基于CFD的多風地區矮層建筑局部形態優化研究

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168)

一、矮層建筑空氣動力學優化原理

在多風地區，每年風災都是代價最高的自然災害之一，并且奪去許多生命。

屋頂系統相比于其他建筑元素，更加暴露于高荷載之下。 屋頂上最壞的風吸力通常出現在轉角或者斜風的方向。這些極端吸力是沿屋頂邊緣形成的錐形渦造成的，這些錐形渦是大多數風致破壞的主要原因。屋頂上的木瓦板，瓦片或者鋪筑材料很容易被甩開，松散的屋面部件可能導致雨水侵入和內部設備和建筑內容的損失。近來，減少由于風的影響而導致的屋頂破壞的需求成為了設計者、制造商和建筑規范制定官員所面臨的最重要的挑戰之一。

簡單的優化屋頂邊緣形態或者利用屋頂附屬結構能夠改變屋頂的氣流模式，并且能夠減少風荷載，從而減少對低層建筑的破壞。由于他們主要目的是打斷和偏轉導致極端屋頂吸力的錐形渦，這些方法被恰當的稱為“渦流抑制”技術。根據氣動機制，渦流抑制技術可分為以下四種類別[1]：

1. 針對消除創造渦流的直線銳邊的方法；

2. 針對打斷渦流形成的方法(如部分或多孔女兒墻)；

3. 針對擾動渦流的方法(如多孔圍墻或豎直構件，屋頂氣缸或分流器)；

4. 針對轉移已形成渦流的方法(如高女兒墻)；

圖1展示了一些氣動優化技術，能夠緩解低層建筑屋頂角部的吸壓力。請注意，為了更好地展示每一種方法，圖1中的模型并不是它們的實際尺寸。

圖1 矮層建筑局部形態優化方法

二、空氣動力學邊緣

空氣動力學邊緣已經作為一種標準的建筑特征很多年了，主要是對于平屋頂建筑。許多風洞試驗和現場調研已經證明了空氣動力學邊緣減少建筑屋頂風荷載的有效性。基本上，女兒墻提升分離剪切層離開屋頂表面，因此，能夠在較大區域內消耗局部高角或邊緣效應。然而，這可能會增加內部區域的荷載，因此影響女兒墻的整體功效。由巴斯卡拉和斯塔索普洛斯開展的其中一個早期的研究中，特別考慮了這些建筑構件在渦流抑制中的作用。他們的研究表明，高女兒墻通常減少屋頂角落的高吸力而低女兒墻增加屋頂邊緣和角落的吸力。Asghari Mooneghi等人[2]，在佛羅里達國際大學，通過風開放射流墻對不同高度的實體女兒墻平屋頂建筑進行了大規模的試驗觀察到了類似的效果。巴斯卡拉通常連續女兒墻在減少拐角處壓力系數方面比只在屋頂一邊設置的女兒墻效果更顯著。女兒墻的有效性也是女兒墻配置的一個功能。在一個等比例模型上，對不同女兒墻配置的有效性進行了研究，其中包括部分鋸齒女兒墻，半圓柱空氣動力學邊緣，實體多孔屋頂角落分流器和獨立多孔幕墻。獨立多孔幕墻被證明是減少屋頂角落附近吸力最有效的選擇。擾流板和多孔連續女兒墻表現最佳，靠近屋頂角落的峰值壓力系數的最大減少達到44%和56%。結果表明，平屋頂角落附近的局部和區域平局風荷載均有顯著的減少。

三、被動氣動裝置

除了對空氣動力學邊緣減少屋頂高風吸力的功效的研究外，近期的研究主要集中在對屋頂角落或邊緣的優化或添加不同的氣動邊緣元素來減少由錐形渦引起的極端負面壓力。這些元素可作為永久性的建筑元素，或者在強風事件的準備階段，被附著于屋頂之上。

通過氣動曲面和倒角屋檐邊的風洞試驗和現場測量，對屋頂邊緣配置減少風荷載的效用進行了研究。雖然這些方法被證明是有效的，但他們有時并不實用，例如對于有屋檐的建筑物。

各種各樣的屋頂邊緣設備被運用于屋頂的檐部(例如，半圓形天溝，懸臂式擾流板等)。試驗表明，這些裝置利用不同程度的氣動效用和建筑實用性促進減少屋頂極端風壓。例如，通過風洞試驗，對八種典型吊頂的效用進行了研究，在中國的住宅中，它們通常被用來緩解屋頂極端風壓。結果表明，這些元素的存在顯著地減少了屋頂角落和邊緣的負峰值風壓，而沒有改變其他屋頂區域的風壓。這些試驗多數基于小尺度的風洞試驗(模型比例1:50—1:200)。然而，大尺度或全尺度試驗更有利于評估氣動設備的性能。因為它們能夠精確模擬各種建筑細節，它們能夠采用較高雷諾數來避免不利的尺度影響，較高的雷諾數對于曲面更顯著，因此也許能夠用于氣動設備。近來由于這個原因，大尺寸和全尺寸試驗被用于屋頂吸力緩解技術的開發。

四、總結

本文回顧了在低層建筑物的屋頂上減輕風的高吸力的各種方法，簡單的空氣動力邊緣裝置用于減輕風致荷載的對矮層建筑物的形狀的各種空氣動力學優化。希望能夠為建筑空氣動力學優化方法的發展應用起到積極的作用。

【參考文獻】

[1]D. Surry, J.X. Lin, The effect of surroundings and roof corner geometric mod-ifications on roof pressures on low-rise buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 58 (1995) 113-138.

[2]A. Baskaran, T. Stathopoulos, Roof corner wind loads and parapet configura-tions, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 29 (1988)-88.