某超高層建筑群風荷載CFD模擬分析

徐革，孫毅

（1中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013；2重慶科技學院，重慶 401331）

圖1 日月光中心R5、R6塔樓

重慶日月光中心位于重慶解放碑較場口，為由5棟超高層建筑塔樓和裙樓組成的大底盤，其中R5塔樓高300m，R6塔樓高468m，建成后將是渝中半島的地標性建筑，見圖1。日月光中心南臨十八梯陡坡，北臨解放碑CBD密集建筑群，周邊環境復雜，風荷載與現行荷載規范中的條件相差較大，無法直接套用規范方法計算。為了配合結構方案，保證超高層結構的抗風安全性和舒適性，采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對超高層結構連體模型進行了風荷載模擬和分析。

我國現行荷載規范[1]對山地風場用一個簡單的修正系數來考慮，但其計算公式簡單，所考慮因素極少，應用在實際工程中時具有較大局限；在復雜干擾工況時沒有具體規定，建議通過相關試驗和模擬來指導工程設計。近年來在山地風場領域李正良[2]、孫毅[3]、魏奇科[4]等學者進行了大量的研究工作，在風荷載干擾效應領域顧明[5]、謝壯寧[6]等學者開展了基于風洞試驗的大量基礎研究。本文在前人研究基礎之上，針對具體工程案例進行山地風場和干擾工況的風荷載分析，以期為相關研究提供資料，為該工程設計提供依據，為類似工程提供參考。

1 計算模型

山地與平地的風場相比具有許多不同點，如場地平均風速的豎向風剖面和湍流度隨高度分布規律，這些風場特點均受到場地周邊的山地地貌影響而形成。因此計算模型中不能簡單依據現有規范建立邊界條件，而必須包含周邊地形和建筑物，統一考慮風場形成的影響因素。

1.1 周邊環境模型

R5、R6周邊有密集的超高層建筑群。為了考察臨近超高層建筑的干擾效應，建立了以R5、R6為中心，以500m為半徑的周邊建筑群計算模型，進行了表面風壓計算。距離建筑南面700m處已經到達長江邊，此部分區域坡度較大（垂直高差達75m），為了考察地形影響，在該部分考慮了500m到700m范圍的地形建模，如圖2所示。根據實際情況，考慮了周邊500m范圍內已建成和在建的部分高層和超高層建筑物，將其建入CFD分析模型中，以便分析實際情況中群體超高層建筑群中的R5、R6表面風壓。模型中所考慮的周邊建筑情況如圖3所示。

圖2 周邊地形圖

圖3 周邊建筑分布圖

干擾和地形分析模型的CFD模型和網格劃分如圖4所示。

圖4 CFD計算模型網格劃分

1.2 風向角

群體建筑干擾分析時的風向角并未按照360°均分，而是選擇了如圖5所示的16個角度，這些角度分別代表了正東南西北方向（0°、90°、180°、270°）、R5的外表面法向（26°、206°、116°、296°）、R6的外表面法向（48°、228°、138°、318°）、連廊外表面的垂直和平行方向（159°、339°、249°、69°）。

圖5 模擬風向角

1.3 計算域

對于高層建筑，通常的流域選擇如圖6所示。H為高層建筑高度，迎風向邊界距離建筑5H，側風向兩邊邊界距離建筑均為5H，背風向邊界距離建筑10H，流域高度5H。按此標準設置計算域，能保證普通流場中的普通高層建筑表面風壓計算準確。

模擬之前對于計算域進行了流場檢驗，在各邊界處的流場特性與入口基本保持一致，說明計算模型區域建立合理。

圖6 流域尺寸圖

1.4 邊界條件

該工程10m高度處平均風速根據現行荷載規范中的基本風壓換算可得；該地區超高層建筑密集，屬于D類地面粗糙度類別，對應的風剖面指數為0.3。根據我國荷載規范中對于高度變化系數和湍流度剖面的計算方法，可直接得到數值模擬入口的速度邊界和湍流度邊界條件。

來流邊界條件選用速度來流邊界條件(velocity-inlet)：

大氣邊界層風速剖面：

湍流度剖面：

湍流參數：

式中，Cμ=0.09，l=0.07L代表湍流積分尺度，L為建筑物的特征尺寸。大氣邊界層風速剖面V(z)、湍動能k和湍流耗率ε采用Fluent提供的UDF(user-defined functions)編程與Fluent作接口實現。

流域頂部和兩側采用對稱邊界條件(symmetry)，等價于自由滑移的壁面。

出流面采用壓力出流邊界條件(pressure-outlet)。

建筑表面和地面采用無滑移的壁面條件(wall)，采用非平衡壁面函數模擬近壁面流動，且在地面引入粗糙壁面修正。

1.5 湍流模型

在本文求解中，選擇了Realizable k-ε模型，此種模型是標準k-ε模型的一種修正，被認為是解決邊界層流動和帶有分離的流動問題的有效模型。

2 模擬分析計算結果

為了便于量化和比較，采用無量綱的風壓系數來描述建筑物表面的風壓分布。如式（1）所示定義風壓系數：

上式中，P為建筑表面某點風壓，ρ為空氣密度，vH為參考點風速。本文參考點選取為R6頂點。

篇幅所限，選取具有代表性的幾個風向角的風荷載模擬結果如圖7、圖8。

圖7 0度風向角

圖8 180度風向角

從分析結果中可以看出以下規律。

（1）最大正壓均出現在R6的中上部位，并且壓力系數均超過了1。這說明山體的存在對于風場有明顯的加速效應，在最大壓力系數處風荷載增加了約10%。

（2）當風從南面吹來時（如0°），表面風壓主要受地形影響，其作用是迎風面風壓增大，且較大風壓分布的區域也較大，云圖邊界較為光滑，說明此時風荷載確定性較強，設計時按分析結果取值即可；當風從北面吹來時（如180°），表面風壓主要受上風向建筑的干擾影響，其作用是迎風面平均風壓因為受遮擋而減小，且較大風壓的區域只出現在R6靠近頂部的受干擾較小部位，云圖邊界相對雜亂，說明此時風荷載具有較強不確定性，建議設計時按分析結果作適當放大處理。

（3）總體來說，山地效應對于山頂位置的平均風荷載有增大作用，但對脈動風荷載往往有減小作用；干擾效應對于建筑表面大部分區域的平均風荷載有減小作用，但對脈動風荷載有增大作用。對于總體的風效應不能簡單得出增大或減小的結論，而需要通過具體計算確定。

3 風洞試驗對比

為了進一步獲得體形系數，在風洞中進行了剛性模型風洞試驗。在此將部分試驗結果與CFD模擬結果相比較，以說明模擬分析的準確性。風洞試驗同樣考慮了建筑周邊的地形和干擾建筑，試驗模型如圖9所示。

圖9 風洞試驗模型

在0°風向角和180°風向角下，風洞試驗的主要結果如下。

（1）0°風向角時的山地風場特性主要體現在主要迎風面：中下部體型系數超過了1，最大超過1.3，表現出了明顯的山地平均風加速效應；隨著高度的增加，每層的最大體形系數逐漸減小，到約200m高度時減小到1以內，表明山地加速效應的影響高度在200m范圍內。

（2）180°風向角時R6塔樓的迎風面中下部由于受到上風向密集超高層建筑群的嚴重干擾作用，體形系數均較小，特別是在底部100m左右范圍內，甚至在迎風面出現負壓區；R6塔樓在250m以上高度區域，由于此高度的遮擋建筑較少，體形系數逐漸增大，但均不超過1。

和CFD模擬結果相比，風洞試驗所得風荷載分布在迎風面吻合較好，一般數值誤差不超過20%；在側風面和背風面雖然分布規律較為吻合，但誤差較大，最大超過50%，主要分布在接近地面和轉角區域。

4 結論與建議

（1）CFD模擬是一種獲得建筑風荷載分布規律的有效方法，具有經濟高效的優點。通過CFD模擬在建筑迎風面可獲得較為準確的結果，但在復雜體型建筑的側風面和背風面誤差稍大，建議重要和復雜體型工程項目結合風洞試驗結果進行風荷載的合理取值。

（2）日月光中心R5、R6塔樓在不同的風向角工況時體現出不同的特征：0度風向角上風向為坡度，風荷載體現為山地風場的加速效應；180度風向角上風向為密集建筑群，風荷載體現為復雜干擾效應。在結構抗風計算和設計時應根據不同風向角區別驗算。

（3）山地效應對于山頂位置的平均風荷載有增大作用，但對脈動風荷載往往有減小作用；干擾效應對于建筑表面大部分區域的平均風荷載有減小作用，但對脈動風荷載有增大作用。對于總體的風效應不能簡單得出增大或減小的結論，而需要通過具體計算確定。

[1]GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[2]李正良，孫毅，魏奇科，等.山地平均風加速效應數值模擬[J].工程力學，2010，27(7):32-37.

[3]孫毅.山地風場中高層建筑風致振動研究[D].重慶:重慶大學，2010.

[4]魏奇科，李正良，孫毅.山地風加速效應的計算模型[J].華南理工大學學報，2010，38(11):54-58.

[5]顧明，黃鵬.群體高層建筑風荷載干擾的研究現狀與展望[J].同濟大學學報，2003，31(7):762-766.

[6]謝壯寧.典型群體超高層建筑風致干擾效應研究[D].上海:同濟大學，2003.