高層建筑空氣動力學形態優化綜述

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168)

一、高層建筑空氣動力學原理

第一種減少建筑物的風荷載的方法是使用“空氣動力學緩和”技術。這些方法有效地使用簡單和創新的建筑功能來修改建筑物的空氣動力學形態，以減少風荷載。第二種減少建筑物風荷載的策略是利用“空氣動力學形態優化”技術。在最佳形狀設計的問題上，性能標準的優化取決于邊界的形狀。

高層建筑的風振響應通常由風渦脫落導致的橫向動態風荷載所主導。周期性的旋渦脫落通過創造脈動壓力，對建筑主體產生橫風的力量。斯特勞哈爾數是一個定義橫風向力波動的無量綱數。方程表達式為：

S=fB/U

(1)

其中，f是旋渦分離頻率，S是斯特勞哈爾數，U是風速，B是建筑寬度。斯特勞哈爾數是一個建筑形態值在0.1到0.3之間的函數，例如，一個正方形截面的斯特勞哈爾數約為0.14，一個大致圓柱體的斯特勞哈爾數約為.02。當漩渦分離頻率f接近建筑固有的一種頻率時，會發生渦激振動。這導致橫風向響應增強。渦激振動是高層建筑自激振動的首要問題。

利用氣動緩和技術對建筑外部形態進行優化(例如，轉角處的優化，截面形狀和沿高度尺寸的改變，等等)，通過改變風在建筑周圍的流動方式來減少建筑對于風荷載的響應，同時能夠引導更加經濟和舒適的設計。氣動優化技術的目的尤其是在于抑制漩渦分離，而且通常被分為兩類[4]：局部優化和整體優化。

二、局部優化

這些優化對建筑物整體的結構和建筑設計的影響可以忽略不計。常見的建筑形狀有方形和矩形，這種建筑形態將導致建筑物經受相當強的漩渦力。可以通過對建筑的氣動形態就行小范圍的優化來減少這些激振力。例如，可以利用開槽角，切角，角的衰退，圓度角這些優化建筑截面角的形狀和改變相對最頻繁強風的建筑的朝向的方法來提升高層建筑的抗風性能(圖1)。相對于普通矩形形狀的建筑物而言，這些方法可以減少隨風向響應和橫風向響應。

圖1 空氣動力學局部形態優化方法

許多研究人員研究角的優化的影響以及它們對于作用于高層建筑上的氣動力的影響，其中包括倒角，凹角和槽角。應注意的是，相比平面尺寸而言，角優化的有效性取決于迎面而來的風的方向和優化的尺寸。歐文(Irwin)等人[3]建議角優化應該延伸建筑寬度的10%左右。臺北101大廈和日本的三菱重工橫濱大廈都是成功利用角優化技術來減少隨風向和橫風向響應的高層建筑實例。

三、整體優化

這些優化對結構和建筑設計有重要的影響。例如，這些優化方法中的改變建筑的形狀和沿高度的退移、尖細化處理、頂部開口和扭曲建筑有助于提出一個有利的建筑氣動形態(圖2)。對其中一些方法的討論如下。

圖2 建筑空氣動力學整體優化方法

尖細化和退移：通過尖細化和退移，能夠使建筑寬度沿高度發生改變，從而使渦流之間的相關性減弱，而且在不同的高度具有不同的分離頻率。東京千年塔和舊金山的泛美金字塔也探索了尖細化對減少風力的影響。

改變截面形狀：隨高度改變截面形狀，例如，從方到圓有類似的效果。這種情況下，斯特勞哈爾數隨高度發生變化(方程式1)，從而使渦流在一個較為寬泛的頻率內分離。這種方法能夠特別有效的減小橫風向力。

多孔或開口：給建筑添加開口是另外一種提高結構空氣動力特性的方法。通過使空氣經由開口和多孔部分進入建筑的方法，可以削弱渦流的形成，并且被結構中的氣流阻斷。

扭曲活旋轉建筑：旋轉建筑非常有效，因為設計者能夠設定建筑的朝向，這樣，建筑最不利的一面不會和風力最強的方向一致。可以在當今的高層建筑中找到扭轉形式的設計，如瑞典馬爾默的旋轉大廈和中國上海的上海中心大廈。

四、總結

本文回顧了用于減輕風致荷載的對高層建筑物的形狀的各種空氣動力學修改。建筑物的橫截面形狀、橫截面形狀或其沿建筑物高度的尺寸的變化，扭曲建筑物，孔隙度和開口等可以通過改變建筑物周圍的風流特性來顯著減小沿順風以及橫風向的建筑響應。希望能夠為空氣動力學優化方法在其他類型建筑上的應用起到積極的作用。

【參考文獻】

[1]J.A. Amin, A.K. Ahuja, Aerodynamic modifications to the shape of the shape of the buildings: A review of the state-of-the-art, Asian Journal of Civil En-gineering (Building and Housing) 11 (2010) 433-450.]

[2]P. Catalano, M. Amato, An evaluation of RANS turbulence modelling for aerodynamic applications, Aerospace Science and Technology. 7 (2003) 493-509.5

[3]P. Irwin, J. Kilpatrick, A. Frisque, Friend or Foe, Wind at Height., CTBUH 8th World Congress, Dubai. Dubai, 2008.