你是风儿,我是沙 一 一解建物的风工程

2020-06-18

为了要炫耀财富并显示威权,中世纪的贵族们争相建造愈来愈高的建筑物,以作为其权力的象徵。随着近百年来工程材料与施工技术的快速演进,在寸土寸金的都会区中,人们为了要争得一席立足之处,建筑物也就愈盖愈高;此种力图彰显自我或霸权的心态在超过百年酝酿后,也让摩天大楼应势而生。在早期规划与建造的初衷里,超高层建筑的建造所衍生若干攸关民生与生活的问题,并没有受到应有的重视;其中,因风衍生的环境变迁及大楼住民舒适性的考量,即为典型的实例。

不是造风,是防风──谈风工程

地球表面由于日照不均匀而产生温差,温度较高处空气受热上升,邻近较冷的空气补过来后形成风。一般来说,由于地面摩擦力的作用,气流的速度会随着地面高度而增加。

举个例子,风速的垂直变化在平坦、空旷的地点上通常可以指数律 (power law)的形态作表达;随着 地表粗糙程度的不同,风速变化的垂直範围可自较平滑区域(如海面) 的 300 公尺,增厚至都会区地况的 约 500 公尺。此外,在大气边界层 (atmospheric boundary layer) 中地面的风速为零,而当高度显着时,其相应的风速则相当可观。

以上所提的,稍与气象学家所关注 的範畴有所区隔,而风工程(wind engineering)着重于地表以上约500 公尺内(大气边界层中)与风有关的工程与生活环境问题。为解决这些问题,专家们需针对区域的特徵、建筑物的造型、结构动∕静态及风场与风力等特性进行全盘的了解,进而根据整体做考量与因应。

风,不只是风── 风场与风压学问大

高楼林立的环境里,原本平顺的风在 此会产生偏折与推挤,导致风场的变化。以近地面行人高度(pedestrian level)内的区域为例,于秋冬季风 盛行或颱风期间,地面强风的吹袭往往会造成行人的不便;而在夏季弱风时,地面的高温缺乏风的调节与散热,常令人们有不舒适的感觉。因此,除了突显状观地标性,摩天大楼对地面风况的影响也相对地更为显着,其规划与设计阶段里,地面风环境的影响评估就成为大楼规划考量的重点之一。

由于摩天大楼的规模甚鉅,在减轻地震力的考量下,现代高楼建筑已多採用较轻的钢骨结构,并以帷幕 (curtain wall)的形式建造;帷幕 玻璃需够强,足以抵抗风的吹袭而不致破裂。在上述前提下,当远方来风中的空气质点以某一个速度吹至建筑物立面时速度会归零,由于质点的动压力全然转换成建筑物表面的静压力,且表面压力(风速压)与来风风速的平方值成正比,这意味着高楼层所面临的风速愈大,其相应的风力则愈大,所承受的整体风力是相当庞大的。因此,随着建筑物高度的增加,在结构设计的观点上,对风力关注的程度甚至会高于对地震力的考量。

这些风有多大?笔者在此举一个真实事件作说明。1945年7月28日, 一架迷航的B-25 米契尔型轰炸机 (Mitchell bomber)在低能见度的情况下撞击上102 层楼的帝国大 楼。这架重约1 吨的飞机确实造成大楼局部楼层的火势与损坏,然而飞机撞击的力道并没有造成整个大楼的倒塌,且经灾后有效的结构补强,帝国大楼至今依然屹立于纽约市区,扮演着纽约市主要地标之一的角色。细部的评估显示,该大楼在设计上所能承受的风力远大于事件中飞机的冲击力,而当时大楼的主要结构系统也并未受到致命的破坏,故灾害损伤的程度没有扩大。

摇.起.来── 摩天大楼竟会摇晃

摩天大楼的外形多属非流线型,当风吹过时常会在建筑物的侧边产生 分离(separation),因为两侧的涡 流在通过建筑物后的交互作用而导 致了涡散(vortex shedding,图一) 现象的发生。此外,摩天大楼整体外型多细长,在高空处随着风速的增加,显着的时变性风力会使得建筑物发生振动;而建筑物的表面压力在非恆定的风场中,也会随时间呈现近乎週期性的变化。一般来说,超高层大楼或多或少会有摇晃的现象,只是在大部份的时候因为其程度并不明显而未被察觉。随着建筑物高度的增加,结构振动的周期也会变长;而当摩天大楼的基本频率与风场之涡散频率相近时,因为共振效应所引起的摇晃则会加剧。你是风儿,我是沙 一 一解建物的风工程
不过,当大楼因风作用而产生摇晃的程度明显时,在评估大楼的风力上又产生了新的问题──原本因风场涡散造成的非恆定风力,会因晃动时大楼位置的偏移与相对速度的变化,使得大楼的受力再次改变。它也许对大楼的摇晃没有显着影响,有时也许会降低摇晃的程度,但在极端的情况下(如当共振发生时),外加的互制风力将会助长大楼的摇晃,其道理就类似荡鞦韆时在最高点施予相反方向的推力,可以让鞦韆愈荡得愈高。

要怎幺减轻摩天大楼受风作用而产生的摇晃呢?首先,可针对主要来风方向,在建筑设计时採用接近流线型的大楼外形,以降低建筑物所受风力的变化程度。另一种选择是在摩天大楼的适当位置加装额外的阻尼系统或消能装置,以减低建筑物受风时的摇晃程度;这种早期用于维持航行船只稳定性的技术,应用在消弭摩天大楼晃动上确实能发挥其功效。 于2004 年完工的台北101,其悬挂 在92层楼版下重达660吨的金色大 圆球,就是一个典型的例子。

即使在颱风期间,这个调谐质量阻尼器(图二)的设置可以有效地将大楼摇晃加速度值降低至国内现行法规的容 许标準下(加速度值5 cm∕sec2), 以确保大楼内的人们的舒适度。你是风儿,我是沙 一 一解建物的风工程
看看大风怎幺吹── 风洞试验

在设计阶段,全面检讨与摩天大楼相关的风力问题是绝对必要的,传统的评估方式是进行风洞试验,方法是在一个中大型规模的管道设施中,採用风扇推动气流,并在大楼测试模型的上风处铺设适当的人工粗糙物,以模拟出符合现地实际的风况。大楼的模型依据既定的比例尺缩小製作并架设在一个圆形转盘上,以利来风方向的调整;在模型与实际建筑物两者间满足几何相似与动力相似条件的前提下,于风洞中呈现的风场即可用来检讨在实际情况下大楼的风力问题。......

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