粤港澳规范建筑风荷载体型相关系数对比分析

孙凌志，仇建磊，马 扬，李庆祥，许 伟，肖丹玲

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

粤港澳大湾区世界级城市群建设是新时代推动形成全面开放新格局的重大举措，也对深化港澳与内地合作有着重要意义。该地区位于我国东南沿海，具有台风多发的特点，据国家气象局数据统计［1］，自建国至2012 年，每年仅在广东登陆的热带气旋平均有2.7 个，为我国热带气旋登陆最多的省份。2017 年的台风“天鸽”、2018年的台风“山竹”均对大湾区城市造成了不同程度的人员伤亡与重大经济损失，直接导致的建筑风灾形式包括中高层建筑门窗或幕墙破损，低矮钢结构、膜结构等轻质结构屋盖破损或直接被揭开。由此可见，建筑结构抗风性能是保障大湾区公共安全的一大关键指标。从推动区域深度融合，进一步保障人民生命财产安全的角度考虑，有必要针对三地的建筑结构风荷载计算进行对比、协同和优化。

受政策制度、历史沿革等因素的影响，粤港澳三地建设工程规范体系差异较大，其建筑结构荷载规范中风荷载计算方法的理论背景及参数取值同样存在着一定程度的不同。广东省采用2015 年广东省住建厅颁布的《建筑结构荷载规范：广东省标准DBJ 015—101—2014》（以下简称“广东规范”或“粤规”），主要以国家标准《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［2］与日本规范《Recommendations for Loads on Building：AIJ 2004》［3］为基础；香港地区采用香港屋宇署2019 年新颁布的《Code of practice on wind effects in Hong Kong 2019》（以下简称“香港规范”或“港规”）进行结构抗风设计，其中大部分内容沿用英国规范，同时又新引入了美国规范以及相关研究成果；澳门地区至今还在使用澳门政府1996年颁布的《屋宇结构及桥梁结构之安全及荷载规章》（以下简称“澳门规范”或“澳规”），该规程主要参考了较早版本的欧洲规范。三地规范对于主体结构顺风向风荷载的计算方法大同小异，大层面上皆考虑了基本风压、地形修正、高度变化以及体型修正等。然而，由于三地规范在编制时参考的内容有所不同，各个参数的具体取值方法存在不同程度的差异，其中体型相关系数是差异最为明显的参数之一。

实际工程中多数建筑物为钝体，具有较大的形状阻力，气流经过时会发生显著的流动分离现象，进而产生压力差。钝体绕流的显著特点即黏性区域与非黏性区域存在着复杂关联，分离点难以预测，涉及到上流边界层以及尾流区特性，同时脉动风的不规则性也会引起分离点的变动［4］，因此建筑物表面实际压力与大气来流风的速度压存在差异。粤港澳三地规范中均以乘系数形式对典型建（构）筑物体型影响进行计算，但各规范关于该系数的表述和概念均存在不同。基于此，本文对粤港澳三地规范建筑结构体型相关系数的取值方法进行对比，并以矩形截面建筑和2种典型异形截面建筑为例进行参数分析，以期深入了解三地规范风荷载体型系数的异同，为实际工程设计和后期相关规范的协同共建提供依据。需要说明的是，体型系数为广东规范中的说法，香港规范与澳门规范称之为风力系数，为方便对比，下文统一将其按体型相关系数进行考虑。

1 体型相关系数取值方法

粤港澳三地规范均按主体结构与围护结构两类考虑了结构体型的影响，本文重点对比主体结构体型相关系数的取值。广东规范为了方便设计，根据建筑物外形、封闭性、地理位置、有无特殊构件（如雨棚、天窗、女儿墙等），直接给出了42种常规建（构）筑物的体型系数，当所给建筑物与广东规范所给类型相同时，可直接查阅表格取值。广东规范将主体结构按照迎风面、背风面、侧面、屋盖给定不同体型系数μs，其中大部分建（构）筑物迎风面取+0.8，背风面、侧面、屋盖的体型系数则取决于建筑截面形状、宽深比、屋面坡度、封闭性等因素，并无明显规律。香港规范引入了风力系数Cf，作为计算时作用在整体结构上的乘系数，无需查表，可直接代入建筑物的几何参数，由解析式计算获得。澳门规范同样引入了风力系数δf，但该系数为高度状况因数Ch与形状因数Cs的乘积，两因数可查表获得。

1.1 广东规范

广东规范定义体型系数μs为作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力（或吸力）与来流风压的比值，计算式如下：

式中：wi为风作用在i 点所引起的实际压力（或吸力）；Ui为i 点高度处的来流平均风速。鉴于建筑物表面的风压分布并不均匀，工程上取各个面上测点的加权平均数来表示其体型系数。

根据大量实验数据，广东规范将42种常见建（构）筑物体型系数的取值方法汇总制表，需要时可直接查表获得。

对于表格未涵盖的体型情况，可查阅相关资料确定，若无相关资料且具备以下任一情况时，需进行风洞试验：①建筑高度大于200 m 或房屋跨度大于100 m；②平面形状或立面形状复杂；③立面开洞或连体建筑。

为更进一步简化设计过程，《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15—92—2013》［5］提供了更快捷的取值方法，当计算主体结构的风荷载时，圆形平面建筑的体型系数可直接取+0.8；正多边形以及截角三角形平面建筑，可按下式计算其体型系数：

式中：n 为多边形的边数。对于H/B≤4 的矩形、方形、十字形平面建筑，体型系数无需查表与计算，可直接取1.3；符合下列条件的建筑可直接取1.4：①V 形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑；②L 形、槽形和H/B＞4的十字形平面建筑；③H/B＞4，横截面L/B≤1.5的矩形、鼓形平面建筑。文献［5］的取值方式更为简单，适用条件也更为宽泛，在高层建筑结构设计中普及率更高。

1.2 香港规范

香港规范中风力系数Cf的取值同时与建筑物的高厚比H/D 和宽深比B/D 有关，即香港规范相较于广东规范，不仅体现了建筑截面特征的影响，在所有适用建筑的风力系数中还体现了建筑高度的影响。对于标准矩形截面建筑，风力系数计算式如下：

式中：He为建筑的有效高度（考虑了周边建筑物遮挡效应后的折减高度）；B 为建筑迎风面宽度；D 为建筑进深。对于标准圆形截面建筑，风力系数可直接取0.75。

香港规范提供的解析式虽然可以代入大部分建筑的几何参数，但其适用范围也存在着一定局限性：该解析式仅适用于矩形、类矩形与圆形截面建筑，异形截面建筑需将其截面事先转化为等效矩形方可计算；矩形截面建筑与类矩形截面建筑的限值为He/D≤12，圆形截面建筑的限值为He/D≤6。对于超限的建筑，香港规范提供了如下参考方法：圆形截面建筑可参照英国规范BS EN 1991-1-4 条款7.9.2 取值，矩形截面、类矩形截面、异形截面建筑建议直接采用风洞试验数据取值。

除解析式外，香港规范还提供了矩形截面建筑的角沿修正方法：对于有对称凹角或圆角的矩形截面建筑，其风力系数需根据角沿特征，在标准矩形截面建筑的风力系数上做一定折减。不同于广东规范仅在计算横风向等效风荷载与扭转方向等效风荷载时考虑角沿修正的做法，香港规范仅在计算顺风向风荷载时考虑角沿修正，且广东规范考虑的典型角沿为削角与凹角，而香港规范考虑的是凹角与圆角。

另外，香港规范在《风效应作业守则条文说明》［6］中指出，对于未在香港规范中提到的异形截面形状或有侧翼的建筑（例如，U 形、X 形、L 形等），可将其截面转化为等效矩形，仍使用式⑶计算。具体转化方法如下：任意风向下，垂直于风向的建筑面投影宽度即为其等效迎风面宽度B；若建筑物的H/B≥1，则其角沿效应可忽略；建筑物的等效进深D=min（Denclosed，Rect，B/1.8），即等效矩形截面进深与等效迎风面跨度除以1.8 中的最小值，如图1所示。

图1 等效矩形转化示意图Fig.1 Effective Rectangle Conversion

特别地，香港规范指出虽然连体建筑在结构上各自独立，但在气动力方面可将其视为一个整体，故其风力系数的取值也是在此一个整体的基础上进行。

1.3 澳门规范

澳门规范对封闭式建筑和开孔式建筑的风力系数分别进行了规定。对于封闭式建筑，其风力系数δf可由下式计算：

式中：Ch为建筑物的高度状况因数；Cs为建筑物的形状因数，澳门规范仅提供了矩形截面建筑与圆形截面建筑的取值表格，对于其他平面形状，可按矩形截面建筑取值；RA为建筑物有效投影面积的折减系数，大于500 m2时可进行折减，最多可折减至80%，当面积超过15 000 m2时则不可再进一步折减。但实际设计时，有效投影面积多取单一楼层的受风面积，一般情况下不会超过500 m2，即多数情况下不做面积折减。对于开孔式建筑，其风力系数可根据建筑物在受风面上的正投影面积与该面上建筑物外围开孔总面积的比值φ 直接查表获得。

2 计算对比

考虑到香港规范与澳门规范适用的截面类型有限，且实际工程中矩形截面建筑更为常见，故本文以典型封闭式矩形建筑物（无开孔、无特殊角沿、平屋顶）为算例，对粤港澳三地规范中的体型影响取值大小进行对比。另外，考虑到广东规范与香港规范涵盖截面类型稍多，本文还进一步对粤港两地十字型平面建筑与Ⅱ型平面建筑的体型系数取值情况进行了对比。

2.1 矩形截面建筑对比

根据前述内容对三地规范的介绍，其体型相关系数主要与建筑物的高厚比H/D与宽深比B/D有关。鉴于风荷载常为多高层建筑的主控荷载，此处以200 m高的标准矩形截面建筑为例进行了计算对比，主要考察了三地规范中H/D和B/D对体型系数取值的影响。

广东规范根据其所给表格中高度超过45 m的矩形截面高层建筑体型系数取值；香港规范直接代入式⑶求值，但为方便计算对比，此处不考虑有效高度，建筑物实际高度即为有效高度；澳门规范代入式⑷求值，值得注意的是，虽然澳门规范参考欧标引入了面积修正系数，但2005 版欧洲荷载规范［7］指出，此系数的折减效应仅在有效面积介于1 m2与10 m2之间时最为显著，超过10 m2时折减效应不甚明显，且文献［7］还指出，10 m2的风压系数可直接用于设计主体受力结构，故此节中所有算例的面积修正系数皆取1.0。

2.1.1 取值规律对比

在不同H/D 下，三地规范体型相关系数随B/D 的变化趋势如图2所示，可以看出其取值规律差异较大。如图2⒜可知，广东规范所提供的体型系数仅与B/D有关，且当B/D 超过1.0 时其取值不再变化，即体型系数的取值只同建筑物的平面形状有关，且若其平面形状保持不变，则其体型系数在任意高度处均相等。与广东规范不同，香港规范直接代入解析式计算风力系数，同时考虑了平面形状与建筑高度的影响。如图2⒝可知，香港规范风力系数取值在不同H/D 下均随B/D的增加，呈“先增大，后减小”的变化趋势，其峰值基本处于1.6≤B/D≤2.0的范围内。此外，香港规范的风力系数在任意B/D下皆与H/D成正比。澳门规范的风力系数整体随H/D 的增加而增加。如图2⒞可知，当0.5≤B/D≤4.0 时，在任意H/D 下，风力系数随B/D 的增加而呈分段增加趋势：当0.5≤B/D<1.0 时增加较快，1.0≤B/D<3.0 时趋于平缓，3.0≤B/D<4.0 时又有所减缓，这主要与形状因数的分段取值方法有关。

图2 粤港澳规范体型系数计算对比Fig.2 Comparison of Shape-related Factors among GHM Codes

综上，对于矩形截面建筑，香港规范在适用范围内可对任意H/D 与B/D 的风力系数直接计算取值，无需作线性插值，风力系数随H/D增大而增大，随B/D增大呈“先增大后减小”的趋势；广东规范与澳门规范确定体型相关系数时均涉及线性插值，其中广东规范体型系数取值仅与B/D 有关，在B/D≤1 的情况下随B/D增大而增大，澳门规范风力系数的取值随B/D 的变化规律与广东规范近似，但同时还引入了H/D 的影响因数，澳门规范的风力系数随H/D的增大而增大。

2.1.2 取值大小对比

为了进一步对比三地规范体型相关系数的取值大小，在不同H/D 的情况下（H/D 分别取1、3、5、12）对其受B/D 的影响情况进行对比，对比结果如图3所示。可以看出，在H/D 较小（H/D ≤5）的情况下，广东规范取值在三地规范中处于中等偏上水平，但由于其并不随H/D的变化而变化，故在H/D较大的情况下，广东规范取值相对偏小，尤其当H/D=12 时，广东规范依然维持着H/D=1 的取值，而港澳规范的取值随H/D的增加而增加，导致此时港澳规范的取值明显高于广东规范。在H/D=12的情况下（高层建筑），当B/D≤3.25 时，香港规范最为保守；当B/D≥3.25 时，澳门规范最为保守。值得注意的是，香港规范与澳门规范在H/D=12 时，在适用B/D 范围内所能获得的最大风力系数相近，均远大于广东规范的最大体型系数。

图3 不同H/D情况下粤港澳规范体型相关系数与B/D的相关性对比Fig.3 Comparison of the Manners How B/D Affects Shape-related Factors of GHM Codes under Different Fixed H/D

另外，在不同B/D 情况下（B/D 分别取0.5、1.0、1.6、2.0）对比三地规范体型相关系数取值受H/D 的影响情况，对比结果如图4所示。由图4可知，广东规范不随H/D 的变化而变化；香港规范的取值随着H/D 的增大而增大，且B/D 越大，其增速越快；澳门规范的取值也随H/D 的增加而增加。在此4 种情况下，当H/D较小时，广东规范的取值最为保守，随着H/D 的增加，香港规范的取值逐渐增大，最终将超越广东规范，澳门规范的取值在4种情况下均为最小。

图4 不同B/D情况下粤港澳规范体型相关系数与H/D的相关性对比Fig.4 Comparison of the Manners How H/D Affects Shape-related Factors of GHM Codes under Different Fixed B/D

综上可见，对于矩形截面建筑，广东规范的体型系数取值方式较为简便，不考虑H/D的影响，在典型建筑高度范围内取值相对合理，偏于安全，而对于H/D较大的情况（如超高层建筑结构等），广东规范取值与香港规范相比偏低；港澳规范的取值同时考虑了H/D和B/D的影响，但其在B/D 较小的情况下相较于广东规范取值过低，澳门规范的取值甚至在很多情况下小于1.0。

2.2 异形截面建筑对比（只针对粤港规范）

关于异形截面建筑，广东规范仅提供了一套常数系数，适用于所有同类建筑，根据异面大小作加权平均数即可求得该面整体体型系数。香港规范则是以矩形截面建筑的风力系数为基准，根据异面大小与迎风面宽度的比值作修正。由此可知，两地对于异形建筑的规定皆是独立于建筑物高度的，因此本节所做算例皆固定H/D=5。此外，由于广东规范提供的异形截面种类繁多，而香港规范仅提供了转化异形截面为等效矩形的参考方法，故为方便对比，本节仅取2种典型截面（十字型截面和Ⅱ型截面）进行对比。

根据粤港两地所求得的十字型截面建筑体型系数取值如图5⒜所示。广东规范的取值与H/D 和B/D均无关，仅与凹面宽度占迎风面总宽度的百分比有关。香港规范则是根据凹面的大小分为2 种情况：①当单个凹面宽度与迎风面总宽度的比值W/B＜0.31 时，可根据实际比值在矩形截面建筑的系数上作折减；②W/B＞0.31 时，香港规范给出2 种方案：可直接代入0.31进行计算，或忽略凹面影响直接视其为标准矩形截面。此节中所有算例皆采用第②种方案处理。

图5 粤港规范十字型平面体型相关系数计算对比Fig.5 Comparison of Shape-related Factors of Building between Guangdong Code and Hong Kong Code

香港规范在条文说明中指出，虽然香港建筑研究所目前所掌握的数据不足以令其为任意一种异形截面建筑标定精确的系数曲线，但大量数据显示，对于矩形或类矩形截面建筑，其主控风荷载主要还是受其本身大尺度上的矩形特征即建筑物被转化为等效矩形后的H/D 与B/D 影响，故当特殊角沿或异面所引入的折减系数的影响过大以至于无法体现建筑截面的矩形特征时，香港规范直接忽略其影响，体现在图5⒜上即为系数忽然的跃增。

由图5⒜可知，广东规范的取值随W/B 的增大呈线性减小，且不随B/D 的改变而改变。香港规范的系数在W/B<0.31 时也遵循此规律，一旦超过0.31，系数瞬间增大，此时W/B不再影响其取值。另外，由于香港规范取值是在矩形截面建筑上作折减，又由于矩形建筑风力系数曲线随B/D的增大先升高再降低，故图5⒜中香港风力系数曲线随B/D的增大先向上平移后向下平移。

对比所有算例，当W/B<0.15 时，对于B/D 处于香港规范系数峰值范围（1.6≤B/D≤2.0）的建筑，采用香港规范取值更为保守；对于B/D 处于非峰值范围内的建筑，采用广东规范取值更为保守。当0.15≤W/B≤0.31时，广东规范取值偏大；当W/B>0.31时，香港规范取值偏大。整体而言，广东规范取值与香港规范取值在1.6≤B/D≤2.0 的情况下基本相当，其他情况下广东规范取值偏于安全。

根据粤港两地规范所求得的Ⅱ型建筑体型相关系数如图5⒝所示。广东规范Ⅱ型建筑与十字型建筑取值情况类似，体型系数与H/D、B/D 均无关，仅与凹面宽度与迎风面宽度的比值W/B 有关。如前所述，香港建筑研究所通过风洞试验发现类矩形建筑所受主控风荷载受凹面影响不大，主要还是受其等效矩形截面的特征影响，故香港规范忽略Ⅱ型建筑的凹面影响，直接按矩形截面建筑取值。由图5⒝可知，广东规范的系数随凹面的增大而作线性增大，香港规范的系数则独立于凹面的变化，仅随B/D 的变化而变化，并且其系数曲线表现为随B/D 的增大先向上平移再向下平移，体现了截面大尺度上的等效矩形特征。

对比所有算例，当W/B<0.7 且2.0≤B/D≤4.0 时，香港规范的取值较广东规范更保守，除此之外的其他情况下均是广东规范取值较大。

3 结论

本文针对粤港澳地区建筑规范风荷载体型相关系数的异同进行了对比，并以矩形截面建筑和2 种典型异形截面建筑为例，对其取值规律和取值大小进行了分析，主要结论如下：

⑴粤港澳规范风荷载计算均以乘系数方式考虑结构体型影响，但其取值规律及大小存在不同程度的差异。广东规范给出了42 种常规建（构）筑物的体型系数，体型系数取值考虑了建筑截面形状、宽深比、建筑屋面坡度等影响；港澳规范则针对矩形与圆形平面建筑引入风力系数作为建筑物整体力系数，其取值与建筑物高厚比和宽深比有关。

⑵对于矩形截面建筑，广东规范的体型系数取值方式较为简便，在典型建筑高度范围内取值相对合理，偏于安全，而对于H/D 较大的情况（如超高层建筑结构等），广东规范的取值与香港规范相比偏低，澳门规范取值相对最低；对于异形截面建筑，只有广东规范和香港规范对其进行了考虑，除了小范围内香港规范更保守外，广东规范的取值整体上更偏于安全。