前言

地震與強風是兩種威力強大的自然災害，在人類的文明發展過程中，不時的造成某些地區居民生命或財產的損失。我們經常耳聞房屋橋樑因受到強震或強風侵襲而崩損。然而，這兩種自然現象加諸於物體的作用力性質截然不同。建築物所受的地震力實際上就是建築物本身的質量隨著地震引起的地表加速度運動而形成的慣性力。換言之，建築物越重，所受的地震力就越大。某些建築物、結構體，會因為結構的動力特性與地震特性接近而進一步放大前述的地震力。風力則是一種流體（空氣）通過阻礙物（建築結構）所產生的空氣動力現象（aerodynamic phenomenon），與阻礙物的幾何形狀有密切關係。槪括來說，物體的形狀愈是流線，其所受風力愈小；只不過一般的建築物與橋樑很難使其具有流線的外型。同樣的，對於某些柔度特性明顯的建築物與結構體，會因為結構動力效應進一步放大建築結構所受的風力。

我國位於全球的強震與強風區，在設計一般的建築物時，地震力是主要的設計考量。但是當高聳結構物，諸如高層建築、巨型煙囪、高塔等的高度到達一定程度後，風力的影響就不容忽視，並逐漸取代地震力而成為主要的水平設計載重。高層建築由於需要考量的使用功能性遠比一般結構物複雜，在風力的影響上也不例外。作用於高層建築上的風力可分為順風向、橫風向與扭轉向風力，各個風向的風力又可區分為平均風力與擾動風力。

一般而言，高層建築設計規劃時應當列入考慮的的風力影響包括下列四項：(1)高層建築結構系統所承受之整體風力，(2)帷幕外牆所受之局部風壓，(3)建築風擺所造成之居住者舒適性問題，(4)環境微氣候：鄰近地面風場環境所造成的行人舒適性問題。近三、四十年來，建築風工程已有長足的進步，常見的建築物（長方形，高寬比小，高度在數十公尺）所受的風力大體上都能由風力規範計算之。然而，對於建築造型特殊，柔度較大，處在特殊地形的建築物，現行的風力規範不足以涵蓋可能發生的氣動力現象與結構動力效應，仍需要以個案探討其風力作用的反應。雖然近年來計算流力（CFD）的進步很快，對於航太、汽車、機電方面的應用都有極大的貢獻，然而，應用於建築物的複雜風力作用尚須一段時日。現階段探討建築風工程仍以縮尺模型作風洞物理模擬最為有利。

高層建築結構系統之設計風力

圖7-1 高層建築風荷載示意圖

本節將由結構設計的觀點來探討高層建築所承受的整體風力及結構反應。作用於高層建築上的風力可分為順風向、橫風向與扭轉向風力，各個風向的風力又可區分為平均風力與擾動風力。順風向風力主要是由風場中的逼近流所造成。橫風向風力主要來自流體通過建築物時，發生的流體分離（separation）與渦散現象（vortex shedding）所造成的週期性作用力。當建築物的高寬比與柔度都很大時，有可能在設計風速之內發生結構共振現象，而造成過大的振動反應。對於一般幾何造型的建築物而言，扭轉向風力的影響小於順風向及橫風向風力。對於多數的一般建築結構而言，橫風向與扭轉向風力的影響有限，主要的設計風力仍由順風向風力控制；對於高層建築或超高層建築而言，橫風向風力的影響可能超越順風向風力，不容忽視。

結構物設計風力之理論背景

高層建築受強風作用時，高度 $z$ 所受的順風向瞬時風力為：

其中 $\overline{F_D}(z)$為平均風力，$F_D(z,t)$ 為擾動風力。$D$ 改為 $L$ 或 $T$ 亦可代表高層建築在高度 $z$ 所受的橫風向風力與扭矩。高層建築抗風的動力分析通常只需考慮基本振態的影響，其廣義座標（generalized coordinate）之擾動風力為：

為振態函數。經由傅立葉轉換後，再乘以適當之氣動力阻抗函數（aerodynamic admittance function）可得廣義風力頻譜，$S_D(f)$。廣義座標之結構內力變異數（variance of internal loads）為：

${|H(f)|}^2$ 為代表結構系統效應的機械導納函數

式中的結構內力變異數 $\sigma^2_F$ 又可區分為背景部分（background part），$B$，與共振部分（resonant part），$R$。

其中背景部分代表風力本身的時間變異性，共振部分則是建築結構的動力效應。由於兩種動態影響在建築高度上的分佈特性不盡相同，因此在數值分析時分別計算之。

內力之極大值即為設計風力：

其中，$g$ 為尖峰因子（peak factor），$g = 3.5 - 4.0$。上式又可寫為：

$G$ 稱之為陣風反應因子（gust response factor）。目前多數國家風力規範以及數值分析模式大體依照前述方法計算順風向設計風力。

順風向風力主要是由風場中的逼近流所造成，可依據條狀定理（strip theorem）以及準穩定假設建立前述的平均風力 $\overline{F_D}(z)$、擾動風力 $F_D(z,t)$ 以及廣義風力頻譜 $S_D(f)$ 之數值模式，進而計算順風向設計風力。然而橫風向與扭轉向風力主要來自流體通過建築物時，發生的流體分離（separation）與渦散現象（vortex shedding）所造成，與建築物幾何造型有密切關係，前述之準穩定假設並不適用。目前並無妥善的分析模式可供解析橫風向與扭轉向風力，必須依賴風洞實驗直接取得廣義座標之橫風向與扭轉向風力頻譜，$S_L(f)$, $S_M(f)$，再據以計算其設計風載重。

近似矩形斷面高層建築之順風向設計風力

對於高寬比大於1（$h / \sqrt{BL \geq 1.0}$）且斷面深寬比介於0.2 - 5.0（$0.2 \leq L/B \leq 5$）的近似矩形斷面高層建築，主要抗風結構系統在 $z$ 高度處之順風向設計風力 $D(z)$ 可表示為：

其中，$\overline{F_D}(z)$ 為建築物 $z$ 處高度，由平均風速壓形成之順風向平均設計風力，計算式如下：

$\widehat{F_D}(z)$ 為 $z$ 處高度由擾動風速壓形成之動態設計風力，由背景部分以及共振部分組合而成：

其中，$F_{D,B}^2(z)$ 為代表擾動風力的背景部分，$F_{D,R}^2(z)$ 為代表建築結構動力效應的共振部分，$g_{D,B}^2$ 與 $g_{D,R}^2$ 分別為背景部分與共振部分之尖峰因子，由下列計算式求得。

上述計算式中，$C_{DW}$、$C_{DL}$ 分別為迎風面與背風面之風力係數，$I_{2/3h}$ 為建築物 $2/3h$ 處之紊流強度，$\lambda_D = \alpha^0.19 (\frac{h}{BL})^{0.11}$，為順風向背景風力之相關性折減因子。$S_D(f)$ 為順風向風力頻譜，$S_D(f) = \chi_R S_u^\ast (f)$。其中 $\chi_R$ 為共振項氣動力阻抗函數，$S_u^\ast (f)$ 為風速頻譜，分別由下述算式計算之：

$C_1$、$C_2$依照下表公式計算之。

表7-1 $\chi_R(f)$ 各項參數

近似矩形斷面高層建築之橫風向設計風力

對於高寬比大於 1（$h / \sqrt{BL} \geq 1.0$）且斷面深寬比介於 0.2 - 5.0（$0.2 \leq L/B \leq 5$）的近似矩形斷面高層建築，主要抗風結構系統在 $z$ 高度處之橫風向設計風力 $W_L(z)$ 可表示為：

其中，$F_{L,B}(z)$ 為代表擾動風力的背景部分，$F_{L,R}(z)$ 為代表建築結構動力效應的共振部分，$g_{L,B}$ 與 $g_{L,R}$ 分別為背景部分與共振部分之尖峰因子，由下列計算式求得。

其中， $C_L$ 為橫風向風力係數， $S_L(f)$ 為橫風向廣義風力頻譜。

近似矩形斷面高層建築之扭轉向設計風力

對於高寬比大於1（$h / \sqrt{BL} \geq 1.0$ ）斷面深寬比介於0.2 - 5.0（$0.2 \leq L/B \leq 5$）的近似矩形斷面高層建築，主要抗風結構系統在 $z$ 高度處之設計扭矩 $M_T(z)$可表示為：

其中，$M_{T,B}(z)$ 為代表設計扭矩的背景部分，$M_{T,R}(z)$ 為代表建築結構動力效應的共振部分，$g_{T,B}$ 與 $g_{T,R}$ 分別為背景部分與共振部分之尖峰因子，由下列計算式求得。

其中，$C_T$ 為扭矩係數，$S_T(f)$ 為廣義扭矩頻譜，

風力組合

圖7-2 風力組合示意圖

建築物的設計風力包含了順風向、橫風向及扭轉向設計風力。由於建築物所受到的實際風力受來風向的影響很大，對於絕大多數的建築物而言，上述三種風力的最大值並不在同一風向角同時發生。若是需要考慮到各個風向角的風力，訂定合理的風力組合是一項值得深入探討的問題。由於不同風向風力的組成極為複雜，風力組合方式並無工程界共通的模式。假設在建築物 x 向與 y 向二個垂直方向風力的相關性可忽略不計。結構反應可視為高斯機率分佈，令 x 向與 y 向結構反應之joint probability function $P_{xy}(x,y)$為 $P_{x}(x)$ 與 $P_{y}(y)$ 之乘積：

圖7-3 風力組合最大值示意圖

換言之，x 向 y 向風力的機率組合圖形為橢圓形。當 x 向與 y 向風力為獨立事件時，橢圓上各點代表具有與 x 向與 y 向極值風力相同發生機率的風力組合，對應 $g = 3.5$ 之超越機率為 0.000238。$X1$、$X2$ 分別代表當採用 x 向風力的極大或極小值時， y 向風力採用平均值。$Y1$、$Y2$ 則意涵 y 向風力採用極大或極小值時，x 向使用風力之平均值。上述的四種載重組合雖然涵蓋了 x 向與 y 向的最大風力，然而卻未包括 x 向與 y 向的最大合力。因此，另需考慮的風力組合為橢圓圖中四個象限合力的最大值 $R1$、$R2$、$R3$、$R4$。扭轉向設計風載重一般較小，可逕直採用該風向扭矩風載重的極值，配合上述的8種 x 向與 y 向的風力組合。建築具有單軸或雙軸對稱的特性時，設計風力組合可簡化為：

在我國現行風力規範中，高層建築是以矩形斷面為建築物的基本幾何造型，重要的風力的組合方式可分為二種風向與建築結構正交時的風力組合。「建築物耐風設計規範及解說」中有關風力組合的規定如下：建築物所受的最大順風向、橫風向與扭轉向風力並不會在相同風向發生，應分別考慮不同風向的影響。以矩形斷面的建築結構為例，應分別將 x 風向與 y 風向所產生的順風向、橫風向與扭轉向風力組合為二個載重組合，進行結構分析。設計時以二個載重組合計算結果之較大值為設計依據。

鄰近建築物之影響

在人口稠密的都會區中，有愈來愈多的高層建築同時出現在同一區塊內，因此相互之間的干擾效應就成了一項重要的課題。目前國內外的建築耐風設計規範中多是採用單一建築物的形式來進行計算，對於干擾效應並沒有明確的描述，因此目前對於建築干擾效應的描述大都是由實驗得來。對於一般建築物而言，鄰近建築對於來風會有遮蔽減低風力的效應，因此風力規範中有下列的語句：「若有可靠之試驗結果或文獻提供證明，在計算時可考慮由其他鄰近建築物或障礙物之遮蔽所造成之風速壓折減」。然而，高層建築在某些特定的條件下，會由於上風處建築物的尾跡影響，產生較大的風力。

建築被覆物之設計風壓

建築物的門、窗、帷幕、預鑄外牆等外部被覆物，必須自身有足夠強度抵抗作用於建築物局部面積的風壓。外部被覆物的設計風壓是外部壓力與內部壓力之差，在規範中寫為下式：

式中 $q$ 為外風速壓；$(GC_p)$ 為極值外風壓係數，與單一被覆物構材位於外牆的相對位置與構材的有效受風面積相關；$q_i$ 為內風速壓；$(GC_{pi})$ 為極值內風壓係數，與建築物開口透風情況相關。

「建築物耐風設計規範及解說」將建築物分為封閉式、部分封閉式與開放式等三種基本型態。其中開放式建築並無外牆設計風壓問題；封閉式建築物是指建築在強風作用時不會出現前述的開口與其負面影響者，故內風壓的設定是以建築物可能出現透風孔隙為考量依據。部分封閉式建築物則是以建築外牆在強風中可能出現主要開口為考量依據，其內風壓約為封閉式建築的三倍。當建築物有大空間中庭且外牆為玻璃帷幕時，或是建築邊角房間的玻璃帷幕，耐風設計採用部分封閉式之內風壓為宜。

振動引起的舒適性問題

對於經過耐風設計的高層建築而言，從未聽聞因設計風力不足而造成結構系統失敗，風力造成的結構崩塌多發生於廠房或是薄殼、薄膜之大跨度結構。建築結構的風力問題泰半是局部構材（如門、窗、帷幕等），或是使用性（serviceability）不足。特別是近年來隨材料科技之日新月異，質量輕且強度高之材料陸續被引進土木及建築業，高層建築及高塔結構愈形普遍，台北新光大樓、高雄85大樓以及舉世著名的台北101即為著名代表例子。這些土木結構因重量及勁度減小，容易受風載重影響而產生較大幅度的振動，這些高層建築物來回擺盪之振動現象亦常造成使用人員之不舒適。

圖7-4 日本AIJ建議之建築物水平振動性能評估曲線

人員不舒適度通常取決於建物反應之加速度大小，各國標準不一。由各國規範回顧得知，對於振動舒適度標準有著墨者僅有ISO規範、日本AIJ以及澳洲規範。澳洲規範採用Melbourne等學者的研究，辦公室與住宅類建築物對應於 20 年回歸期風速之尖峰加速度上限為 0.01 g。日本AIJ-2004建議圖7-4為對應於一年回歸期風速的建築物風致振動舒適度評估標準。圖中共有五條曲線，H-10、H-30、H-50、H-70、H-90，分別代表不同的振動「知覺確率」。以 H-30 為例，該曲線代表了百分之三十的受測者可感受到的水平振動加速度。AIJ-2004 僅原則性的認為住宅的舒適度標準應當高於辦公式建築，並未明確建議住宅或辦公室建築應當採用那一條曲線作為設計標準，而認為應當由設計者根據建築物的使用目的來決定振動舒適度的評估標準。國際標準組織有二個相關的準則，ISO 6897:1984 以五年回歸期風速造成的建築物加速度均方根值為評估依據，採用 P. Irwin 所整理歸納的最大容許加速度門檻值，在 0.063 - 1.0 Hz 之間，容許加速度門檻值與建築物振動頻率呈指數的線性關係，隨頻率升高而降低。一般辦公室建築是用的標準在 0.1 Hz 的門檻值為 0.071 $m/s^2$ ，1.0 Hz 的門檻值為 0.048 $m/s^2$ ，住宅採用較嚴格的評估標準，約為一般商用建築的 60%。ISO 10137:2007 參考 AIJ-2004 以一年回歸期風速造成的建築物加速度最大值為評估依據，住宅建築的評估標準接近 H-90 曲線，辦公室採用較寬鬆的評估標準，為住宅容許值的 1.5 倍。我國的評估標準則採用半年回歸期為半年的風力作用造成建築物最大加速度門檻值為 0.05 $m/s^2$。我國規範的單一門檻值在0.1 Hz（相當於 100 層樓建築）與 ISO 6897 的商用建築標準相當接近，然而對於較高頻率（較低樓層）則偏於寬鬆，對於住宅亦未採用較嚴格的評估標準。

結論

建築物的設計風力是流體與建築結構之間複雜互制行為的結果，深受流場特性、建築造型與結構動力特性的影響。作用於建築主要抗風系統上的風力可分為順風向、橫風向與扭轉向風力，各個風向的風力又可區分為平均風力與擾動風力。由於建築結構的多樣性，目前無法以純理論模式或數值方法解析之。目前各國建築風力規範都是以單一棟的矩形斷面規則造型建築物為依據，制訂耐風設計標準。當建築物具有特殊的外觀造型、特殊的結構動力特性、或是建築物受到鄰近特殊地形、地物（鄰近大型建築物、山谷、山坡或峭壁等）影響者，或是經檢核可能發生渦散共振、鎖定或其他空氣動力不穩定現象者，則建築風力規範不再適用，而應採行風洞試驗測算其設計風力。