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環境風場評估

評估流程說明
簡介

行人風場評估(又稱行人環境風場評估)旨在探討高層建築物興建後,因阻擋氣流而產生的下洗渦漩、角隅強風或縮流效應等局部強風,對地表 1.5 至 2.0 公尺處行人活動範圍微氣候所造成的影響。評估作業通常仰賴風洞縮尺模型試驗或電腦數值模擬,並結合當地氣象站長期的平均風速與風向發生機率資料,藉此計算出周遭各測點的風速超越機率。其核心目的除了確保高樓開發案符合國家環境影響評估與都市設計審議等法規要求外,更是為了依據不同的行人活動狀態(如長時間停留休憩或短時間步行)套用對應的舒適性準則,從而保障行人的生命安全與戶外活動品質,並在出現不舒適或危險區域時及早擬定防風設施(如植栽、防風網、雨披等)以改善強風衝擊。

1 現場環境調查

建築物與基地配置資料

取得主要建築基地及附近區域的建築物分佈圖、鄰近建築物的樓層數(高度),以及空地分佈情形。這些資料用於後續製作包含主建築與周圍環境的模型。

地表特性資料

勘察建築物所在位置及其附近的地表特性,例如評估周遭障礙物或建築物的高度與密集度(例如:市中心是否有50%的建築物高度大於20公尺、市郊民舍的分布狀況,或是屬於平坦開闊的海岸、草原等)。藉此可將地況分類為 A、B 或 C 類,以便建立與現場相符的大氣邊界層來流。

周遭空間的使用性質與動線

調查基地內部與鄰近各區域的使用性質,確認行人及車輛出入口、停車場、鄰近人行道、設計供休憩的場所,以及周遭是否有學校等公共場所。這些空間資訊將決定哪些地方是行人密集使用區,進而作為風洞試驗時選定風速量測點(佈點)的重要參考依據。

2 原始氣象資料取得及分析

氣象資料蒐集

取得建築基地所在位置鄰近氣象站的氣象資料。蒐集時應選擇較近年份且長時間(建議採用近10年至20年)的觀測紀錄作為評估依據。

風速與發生機率分析

將取得之逐時風速與風向數據,並將其依據風向角(例如劃分為16個或36個風向角)進行整理,計算出全天候在不同風向下的平均風速以及特定風速的發生機率。

風花圖繪製數據

將不同風向下的平均風速以及特定風速的發生機率數據,繪製成該地區的「平均風速風花圖」以及「各風向發生機率風花圖」,幫助直觀判讀當地的主要盛行風向與特徵。

3 模型建立

目前實務上以風洞試驗最具可行性(亦可採用CFD電腦數值模擬),因此步驟3至5將以風洞試驗為例進行說明。

模擬範圍與模型設置

縮尺模型的範圍是以基地主建築物為中心,並將鄰近的建築物全數依照相同的縮尺比例製作成模型,模擬範圍建議取「鄰近高層建築最大寬度之 8 倍」或「300 公尺以上」兩者中之較大者。

主建築物製作要求

針對主建物本身,其模型製作必須詳細考慮建築細部的造型,以準確反映氣流與建築外觀的交互作用。在材質選擇上,主建築物模型通常多採用 3D 列印或珍珠板來製作。

周遭建築物製作要求

對於模擬範圍內的其他鄰近建築物,只需要大致模擬其形狀及高度即可,不需特別考量造型上的細節變化。此部分的模型材料通常多採用保麗龍來製作。

4 建立大氣邊界層流場

地況判定

實驗前必須先依據「建築物耐風設計規範及解說」第 2.2 節,根據建築物所在位置及其迎風面附近的地表特性(包含其他建物高度與密集度),將地況分為A、B 或 C 類。

建立對應的風速剖面

選定地況後,套用對應的平均風速剖面。在實際評估時,也會根據不同風向角的地形差異套用不同的地況標準。例如在某一案例中,部分角度的來風採用地況 C,其餘角度則採用地況 B。

產生模擬氣流

為了在風洞試驗段內真實重現大氣邊界層特性(包含順風方向的平均流速及紊流強度隨高度變化的剖面),會在逼近流流場的進風處配置物理干擾裝置(如:錐形擾流板、粗糙元、龍齒等),透過這些裝置的組合陣列來干擾並重塑流場,便能在風洞內精準建立一套與現場情況相當的模擬大氣邊界層來流,使後續量測結果較為準確。

5 測點選定

為了能適切評估新建大樓對鄰近環境造成的風場影響,測點的選定基本上是依據「人員的需求性」以及「可能產生強風的物理條件」來綜合考量:

利用煙流進行風場可視化試驗

在正式量測前,會先以煙流在風洞內進行風場的可視化試驗,藉此概略確認模擬範圍內可能出現「較高風速」的區域,作為佈點的初步參考。

主建築物附近的佈點

主要考量主建物可能引發的下洗氣流影響區、建築物下方轉角處(角隅強風),以及巷道風等容易產生高風速的位置。同時,針對行人密集使用的空間,如行人及車輛出入口、停車場、設計供休憩的區域等,也會設置測點。

鄰近區域的佈點

考量主建築物興建後所造成的氣流下洗與尾跡風壓影響,會針對周遭容易造成高風速的空地及其旁之巷道進行佈點。此外,也會根據該區域的使用性質,特別將鄰近人行道或是學校等公共場所納入測點考量。

6 風速量測

在建立好的模擬大氣邊界層流場中,儀器會量取各測點的風速歷時數據(包含各風向角下的風速與擾動情形)。這些量測到的風速數據,後續將結合氣象站的長期風速風向機率資料,用以計算超越機率並進行行人舒適度的等級判定。

7 舒適性評估與檢核

超越機率計算

舒適性並非單純只看風速大小,而是取決於「風速大小」與其「發生機率」。如果強風發生的機率極低,人們通常可以接受;但若發生頻率過高,就會被視為無法接受的「不舒適」。因此,評估的第一步是將「風洞試驗量測到的各測點風速數據(包含平均風速與紊流擾動值)」結合「當地氣象站長期的風速與風向統計資料」,計算出該測點在全年或特定季節中,特定門檻風速的「超越機率百分比」。

選擇舒適性評估準則

算出各測點的風速發生機率後,必須採用國際或國內認可的舒適性評估準則來進行分級判定。業界常用的是 Hunt 學者風洞實驗室評估準則(或其他如 Melbourne、RWDI、Murakami 等準則)。 以 Hunt 為例,評估會依據行人在該區域的「活動型態」,設定對應的「陣風風速極限」與「發生機率底限」,將舒適度分為以下四個等級:

使用性質 風速、陣風風速 發生機率底限
長時間站坐 $\overline{U}+3U_{rms}$ < 10%
短時間站坐 $\overline{U}+3U_{rms}$ < 10%
行走區 $\overline{U}+3U_{rms}$ > 10%
不舒適 $\overline{U}$ > 1%

依據「空間使用性質」進行檢核

評估時,並非所有區域都必須達到最嚴格的標準,而是必須視各區域規劃使用的性質,來檢核是否滿足對應的舒適度等級。

  • 長時間站坐:陣風風速大於 $\overline{U}+3U_{rms}$ 的機率需小於 10%。適用於露天餐廳、戶外咖啡座等需要久待的區域。
  • 短時間站坐:陣風風速大於 $\overline{U}+3U_{rms}$ 的機率需小於 10%。適用於公園、廣場等供人短暫休憩的空間。
  • 行走區:陣風風速大於 $\overline{U}+3U_{rms}$ 的機率大於 10%。適用於僅用於通行的人行道。
  • 不舒適:平均風速大於 $\overline{U}$ 的機率大於 1%。代表該區域風勢過強,不適合規劃為行人活動空間。
8 檢核結果與後續行動

符合標準

若所有測點(包含主建築出入口、周邊人行道、鄰近社區等)皆符合其對應活動型態的舒適性標準,代表建築興建對周邊風環境影響有限,即可提出評估報告。

不符合標準

若某些測點的風速過高、發生機率過大,導致判定為「不舒適」,且建築外觀已無法變更,就必須針對這些區域擬定防風措施(如增設景觀植栽、防風柵網、棚架與雨披等),並再次評估改善後的效果。

參考來源

1. 建築物耐風設計規範及解說修訂草案研擬之研究

2. 中華民國風工程學會. (2016). 風工程理論與應用.