基于CFD的多风地区矮层建筑局部形态优化研究

(沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110168)

一、矮层建筑空气动力学优化原理

在多风地区，每年风灾都是代价最高的自然灾害之一，并且夺去许多生命。

屋顶系统相比于其他建筑元素，更加暴露于高荷载之下。 屋顶上最坏的风吸力通常出现在转角或者斜风的方向。这些极端吸力是沿屋顶边缘形成的锥形涡造成的，这些锥形涡是大多数风致破坏的主要原因。屋顶上的木瓦板，瓦片或者铺筑材料很容易被甩开，松散的屋面部件可能导致雨水侵入和内部设备和建筑内容的损失。近来，减少由于风的影响而导致的屋顶破坏的需求成为了设计者、制造商和建筑规范制定官员所面临的最重要的挑战之一。

简单的优化屋顶边缘形态或者利用屋顶附属结构能够改变屋顶的气流模式，并且能够减少风荷载，从而减少对低层建筑的破坏。由于他们主要目的是打断和偏转导致极端屋顶吸力的锥形涡，这些方法被恰当的称为“涡流抑制”技术。根据气动机制，涡流抑制技术可分为以下四种类别[1]：

1. 针对消除创造涡流的直线锐边的方法；

2. 针对打断涡流形成的方法(如部分或多孔女儿墙)；

3. 针对扰动涡流的方法(如多孔围墙或竖直构件，屋顶气缸或分流器)；

4. 针对转移已形成涡流的方法(如高女儿墙)；

图1展示了一些气动优化技术，能够缓解低层建筑屋顶角部的吸压力。请注意，为了更好地展示每一种方法，图1中的模型并不是它们的实际尺寸。

图1 矮层建筑局部形态优化方法

二、空气动力学边缘

空气动力学边缘已经作为一种标准的建筑特征很多年了，主要是对于平屋顶建筑。许多风洞试验和现场调研已经证明了空气动力学边缘减少建筑屋顶风荷载的有效性。基本上，女儿墙提升分离剪切层离开屋顶表面，因此，能够在较大区域内消耗局部高角或边缘效应。然而，这可能会增加内部区域的荷载，因此影响女儿墙的整体功效。由巴斯卡拉和斯塔索普洛斯开展的其中一个早期的研究中，特别考虑了这些建筑构件在涡流抑制中的作用。他们的研究表明，高女儿墙通常减少屋顶角落的高吸力而低女儿墙增加屋顶边缘和角落的吸力。Asghari Mooneghi等人[2]，在佛罗里达国际大学，通过风开放射流墙对不同高度的实体女儿墙平屋顶建筑进行了大规模的试验观察到了类似的效果。巴斯卡拉通常连续女儿墙在减少拐角处压力系数方面比只在屋顶一边设置的女儿墙效果更显著。女儿墙的有效性也是女儿墙配置的一个功能。在一个等比例模型上，对不同女儿墙配置的有效性进行了研究，其中包括部分锯齿女儿墙，半圆柱空气动力学边缘，实体多孔屋顶角落分流器和独立多孔幕墙。独立多孔幕墙被证明是减少屋顶角落附近吸力最有效的选择。扰流板和多孔连续女儿墙表现最佳，靠近屋顶角落的峰值压力系数的最大减少达到44%和56%。结果表明，平屋顶角落附近的局部和区域平局风荷载均有显著的减少。

三、被动气动装置

除了对空气动力学边缘减少屋顶高风吸力的功效的研究外，近期的研究主要集中在对屋顶角落或边缘的优化或添加不同的气动边缘元素来减少由锥形涡引起的极端负面压力。这些元素可作为永久性的建筑元素，或者在强风事件的准备阶段，被附着于屋顶之上。

通过气动曲面和倒角屋檐边的风洞试验和现场测量，对屋顶边缘配置减少风荷载的效用进行了研究。虽然这些方法被证明是有效的，但他们有时并不实用，例如对于有屋檐的建筑物。

各种各样的屋顶边缘设备被运用于屋顶的檐部(例如，半圆形天沟，悬臂式扰流板等)。试验表明，这些装置利用不同程度的气动效用和建筑实用性促进减少屋顶极端风压。例如，通过风洞试验，对八种典型吊顶的效用进行了研究，在中国的住宅中，它们通常被用来缓解屋顶极端风压。结果表明，这些元素的存在显著地减少了屋顶角落和边缘的负峰值风压，而没有改变其他屋顶区域的风压。这些试验多数基于小尺度的风洞试验(模型比例1:50—1:200)。然而，大尺度或全尺度试验更有利于评估气动设备的性能。因为它们能够精确模拟各种建筑细节，它们能够采用较高雷诺数来避免不利的尺度影响，较高的雷诺数对于曲面更显著，因此也许能够用于气动设备。近来由于这个原因，大尺寸和全尺寸试验被用于屋顶吸力缓解技术的开发。

四、总结

本文回顾了在低层建筑物的屋顶上减轻风的高吸力的各种方法，简单的空气动力边缘装置用于减轻风致荷载的对矮层建筑物的形状的各种空气动力学优化。希望能够为建筑空气动力学优化方法的发展应用起到积极的作用。

【参考文献】

[1]D. Surry, J.X. Lin, The effect of surroundings and roof corner geometric mod-ifications on roof pressures on low-rise buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 58 (1995) 113-138.

[2]A. Baskaran, T. Stathopoulos, Roof corner wind loads and parapet configura-tions, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 29 (1988)-88.