 ... 56

圖 4-15 屋頂太陽光電板陣列模擬側視圖 ... 56

圖 4-16 本研究採用之屋頂太陽光電板陣列 CFD 模擬計算模型

格網，(a)整體網格分布， (b)太陽光電板附近網格 ... 58

圖 4-17 屋頂太陽光電板陣列 CFD 數值模擬與風洞實驗(建研所

2015)之第一至三片版整體平均淨風壓係數比較 ... 58

圖 4-18 屋頂太陽光電板陣列各片版之整體平均淨風壓係數隨角

度變化 CFD 計算成果... 59

圖 4-19 屋頂太陽光電板陣列各片版之平均淨風壓係數分布隨角

度變化 CFD 計算成果， 風攻角為(a)0 度，(b)20 度，(c)40

度，(d)180 度，(e)220 度，(f)340 度。 ... 61

圖 4-20 屋頂太陽光電板陣列無退縮時各片版之整體平均淨風壓

係數分布隨風攻角變化之 CFD 計算成果。 ... 62

圖 4-21 屋頂太陽光電板陣列退縮 0.1875H(H=建築物高度)時，各

片版之整體平均淨風壓係數分布隨角度變化 CFD 計算成果。

... 62

圖 4-22 屋頂太陽光電板陣列退縮 0.1875H 時，各片版之平均淨

風壓係數分布隨角度變化 CFD 計算成果， 風攻角為(a)-80

度，(b)-40 度，(c)-20 度，(d)0 度，(e)20 度，(f)40 度，(f)80

度。 ... 64

圖 4-23：平均淨風壓於不同風攻角比較 ... 65

圖 4-24：擾動淨風壓於不同風攻角比較 ... 65

圖 4-25：間距比測試示意圖(S/H=2) ... 67

圖 4-26：風攻角 40 度時渦度等值表面圖 ... 69

IX

圖 4-27：不同仰角之平均淨風壓比較圖 ... 70

圖 4-28：不同仰角之擾動淨風壓比較圖 ... 70

圖 4-29：不同退縮比之平均淨風壓比較圖 ... 71

圖 4-30：不同退縮比之擾動淨風壓比較圖 ... 71

圖 4-31：不同建築高度之平均淨風壓比較圖 ... 72

圖 4-32：不同建築高度之擾動淨風壓比較圖 ... 72

圖 4-24 實驗資料推估之光電板整體風壓係數極值 ... 74

圖 4-25 不同退縮比之招牌整體淨風壓係數(a)平均值，(b)均方根

擾動值，(c)推估之極值 ... 78

圖 4-26 退縮比 3.3%時，不同安裝高度及懸伸長度之招牌整體淨

風壓係數(a)平均值，(b)均方根擾動值，(c)推估之正風壓極值，

(d)推估之負風壓極值 ... 79

圖 4-27 以實驗資料推估不同安裝位置招牌之設計風力係數 ... 80

XI

表次

表 1-1 研究進度規劃表 ... 8

表 2-1 開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數 Cf ... 10

表 3-1 雨庇模型氣動力實驗系列 ... 29

表 3-2 招牌模型氣動力實驗系列 ... 31

表 3-3 紊流邊界層風速生成參數 ... 36

表 4-1 雨庇版面隨安裝配置方式變化之整體設計風力係數建議值

... 51

表 4-2 雨庇設計風載重計算 ... 53

表 4-3 CFD 計算流場模擬設定 ... 55

表 4-4： 間距比測試之平均淨風壓係數 ... 67

表 4-5： 間距比測試之擾動淨風壓係數 ... 68

表 4-6 各不同配置情形下的太陽光電板版面極端風力係數推估

值 ... 74

表 A-1 評選意見及廠商回應一覽表 ... 85

表 A-2 委託研究計畫案期中審查意見及回應表 ... 91

表 A-3 委託研究計畫案第一次專家座談審查意見及回應表 ... 99

表 A-4 委託研究計畫案第二次專家座談審查意見及回應表 ... 103

表 A-5 委託研究計畫案期末審查意見及回應表 ... 107

XIII

符號對照

Ac ：開放式建築物受風作用特徵面積。 Ai ：各風壓孔的貢獻面積 Atotal ：該片光電板的總面積 B ：建築物寬度 Cf ：風力係數 S C ：Smagorinsky 常數 fx、fy、fz：場加速度在 x、y、z 座標上之分量 m f ：相應 m 波數(wave number)之頻率 G ：普通建築物之陣風反應因子 h ：建築物平均屋頂高度 hb ：招牌高度 hc ：招牌之底部高度 hc = h – hb，雨庇之簷口高度 u I 、I_v、I_w：分別為順風向、橫風向、垂直向速度之紊流強度 u L 、L_v、L_w：分別為順風向、橫風向、垂直向速度在 x 方向的紊流積分長度尺度 P ：風壓時序列資料 p ：平均壓力 2 p ：擾動性風壓的均方根值 S ：退縮長度 Sij ：剪應力張量S_ij(u_j/x_iu_i/x_j) t ：時間 U ：參考風速 u、v、w：速度在 x、y、z 三個方向之分量 wc ：雨庇之懸伸長度

wc ：為招牌懸伸長度 f Ac z ：Ac之形心高度 ν ：流體之運動黏滯度(kinematic viscosity)  ：計算網格之特徵長度 n m i r , _： 0  r  及_r 0之三維常態分布隨機數據 ρ ：空氣密度

XV

摘 要

關鍵詞：建築附置物風荷載，風洞實驗，計算流體動力學，極值分析 一 、 研 究 緣 起 臺灣地區颱風盛行，建築物常見的附掛於外牆的附置物如立面上的外伸式 雨庇、廣告招牌物、屋頂面上的太陽光電設備等，因多半不屬建築物主要抗風 結構系統，因此其結構系統設計通常較為簡化或缺乏合適的設計參考數據，面 對颱風等強烈的氣流作用下易受到風災損失。此類構造物造型多變，結構系統 受風荷載的計算及考慮項目常以簡化或經驗作取捨，在現行規範中較無明確規 定，如能提供的合適的風力係數，提供附置物安裝與規劃之參考，有系統地探 討此類構件氣動力載重，對於提升此類設施的耐風性能、減低財產風損、減少 安全危害應有所裨益，而業界實際從事類似案例設計工作上亦有所參考。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本研究利用風洞實驗更深入的探討建築物常見的附掛於外牆的附置物所受 到的風荷載狀況，包括內外表面風壓及其氣動力特性的討論，考慮不同安裝方 式或內外風壓的差異成為風荷載的來源，因此間距、安裝位置、風向等多項因 素均有影響，量測對象主要為風壓分布狀況，以進一步分析，採用風洞進行縮 尺模型氣動力實驗並搭配 CFD 模擬計算，可有效掌握建築物附置物的整體受風 情形，有助於釐清各因素對於氣動力特性的影響，進而尋找最不利的荷載條件。 三 、 重 要 發 現 本計畫已就建築物水平式雨庇進行一系列實驗，利用各種不同安裝高度、 懸伸長度及風攻角均推估出其相應的極端風力係數，並計算推估所得雨庇版面 整體設計風力係數隨安裝配置方式變化，以速查表方式呈現。 利用 CFD 技術模擬不同配置條下的太陽光電版所受風荷載，計算結果與實 驗值可達相符程度，變化趨勢亦與實驗觀察所得吻合。CFD 模擬不同配置條下

的太陽光電版所受風荷載顯示，安裝間距的減小以及仰角的降低，均使所受淨 風壓係數下降。 安裝於屋頂面上之太陽光電板在低端與地板接合的安裝狀況下，本研究利 用氣動力實驗推估之設計風力係數與開放式單斜屋頂之建議值相比略低，因此 如採用開放式單斜屋頂之設計風力係數亦屬保守的設計。 本研究以實驗量測各不同安裝方式之招牌受風作用，推估的設計風力係數 則呈現近似的分布情形，本研究考慮的安裝高度變化、懸伸變化、退縮變化等 條件仍未呈現明顯的趨勢，因此建議對於此類小形招牌採用 0.6 作為設計風力 係數，應為可信且保守的作法。 四 、

主 要 建 議 事 項

根據重要發現，本研究提出下列建議事項。 建議一 編製建築物設計風荷載計算實務示範例彙編：立即可行建議 主辦機關：中華民國風工程學會、內政部建築研究所 協辦機關：結構技師公會 國內建築物耐風設計規範之設計風荷載計算方式對於建築規劃設計時之風 荷載考量至關重要，規範所建議之計算公式及係數甚為詳細，目前有輔助的專 家系統可分攤設計計算工作，以及耐風設計手冊可供參閱。 而規範中多以單純構形為主，更貼近實際設計案例的計算示範，甚或彙整 現有的建築物耐風設計計算內容，建立成為實務示範例，將更有助於建築結構 設計者在設計過程中，面對造型有部分差異的建築物、附置物等耐風設計時， 對於規範引用的參考，將更有助於規範推廣利用。

XVII 建議二 建築物風荷載計算與 BIM 整合運用技術研究：中長期建議 主辦機關：中華民國風工程學會 協辦機關：內政部營建署、內政部建築研究所、臺灣建築中心 本研究以探討建築附置物之風荷載為主，建立典型造型的設計風力建議值， 基於 BIM 為建築產業重要的發展趨勢，未來設計與結構分析可利用 BIM 系統 透過共同的模型檔案，結合風工程專家系統的分析，將風荷載與結構分析與建 築設計做緊密的結合，相信對於具備單純構型之建築物設計是可行的，對於構 形複雜或非傳統造型需透過風洞實驗進行風荷載評估，而實驗成果仍可引入於 結構分析模組中，達成建築資訊的整合與提高分析設計效率。 因此結合 BIM 系統需求的資料建置方式，方便將較細緻的建築物受風作用 資料導入 BIM 系統中，將設計與建築結構分析的整合更加精確，應有助於提高 建築物耐風性能及邁向營建自動化的目標。

XIX

ABSTRACT

Keywords: The attached facilities of buildings, Wind tunnel tests, Computational Fluid Dynamics, Extreme value analysis.

I. Background

Typhoon prevails in Taiwan, since the buildings are often attached to the external walls of the attachments such as the facade of the expansion of the shelter, advertising signs, roof solar photovoltaic equipment, etc. However, most of these buildings external facilities are not the main wind resistance structural system, so their support system design is usually more simplified or lack of appropriate design reference data. Under the typhoons or other extreme weather conditions, lots of them are suffered to wind damage. In the meanwhile, these various structural shapes are complex problem in the estimation of wind load consideration. So most project often simplified or experience to choose, and in the current building design code is lacked the clear definitions for them. If there were more detailed design reference which can provide the appropriate wind loadings of attachments installation and planning, it will be safer to the users of buildings. To systematically explore the aerodynamic load of such components can enhance the wind resistance of such facilities, reduce property wind damage, reduce the safety hazards and the industry actually engaged in similar case design work is also a reference.

II. Research methods and processes

In this study the aerodynamic tests of building with attached facilities models in wind tunnel are adopted to collect the necessary data for design parameter predicting. Lots of design facts, include the spacing, location and wind azimuth angle will be exam in the analysis processes. Also the CFD simulation about wind loadings on the building attached facilities will be compared to the results of wind tunnel tests, this will be helpful to set up the design comments when the wind loadings should be considered.

In this study, various installation height, length of the suspension and the wind angle are considered to estimate the corresponding extreme wind loadings, and calculate the estimated total design wind loading coefficients of rain shelters the with the installation configuration changes, also a table for these coefficients is presented.

CFD technique is used to simulate the wind loadings on the solar photovoltaic panels array under different configurations. The calculated results are in agreement with the experimental data and the variation trend is also consistent with the experimental observation.

CFD simulation of different configurations under the solar photovoltaic panels array of the wind load are displayed, with the reduced spacing and the pitch angles of PV , to the net wind pressure coefficient to be decreased.

The solar panels installed on the roof surface with the low-end connected with floor, according to the aerodynamic experiments results, the choose of the design wind loading coefficient seems to be similar and slightly lower to the recommended value of open monoclinic roof defined in the building code. So the adoption of the code seems to be a conservative design.

In this study, the design wind loadings of the different installation methods of the signs are also considered, with the small-shaped extension of the signs on the building façade and the maximum variation of the installation height, which is considered to be close to 0.6 So the usage of 0.6 as the design wind loading coefficients for such small sign board should be credible and conservative.

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

一 、 研 究 緣 起 臺灣地區颱風盛行，建築物常見的附掛於外牆的附置物如立面上的外伸式 雨庇、廣告招牌物、屋頂面上的太陽光電設備等，因多半不屬建築物主要抗風 結構系統，因此其結構系統設計通常較為簡化或缺乏合適的設計參考數據，面 對颱風等強烈的氣流作用下易受到風災損失。此類構造物造型多變，結構系統 受風荷載的計算及考慮項目常以簡化或經驗作取捨，在現行規範中較無明確規 定，如能提供的合適的風力係數，提供附置物安裝與規劃之參考，有系統地探 討此類構件氣動力載重，對於提升此類設施的耐風性能、減低財產風損、減少 安全危害應有所裨益，而業界實際從事類似案例設計工作上亦有所參考。 二 、 研 究 背 景 外牆附置物可定義為設置於外牆之遮陽(雨)版、晾衣鐵架、冷氣機、空調 室外主機、花架、鐵窗架、外加突窗、廣告物、電線電纜、各外露明管、違建 等人為設置物(王順治 2000)。臺灣地區颱風盛行，建築物常見的附掛於外牆的 附置物如立面上的外伸式雨庇、廣告招牌物、屋頂面上的太陽光電設備等，因 多半不屬建築物主要抗風結構系統，因此其結構系統設計通常較為簡化或缺乏 合適的設計參考數據，面對颱風等強烈的氣流作用下易受到風災損失。此類構 造物造型多變，支撐結構系統受風荷載的計算及考慮項目常以簡化或經驗作取 捨，在現行規範中較無明確規定，如能提供的合適的風力係數，提供附置物安 裝與規劃之參考，有系統地探討此類構件氣動力載重，對於提升此類設施的耐 風性能、減低財產風損、減少安全危害應有所裨益，而業界實際從事類似案例 設計工作上亦有所參考。 依據中央災害應變中心災害情報站資料，以 2015 年蘇迪勒颱風來襲單一事 件為例，一般災情統計(如圖 1-1)部分，累計有路樹倒塌 7,297 件、廣告招牌及

掉落物 2,860 件、交通災情 283 件、積淹水及水利設施災情 451 件、土石災情 110 件、停水停電 7,208 件、建物毀損 1,798 件、其他災情 6,569 件等，共計 26,576 件。由統計資料顯示，廣告招牌及掉落物通報受災達兩千餘件，顯示廣告招牌 等耐風性能不足，在強颱作用下容易破損甚至傾倒。 以台北市區為例，近十餘年來颱風來襲成立災害應變中心所做成之颱風災 損統計，就其中交通號誌損壞及廣告招牌損壞(含墜落)災情加以逐項加總，如 圖 1-2 所示，廣告招牌風損事件數量甚為可觀，如能強化其耐風性能，對減少 民眾財產損失甚為重要。

圖 1-1 2015 年蘇迪勒颱風一般災情分類統計

(資料來源：中央災害應變中心災害情報站)

圖 1-2 臺北市 81 年至今成立災害應變中心暨交通號誌及廣告招牌災

情統計

第二節 研究內容與方法

本計畫探討各種不同形式建築物附置物所受風荷載，利用氣動力實驗獲得 風壓分布數據資料，並以極值分析理論推估其合適的設計風壓係數，期能有效 掌握此類構造物的風荷載特性。彙整影響風荷載之設計策略，包括建築物幾何 條件、安裝位置、安裝方式、附置物幾何尺寸、來流條件等因素對於風荷載的 影響，並由實驗資料搭配計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, 簡稱 CFD)計算模擬，提升模擬技術及擴大檢討的範圍。利用本計畫所建立的設計風 荷載資料，建立建築物附置物構件風荷載之速查表，提供業界參考。研究方法 包括： (一)、附置物設計形式整理 由實務設計資料中蒐集有關國內常見的各類附置物形式，初步規劃包括以 下數種類別： 1.外伸式雨庇(遮雨棚) 2.建築立面上附掛之廣告招牌 3.屋頂面上太陽光電設施 將蒐集整理常見設計形式，建立典型構型與尺寸變化因子加以整理，以建立 較具代表性的設計案例。 (二)、文獻資料蒐集 蒐集期刊論文、國內外法規、本所歷年研究成果等文獻資料中有關不同附 置物設計形式對風荷載影響的相關研究成果，系統化的整理氣動力載重資料， 作為設計研究模型的參考。 (三)、典型建築案例氣動力實驗 以建築物的案例製作氣動力模型，利用風洞實驗，掌握其表面風壓、外周 邊流場等資料，並與文獻資料結果比對。 1. 流場模擬： (1) 本研究將利用風洞實驗室現有之典型紊流場，選取合適的紊流流場條 件，作為來流條件。

觀測記錄流場的剖面資料。 (3) 模型安裝後，風洞實驗斷面的阻塞比控制於 8%以下。 2. 建築附置物之氣動力模型： (1) 本研究將製作不同尺寸及排列方式的建築附置物氣動力模型，進行風 洞實驗，建築物模型以簡單矩形量體規劃。 (2) 薄板式的氣動力模型以壓克力薄板加工製作，表面均布風壓孔，透過 管線系統與電子式壓力量測系統連接，進行同步壓力量測。 (3) 外伸式雨庇方面探討重點以變化雨庇淨高與建築物平均屋簷高度之 比值、雨庇外伸比、雨庇寬度與建築物寬度比、雨庇安裝位置等條件 為實驗設計之考量因子。 (4) 建築立面上附掛之廣告招牌方面探討重點以變化招牌高寬比、招牌安 裝位置(角隅退縮比) 等條件為實驗設計之考量因子。 (5) 屋頂面上太陽光電設施方面探討重點以變化太陽光電板陣列間距、女 兒牆影響性、第一排與建築物邊緣退縮比、非平行於建築物邊緣線排 列等條件為實驗設計之考量因子。 (6) 不同建築物深寬比及高寬比對於建築附置物所受風壓與局部尖峰風 壓影響的探討，亦將利用變化建築物量體模型尺寸，配合較具關鍵變 化趨勢的模型尺寸配比加以探討。 (7) 文獻探討與氣動力模型風洞實驗，如為過去研究成果已可取得，將整 合彙整為建築附置物受風載重資料，並可減少實驗數量。 (8) 針對關鍵性比例或具有重大趨勢變化之幾何條件進行 CFD 模擬計算， 驗證後將擴大檢討之尺寸或比例範圍。 (9) 氣動力模型安裝於風洞試驗段之旋轉平台，具備調整角度機構，模擬 不同方向來流風場變化。 (10) 透過氣動力模型風洞實驗實際檢視減低建築附置物風載重的安裝策 略或尺寸建議。 3. 氣動力實驗量測：藉由變化不同之來流條件，取具代表性之建築附置物造 型為典型，並製作模型進行氣動力實驗量測，取得模型表面之風壓分佈資 料進行相關數據分析，其計算分析方法包含： (1) 由實驗量測所得之建築物表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、 擾動值、尖峰因子(peak factor)等，以完整掌握表面風壓分佈情形。 (2) 利用氣動力模型表面風壓，採有效貢獻面積加權積分方式，計算瞬時 整體風壓，並可供整體風荷載極值分析之用。 (3) 淨風壓係數：利用上下版面風壓在時間域上瞬時相減，計算版面所受 淨風壓(net wind pressures)係數。

(四)、數值模擬計算的開發與驗證 利用 CFD 軟體進行模擬計算，更換不同附置物幾何尺寸或安裝位置，計算 在紊流場下的表面風壓係數，與風洞實驗成果相比較，建立數值模擬計算能力， 並據以擴大涵蓋範圍。 1. 利用風洞實驗結果確認數值模式。 2. 延伸實驗案例，補強附屬構造之風力風壓資料庫。 本研究採用泛用型計算流體力學軟體 FLUENT 進行風場模擬工作，其乃基 於以有限體積法(finite-volume method)為架構所建構出來的計算流體動力學程 式。以求解連續方程式與動量方程式在流場的速度及壓力，可克服對於複雜幾 何形狀計算域的適用性問題。紊流模型採用 Smagorinsky(1963)之次網格紊流模 型(subgrid-scale turbulence model)。

邊界層紊流入流資料產生乃使用 MDSRFG 隨機紊流產生器來產生，風速 隨著空間與時間變化，型式為傅利葉級數(Fourier series)的合成。黎(2015, 2016) 等業已成功使用本方法，呈現適切之大氣邊界層中紊流入流，合理預測建築表 面風壓特性及風力頻譜。紊流產生為非均勻性與非等向性大氣邊界層入流，三 個方向的風速頻譜採用 von Kármán 形式。 (五)、附置物所受風荷載的評估及其支撐結構設計建議 以氣動力實驗成果配合極值分析，推估其設計風載重，了解不同安裝及幾 何條件對於建築附置物風荷載的影響。並建立簡單造型建築物的案例，說明其 計算流程。 (六)、設計速查表彙編 由本計畫所建立的設計風荷載資料，加以系統化的編輯成設計參考，利用 表格方式呈現研究成果，建立建築物附置物風荷載之速查表，提供業界參考運 用。

第三節 研究流程與進度規劃

本計畫依據計畫目標與實驗設備規劃執行之流程如下圖所示，進度規劃如 表 1-1 所示。

圖 1-3 計畫執行流程

表 1-1 研究進度規劃表

月次 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 第 12 個 月 備 註 結構資料蒐集 文獻比較分析 模型設計與製 作 ▼：完成實驗驗證 儀器校正 風洞實驗 實驗資料分析 期中報告 ▼：完成期中報告 風荷載分析 設計風壓係數 檢討 ▼：完成檢討 專家座談 期末報告撰寫 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 6﹪ 11﹪ 22﹪ 31﹪ 36﹪ 47﹪ 58﹪ 72﹪ 86﹪ 92 % 97﹪ 100% 說明 1. 工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。 2. 預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每 1 小格粗組 線為 1 分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各 月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。 3. 科技計畫請註明查核點，作為每 1 季所預定完成工作項目之查核依據。 (資料來源：本研究繪製)

第二章 文獻回顧

本研究以外伸式雨庇、廣告招牌物、屋頂面上的太陽光電設備等為探討對 象，以下簡述現有相關的文獻資料及研究成果。

第一節 建築附置物之風荷載

1.建築物屋頂上太陽能光電板之受風作用 建築物屋頂上太陽能光電板之受風作用常以開放式建築物單斜平板屋頂版 加以考量，ASCE7-10 規範對於開放式建築物單斜平板屋頂版的主抗風結系統 設計所使用的設計風力採用淨風壓(Net pressures)的概念加以表達。淨風壓係數 表達的是上表面風壓係數與下表面風壓係數相減的共同作用結果，亦隱含對於 相關性的考量於其中，相較於國內規範的風力係數作法，對於局部風壓變化的 掌握較為細密，亦提供相對於斜面的正向與背向來流作用下的係數，以及平板 不同仰角的影響，值得參考。Aly(2013)研究架設於平地上之太陽能光電板陣列 氣動力特性，研究不同縮尺模型對於實驗精確度的影響，由於考慮風洞阻塞比， 大氣邊界層流場採用部分模擬的作法，不同縮尺模型氣動力實驗結果顯示，以 Aly 實驗所用風洞斷面尺寸為 22m(長) x 2.4m(寬) x 1.55m(高)以 1 比 20 至 1 比 30 的模型較為合適，過小的模型對於壓力訊號的解析度不佳，且位於邊界層的 近地底層亦與實況略有不符。同時 Aly 指出，模型縮尺主要影響的是擾動壓力 與尖峰壓力，平均風壓係數對於模型縮尺較不敏感。 陳(2008)以大型懸挑屋蓋之體育場看台受風荷載研究，探討不同仰角與不 同底部透空率對於懸挑屋蓋版的氣動力研究，由懸挑屋蓋版淨風壓的平均值、 均方根擾動值及尖峰值等變化的趨勢觀察，氣動力作用較強烈的條件集中在風 攻角為零度或接近零度的小攻角時，此條件下對於結構系統產生的風載重亦較 大。陳(2012a)以單片太陽能光電板縮尺模型架高安裝於不同坡度之雙斜屋頂建 築物屋頂上，利用高紊流強度之均勻紊流場在小型風洞進行實驗量測其所受之 整體昇阻力係數，研究結果顯示，斜屋頂的坡度會影響越過屋頂氣流的特性甚 為明顯，因此不同坡度對於架設於其上的太陽能光電板等附屬設施其受風力作 用，影響甚鉅。陳(2012b)以單片太陽能光電板縮尺模型架高安裝於平屋頂建築

物模型屋頂上，利用地況 C 流場風洞實驗量測安裝於不同位置其所受之氣動力 作用，探討太陽能光電板表面風壓分佈受到不同安裝位置與不同水平風攻角的 影響，風攻角 45 度附近，不論太陽能光電板置放於屋頂前中後三個區域，均有 較極端的出現，對於結構系統而言，屬較危險的配置。

表 2-1 開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數 Cf

θ 各種 L/B 值之 Cf 5 3 2 1 1/2 1/3 1/5 10 0.2 0.25 0.3 0.45 0.55 0.7 0.75 15 0.35 0.45 0.5 0.7 0.85 0.9 0.85 20 0.5 0.6 0.75 0.9 1.0 0.95 0.9 25 0.7 0.8 0.95 1.15 1.1 1.05 0.95 30 0.9 1.0 1.2 1.3 1.2 1.1 1.0 θ 各種 L/B 值所對應的壓力中心位置，X/L 2~5 1 1/5~1/2 10~20 0.35 0.30 0.30 25 0.35 0.35 0.40 30 0.35 0.40 0.45 註： (1)風力垂直作用在屋頂面上，向內及向外均要考慮。 (2) B：與風向垂直的屋頂尺寸，m。 L：與風向平行的屋頂尺寸，m。 X：從屋頂之迎風面屋簷到壓力中心的距離，m。 θ：屋頂斜面與水平面所夾的角度。 (3) 計算設計風力所用之受風作用特徵面積為屋頂面積。 (資料來源：2014 年版建築物耐風設計規範)

我國建築物耐風設計規範及解說(2014)中並未針對類似光電板所受風荷載 作建議，但規範解說中有針對開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數作建議， 如表 2-1 所示。兩者在幾何外型上有所類似，而光電板的低端常見的架設方式 為固定於地面或整體支架加高可通氣流。 依據我國建築物耐風設計規範及解說(2014)中第 2.8 條之解說，開放式建築 物所受之風力則為風速壓乘以風力係數 Cf 及開放式建築物受風作用的特徵面 積 Ac，Ac 依其類型可分為實際表面面積及與風向垂直面上投影面積兩種。規 範之表 2.1(a)定義普通建築物(自然頻率大於或等於 1Hz)中開放式建築物設計風 力計算可採用下式， F=q(z_Ac)GCf Ac (1) 其中 Ac：開放式建築物受風作用特徵面積。 G：普通建築物之陣風反應因子可依規範建議之公式計算或直接取用 較保守的值 1.88。 f Ac z ：Ac之形心高度。 2.屋頂面陣列式太陽能光電板之氣動力特性 陣列式太陽能光電板數量為單排或多排，每排由多片太陽能光電板連續排 列。如 Chung 等人(2008, 2011)研究單片太陽能熱水器集熱板氣動力特性，發 現在版面上端產生迴流區以及兩側形成角渦流並產生三維交互作用。Miller and Zimmerman (1981)和 Franklin(1983)主要研究陣列式太陽能光電板安裝於地面 上之風載重，Tieleman 等人(1980)首先進行單排太陽能光電板安裝於屋頂進行 風洞試驗，Guerts and van Bentum (2006)進一步吹試多排陣列太陽能光電板。前 人研究分析太陽能光電板表面壓力得知，太陽能光電板安裝於屋頂時，由於建 築物與太陽能光電板外型以及太陽能光電板安裝數量及排數皆會影響渦流產生 機制，因此周圍氣動力特性與流場結構是非常複雜。Bienkiewicz 和 Sun(1992) 指出，考量風向角效應時，角渦流易在建築物向風角落處產生，Kopp 等人(2012) 指出在風向角 40 度~50 度為最危險風向角條件，進一步分析不同風向角條件下，

太陽能光電板上、下版面壓力分佈，由結果可得知太陽能光電板安裝位置、片 與片間距、前後排之間保留空間等設計細節有重大影響。 David(2013)研究角 隅渦流對架設於平屋頂面上太陽能光電板陣列之尖峰風荷載研究指出，角隅渦 流對於整體昇力有明顯的影響，而陣列排列方向如與角隅渦流迴捲方向近似或 排列位置位於再接觸區域，均對尖峰風荷載產生明顯的改變。R. Nicolas(2013) 研究平屋頂面上架設太陽能光電板陣列後風速剖面的影響指出，屋頂面上設置 太陽能光電板陣列後，屋頂表面雷諾應力有下降的趨勢，而影響太陽能光電板 上整體昇力峰值的重要因素為建築物分離剪力流與其再接觸現象的綜合表現。 陳(2015)由氣動力實驗與結構分析等方向來探討風場對太陽光電板或陣列 的風載重，研究結果顯示建築物屋頂太陽光電板模組風荷載主要受到安裝位置 及光電板陣列排列方式影響，在多排太陽光電板陣列的受風作用以接近建築物 邊緣的第一排最為強烈，後排的光電板受到前排的遮擋，其受風力減少甚多。 在小風攻角條件下，兩排光電板之間距不超過前排光電板高度四倍時遮蔽效應 可達百分之五十以上。以低層建築物而言，屋頂面上建築物高度十分之一的周 邊區域，受到分離剪力流或角隅渦漩影響，安裝於此區域的太陽光電板將受到 強烈負風壓作用，有掀翻的潛在危機，對光電板結構安全最為不利。不同屋頂 坡度的建築物屋頂上安裝太陽光電模組時，光電板所受的風荷載相比較可見在 小攻角的情形下，隨屋頂坡度的增加，負風壓作用更為強烈，顯示屋頂坡度越 位陡峭時，架設其上的太陽光電板陣列所受負風壓作用將更為嚴重。女兒牆的 存在使得光電板所受風荷載大幅減輕，將光電板陣列進行退縮時，光電板的風 荷載僅微幅上升。本研究採用的退縮距離達女兒牆高度的四倍時，光電板的風 荷載仍受到女兒牆的遮蔽保護而無強烈風荷載。經比較太陽能支撐架結構系統 改善前後之數值分析成果，可發現一般業界所採用之支撐架結構系統，桿件幾 何佈置過於簡單（靜不定度過低），無法充分導引、疏通過於集中之力流。此種 結構型式容易產生桿件內力過大與應力集中之不良影響。經本研究改善方案分 析所得結果可知，透過桿件接合採用焊接方式及支撐光電板的斜梁多增加斜撐 桿件，將載重直接導引至支承端後，可有效降低桿件內力，減少局部桿件應力 負荷。

3.雨庇之風荷載評估 附置於建築物表面之遮陽板或雨庇如與建築物主體一併施作，常採用與建 築物主體相同的建材如混凝土等，其耐風性能較無疑慮。如採用輕量化建材設 計則其風荷載應加以注意。Ioannis(2009)針對低層建築物的雨庇風荷載利用風 洞實驗加以量測，檢討包括簷口高度之雨庇或建築物半高之雨庇等多種條件進 行實驗，量測結果並與規範建議值相比較，結果顯示以淨風壓觀點檢視風壓係 數，雨庇的尖峰風壓係數分布在不同風攻角作用下，正負值均存在，因此兩種 情形均須加以考慮，特別是簷口高度之雨庇其所受風荷載明顯高於其他配置方 式，甚至有高於規範建議值的情形，其餘安裝於建築物半高度處的雨庇構造物， 則風荷載均較小。 Jose(2015)運用風洞實驗探討一般民居建築立面上雨庇構造物風荷載，包含 全建築物寬度配置或半邊建築物立面上配置；結果顯示安裝於屋頂高度的雨庇 其風荷載遠高於安裝於建築物一般高度位置的構件。同時以淨風壓觀點，負的 尖峰風壓出現亦較嚴重，顯示安裝於屋頂高度的雨庇其所承受的渦流作用十分 強烈，其餘高度則雨庇上下面風壓差異較低，因此尖峰風荷載亦較低。

Jancauskas & Holmes(1985)研究低層建築物的雨庇受風作用後尖峰昇力係 數，選取雨庇寬度及安裝高度作為主要變量，建議其尖峰昇力係數，如圖 2-1 所示，並指出影響其昇力係數分布的因素應包括雨庇寬度與安裝高度比、安裝 高度與簷口高度比等。但對於高度更高的建築物與不同流場條件影響則未能有 所建議，尚待進一步研究。

圖 2-1.低層建築物雨庇之峰值昇力係數

(資料來源：Jancauskas & Holmes(1985))

李(2012)以風洞實驗探討設置於建築物入口處之懸臂式雨庇各部分所受之 風壓分布，以風攻角 45-67.5 度附近具有最強烈的平均負風壓係數分布，而在 風向角與雨庇平行時，受到角隅渦流影響，雨庇平面上游區有最大的擾動性風 壓係數分布。此研究對於建築物地面層的雨庇受風作用有良好的探討，可進一 步擴大其探討的雨庇與建築量體間尺寸比例範圍與安裝區域，則更具實用價 值。 建築物耐風設計規範中有關雨庇構造物的風荷載規範，以紐澳規範(ASNZS 1170 2:2002)有較為明確的作定義，如圖 2-2 及圖 2-3 所示，該規範中主要針對 低矮型建築物之雨庇所受淨風壓係數進行建議，淨風壓係數建議值包括正值及 負值，設計時兩者均需加以考慮。風荷載仍以等值靜態風力方式進行計算，合 力作用點設於雨庇版面之幾何中心。依規範建議採用的淨風壓係數應以雨庇高 度與建築物平均屋頂高度之比值(hc/h)進行分類，主要是 hc/h 小於 0.5 為一類，

而 hc/h 大於或等於 0.5 為另一類，並建議對於中間數值以內插方式計算。由建 議之淨風壓係數顯示，正值淨風壓係數隨雨庇安裝的高度比上升而下降，負值 淨風壓係數隨雨庇安裝的高度比上升而上升，特別是接近屋頂高度附近的雨庇 有最強烈的負風壓作用。

圖 2-2 紐澳規範(ASNZS 1170 2:2002)有關低層建築物雨庇之外型尺

寸定義

(資料來源：ASNZS 1170 2:2002)

圖 2-3 紐澳規範(ASNZS 1170 2:2002)有關低層建築物雨庇之淨風壓

係數建議值

(資料來源：ASNZS 1170 2:2002)

4. 招牌廣告物之風荷載評估 臺北巿為管理廣告物以維護公共安全，制定廣告物管理自治條例，全文總 計有總則、廣告物種類、廣告物之審查許可、廣告物之設置限制、廣告物維護 管理、廣告物設置規定、罰則及附則等八章 46 條。第 2 條定義所稱廣告物， 指為宣傳或行銷之目的而以文字、圖畫、符號、標誌、標記、形體、構架或其 他方式表示者，種類包含招牌廣告、樹立廣告、張貼廣告、透視膜廣告、氣球 廣告、旗幟廣告、公車站牌、候車亭廣告及遊動廣告與其他廣告等，其中招牌 廣告係指固著於建築物牆面上之電視牆、電腦顯示板、廣告看板、以支架固定 之帆布等以正面式、側懸式及騎樓簷下等形式設置之廣告。樹立廣告係指樹立 或設置於地面或屋頂之廣告牌（塔）、綵坊、牌樓等廣告。第 3 條則針對廣告 物之管理區分其主管機關，如招牌廣告及透視膜廣告之主管機關為臺北市建築 管理工程處（以下簡稱建管處）。第 18 條規定，招牌廣告依其規模區分，正面 式招牌廣告縱長在二公尺以下者、側懸式招牌廣告縱長在六公尺以下者、設於 騎樓簷下式招牌廣告設置面積在一點二平方公尺以下且縱長在一公尺以下者， 屬小型招牌廣告，其申請設置時免申請雜項執照，除小型招牌廣告之外的其他 招牌廣告則為大型招牌廣告。其他縣市如高雄市、桃園市、屏東縣等亦有類似 之規範。 招牌廣告物如屬獨立招牌型態，其風荷載在我國建築物耐風設計規範中已 定義為實體標示物，採用風力係數(Cf)作為計算依據，針對不同的版面高寬比、 位於地面上或位於地面以上，均作其風力係數的規定。其他如美國、紐澳、英 國等耐風設計規範均有相關規定。對於國內常見的豎直安裝於建築物立面上的 招牌所受風荷載，我國建築物耐風設計規範則未有特別作定義，而國內市街招 牌採用此種形式相當的多，為能減輕風災損失，有必要近一步研究作出建議。 陳(2016)由氣動力實驗探討建物整合太陽光電板(BIPV)風載重，其中針對 豎直遮陽板形式的風荷載亦進行部分風洞實驗量測，如圖 2-4 所示，結果顯示 垂直遮陽板形式之建物整合太陽光電板氣動力實驗成果可知在多排且緊密的排 列下，除緊靠建築物邊緣的遮陽板可能受到甚大的風荷載，其餘屬於中間部位 的遮陽板其所受的淨風壓多在零值附近，因此以對結構安全加以考量，應加強 的是最邊緣板的支撐結構系統。

圖 2-4 垂直遮陽板各片平均風壓係數隨風向角變化

(資料來源：內政部建築研究所(2016))

如圖 2-4 所示，以垂直布設之遮陽板在受到與與牆面正交或小攻角的來流 作用下，最邊緣的遮陽板受到較大的風荷載，其尖峰風壓亦相對較高。在此基 礎上，關於建築物立面上之廣告招牌其所受風荷載，應有類似狀況，但需擴大 其高寬比範圍以供運用。同時，在該計畫中採用的安裝方式為多片並排，因此 除頭尾版面外，其餘各版均受到遮蔽效應影響甚大，如不考慮遮蔽效應則中間 位置版面所受淨風壓係數未必趨於零值，其變化趨勢有待釐清。

第二節 極值分析理論於風工程中設計氣動力參數推估

由風洞實驗可獲得大量的氣動力載重資料，但一般常用的平均值、均方根 值等統計公式僅可表達時間平均後的現象，對於設計者而言，更關心如何決定 合理兼顧安全與經濟的尖峰風壓值以供結構設計之用。文獻中有許多學者針對 氣動力參數的評估發表了以各種角度切入的評估方式，而每種方式均各有優缺 點。一般來說，探討極值氣動力參數可歸類於兩大方法論－(1)由觀察值決定 (observed peak methods)；(2)由高斯過程的極值分布透過轉換法映射至非高斯極 值分布(translation methods)。

第一種方法論包含了許多學者提出的建議，Stathopoulos(1979)採用採樣時 段內單一觀察的極大值；Holmes 等人(1989)則採用數個觀察極大值的平均值； Cook 和 Mayne(1980)則以甘保曲線擬合數個觀察極大值並設定一特定的百分比， 其對應之值方為設計極值氣動力參數。而最後者則多為其他學者所引用，並常

稱為甘保法(Gumbel Method)。

第二方法論則基於蒐集資料不易且通常為短時間特性，因而發展出由假定 為高斯性質的累積機率分布，經由轉換法映射至非高斯性質的累積機率分布。 Kareem 和 Zhao(1994)利用 moment-based Hermite 多項式定義由高斯過程轉換為 非高斯過程的方法。其後 Kareem 和 Kwon(2011)採用 Winterstein 和 Kashef(2000) 所提出更為完整的 Hermite 多項式轉換式，進一步修改為更準確且更大適用範 圍的轉換方法。Sadek 和 Simiu(2002)分別利用 Gamma 函數及高斯分布模擬時 間序列的長尾效應及短尾效應。Huang 等人(2013)則建議以核心函數平滑化的 技巧，發展出以機率分布模式描述高斯過程映射至非高斯過程的關係。Peng 等 人(2014)後續則以 Kareem 和 Kwon(2011)所提出的轉換法為依據進行修改，提 出更佳準確模擬的方法。

對於輕度或強度非高斯(mildly- or strongly non-Gaussian)時間序列來說，甘 保法的應用可以獲得相近的準確性。對於輕度非高斯序列來說，轉換法僅需要 少數的資料量即可獲得與甘保法相同的準確性；而對於強度非高斯序列則較無 法保證其模擬之準確性。本研究計畫中由於欲觀察矩柱各區域的氣動力參數分 布，對於輕度非高斯或者強度非高斯特性的風壓特性均有可能涉及，因此本研 究計畫將同時建立此二種方法論的模擬技巧作為比較。

第三節 計算流體動力學(CFD)之運用

相較於風洞實驗，CFD 可在無縮尺的狀況下進行模擬，目前已頻繁應用於 室內氣流、建築風環境、大氣擴散、都市微氣候等領域(AIJ 2010)。隨著計算機 能量提升，以及數值模式的不斷完善，CFD 的應用逐漸可實現於建築耐風設計 上。建築附屬構造諸如太陽能光電板、雨披、廣告招牌等，在進行風力風壓模 擬時須注意擾動風力的預測及大氣邊界層的處理等重要因素。

雖然 RANS(Reynolds Averaged Naiver-Stokes model)為基礎的紊流模型計算 較為經濟，但無法獲致可靠的擾動風力結果。基本上，大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)在預測非恆定風力方面，是目前較為可靠的紊流模式，在配合 適當的大氣邊界層入流模式後，可有效評估附屬構造物之受風力特性。唯其計

算量較大，須配合高速運算(HPC)技術來進行。 Toja-Silva 等(2015)從風能開發觀點，來探討裝置於建築屋頂上太陽能光電 板的鄰近風場。研究採用 OpenFOAM 進行 CFD 風場模擬，並與 2 組風洞實驗 量測結果進行比較驗證，分別為單一建築與太陽能光電板陣列 2 組案例。太陽 能光電板仰角採用最適於地中海區域的角度，10 與 30 度進行測試。全尺寸的 建築結果進一步和縮尺結果比較，探討縮尺效應的影響。研究中並依據有關流 場計算成果，建議屋頂可加裝風力發電機的適當位置，以充分利用風能。同時 並代表利用 CFD 技術進行流場模擬之技術已臻成熟，CFD 計算結果不僅可定 性的展現流場發展趨勢或特殊流況的存在，同時可利用 CFD 計算結果定量的討 論特定議題的流場特性，並產生工程上應用的價值。 Jubayer 等(2016)採用雷諾平均(RANS)的方法，討論在開闊地況下，裝置於 地面之太陽能光電板陣列的氣動力載重與周遭風場行為。研究採用全尺寸 3D 求解器 OpenFOAM，紊流模型為 sst k-ω。在雷諾數 3106下，針對數個風攻角 (南 0o、西南 45 o_{、西北 135} o_{和北 180} o )進行模擬。數值模式之驗證採用單排太 陽能光電板之風洞實驗量測結果進行比對。由太陽能光電板陣列鄰近風場關係， 提供相關資訊給太陽能光電板陣列上之風載重細部分析。結果顯示，在正向風 時(0o _{和 180}o )，前排的太陽能光電板提供給尾排完整尾跡(wake)保護，但側風 向並沒有(45 o_{和 135} o )。對於所有的風向而言，迎風面第一排承受最大阻力和 升力風載重。在傾倒力矩(overturning moment)部分，45 o_{和 135} o_{風向為臨界狀} 況，並有在每一排光電板上有相近傾倒力矩係數。

第三章 研究方法

第一節 氣動力實驗流場規劃

本研究規劃之實驗項目較多，氣動力實驗於淡江大學風工程研究中心第一 號學術風洞進行，此風洞為吸入式開放型。風洞試驗段長 12.0 m，寬 2.2 m， 高 1.8 m。進風處收縮段之收縮比為 3.6：1。進風口段前方設有蜂巢管(Honey core) 及三層濾網(Screen filter)，可降低風洞內自由流之紊流強度至約為 0.5％ ~ 1.0%。 離心式風扇由一具 250 匹馬力之直流無段變速馬達帶動。風速可經由控制風扇 之轉速而調整，正常運轉下其流速範圍為 1.0 m/s 至 28 m/s。圖 3-1 所示為淡江 大學風工程研究中心第一號風洞實驗室的示意圖。

圖 3-1 淡江大學風工程研究中心第一號風洞實驗室示意圖

本實驗設定風洞實驗風速為 10m/s，考慮雨庇、太陽能光電系統等多建置 於一般建築物高度之屋頂，建築高度僅位於整體大氣邊界層之底層部分，因此 本研究改以均勻紊流場取代大氣邊界層流場進行風洞實驗。為使風洞流場假設 更為理想，設計一座離地 30 公分之端板，並將模型固定於此端板上，再於端板 前緣設置一鋒利導流板，如圖 3-2，將接近地表之邊界層效應所產生影響導入 端板下方。另外於導流板前方 1.8 公尺處設置一隔柵板，如圖 3-3，製造出 10~13%

之紊流強度剖面。此時風洞有效高度將由 1.8 m 降為 1.5 m，本次模型投影面積 所形成之阻塞比為 1.8%，不致造成阻塞比效應。圖 3-4 為均勻紊流場的垂直剖 面特性。

圖 3-2 排除風洞底端邊界層效應之端板與導流板

(資料來源：本研究拍攝)

圖 3-3 產生均勻紊流之隔柵

(資料來源：本研究拍攝)

圖 3-4 均勻紊流場實驗模型位置的平均風速剖面、紊流強度剖與長度

尺度分布

(資料來源：本研究整理)

第二節 實驗量測與模型規劃

本計畫研究重點為建築附置物風載重，利用模型安裝於風洞測試段探討不 同風向角因起的表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計，變化不同幾 何形狀的模型與風向角，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。 氣動力實驗設置與內容規劃包括： 1. 建築附置物模型系列實驗：本研究首先探討以不同排列方式的雨庇模型 進行氣動力實驗，以掌握其風荷載狀況。 2. 流場規劃：氣動力實驗採用均勻紊流場。 3. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同風向角、排列方式對板面 風壓影響，因此實驗參數控制以風向角、排列方向等為主。風向角的定 義如圖 3-5 所示。模型安置於風洞試驗段之中央圓盤，該圓盤可利用馬 達驅動改變模型面對來流的座向，模擬不同風攻角的影響。

圖 3-5 模型風攻角定義

(資料來源：本研究繪製)

4. 氣動力模型製作 本年度之氣動力實驗包括與幣模型及招牌模型兩部分，分別製作可 彈性改變實驗參數之氣動力模型進行實驗量測工作，據以推估設計風力 係數。 雨庇模型氣動力實驗採用之氣動力模型包括建築物與雨庇板兩部 分，建築物模型以 5mm 厚之壓克力板黏合，模型尺寸為寬 20cm、高 30cm、 深 30cm，建築物模型表面未設風壓孔。雨庇模型以 3D 列印方式製作， 以上下兩片粘合方式完成，表面均布風壓孔，在黏合前預先安裝 1.2mm 外徑之風壓管線，完成後雨庇模型實際厚度為 4mm，雨庇模型尺寸為 20 cm x16cm，版之兩面相對應位置均佈設壓力孔，搭配壓力管線系統， 量測風壓變化。板可安裝於不同的立面高度及伸縮，以變化高度比及懸 伸比，共有五種高度及四種懸伸比可供變化，氣動力實驗模型如圖 3-6 所示，模型之各項特徵尺寸代號如圖 3-7 所示。 建築立面上採多層開口式設計，雨庇板模型可鎖定在立面上，為表 現懸伸比的變化，設計雨庇板模型可伸縮於建築物立面上，產生變化不 同懸伸比的變化效果，本研究在懸伸比的變化變化由 0.5 變化至 3.0。

圖 3-6 雨庇氣動力模型設計

(資料來源：本研究繪製)

圖 3-7 雨庇模型符號說明

(資料來源：本研究繪製)

招牌模型氣動力實驗採用之氣動力模型包括建築物與招牌板面兩 部分，建築物模型以 5mm 厚之壓克力板黏合，模型尺寸為寬 20cm、高 30cm、深 30cm，建築物模型表面未設風壓孔。招牌模型尺寸為 12 cm x 16cm，採 4mm 薄壓克力板製作，表面均布風壓孔，版面銑溝安裝 1.2mm 外徑之風壓管線並補平表面，完成後招牌模型實際厚度為 4mm。壓力孔 於版之兩面相對應位置均佈設，搭配壓力管線系統，量測風壓變化。板 building

w

c

h

c

h

canopy

可安裝於不同的退縮位置及伸縮，以變化退縮比及懸伸比，氣動力實驗 模型如圖 3-8 所示。建築立面上採開放開口式設計，板模型可鎖定在立 面上，為表現懸伸比的變化，設計雨庇板模型可伸縮於建築物立面上， 產生變化不同懸伸比的變化效果。

圖 3-8 招牌氣動力模型設計

(資料來源：本研究繪製)

模型於風洞試驗段中採用建築物屋頂高度風速為參考風速，風速約 為 10.3/sec，以模型最小高度 0.2m 為特徵尺度，計算雷諾數為 131,210， 滿足雷諾動力相似律。 模型表面均布風壓孔並以細管線製作之壓力傳感管線系統(tubing system)與量測儀器相接，管線材質為 PVC 因此具備良好的可撓性，不 致影響風壓信號傳送，模型實驗控制風壓孔數量在 256 個以下，利用電 子式壓力掃描器量測模型上下面同步的風壓資料。氣動力模型實驗量測 時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角對模型風壓變化之效果。

圖 3-9 壓力訊號處理系統

資料來源：本研究拍攝

圖 3-10 電子式壓力掃描模組

(資料來源：本研究拍攝)

風壓實驗採用多頻道電子式風壓掃描器以同步擷取作用於建築物 表面各點的瞬時風壓，所得之數據經過處理後便可得結構系統所受的平 均風力、擾動風力和外牆所受之局部風壓。壓力量測系統的元件通常包 括壓力訊號處理系統(RADBASE3200，圖 3-9)及電子式壓力掃描模組 (ZOC33/64 Px，圖 3-10)。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，量測所得之訊號傳至訊號處理系統計算後所得壓 力值傳回電腦。 壓力量測管線系統為實驗前經具白噪音(white noise)特性之擾動壓 力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。管線系統連接至電 子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以 64 個量測孔 為一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近 64 個孔位

規劃為同一壓力模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用 之壓力掃描器(ZOC33/64 Px)，該系統每個單一模組有 64 個壓力輸入管 ( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應器，每一壓力感應器皆 可單獨校正。壓力訊號處理系統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB， 具備網路控制及傳輸功能。本研究之採樣頻率為 255Hz，每次實驗採樣 750 秒，擷取之資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦供儲存及分 析之用。 5. 表面風壓係數： 由實驗量測所得之板面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動 值等，以完整掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示： 平均風壓係數 ₂ 2 1 _U P C_P   (2) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P CP _    (3) 其中 P 為風壓時序列資料，p為平均壓力， 2 p 為擾動性風壓的 均方根值，ρ 為空氣密度，U 為參考風速。 6. 淨風壓(Net Pressures)係數： 考慮薄板型氣動力模型受風作用來自板的兩面風壓差，因此實驗成 果分析將迎風面的風壓與背風面的風壓，所得時間序列資料中作相減的 運算，由於模型設計時即已考慮到淨風壓計算的需求，版面布的風壓孔 位置在兩面均相同，因此可計算得各風壓孔位的淨風壓係數。 淨風壓係數 C_Pn(t)C_Pup(t)C_Plower(t) (4) 其中 CPup為零攻角時迎風面風壓係數，CPlower為零攻角時背風面風 壓係數，採時序列資料作及時相減運算，後續可計算淨風壓係數之平均 值與擾動值。淨風壓係數表達的是板所受到的風荷載，以指向版面向為

壓力的正，因此如果迎風面與背風面均同受相同的正壓力，則其整體淨 風壓將為零，如果迎風面受到指向離版面的壓力，亦即為負壓力，而此 同時背風面如受到指向版面的正風壓，兩者聯合作用以(7)式計算之，則 得甚低的負值，對於太陽光電板而言，代表掀翻板面的作用力，不利於 結構安全。 為比較不同來流條件下的太陽光電板風荷載，將採用面積分計算方 式，將板面上各風壓孔之瞬時淨風壓係數以其代表的貢獻面積為權重加 權計算太陽光電板整體所受淨風壓係數。 total i n P Pnet C A A C i )/ (  



(5) 其中 Ai為各風壓孔的貢獻面積，Atotal為該片光電板的總面積。

表 3-1 雨庇模型氣動力實驗系列

h (cm) wc hc/wc hc 3 cm 6 cm 9 cm 12 cm hc/h 20 9.5 3.17 1.58 1.06 0.79 0.48 15.5 5.17 2.58 1.72 1.29 0.78 19 6.33 3.17 2.11 1.58 0.95 40 6 2.00 1.00 0.67 0.50 0.15

(資料來源：本研究整理)

7. 雨庇氣動力模型實驗方案 (1) 模型型態選擇：以與建築寬度同寬的雨庇作為氣動力實驗對象，雨庇 可調整具備不同的懸伸長度及安裝位置，如圖 3-11 及圖 3-12 所示。 (2) 實驗參數：懸伸比、安裝位置、風攻角 i. 懸伸比(hc/wc)：0.5 – 5.0 ii. 風攻角：0 – 180 度(視模型安裝位置調整)，間隔 10 度

iii. 高度比(hc/h)：0.1 - 1.0，其中 h 為建物高度。 (3) 量測項目：雨庇模型之上下表面風壓之時序列資料 (4) 資料分析：雨庇模型的整體淨風壓係數及尖峰風壓係數，並推估建議 之設計風壓係數

圖 3-11 雨庇與建築物氣動力模型

(資料來源：本研究拍攝)

圖 3-12 試驗段中雨庇模型氣動力實驗模型安裝狀況

(資料來源：本研究拍攝)

8. 招牌氣動力模型實驗方案

(1) 模型型態選擇：以安裝於建築立面的招牌廣告物作為氣動力實驗對象， 模型可調整具備不同的懸伸長度及安裝位置。 (2) 實驗參數：懸伸比、安裝位置、風攻角，如表 3-2 所示。 i. 懸伸比(wc/ Bh)：0.1 – 0.5，以招牌頂點與建築物高度切齊規 劃。 ii. 風攻角：0 – 360(視模型安裝位置調整)，間隔 15 度 iii. 退縮比(S/B)：0 – 0.5 其中 wc 為招牌懸伸長度、B 為建築物寬度、h 為建築物高度，，hb 為招牌高 度，招牌之底部高度 hc = h - hb，S 為退縮長度，請參閱圖 3-13。 (3) 量測項目： i. 比對招牌頂部高度由建築物高度逐漸下降時，風荷載的增減情形， 以決定最大風荷載的實驗條件。 ii. 招牌廣告物模型之兩面表面風壓之時序列資料 (4) 資料分析：招牌廣告物模型的整體淨風壓係數及尖峰風壓係數，並推 估建議之設計風壓係數

圖 3-13 招牌與建築物氣動力模型特徵尺度

(資料來源：本研究繪製)

表 3-2 招牌模型氣動力實驗系列

底部高度 hc 退縮長度 S 懸伸長度 wc 懸伸比 h B wc/  hc/wc S/B 8 1 2 0.082 4 0.03 8 4 2 0.082 4 0.13 8 9 2 0.082 4 0.30 28 1 2 0.082 14 0.03 28 4 2 0.082 14 0.13 28 9 2 0.082 14 0.30 8 1 4 0.163 2 0.03 8 4 4 0.163 2 0.13 8 9 4 0.163 2 0.30 28 1 4 0.163 7 0.03 28 4 4 0.163 7 0.13 28 9 4 0.163 7 0.30

(資料來源：本研究整理)

圖 3-14 招牌與建築物氣動力模型

(資料來源：本研究拍攝)

圖 3-15 試驗段中招牌模型氣動力實驗安裝狀況

(資料來源：本研究拍攝)

第三節 計算流體動力學模擬

一、數值模擬 本研究採用泛用型計算流體力學軟體 FLUENT 進行風場模擬工作，其乃基 於以有限體積法(finite-volume method)為架構所建構出來的計算流體動力學程 式，以求解如下之連續方程式與動量方程式： 0          z w y v x u (6) ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z w y w x w f x p z w w y w v x w u t w z v y v x v f x p z v w y v v x v u t v z u y u x u f x p z u w y u v x u u t u z y x                                                                                  (7) 其中，u、v、w 為速度在 x、y、z 三個方向之分量；t 為時間；fx、fy、fz為場 加速度在 x、y、z 座標上之分量；p 為壓力；ρ與ν分別為流體之密度與運動 黏滯度(kinematic viscosity)。FLUENT 採用有限體積法為主要架構，進而求解連 續方程式與動量方程式在流場的速度及壓力，以克服對於複雜幾何形狀計算域 的適用性問題。紊流模型採用 Smagorinsky 之次網格紊流模型(subgrid-scale turbulence model)，其方程式為： 5 . 0 2 2 2           ij S t S C  (8) 其中C_S為 Smagorinsky 常數，於此採用 0.15，為計算網格之特徵長度，而 ) / / ( _{j i i j} ij u x u x S      為剪應力張量。 二、入流生成 本研究之邊界層紊流入流資料產生乃使用 MDSRFG 隨機紊流產生器來產 生，風速隨著空間與時間變化，型式為傅利葉級數(Fourier series)的合成，其表 示式如後：