山区地形条件下塔式仿古建筑风压与风场绕流分析

2019-08-07韩兆龙c包毛璐璐

上海交通大学学报 2019年7期

李煜，周岱,b,c，汪汛，韩兆龙,c包艳，毛璐璐，马宁，马晋

(上海交通大学 a. 船舶海洋与建筑工程学院； b. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心； c. 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

塔式仿古建筑在我国山区(沿海山区)的应用较为普遍.在夏季，我国东南沿海山区受东南亚夏季风的影响，经常遭遇台风，因而风荷载是影响塔式仿古建筑安全的主要因素.此外，由于塔式仿古建筑所处山地环境和建筑形体本身的复杂性而使得建筑表面的风压分布与周围风场绕流十分复杂.目前，针对山区复杂地形下塔式仿古建筑风压分布规律及其周围建筑物风场绕流特性的研究较少，无法采用工程抗风设计和抗风安全评估所用《建筑结构荷载规范》[1]中的风荷载参数.在塔式仿古建筑形体中，较多采用歇山顶式、曲线为抛物线型的屋面，建筑的各层各方位均设置挑檐，致使风场复杂化且风荷载亦增大.因此，研究山区地形下塔式仿古建筑的风压分布和风场绕流具有实际应用价值.

国内外学者对山地风场的空间分布、风速分布等风场特征进行了研究[2-7].例如：沈国辉等[6]采用数值方法模拟了单山和双山的风场特征，并对比分析了山体环境和平地环境下的风场特性，研究了山体参数对风场的影响；李正昊等[7]研究了地貌因素对风速的影响，发现山脉长度、山顶间距等因素对风的加速效应影响显著，并给出了最不利的垭口地貌因素组合；Taylor等[8]研究了山地位置、山体表面粗糙度和山体坡度等因素对风场的影响.

本文针对我国沿海山区应用较多的高层塔式仿古建筑，利用计算流体动力学(CFD)方法并引入RNG (Renormalization Group)k-ε湍流模型，通过求解Navier-Stokes 流体动力学控制方程，分析了高层塔式仿古建筑表面的风压分布和风场绕流特性；利用Rhino 3D建模软件构建单面山坡、峡谷型双侧山坡和3面环绕山坡的山地地形环境并置入不同构形的塔式仿古建筑，分析了建筑与环境共同作用下的风压分布规律和风场绕流特征.研究结果可以为山区环境下已有或待建建筑的抗风设计与防护提供参考.

1 数值模拟方法

在风压分布与风场绕流的数值模拟中，利用CFD方法求解不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程和连续方程，并引入雷诺平均方程和RNGk-ε湍流模型[9].RNGk-ε湍流模型考虑了均匀流场中的旋转和旋流，并对湍流黏度进行修正，因此，它在应变率较高且流线曲率较大时的数值模拟结果更准确，且适用于复杂山地环境下的风场分析[10].本文利用RNGk-ε湍流模型计算所得结果与风洞实验结果相符，该条件下的流体控制微分方程为

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2 计算模型的构建

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式中：pi为测点i处的平均风压；vz为参考高度z处的平均风速，本文取z=10 m；n为测点数.

为方便起见，对塔式仿古建筑进行区域编号.迎风面从下向上依次编号为1～4，背风面从下向上编号为5～8，屋顶上、下表面从迎风向开始逆时针编号9～16，如图2所示.

利用Rhino-3D软件建立单面山坡、峡谷型双侧山坡、3面环绕山坡的复杂山地地形.将建筑分别置于3种山地地形环境，如图3所示.

图2 模型分区标号Fig.2 Numbers of model partition

图3 3类山地地形模型Fig.3 Three types of mountainous terrain

图4 流场计算域与结构表面网格划分Fig.4 Meshes of computational domain of fluid field and structural system

根据建筑的尺寸和山形模型，建筑所在山体区域的长(L)、宽(W)均选为500 m，山峰高度(H)取150 m.基于风场计算域尺度选择原则(计算对象尺度的关系)且应满足计算域阻塞率小于3%的要求[16]，风场计算域取35L×12W×6H，即 20.0 km×6.0 km×0.9 km，建筑置于风场计算域的前部1/3处.为减小计算量，采用由疏到密的网格划分，将风场计算域分为近建筑(包含山体的正八棱柱形核心风场计算域，八棱柱形的边长600 m、高度200 m)和非核心风场域.采用非结构化网格技术划分网格，核心风场计算域内的网格较密，而远离建筑与山体的区域网格较稀疏.该风场计算域划分的网格总数高达5.63×108.网格划分如图4所示.

风场计算域的边界条件：入风口为速度入口边界，采用编译UDF文件确定并导入Fluent软件进行计算，选取基本风压p0=0.45 kPa，对应的基本风速v0=26.8 m/s；地貌选型为B类地貌，对应的地面粗糙度指数β=0.16；出风口为自由流出边界；计算域的顶面和侧面为对称边界；建筑物表面和计算域地面为固壁边界[4,17-18].另外，参照日本建筑学会规范AIJ 2004[19]计算湍流强度.

根据《建筑结构荷载规范》[1]计算p0.具体方法：根据当地气象台站历年的最大风速，按照p0的标准要求，将风速仪所测不同高度的年最大风速统一换算为在标准时距、重现期下离地10 m高度处的速度，即以标准时距10 min、重现期50 a的最大风速作为当地的基本风速v0，根据Bernoulli公式有

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离地面高度z处的顺风向平均风速为

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式中：v0为标准参考高度z0(取z0=10 m)处的平均风速，本文取v0=0.16 m/s；β为风压高度系数.

图5 3类山地地形下的建筑表面风压分布情况Fig.5 Wind pressure distributions of the antiqued building in three types of mountainous terrain

3 数值计算与结果分析

采用上述模型计算建筑表面的风压分布及其周围风场，分析山地地形、建筑层数、建筑与山脚的距离等关键参数对建筑风压分布的影响.对于地形工况的设置，相同点在于3类地形的立体地域的长、宽均取为500 m、山峰高度为150 m、山体坡度为15°～30°，其表面粗糙度均选择B类地貌的粗糙度值，在探究地形变化时保持建筑形体不变；工况差异在于山坡面数，分别建立了单面山坡、峡谷型双侧山坡和3面环绕山坡的模型.对于建筑高度的工况设置，本文针对3面环山地形的建筑高度变化对建筑风压分布的影响机制进行了探究.工况的相同点在于建筑的屋面、瞭望台的构造均保持一致且每层的楼层高度固定为 4.5 m；工况的差异在于建筑层数，分别从10层增至13、16层.由于塔式仿古建筑为锥形结构，上小下大，为保证瞭望台等上部结构不变，从建筑中心到地面各边的垂直距离(D)有所增大，10层时D=15.2 m，13层时D=16.8 m，16层时D=17.6 m.对于建筑与山脚距离的设置，定义建筑与山脚的距离为从山体下部最外沿点到建筑外边线的最短距离，选择3个风压变化最明显的距离分界点，分别为40，70，100 m.

3.1 地形对建筑表面风压分布的影响

图7所示为在峡谷型双侧山坡地形下的风场流线图.可见，来风绕过建筑表面并在建筑后方形成了交错前行的涡旋，且旋转方向相反，来流在到达建筑前未受到山体遮挡.

图6 3类山地地形下建筑表面不同测点的平均风压系数Fig.6 Averaged wind pressure distributions of different points on the building surface under three types of mountainous terrain

图7 峡谷型双侧山坡下的建筑周围风场流线图Fig.7 Wind flow around the building under the mountain canyon

图8 不同建筑层数下的建筑风压分布Fig.8 Wind pressure distributions with different building floors

3.2 塔式建筑层数对建筑表面风压的影响

本文在3面环绕山坡地形下，对原建筑增减建筑层数，在建筑分别为10层(高度h=46.5 m)、13层(h=60.0 m)和16层(h=73.5 m) 3种情况下分析塔式建筑层数对建筑表面风压分布的影响，其结果如图8所示.由图8可见：在10层建筑的情形下，建筑迎风面的正风压呈叶片状分布，且建筑竖立面上部的风压大于下部的风压，气流直接撞击建筑的迎风面，由于迎风面与来风方向的相对角度不变，故迎风面的正风压系数基本一致；而撞击后部的分气流绕过塔身向建筑后方聚拢，由于建筑呈锥形，其层数越高，接近底面的半径越大，建筑后方被遮挡的区域越大，故建筑层数较高的工况更容易形成涡旋，其背风面的负压较大.在13层建筑的情形下，建筑整个迎风面被正风压覆盖，正风压最大.在16层建筑的情形下，来风对屋面产生负风压(风吸力)，且屋面负风压所占面积在3种地形中最大，其原因是上部的气流经过屋顶后分离并绕过建筑而产生风吸力，建筑越高，屋顶所在高度的基本风速越大，对屋面的风吸力越大.

图10 不同d时建筑表面的风压分布情况Fig.10 Wind pressure distributions with different d

图9 不同建筑层数下建筑表面分区测点的平均风压系数Fig.9 Averaged wind pressure distributions on different points of the building with different floors

图9示出了不同建筑层数工况下建筑表面分区测点的平均风压系数.可见：在3面环绕山坡地形下，3种层数的建筑表面的最大正风压均在迎风面最上端位置，即第4区域；最大负风压均在与来风方向紧邻的两个侧屋面(非迎风面的屋面)，即第10与15区域.随着建筑层数增加，风压分布的变化较小，建筑迎风面的正风压先增后减；屋面所受负风压随建筑层数增加而增大.因此，在特定山地起伏地形下，针对抗风安全性，应控制塔式建筑的最佳高度，不适当的建筑高度将使其最大竖立面正风压与最大屋面负风压的不利叠加效应增强.

3.3 建筑与山脚的间距对建筑表面风压的影响

由于单面山坡下山脚至建筑的距离较易表达，故本文以图3(a)中的单面山坡地形为例，在单面山坡地形下分析建筑与山脚的距离d=40，70，100 m时13层原型建筑表面风压的变化情况，其结果如图10所示.由于建筑与山脚的距离较大时气流在经过建筑后仍有湍流发育空间，所以气流变化较平稳，不易形成涡旋.当气流经过建筑后立刻与山壁碰撞被回弹，与新到达的气流相交错，极易产生涡旋，从而导致建筑的背风面负风压较大.由图10可见：在d=40 m时，建筑迎风面的正风压区域面积最小，但屋面的负风压区域面积最大，在3种情形下，建筑表面负风压的绝对值最大；在d=70 m时，建筑迎风面的正风压区域面积明显增大，屋面的负风压区域面积减少，建筑表面的正风压在3种情形中最大；在d=100 m时，建筑来风方向前沿地面的正风压几乎消失，正风压主要向结构上部转移，建筑离山体越远，对建筑周围气流的影响越小，即当d超过70 m后风压的变化不大.

图11所示为在单面山坡地形下不同d时建筑表面不同测点的平均风压系数.由图11可见：d对建筑中上部区域的风压分布影响明显，而对其下部区域(如区域1)风压分布的影响不大.例如，对于区域4，在d=70，100 m下的平均风压系数分别为d=40 m下的约 2.0 和 1.5 倍；而对于区域10，在d=70，100 m下的屋面最大负风压仅为d=40 m下的 0.6 和 0.5 倍.分析发现，在d=70，100 m情形下的风压差异不明显，这意味着若d超过70 m，则其对建筑表面风压分布的影响明显减弱.在d影响显著的范围(70 m)内，随着d的增加，建筑迎风面的正风压增大，且其在d=70 m时达到最大值；随着d的减小，屋面所受负风压的绝对值增大.由此可见，在本文的山地地形环境下，13层原型建筑与山脚的距离宜控制在70 m及以上，以减少建筑表面的风压.

图11 不同d下建筑表面不同测点的平均风压系数Fig.11 Averaged wind pressure distributions on the building with different d

由于风速剖面选用指数型函数，故风速随着建筑增高而增大.因为建筑上部区域的风速大于 10 m 高度处的基本风速，所以由式(3)计算的净风压大于基本风压，即pi>p0.将其同除以建筑远方上游自由流风的平均动压，所得风压系数Cpi>Cp0.另外，规定10 m高度处基本风速、基本风压条件下的建筑表面风压系数为1，因此，将会出现建筑上部平均风压系数大于1的现象.