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【摘 要】随着结构体系、建筑材料、设计方法和施工技术的发展和建筑观念的更新，高层建筑逐渐向外形复杂化的趋势发展，近几年涌现出许多具有代表性的复杂外形高层建筑。但复杂形体建筑对风荷载的敏感性往往较高，因此对建筑结构的抗风设计安全性提出了更高的要求。复杂形体建筑由于其体量小数量大而导致直接进行物理风洞试验变得几乎不可能，因此本文研究利用数值风洞模拟技术来解决幕墙体系的风荷载问题，以供参考。
【关键词】复杂形体建筑；风荷载；数值风洞；体型系数；极值分布
一、工程概况
某工程由中部28层的塔楼和南北两侧5层裙楼组成平面“八”字型，主楼与裙楼之间用伸缩缝分开。塔楼建筑总高度158米，屋面顶板高度114.3米，其上43.7m高由钢结构组成头向上的鲤鱼造型。总用地29736m2，总建筑面积71321m2，地上建筑面积57671m2，场地内地势平整。
采用多种幕墙系统来塑造对整栋建筑的外观效果，塔楼采用的幕墙系统主要有：塔楼东、南、北面及转角位置的隐框玻璃幕墙系统、塔楼东面观光电梯位置的明框玻璃幕墙系统、塔楼顶部东、南、北立面及转角位置的半隐框玻璃幕墙系统（横明竖隐）、塔楼西面中间位置的半隐框玻璃幕墙系统（横隐竖明）、塔楼西面两侧的开敞式铝板幕墙系统。
二、数值风洞模型
（一）、数学模型
流体运动遵循物理学中的三个守恒定律——质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律（本文不涉及）。这三个定律对流体运动的数学描述就是动力学基本方程组。但这个方程组是不封闭的，要使其封闭还需要附加上辅助的物性关系，比如：本构方程、湍流特性方程、边界条件等等，它们是控制流体流动的偏微分方程，又称为流动控制方程。连续性方程是偏微分方程，其表达式如下：
上式依次为瞬态项（transient term）、对流项（connective term）、扩散项（diffusive term）和源项（source term）。可以看出，時均流动的方程里多出于-ρui‘uj‘有关的平均项，通常定义该项为 Reynolds 应力。为了求解上式，较为精确的数值解法是直接模拟或大涡模拟，但由于现有计算条件限制，针对复杂工程直接模拟流场的时间域变化过程依然有较大的困难。因此，常采用应用广泛的基于Reynolds 时均的处理方法，并应用相应的湍流模型进行封闭，再作离散求解的数值模拟方法.
（二）、网格划分
对于复杂建筑结构绕流场的数值模拟，由于流动边界的复杂性，自动生成适应复杂流场的理想网格相当困难，网格生成所用时间非常多，计算流域的不同位置因影响程度不同，采用的划分网格尺寸也没有必要一致。网格划分时遵循靠近建筑物时网格划分尺寸小，远离建筑物时网格划分尺寸大的原则。远离模型的网格较大，分布稀疏，不同风向角下只对建筑进行旋转，流域保持位置不变，实现了不改变入口UDF函数的情况下快速划分各风向角下的流域网格，每个风向角下产生大概1900多万个四面体体网格。
为探寻本复杂形体建筑物在任意风向下风压的不同分布情况，以及建筑顶部峡口处有可能存在的峡谷效应，把建筑四周360°范围内分成16小等份，每个小等份的夹角为22.5°，风分别从16个小等份正面远前方吹来形成16个不同的风向角，每两个风向角之间的夹角为22.5°，以建筑物正面0°位置为基准，顺时针递增。
三、计算结果分析
风向角及坐标系的确定
为了方便针对结果进行对比分析，建立如下的风向角和整体、局部坐标系关系，如图4所示。整体坐标系为整体模型建立的坐标系，局部坐标系针对单根流苏建立，其法向表示垂直建筑外墙，切向表示建筑外墙的走向。
由于每层的各根流苏之间有软连接装置，因此流苏的切向风荷载可以不用考虑。将各层的总共900根流苏进行分别编号，第一层流苏230根，第二层流苏200根，第三层流苏230根，第四层流苏240根。
四、幕墙体系不同施工顺序的计算结果与分析
为考虑幕墙怎样安装才较安全，现将模型进行局部开洞近似等于幕墙未安装的情况，不开洞则为幕墙安装完成后，或投入使用后。分别进行了23、24、25层和26、27、28层整体开洞、鱼背附近开洞、鱼肚中间开洞、鱼腹附近开洞的数值模拟。因施工期主导风向为315°，故只考虑该风向下幕墙安装的情况；又因幕墙安装时，已经砌筑好填充墙，气流不可能直接进入幕墙后直线穿出，故只选取气流进入的曲面进行分析。
针对以上结论提出以下施工建议：
1）有洞口处，在气流作用下，洞口附近建筑表面风压急剧变化，对有洞口处安装幕墙时候要注意检查周围幕墙是否有松动情况；单独安装洞口幕墙时，应该注意安装前后风压变化带来的安全隐患。
2）上下各层分别安装幕墙时，风压差别不是很明显，开洞影响范围也相似，但是，鉴于气流约在建筑物三分之二高度处形成滞留区，滞留区开洞会使洞口中间的峡谷效应加剧，建议滞留区先安装，然后向下、向上分别安装。
结束语
总之，本文通过风压为基础借助计算机软件对风压数据进行了后处理，通过编辑公式顺利得出了建筑表面平均风压力系数，为计算体型系数奠定了基础；通过在建筑表面去有限的点值，然后进行加权平均的方法，初略计算了风向角下的风荷载体型系数；对数值模型开洞处理，模拟施工期建筑幕墙未安装的情况，提出了合理的幕墙施工顺序。
参考文献：
[1]郑朝荣，张耀春.高层建筑风载体型系数取值的探讨[J].哈尔滨工业大学学报.2007（39），（2）：191-195.
[2]徐佳黄，周岱，黄橙，包艳.复杂形体建筑风载体型系数的数值模拟[J].工业建筑.2010：775-780.
【关键词】复杂形体建筑；风荷载；数值风洞；体型系数；极值分布
一、工程概况
某工程由中部28层的塔楼和南北两侧5层裙楼组成平面“八”字型，主楼与裙楼之间用伸缩缝分开。塔楼建筑总高度158米，屋面顶板高度114.3米，其上43.7m高由钢结构组成头向上的鲤鱼造型。总用地29736m2，总建筑面积71321m2，地上建筑面积57671m2，场地内地势平整。
采用多种幕墙系统来塑造对整栋建筑的外观效果，塔楼采用的幕墙系统主要有：塔楼东、南、北面及转角位置的隐框玻璃幕墙系统、塔楼东面观光电梯位置的明框玻璃幕墙系统、塔楼顶部东、南、北立面及转角位置的半隐框玻璃幕墙系统（横明竖隐）、塔楼西面中间位置的半隐框玻璃幕墙系统（横隐竖明）、塔楼西面两侧的开敞式铝板幕墙系统。
二、数值风洞模型
（一）、数学模型
流体运动遵循物理学中的三个守恒定律——质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律（本文不涉及）。这三个定律对流体运动的数学描述就是动力学基本方程组。但这个方程组是不封闭的，要使其封闭还需要附加上辅助的物性关系，比如：本构方程、湍流特性方程、边界条件等等，它们是控制流体流动的偏微分方程，又称为流动控制方程。连续性方程是偏微分方程，其表达式如下：
上式依次为瞬态项（transient term）、对流项（connective term）、扩散项（diffusive term）和源项（source term）。可以看出，時均流动的方程里多出于-ρui‘uj‘有关的平均项，通常定义该项为 Reynolds 应力。为了求解上式，较为精确的数值解法是直接模拟或大涡模拟，但由于现有计算条件限制，针对复杂工程直接模拟流场的时间域变化过程依然有较大的困难。因此，常采用应用广泛的基于Reynolds 时均的处理方法，并应用相应的湍流模型进行封闭，再作离散求解的数值模拟方法.
（二）、网格划分
对于复杂建筑结构绕流场的数值模拟，由于流动边界的复杂性，自动生成适应复杂流场的理想网格相当困难，网格生成所用时间非常多，计算流域的不同位置因影响程度不同，采用的划分网格尺寸也没有必要一致。网格划分时遵循靠近建筑物时网格划分尺寸小，远离建筑物时网格划分尺寸大的原则。远离模型的网格较大，分布稀疏，不同风向角下只对建筑进行旋转，流域保持位置不变，实现了不改变入口UDF函数的情况下快速划分各风向角下的流域网格，每个风向角下产生大概1900多万个四面体体网格。
为探寻本复杂形体建筑物在任意风向下风压的不同分布情况，以及建筑顶部峡口处有可能存在的峡谷效应，把建筑四周360°范围内分成16小等份，每个小等份的夹角为22.5°，风分别从16个小等份正面远前方吹来形成16个不同的风向角，每两个风向角之间的夹角为22.5°，以建筑物正面0°位置为基准，顺时针递增。
三、计算结果分析
风向角及坐标系的确定
为了方便针对结果进行对比分析，建立如下的风向角和整体、局部坐标系关系，如图4所示。整体坐标系为整体模型建立的坐标系，局部坐标系针对单根流苏建立，其法向表示垂直建筑外墙，切向表示建筑外墙的走向。
由于每层的各根流苏之间有软连接装置，因此流苏的切向风荷载可以不用考虑。将各层的总共900根流苏进行分别编号，第一层流苏230根，第二层流苏200根，第三层流苏230根，第四层流苏240根。
四、幕墙体系不同施工顺序的计算结果与分析
为考虑幕墙怎样安装才较安全，现将模型进行局部开洞近似等于幕墙未安装的情况，不开洞则为幕墙安装完成后，或投入使用后。分别进行了23、24、25层和26、27、28层整体开洞、鱼背附近开洞、鱼肚中间开洞、鱼腹附近开洞的数值模拟。因施工期主导风向为315°，故只考虑该风向下幕墙安装的情况；又因幕墙安装时，已经砌筑好填充墙，气流不可能直接进入幕墙后直线穿出，故只选取气流进入的曲面进行分析。
针对以上结论提出以下施工建议：
1）有洞口处，在气流作用下，洞口附近建筑表面风压急剧变化，对有洞口处安装幕墙时候要注意检查周围幕墙是否有松动情况；单独安装洞口幕墙时，应该注意安装前后风压变化带来的安全隐患。
2）上下各层分别安装幕墙时，风压差别不是很明显，开洞影响范围也相似，但是，鉴于气流约在建筑物三分之二高度处形成滞留区，滞留区开洞会使洞口中间的峡谷效应加剧，建议滞留区先安装，然后向下、向上分别安装。
结束语
总之，本文通过风压为基础借助计算机软件对风压数据进行了后处理，通过编辑公式顺利得出了建筑表面平均风压力系数，为计算体型系数奠定了基础；通过在建筑表面去有限的点值，然后进行加权平均的方法，初略计算了风向角下的风荷载体型系数；对数值模型开洞处理，模拟施工期建筑幕墙未安装的情况，提出了合理的幕墙施工顺序。
参考文献：
[1]郑朝荣，张耀春.高层建筑风载体型系数取值的探讨[J].哈尔滨工业大学学报.2007（39），（2）：191-195.
[2]徐佳黄，周岱，黄橙，包艳.复杂形体建筑风载体型系数的数值模拟[J].工业建筑.2010：775-780.