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2019-04-01你是風兒,我是沙 一 一解建物的風工程 592 期

Author 作者 方富民/美國明尼蘇達大學博士, 曾任中華民國風工程學會 理事長,目前為中興大學 土木工程學系教授,主要 專長為計算流體動力學與 風洞試驗,並長期涉獵於 建築與結構物相關風工程 課題之科研。
為了要炫耀財富並顯示威權,中世紀的貴族們爭相建造愈來愈高的建築物,以作為其權力的象徵。隨著近百年來工程材料與施工技術的快速演進,在寸土寸金的都會區中,人們為了要爭得一席立足之處,建築物也就愈蓋愈高;此種力圖彰顯自我或霸權的心態在超過百年醞釀後,也讓摩天大樓應勢而生。在早期規劃與建造的初衷裡,超高層建築的建造所衍生若干攸關民生與生活的問題,並沒有受到應有的重視;其中,因風衍生的環境變遷及大樓住民舒適性的考量,即為典型的實例。

不是造風,是防風──談風工程

地球表面由於日照不均勻而產生溫差,溫度較高處空氣受熱上升,鄰近較冷的空氣補過來後形成風。一般來說,由於地面摩擦力的作用,氣流的速度會隨著地面高度而增加。

舉個例子,風速的垂直變化在平坦、空曠的地點上通常可以指數律 (power law)的形態作表達;隨著 地表粗糙程度的不同,風速變化的垂直範圍可自較平滑區域(如海面) 的 300 公尺,增厚至都會區地況的 約 500 公尺。此外,在大氣邊界層 (atmospheric boundary layer) 中地面的風速為零,而當高度顯著時,其相應的風速則相當可觀。

以上所提的,稍與氣象學家所關注 的範疇有所區隔,而風工程(wind engineering)著重於地表以上約500 公尺內(大氣邊界層中)與風有關的工程與生活環境問題。為解決這些問題,專家們需針對區域的特徵、建築物的造型、結構動∕靜態及風場與風力等特性進行全盤的瞭解,進而根據整體做考量與因應。

風,不只是風── 風場與風壓學問大

高樓林立的環境裡,原本平順的風在 此會產生偏折與推擠,導致風場的變化。以近地面行人高度(pedestrian level)內的區域為例,於秋冬季風 盛行或颱風期間,地面強風的吹襲往往會造成行人的不便;而在夏季弱風時,地面的高溫缺乏風的調節與散熱,常令人們有不舒適的感覺。因此,除了突顯狀觀地標性,摩天大樓對地面風況的影響也相對地更為顯著,其規劃與設計階段裡,地面風環境的影響評估就成為大樓規劃考量的重點之一。

由於摩天大樓的規模甚鉅,在減輕地震力的考量下,現代高樓建築已多採用較輕的鋼骨結構,並以帷幕 (curtain wall)的形式建造;帷幕 玻璃需夠強,足以抵抗風的吹襲而不致破裂。在上述前提下,當遠方來風中的空氣質點以某一個速度吹至建築物立面時速度會歸零,由於質點的動壓力全然轉換成建築物表面的靜壓力,且表面壓力(風速壓)與來風風速的平方值成正比,這意味著高樓層所面臨的風速愈大,其相應的風力則愈大,所承受的整體風力是相當龐大的。因此,隨著建築物高度的增加,在結構設計的觀點上,對風力關注的程度甚至會高於對地震力的考量。

這些風有多大?筆者在此舉一個真實事件作說明。1945年7月28日, 一架迷航的B-25 米契爾型轟炸機 (Mitchell bomber)在低能見度的情況下撞擊上102 層樓的帝國大 樓。這架重約1 噸的飛機確實造成大樓局部樓層的火勢與損壞,然而飛機撞擊的力道並沒有造成整個大樓的倒塌,且經災後有效的結構補強,帝國大樓至今依然屹立於紐約市區,扮演著紐約市主要地標之一的角色。細部的評估顯示,該大樓在設計上所能承受的風力遠大於事件中飛機的衝擊力,而當時大樓的主要結構系統也並未受到致命的破壞,故災害損傷的程度沒有擴大。

搖.起.來── 摩天大樓竟會搖晃

摩天大樓的外形多屬非流線型,當風吹過時常會在建築物的側邊產生 分離(separation),因為兩側的渦 流在通過建築物後的交互作用而導 致了渦散(vortex shedding,圖一) 現象的發生。此外,摩天大樓整體外型多細長,在高空處隨著風速的增加,顯著的時變性風力會使得建築物發生振動;而建築物的表面壓力在非恆定的風場中,也會隨時間呈現近乎週期性的變化。一般來說,超高層大樓或多或少會有搖晃的現象,只是在大部份的時候因為其程度並不明顯而未被察覺。隨著建築物高度的增加,結構振動的周期也會變長;而當摩天大樓的基本頻率與風場之渦散頻率相近時,因為共振效應所引起的搖晃則會加劇。

不過,當大樓因風作用而產生搖晃的程度明顯時,在評估大樓的風力上又產生了新的問題──原本因風場渦散造成的非恆定風力,會因晃動時大樓位置的偏移與相對速度的變化,使得大樓的受力再次改變。它也許對大樓的搖晃沒有顯著影響,有時也許會降低搖晃的程度,但在極端的情況下(如當共振發生時),外加的互制風力將會助長大樓的搖晃,其道理就類似盪鞦韆時在最高點施予相反方向的推力,可以讓鞦韆愈盪得愈高。

要怎麼減輕摩天大樓受風作用而產生的搖晃呢?首先,可針對主要來風方向,在建築設計時採用接近流線型的大樓外形,以降低建築物所受風力的變化程度。另一種選擇是在摩天大樓的適當位置加裝額外的阻尼系統或消能裝置,以減低建築物受風時的搖晃程度;這種早期用於維持航行船隻穩定性的技術,應用在消弭摩天大樓晃動上確實能發揮其功效。 於2004 年完工的台北101,其懸掛 在92層樓版下重達660噸的金色大 圓球,就是一個典型的例子。

即使在颱風期間,這個調諧質量阻尼器(圖二)的設置可以有效地將大樓搖晃加速度值降低至國內現行法規的容 許標準下(加速度值5 cm∕sec2), 以確保大樓內的人們的舒適度。

看看大風怎麼吹── 風洞試驗

在設計階段,全面檢討與摩天大樓相關的風力問題是絕對必要的,傳統的評估方式是進行風洞試驗,方法是在一個中大型規模的管道設施中,採用風扇推動氣流,並在大樓測試模型的上風處鋪設適當的人工粗糙物,以模擬出符合現地實際的風況。大樓的模型依據既定的比例尺縮小製作並架設在一個圓形轉盤上,以利來風方向的調整;在模型與實際建築物兩者間滿足幾何相似與動力相似條件的前提下,於風洞中呈現的風場即可用來檢討在實際情況下大樓的風力問題。......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】