理事長的話
風工程的興起源於1940年美國華盛頓州Tacoma Narrows Bridge吊橋因強風而造成橋體的倒塌,這個事件引起許多學者研究渦流引致振動(Vortex- induced Vibration)。之後歐美各國的長跨距吊橋、斜張橋大多需要經過風洞試驗,1960~1970年代許多國家的大都市開始興建摩天大樓,也採用風洞試驗量測建築物的風力負載。台灣地區位於西太平洋颱風區,風災頻繁,每年颱風造成的財物損失高達數十億至數百億之間(朱佳仁,2006)。這些災損一部分是暴雨所造成的,另一部分是強風對結構物、農作物及農業設施所造成的破壞。為減少強風對工程結構物的損壞,必須對結構物的風力負載及強風與物體之間的互制行為有深入的瞭解。除此之外,建築物內外的通風、環境風場、風力發電、空氣污染和風災的風險評估皆屬於風工程的範疇,因此研究風工程相關的問題有其需求,但國內對此領域的了解仍嫌不夠。
風工程和航太工程一樣,皆需要使用風洞實驗和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)來研究所遇到的問題。和航太工程不同之處,我們所研究的風工程問題其風速的範圍大多皆小於60 m/s,屬於不可壓縮流場。國內有幾所大學擁有研究風工程的大型風洞,譬如中央大學、台灣海洋大學、淡江大學等。此類風洞和航太工程所使用風洞的差異為:風洞的風速較低和試驗段較長,以利地表邊界層的發展,故又稱為邊界層風洞(Boundary Layer Wind Tunnel)或環境風洞(Environmental Wind Tunnel)。內政部建築研究所在成大歸仁校區有一個國內最大的循環式環境風洞,該風洞有兩個試驗段,其中一個試驗段長度36 m,寬度4.0 m,高度2.8 m,試驗段內邊界層的厚度可達1.0 ~ 2.0 m。航太工程用風洞的試驗段較短,邊界層要這麼厚較困難。
邊界層風洞可以研究許多風工程的問題,譬如高樓建築物、長跨距結構物的風力負載和行人風場、建築物的自然通風、都會區的風廊、煙囪煙流在複雜地形中的擴散、風與浪之間的互制以及新型風力發電機的測試等問題。CFD數值模式可能無法準確地模擬其流況,因此可以利用風洞以縮尺模型來瞭解可能發生的流況,以做為工程設計之參考,或驗證CFD數值模式的設定參數是否正確。2000年之後,電腦的計算速度和容量皆有很大的進步,愈來愈多風工程的問題採用數值的方法來求解流場的控制方程式,配合上適當的邊界條件,可用於預測流場現象,稱為計算風工程(Computational Wind Engineering)或數值風洞(Numerical Wind Tunnel)。因為此類模擬所需經費較風洞試驗低,因此逐漸廣泛應用於各種風工程問題,相關的研究正方興未艾地進行中。
台灣1990年之前興建或規畫的超高層大樓,如台北的101大樓、高雄的東帝士大樓和台北劍潭捷運站的懸吊式屋頂等皆是在國外的風洞實驗室完成試驗,測試費用不菲。1990年之後國內的風工程逐漸興起,高度超過100公尺的高層大樓大多在台灣進行風洞試驗。中華民國風工程學會成立於2004年4月17日,第一屆理事長為台灣海洋大學前校長黃榮鑑教授。目前有個人會員約70人,團體會員7個,皆為從事風工程相關研究的學者與執業的工程師。學會每兩年辦一次全國的研討會,圖為上一屆(第八屆)在台灣科技大學舉辦的理監事大合照。今年(2022年)將於10月26日將在中原大學舉辦第九屆風工程研討會,歡迎各位參加。
中華民國風工程學會是國際風工程學會(International Association for Wind Engineering, IAWE)和亞太風工程學會的團體會員,學會成員也積極參加國際風工程學會(IAWE)每四年舉辦一次風工程研討會的年會,下一次的國際風工程研討會將於2023年8月27-31日於義大利Florence舉行,網頁https://www.icwe2023.com/。另一個相關的研討會是國際計算風工程研討會(International Symposium on Computational Wind Engineering (ICWE),亦為每四年辦一次,下一次的國際計算風工程研討會將於2022年12月2-3日於紐西蘭奧克蘭市舉行。國際風工程學會有其專屬的SCI期刊 Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,Impact Factor = 4.082 (2022年)。
中華民國風工程學會除了推廣風工程的教育、促進會員之間的交流與合作之外,另有一項很重要的任務就是每隔幾年要負責修訂「建築物耐風設計規範與解說」,此規範是國內的土木技師、結構技師和建築師在設計建築物對抗強風必須依循之設計規範。隨著科技的進步、新的風工程研究成果不斷地推陳出新,和美國、日本、紐澳的耐風設計規範類似,台灣的「建築物耐風設計規範與解說」每隔幾年就需要修訂之。風工程學會便會邀請國內學有專精的教授以及有豐富實務經驗的工程師開會討論,逐條地修訂規範中內容,最後再由內政部營建署公告,讓國內技師有最新的耐風設計法規來所依循。
圖2 中華民國風工程學會理監事大合照(2020年)
新的建築物耐風設計規範修訂之後,為了讓國內的技師瞭解新舊規範之差異,風工程學會邀請相關的專家學者會在台灣的北、中、南等都會區舉辦講習會,以設計案例說明設計規範修訂之處。譬如近幾年來,隨著太陽能光電的普及,許多技師想要瞭解地面型和屋頂型太陽能光電板系統的抗風設計,現行的2014年版「建築物耐風設計規範」便沒有相關條文,讓國內技師無所適從。每當有耐風設計講習會時,有許多技師踴躍參加並提出相關的設計問題。
風的面貌變幻莫測,與風相關的現象亦極為多樣而有趣。風工程和其他工程領域的學門一樣,有許多未解的科學議題和工程應用的問題,希望有興趣的學生、學者專家與我們一起來研究這個有趣的領域。
理事長 朱 佳 仁
中華民國 111 年 7月 5日