淺析風(fēng)洞試驗在建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用

劉偉軒

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266033）

前言

幕墻是建筑設(shè)計和施工過程中常見的裝飾性結(jié)構(gòu)或建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其建筑特征主要表現(xiàn)為：該結(jié)構(gòu)并非直接分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的荷載，而是起到圍護(hù)結(jié)構(gòu)；在自身平面內(nèi)，幕墻與主體結(jié)構(gòu)相比，具有較大的位移能力，且能夠承受更大的變形；屬于支承結(jié)構(gòu)和面板共同組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。幕墻的建設(shè)在超高層和高層建筑設(shè)計和建筑過程中得到了廣泛的應(yīng)用，因為幕墻建筑會與大氣環(huán)境直接接觸，因而更加易受外部風(fēng)荷載作用的侵蝕。通常，風(fēng)荷載會對幕墻產(chǎn)生直接的控制作用，因而其本身應(yīng)具備較強(qiáng)的承載能力。

1 風(fēng)致幕墻破壞的主要特征

由風(fēng)致幕墻破壞的發(fā)生部位來看，風(fēng)致幕墻破壞的發(fā)生主要受風(fēng)荷載的影響，也就是正面侵襲的臺風(fēng)會在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生最大的正風(fēng)壓力。對于凹形設(shè)計的建筑平面，其內(nèi)轉(zhuǎn)角部位幕墻風(fēng)致破壞的發(fā)生率最高，通常表現(xiàn)為幕墻的正風(fēng)壓破壞，但檐口部位建筑的風(fēng)致破壞則主要是負(fù)風(fēng)壓破壞。

局部破壞是幕墻風(fēng)致破壞的主要類型，主要形式包括開啟扇破壞和玻璃板塊破裂等。其中，板塊強(qiáng)度破壞是發(fā)生率最高的類型，且損壞不同通常較為集中，也就是某部位的多塊玻璃板同時遭到破壞。

2 建筑幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取值常見問題

2.1 風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)理解和使用不當(dāng)

將風(fēng)洞試驗所得的最大風(fēng)荷載數(shù)據(jù)直接用于建筑物幕墻設(shè)計和建設(shè)中。因為風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)圖表通常能夠直接給出圍護(hù)結(jié)構(gòu)參考設(shè)計風(fēng)荷載，并為設(shè)計人員的工作提供基礎(chǔ)，因而提高幕墻設(shè)計的精細(xì)程度，會造成較為嚴(yán)重的幕墻建設(shè)的浪費(fèi)情況。

2.2 充分考慮周圍建筑環(huán)境的情況

對于密集區(qū)域高層建筑幕墻的設(shè)計和建設(shè)，還應(yīng)從充分考慮周圍建筑環(huán)境的情況，若僅僅從單體陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)荷載體型系數(shù)方面進(jìn)行設(shè)計，而未充分考慮群體風(fēng)干擾系數(shù)，則會大大降低建筑物使用的安全性[1]。

2.3 設(shè)計部分幕墻時，風(fēng)荷載取值較保守

設(shè)計部分幕墻時，風(fēng)荷載取值較保守，而未區(qū)分處理邊角區(qū)域和建筑大面。從幕墻設(shè)計計算的角度來看，設(shè)計人員通常以建筑頂部高度的高度系數(shù)為基礎(chǔ)，對墻邊角體型系數(shù)進(jìn)行計算，通過規(guī)范化的計算，獲得建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載技術(shù)，以此作為幕墻整體設(shè)計荷載，但這一操作規(guī)程會導(dǎo)致受風(fēng)面積較小的部位發(fā)生較為嚴(yán)重的材料浪費(fèi)現(xiàn)象[2]。

3 幕墻抗風(fēng)設(shè)計中風(fēng)洞試驗的應(yīng)用

建筑幕墻風(fēng)洞試驗是指按照空氣動力學(xué)相關(guān)理論，在大氣邊界層環(huán)境中，在建筑物受風(fēng)待測情況下，重現(xiàn)可控流體的風(fēng)洞，從而獲得建筑物自身風(fēng)致反應(yīng)情況和風(fēng)荷載信息。完成風(fēng)洞測試后，按照實際設(shè)計要求處理原始數(shù)據(jù)，從而獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的風(fēng)荷載參數(shù)。

建筑物幕墻抗風(fēng)設(shè)計的主要法律規(guī)范包括：《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGl02-2003）》第5.3.3條指出：“玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按風(fēng)洞試驗結(jié)果確定；玻璃幕墻高度大于200m或體型、風(fēng)荷載環(huán)境復(fù)雜時，宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗確定風(fēng)荷載”。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009-2001）》第7.3.1條指出：“房屋和構(gòu)筑物體型不同且無參考資料可以借鑒時，宜由風(fēng)洞試驗確定;對于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定”[3]。

類型不同的幕墻抗風(fēng)設(shè)計，其風(fēng)洞試驗過程也存在一定的差異性，對于局部構(gòu)造復(fù)雜、周圍建筑密集以及體型新穎的建筑物，其荷載規(guī)范無法將建筑全部囊括在內(nèi)，一般情況下，應(yīng)依據(jù)建筑幕墻的功能性質(zhì)、局部構(gòu)造形式以及外部形態(tài)，對風(fēng)洞試驗方法進(jìn)行具體選擇，雙層幕墻模型試驗、遮陽系統(tǒng)的局部模型試驗以及整體模型風(fēng)壓試驗是目前較為常用的建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計風(fēng)洞試驗方法[4]。

與幕墻抗風(fēng)設(shè)計和風(fēng)洞試驗的成本控制，也是其設(shè)計建設(shè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計建筑幕墻時，設(shè)計人員需要根據(jù)特定程序，選擇風(fēng)荷載取值，并對風(fēng)荷載的全部最壞可能進(jìn)行充分考慮。從具體的工程實際來說，風(fēng)洞試驗僅僅需要對工程的實際情況進(jìn)行探討分析，所以，測試所得結(jié)果通常會低于規(guī)范取值，設(shè)計人員能夠按照風(fēng)洞試驗所得數(shù)據(jù)對建筑材料進(jìn)行合理分配和規(guī)劃，以實現(xiàn)建筑成本的降低，并對建筑成本進(jìn)行有效控制[5]。

4 結(jié)語

本文由幕墻結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞試驗的設(shè)計關(guān)系、幕墻設(shè)計中風(fēng)洞試驗的應(yīng)用價值、幕墻風(fēng)荷載取值、風(fēng)致幕墻結(jié)構(gòu)損壞特征等方面出發(fā)，對建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中風(fēng)荷載情況進(jìn)行了分析。對風(fēng)洞試驗在幕墻的使用情況進(jìn)行了簡要介紹，特別是隨著遮陽系統(tǒng)和雙層幕墻在建筑設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，通過風(fēng)洞試驗?zāi)軌蚋臃奖銣?zhǔn)確地得到風(fēng)荷載值，并在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到直接應(yīng)用。利用風(fēng)洞試驗?zāi)軌驅(qū)︼L(fēng)荷載分區(qū)進(jìn)行科學(xué)劃分，從而實現(xiàn)幕墻設(shè)計的合理性與安全性，最大限度降低建筑材料浪費(fèi)問題，實現(xiàn)風(fēng)荷載取值的優(yōu)化。根據(jù)幕墻風(fēng)致破壞特點的不同實施抗風(fēng)設(shè)計，可選擇局部風(fēng)荷載，現(xiàn)階段，有關(guān)規(guī)定中的數(shù)據(jù)無法完全滿足非常規(guī)幕墻抗風(fēng)設(shè)計的需要，而風(fēng)洞試驗則能夠提供有效的補(bǔ)充。

[1]葛鴻飛，任璆.高層建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計峰值因子研究[J].建筑工程，2012，1（5）：53-54.

[2]劉長虹，劉春，宋俊杰.橋梁抗風(fēng)設(shè)計、風(fēng)洞試驗及抗風(fēng)措施[J].北方交通，2011，10（2）：46-47.

[3]李正農(nóng)，羅蝶峰，石文海，梁笑寒.沿海高層建筑玻璃幕墻風(fēng)致應(yīng)力現(xiàn)場實測研究[J].中國科學(xué)，2011，41（11）：1439-1440.

[4]陳勇，焦健，趙輝，婁文娟，孫炳南.面向設(shè)計的房屋建筑剛性模型風(fēng)洞試驗[J].空間結(jié)構(gòu)，2003，9（2）：48-49.

[5]徐安，傅繼陽，趙若紅，等.土木工程相關(guān)的臺風(fēng)近地風(fēng)場實測研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2010，28（1）：23-31.