复杂体型高层建筑风压分布及干扰效应研究

刘行钱长照陈昌萍，*胡海涛陈秋华张祥敏

（1.厦门大学建筑与土木工程学院，厦门 361000；2.福建省风灾害与风工程重点实验室，厦门 361024）

0 引言

现如今的建筑为了追求独特，其结构形式可谓是千变万化，然而隐藏在其中的问题也接踵而来［1］。建筑其复杂外形或结构形式会严重地影响周围的压力场及风环境，与此同时，由于其绕流流场极为复杂，相互间的气动干扰难以预测，因此近年来，为了满足高层建筑立面分区的不同功能，高层建筑的体型逐渐复杂化，现有规范已不能准确地指导复杂体型高层建筑风压的估算［3］。本文工程实例中的建筑结构造型新颖，并受周边建筑的影响，会导致“遮挡效应”“峡谷效应”等的存在［4-6］。因此，相对现场实测，需要通过数值模拟和风洞试验来确定在设计时所需要的压力系数是此类高层建筑进行抗风设计的有效手段。建筑物外表面上的风压大多呈现体面分布，沿高度方向和水平方向都是变化的［7］。本文通过风洞试验结果与数值模拟结果进行对比分析，发现该建筑物在有无周边环境干扰下的风压系数分布特性。

厦门市某复杂体型高层建筑设计为地下4层、地上20层，建筑高度95.2 m，属于高层建筑。本文通过分析风洞试验及数值模拟结果，发现受周边环境干扰下的建筑风压分布值会产生明显变化，容易产生遮挡作用以及“峡谷效应”等问题。通过在大气边界层风洞中对复杂体型高层建筑及其周边环境进行刚性模型测压试验，取得了一些有意义的结论，该结论可为今后类似工程的设计和相关规范的修订提供理论依据。

1 风洞试验

1.1 试验概况

该刚性模型测压风洞试验是在厦门理工学院风工程研究中心的XMUT-WT大气边界层风洞的低速试验段完成的。该风洞有两个试验段，即高速段和低速段，其中高速试验段的尺寸为宽2.6 m、高2.8 m、长8 m；低速试验段尺寸为高3.6 m、宽6 m、长25 m。低速段试验风速范围为0～30 m/s连续可调。风洞配有自动调速、控制与数据采集系统以及建筑结构模型试验自动转盘系统，转盘直径为5 m。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1.5%、湍流度小于0.5%、平均气流偏角小于1.0°。该试验使用了两套测量系统，即眼镜蛇脉动风速仪和电子式压力扫描阀系统，用来测量流场的平均风速、风剖面、湍流度以及风压等数据。

在刚性模型测压风洞试验之前先进行大气边界层风场的模拟，根据该建筑所处的地形条件以及建筑环境，本试验的大气边界层流场模拟确定为B类地貌风场［8］。本试验以1/100的几何缩尺比来模拟了B类风场（图1），包括平均风速剖面、湍流度剖面和纵向脉动风功率谱。

图1 风洞中对大气边界层的模拟Fig.1 Simulation of atmospheric boundary layer in wind tunnel

1.2 试验模型及测点布置

该试验模型为刚体模型，为了研究周边环境的干扰效应，该试验考虑了直径600 m范围内有影响的周边建筑，需要测压的复杂体型高层建筑采用有机玻璃制作，周边建筑采用木板制作，周边地形采用高密度泡沫板制作。根据实际建筑物的尺寸以及风洞截面的实际情况，选择模型的几何缩尺比为1/100，试验段处模型的阻塞率约为5%，模型与实物在外形上保持几何相似［9］。试验时将所测塔楼模型放置在转盘中心，通过风洞控制系统控制转盘旋转角度来模拟不同风向。

图2 整体平面图、风向角布置Fig.2 Overall floor plan，wind direction angle layout

在空气动力学中，物体表面的压力通常用无量纲压力系数Cpi表示为

式中：Cpi为测点i处的压力系数；Pi为作用在测点i处的压力；P0和P∞分别是试验时参考高度处的总压和静压。

对于脉动风压，可通过下式来求得脉动风压均方根值Cprms。

式中：Cprms为脉动风压均方根值；Cˉp为平均风压系数值；N为采样个数，本文采样个数为39 600个。

图3 典型测点层测点布置Fig.3 Typical measuring point layer measuring point layout

1.3 不同风向角下各测点的局部体型系数

在某些结构分析标准软件中，必须输入《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）定义的体型系数。为了适应这一需要，这里将前述得到的平均风压系数转换成各个建筑局部区域的局部体型系数［10-11］。

规范中规定的作用在建筑物表面上局部体型系数的计算公式为

式中：Cpi为建筑局部表面第i测点的平均风压系数；Si为该测点所从属面积；∑Si为各局部区域总面积。

2 CFD数值模拟

2.1 CFD的基本思想

CFD的方法是通过有限离散点的变量值的集合来表示在时间、空间上连续的物理量的场（如温度场、压力场、速度场），并且通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点场变量之间的关系的代数方程组，然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值［12］。CFD数值模拟方法包含的流体流动控制方程有质量、动量、能量以及组分质量守恒方程［13］：

（1）质量守恒方程（mass conservation equation）：

（2）动量方程（momention conservation equation）：

式中：p为静压；τij为坐标轴各方向上的黏性应力张量；fi为i方向的质量力。

（3）能量守恒方程（energy conservation equation）：

式中：E为流体微团的总能量；T为温度；h为焓，hj为组分j的焓；keff为有效热传导系数；kt为湍流热传导系数，根据湍流模型来确定；Jj为组分j的扩散通量；Sh为体积热源项。

2.2 网格划分及算法

2.2.1 计算区域

计算域大小为10H×3H×5H，其中H为建筑模型高度，为了使尾流区域充分发展将建筑置于流域前约1/3处［14］。网格图如图5所示。

图5 整体网格划分Fig.5 Overall meshing

2.2.2 网格划分

计算域采用混合网格划分方法，单体建筑约400多万个网格单元，群体建筑约为600多万个网格，在建筑模型附近采用较密网格布置。

2.2.3 边界条件

入口采用速度入口（velocity-inlet）边界，出流口采用充分发展的出流（outflow）边界，计算域两侧及顶面采用自由滑移的对称（symmetry）边界［15］。采用标准K-ε湍流模型，离散格式采用二阶迎风格式，采用SIMPLE算法求解动量方程，松弛因子的设定采用默认值［16］。

速度入口的风速分布服从指数律：

式中：Z0为参考高度，取为10 m；U0为参考高度处的平均风速值，这里取为10 m/s；α为地表粗糙度指数，这里α=0.16。

3 风洞试验与数值模拟结果对比

图6和图7给出的是0°风向角下，1#楼迎风面和背风面的风压系数计算结果与风洞试验数值结果对比图。从迎风面和背风面的计算结果来看，相比于迎风面，背风面的计算结果误差明显较大，迎风面误差较大处主要集中在两侧棱角处。对于迎风面来说，模拟结果在两侧部分较为精确，中间则分离较为明显，但模拟结果与试验数据结果较为接近，曲线趋势也较为吻合；对于背风面来说，数值模拟值分布较为平缓，总体趋势与试验结果曲线较为吻合。总体来说，数值模拟结果与风洞试验结果相比较为吻合，可以用于建筑风压干扰的研究分析，也验证了数值结果的正确性。

图6 1#楼迎风面风压系数比较图Fig.6 Comparison chart of wind pressure coefficient on windward side of 1#building

图7 1#楼背风面风压系数比较图Fig.7 Comparison chart of wind pressure coefficient on the leeward side of 1#building

4 群楼流场干扰效应

4.1 群楼干扰布置因素

对于建筑群之间的顺风向静力干扰效应，上游建筑往往会对下游建筑产生“遮挡效应”，建筑之间距离较近也会产生“峡谷效应”。根据图8所示的群楼布局方式，在任意来流风向下，均存在上下游串列及左右并列的干扰效应。因此本文数值模拟分为两种工况，即0°风向角下未受干扰的单体1#楼工况及群体建筑工况，重点研究2#～5#楼和前方地形对1#楼的干扰效应。

图8 数值模拟的两种工况示意图Fig.8 Schematic diagram of two working conditions of numerical simulation

1#楼与前方的一个凸起的低矮地形是串列布置的，因此该低矮地形会对1#楼有一定的遮挡作用；与此同时，2#楼和3#楼与1#楼处于并列布置，会对1#楼通道面有一定干扰作用，产生“峡谷效应”，然而其对迎风面的影响往往较小。随着风向角的改变，建筑之间的干扰效应也会发生转变，这是因为建筑之间的相对排布位置会随着风向角的改变而发生变化。

4.2 群楼流场干扰效应

图9为0°风向角下，单体建筑在有、无周边环境干扰下的风速场迹线图。无周边环境干扰时，迎风面较大，风绕过模型后，在模型背风面涡旋区形成两个对称的漩涡。有干扰时，该区域两建筑之间存在缝隙与来流方向相同，致使区域存在较高建筑时建筑之间可能形成“峡谷效应”等问题，并且因建筑对来流的阻挡作用使得气流产生分离流动，建筑背风区域往往存在风速较低的多个漩涡，不利于建筑室外通风及污染物的排散。

图9 风速场流线图Fig.9 Wind speed field trace map

通过数值模拟结果发现，受周边环境干扰下的建筑风压分布值会产生明显变化，因建筑对来流的阻挡作用使得气流产生分离流动，容易产生周边环境的遮挡作用以及建筑之间的“峡谷效应”等问题。根据数值模拟结果分析得到单体建筑受周边环境的风干扰效应，下面进行刚性模型测压风洞试验来验证其结果的正确性。

5 群楼风压系数干扰效应

5.1 风压系数分布

建筑的风压系数会随风向角的变化而改变。图10给出标准模型二阶迎风格式计算得到的0°风向角下有、无周边环境干扰下的目标建筑表面压力云图，其他参数设置不变。

从图10中可以看出，未受周边干扰时，单体建筑模型迎风面风压为正值，平均压力最大值出现在迎风面中间偏上处。背面、侧面和顶面则受到吸力作用，为负值。当风遇到建筑物阻碍，产生绕流，形成了离散的漩涡，这些漩涡使得背风面、侧面和顶面受到吸力作用，分离点附近出现非常大的负压区。在模型侧面和顶面的分离区就出现了很大的负压值，最低负压力系数接近为-3；受周边环境干扰时，单体建筑迎风面压力值发生明显变化。在左侧的高层建筑的干扰作用下，建筑表面压力等值线向左偏移，两建筑之间产生了“峡谷效应”。其次，由于目标建筑前侧低矮山脉地形的影响，使得被遮挡处的建筑表面风压值变小。

图10 压力系数云图Fig.10 Cloud map of pressure coefficient

5.2 同一水平高度的风压分布特性

选择0°风向角来研究目标建筑在有、无干扰两种工况下的风压系数分布特性。由于该目标建筑的低层部分受到前方低矮山坡的遮挡作用，对建筑表面风压分布影响较为严重，因此取该建筑第5层（21.5 m）来研究建筑在低层部分表面的风压系数分布情况；由于建筑的高层部分为标准层，且外表面体型较为标准，受体型影响较小，因此取目标建筑第18层（80 m）来研究高层部分表面的风压系数分布情况。同一水平高度下该目标建筑表面的平均风压系数及脉动风压系数分布情况如图11所示。

由图11可以看出：

图11 测点层风压系数水平分布特性（风洞试验）Fig.11 Horizontal distribution characteristics of wind pressure coefficient at the measuring point layer（wind tunnel test）

（1）该建筑处于较低层［第5层（21.5 m）］时，建筑表面在有、无周边环境干扰下的平均风压系数及脉动风压时系数分布曲线分离较为明显。无干扰时，各测点平均风压系数曲线呈现中间测值大、两边测值小的趋势。并且由于建筑低层外表面体型的复杂性，使得平均风压系数分布呈现一定的波动性。迎、背风面的脉动风压系数值较侧面小，且总体趋势分布较为平缓。有干扰时，由于目标建筑受前方低矮地形的遮挡作用，使得该建筑在该影响区域（18、19测点）处的平均风压系数值明显减小。并且目标建筑1#与并列建筑2#产生了峡谷效应，使得该建筑部分侧风面的平均风压及脉动风压均产生较大影响，且脉动风压总体分布趋势较为平缓，没有明显规律。

（2）该建筑处于高层［第18层（80 m）］时，建筑表面受周边环境的干扰作用与低层比较小一些，这是由于缺少了前方低矮山坡的遮挡作用，以及建筑标准层外表面体型较为规则。但是大厦与附近高层建筑产生的“狭管效应”仍然明显，由于干扰的存在，侧风面变化较大，平均风压出现正值，背风面和部分侧风面出现较大负压，这是由于“狭管效应”对风速有一定的加速效应。对于有、无干扰下的脉动风压值，与低层相比有一定差距，除了部分侧面由于峡谷效应，使得风压系数值分布分离较为明显，其余区域分布较为吻合。

5.3 风压系数沿高度的变化规律

取各测点层测点1，10，11，18，25，32来研究0°风向角下分离区风压系数沿相对高度的变化规律，结果如图12所示。

图12 风压系数竖向分布特性（风洞试验）Fig.12 Vertical distribution characteristics of wind pressure coefficient（wind tunnel test）

（1）无干扰时，迎风面平均风压系数随高度增加而增加，侧风面和背风面的平均风压系数沿高度变化不大。背风面和侧风面的平均风压系数沿高度变化趋势很接近，随着高度升高呈现先增加后减小的趋势；迎风面脉动风压系数随高度增加而无明显趋势，而背风面随着高度增大而有稍微的减小趋势。侧风面随高度增加而变化的趋势较为明显，先增大后减小，这主要是由于湍流度对侧风面脉动风压的影响较为明显。

（2）有干扰时，迎风面测点18、25平均风压系数随高度增加而增加，而侧风面负压值变大，发生分离比较明显，这是由于建筑两侧有干扰物，产生了峡谷效应，使得建筑表面平均风压等值线发生偏移。并且在施扰建筑物作用下，对风速有一定的加速效应，出现较大负压。侧风面气流分离处平均风压系数随高度也有显著变化，这主要与干扰建筑物的位置有关系。对于脉动风压，从整体上来看，迎风面风压系数分布规律较为不明显，背风面及侧面随着高度的增加而有增大的趋势，但增大幅度不大。

5.4 来流风向对局部区域体型系数的影响

截取目标建筑第18、19、20、R层b的部分区域，如图4所示，用来研究有无周边环境干扰情况下的局部体型系数变化规律，具体分布规律如图13所示。

图4 体型系数测点示意图Fig.4 Schematic diagram of body form factor measuring points

图13 局部区域体型系数分布（风洞试验）Fig.13 Local area body shape coefficient distribution（wind tunnel test）

（1）无干扰时，迎风面A区～F区局部体型系数以180°风向角为对称轴，体现了风向角的改变对高层建筑的绕流特性。当风向角在100°～260°范围内时，由于所选取A区～F区域正处于迎风面，且气流在建筑短边边缘区域分离严重，导致该区域各测点风压较大。100°～200°范围内，B、C、E、F区体型系数随风向增加而增大，200°～260°范围内随风向角的增大而减小，在200°风向时达到最大，体型系数为接近1.0。A、D区域区域在150°风向达到最大，体型系数近为1.0。

（2）有干扰时，整体上随着风向角的增加体型系数先增加后减小，且数值上基本为正值。这是由于受到周边环境的影响，迎风面边缘发生分离，随着距迎风面前缘越远气流趋于均匀。A、C区域和D、F区域体型系数分别重合较好，说明体型系数在数值上基本呈现两边对称趋势，并且随风向的增大呈现先增大后减小的趋势。来流风向对建筑局部风压影响较大，高层建筑主要在斜风向影响下，气流在迎风面棱角处气流分离和涡脱落严重从而导致该区域形成高负压区，其吸力值远大于垂直风向影响。

6 结论

（1）无周边环境干扰时，迎风面为正压区，侧风面和背风面基本为负压区。各测点平均风压系数曲线呈现中间测值大、两边测值小的趋势。并且由于建筑会由于外表面体型的复杂性对风压分布会产生一定的影响作用。迎、背风面的脉动风压系数值较侧面小，且总体趋势分布较为平缓，背风面随着高度增大而有稍微减小的趋势。湍流度对侧风面脉动风压的影响较为明显，其随高度增加先增大后减小的趋势较为明显。

（2）有干扰时，周边环境对目标建筑外表面的平均风压及脉动风压分布影响较大。由于障碍物对来流的阻挡作用会使得气流产生分离流动，以及建筑之间的“峡谷效应”等问题，对风速有一定的加速效应，使得背风面、侧面出现较大负压。

（3）来流风向对建筑表面局部风压影响较大，导致局部体型系数变化较大。高层建筑在斜风向影响下，气流在迎风面棱角处气流分离和涡脱落严重从而导致该区域形成高负压区，其吸力值远大于垂直风向影响。

（4）通过CFD数值模拟，可以快速并有效地研究单体建筑受周边环境的风干扰效应，将建筑群在风场作用下旋涡之间的相互干扰作用更加可视化。通过刚性模型测压风洞试验可以验证CFD结果的正确性，并且通过量化得出建筑表面风压系数和局部体型系数的分布特性，可为相应的工程围护结构设计提供参考。