復雜體型高層建筑風壓分布及干擾效應研究

劉行錢長照陳昌萍，*胡海濤陳秋華張祥敏

（1.廈門大學建筑與土木工程學院，廈門 361000；2.福建省風災害與風工程重點實驗室，廈門 361024）

0 引言

現如今的建筑為了追求獨特，其結構形式可謂是千變萬化，然而隱藏在其中的問題也接踵而來［1］。建筑其復雜外形或結構形式會嚴重地影響周圍的壓力場及風環境，與此同時，由于其繞流流場極為復雜，相互間的氣動干擾難以預測，因此近年來，為了滿足高層建筑立面分區的不同功能，高層建筑的體型逐漸復雜化，現有規范已不能準確地指導復雜體型高層建筑風壓的估算［3］。本文工程實例中的建筑結構造型新穎，并受周邊建筑的影響，會導致“遮擋效應”“峽谷效應”等的存在［4-6］。因此，相對現場實測，需要通過數值模擬和風洞試驗來確定在設計時所需要的壓力系數是此類高層建筑進行抗風設計的有效手段。建筑物外表面上的風壓大多呈現體面分布，沿高度方向和水平方向都是變化的［7］。本文通過風洞試驗結果與數值模擬結果進行對比分析，發現該建筑物在有無周邊環境干擾下的風壓系數分布特性。

廈門市某復雜體型高層建筑設計為地下4層、地上20層，建筑高度95.2 m，屬于高層建筑。本文通過分析風洞試驗及數值模擬結果，發現受周邊環境干擾下的建筑風壓分布值會產生明顯變化，容易產生遮擋作用以及“峽谷效應”等問題。通過在大氣邊界層風洞中對復雜體型高層建筑及其周邊環境進行剛性模型測壓試驗，取得了一些有意義的結論，該結論可為今后類似工程的設計和相關規范的修訂提供理論依據。

1 風洞試驗

1.1 試驗概況

該剛性模型測壓風洞試驗是在廈門理工學院風工程研究中心的XMUT-WT大氣邊界層風洞的低速試驗段完成的。該風洞有兩個試驗段，即高速段和低速段，其中高速試驗段的尺寸為寬2.6 m、高2.8 m、長8 m；低速試驗段尺寸為高3.6 m、寬6 m、長25 m。低速段試驗風速范圍為0～30 m/s連續可調。風洞配有自動調速、控制與數據采集系統以及建筑結構模型試驗自動轉盤系統，轉盤直徑為5 m。流場性能良好，試驗區流場的速度不均勻性小于1.5%、湍流度小于0.5%、平均氣流偏角小于1.0°。該試驗使用了兩套測量系統，即眼鏡蛇脈動風速儀和電子式壓力掃描閥系統，用來測量流場的平均風速、風剖面、湍流度以及風壓等數據。

在剛性模型測壓風洞試驗之前先進行大氣邊界層風場的模擬，根據該建筑所處的地形條件以及建筑環境，本試驗的大氣邊界層流場模擬確定為B類地貌風場［8］。本試驗以1/100的幾何縮尺比來模擬了B類風場（圖1），包括平均風速剖面、湍流度剖面和縱向脈動風功率譜。

圖1 風洞中對大氣邊界層的模擬Fig.1 Simulation of atmospheric boundary layer in wind tunnel

1.2 試驗模型及測點布置

該試驗模型為剛體模型，為了研究周邊環境的干擾效應，該試驗考慮了直徑600 m范圍內有影響的周邊建筑，需要測壓的復雜體型高層建筑采用有機玻璃制作，周邊建筑采用木板制作，周邊地形采用高密度泡沫板制作。根據實際建筑物的尺寸以及風洞截面的實際情況，選擇模型的幾何縮尺比為1/100，試驗段處模型的阻塞率約為5%，模型與實物在外形上保持幾何相似［9］。試驗時將所測塔樓模型放置在轉盤中心，通過風洞控制系統控制轉盤旋轉角度來模擬不同風向。

圖2 整體平面圖、風向角布置Fig.2 Overall floor plan，wind direction angle layout

在空氣動力學中，物體表面的壓力通常用無量綱壓力系數Cpi表示為

式中：Cpi為測點i處的壓力系數；Pi為作用在測點i處的壓力；P0和P∞分別是試驗時參考高度處的總壓和靜壓。

對于脈動風壓，可通過下式來求得脈動風壓均方根值Cprms。

式中：Cprms為脈動風壓均方根值；Cˉp為平均風壓系數值；N為采樣個數，本文采樣個數為39 600個。

圖3 典型測點層測點布置Fig.3 Typical measuring point layer measuring point layout

1.3 不同風向角下各測點的局部體型系數

在某些結構分析標準軟件中，必須輸入《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）定義的體型系數。為了適應這一需要，這里將前述得到的平均風壓系數轉換成各個建筑局部區域的局部體型系數［10-11］。

規范中規定的作用在建筑物表面上局部體型系數的計算公式為

式中：Cpi為建筑局部表面第i測點的平均風壓系數；Si為該測點所從屬面積；∑Si為各局部區域總面積。

2 CFD數值模擬

2.1 CFD的基本思想

CFD的方法是通過有限離散點的變量值的集合來表示在時間、空間上連續的物理量的場（如溫度場、壓力場、速度場），并且通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點場變量之間的關系的代數方程組，然后通過求解代數方程組獲得場變量的近似值［12］。CFD數值模擬方法包含的流體流動控制方程有質量、動量、能量以及組分質量守恒方程［13］：

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

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

式中：p為靜壓；τij為坐標軸各方向上的黏性應力張量；fi為i方向的質量力。

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

式中：E為流體微團的總能量；T為溫度；h為焓，hj為組分j的焓；keff為有效熱傳導系數；kt為湍流熱傳導系數，根據湍流模型來確定；Jj為組分j的擴散通量；Sh為體積熱源項。

2.2 網格劃分及算法

2.2.1 計算區域

計算域大小為10H×3H×5H，其中H為建筑模型高度，為了使尾流區域充分發展將建筑置于流域前約1/3處［14］。網格圖如圖5所示。

圖5 整體網格劃分Fig.5 Overall meshing

2.2.2 網格劃分

計算域采用混合網格劃分方法，單體建筑約400多萬個網格單元，群體建筑約為600多萬個網格，在建筑模型附近采用較密網格布置。

2.2.3 邊界條件

入口采用速度入口（velocity-inlet）邊界，出流口采用充分發展的出流（outflow）邊界，計算域兩側及頂面采用自由滑移的對稱（symmetry）邊界［15］。采用標準K-ε湍流模型，離散格式采用二階迎風格式，采用SIMPLE算法求解動量方程，松弛因子的設定采用默認值［16］。

速度入口的風速分布服從指數律：

式中：Z0為參考高度，取為10 m；U0為參考高度處的平均風速值，這里取為10 m/s；α為地表粗糙度指數，這里α=0.16。

3 風洞試驗與數值模擬結果對比

圖6和圖7給出的是0°風向角下，1#樓迎風面和背風面的風壓系數計算結果與風洞試驗數值結果對比圖。從迎風面和背風面的計算結果來看，相比于迎風面，背風面的計算結果誤差明顯較大，迎風面誤差較大處主要集中在兩側棱角處。對于迎風面來說，模擬結果在兩側部分較為精確，中間則分離較為明顯，但模擬結果與試驗數據結果較為接近，曲線趨勢也較為吻合；對于背風面來說，數值模擬值分布較為平緩，總體趨勢與試驗結果曲線較為吻合。總體來說，數值模擬結果與風洞試驗結果相比較為吻合，可以用于建筑風壓干擾的研究分析，也驗證了數值結果的正確性。

圖6 1#樓迎風面風壓系數比較圖Fig.6 Comparison chart of wind pressure coefficient on windward side of 1#building

圖7 1#樓背風面風壓系數比較圖Fig.7 Comparison chart of wind pressure coefficient on the leeward side of 1#building

4 群樓流場干擾效應

4.1 群樓干擾布置因素

對于建筑群之間的順風向靜力干擾效應，上游建筑往往會對下游建筑產生“遮擋效應”，建筑之間距離較近也會產生“峽谷效應”。根據圖8所示的群樓布局方式，在任意來流風向下，均存在上下游串列及左右并列的干擾效應。因此本文數值模擬分為兩種工況，即0°風向角下未受干擾的單體1#樓工況及群體建筑工況，重點研究2#～5#樓和前方地形對1#樓的干擾效應。

圖8 數值模擬的兩種工況示意圖Fig.8 Schematic diagram of two working conditions of numerical simulation

1#樓與前方的一個凸起的低矮地形是串列布置的，因此該低矮地形會對1#樓有一定的遮擋作用；與此同時，2#樓和3#樓與1#樓處于并列布置，會對1#樓通道面有一定干擾作用，產生“峽谷效應”，然而其對迎風面的影響往往較小。隨著風向角的改變，建筑之間的干擾效應也會發生轉變，這是因為建筑之間的相對排布位置會隨著風向角的改變而發生變化。

4.2 群樓流場干擾效應

圖9為0°風向角下，單體建筑在有、無周邊環境干擾下的風速場跡線圖。無周邊環境干擾時，迎風面較大，風繞過模型后，在模型背風面渦旋區形成兩個對稱的漩渦。有干擾時，該區域兩建筑之間存在縫隙與來流方向相同，致使區域存在較高建筑時建筑之間可能形成“峽谷效應”等問題，并且因建筑對來流的阻擋作用使得氣流產生分離流動，建筑背風區域往往存在風速較低的多個漩渦，不利于建筑室外通風及污染物的排散。

圖9 風速場流線圖Fig.9 Wind speed field trace map

通過數值模擬結果發現，受周邊環境干擾下的建筑風壓分布值會產生明顯變化，因建筑對來流的阻擋作用使得氣流產生分離流動，容易產生周邊環境的遮擋作用以及建筑之間的“峽谷效應”等問題。根據數值模擬結果分析得到單體建筑受周邊環境的風干擾效應，下面進行剛性模型測壓風洞試驗來驗證其結果的正確性。

5 群樓風壓系數干擾效應

5.1 風壓系數分布

建筑的風壓系數會隨風向角的變化而改變。圖10給出標準模型二階迎風格式計算得到的0°風向角下有、無周邊環境干擾下的目標建筑表面壓力云圖，其他參數設置不變。

從圖10中可以看出，未受周邊干擾時，單體建筑模型迎風面風壓為正值，平均壓力最大值出現在迎風面中間偏上處。背面、側面和頂面則受到吸力作用，為負值。當風遇到建筑物阻礙，產生繞流，形成了離散的漩渦，這些漩渦使得背風面、側面和頂面受到吸力作用，分離點附近出現非常大的負壓區。在模型側面和頂面的分離區就出現了很大的負壓值，最低負壓力系數接近為-3；受周邊環境干擾時，單體建筑迎風面壓力值發生明顯變化。在左側的高層建筑的干擾作用下，建筑表面壓力等值線向左偏移，兩建筑之間產生了“峽谷效應”。其次，由于目標建筑前側低矮山脈地形的影響，使得被遮擋處的建筑表面風壓值變小。

圖10 壓力系數云圖Fig.10 Cloud map of pressure coefficient

5.2 同一水平高度的風壓分布特性

選擇0°風向角來研究目標建筑在有、無干擾兩種工況下的風壓系數分布特性。由于該目標建筑的低層部分受到前方低矮山坡的遮擋作用，對建筑表面風壓分布影響較為嚴重，因此取該建筑第5層（21.5 m）來研究建筑在低層部分表面的風壓系數分布情況；由于建筑的高層部分為標準層，且外表面體型較為標準，受體型影響較小，因此取目標建筑第18層（80 m）來研究高層部分表面的風壓系數分布情況。同一水平高度下該目標建筑表面的平均風壓系數及脈動風壓系數分布情況如圖11所示。

由圖11可以看出：

圖11 測點層風壓系數水平分布特性（風洞試驗）Fig.11 Horizontal distribution characteristics of wind pressure coefficient at the measuring point layer（wind tunnel test）

（1）該建筑處于較低層［第5層（21.5 m）］時，建筑表面在有、無周邊環境干擾下的平均風壓系數及脈動風壓時系數分布曲線分離較為明顯。無干擾時，各測點平均風壓系數曲線呈現中間測值大、兩邊測值小的趨勢。并且由于建筑低層外表面體型的復雜性，使得平均風壓系數分布呈現一定的波動性。迎、背風面的脈動風壓系數值較側面小，且總體趨勢分布較為平緩。有干擾時，由于目標建筑受前方低矮地形的遮擋作用，使得該建筑在該影響區域（18、19測點）處的平均風壓系數值明顯減小。并且目標建筑1#與并列建筑2#產生了峽谷效應，使得該建筑部分側風面的平均風壓及脈動風壓均產生較大影響，且脈動風壓總體分布趨勢較為平緩，沒有明顯規律。

（2）該建筑處于高層［第18層（80 m）］時，建筑表面受周邊環境的干擾作用與低層比較小一些，這是由于缺少了前方低矮山坡的遮擋作用，以及建筑標準層外表面體型較為規則。但是大廈與附近高層建筑產生的“狹管效應”仍然明顯，由于干擾的存在，側風面變化較大，平均風壓出現正值，背風面和部分側風面出現較大負壓，這是由于“狹管效應”對風速有一定的加速效應。對于有、無干擾下的脈動風壓值，與低層相比有一定差距，除了部分側面由于峽谷效應，使得風壓系數值分布分離較為明顯，其余區域分布較為吻合。

5.3 風壓系數沿高度的變化規律

取各測點層測點1，10，11，18，25，32來研究0°風向角下分離區風壓系數沿相對高度的變化規律，結果如圖12所示。

圖12 風壓系數豎向分布特性（風洞試驗）Fig.12 Vertical distribution characteristics of wind pressure coefficient（wind tunnel test）

（1）無干擾時，迎風面平均風壓系數隨高度增加而增加，側風面和背風面的平均風壓系數沿高度變化不大。背風面和側風面的平均風壓系數沿高度變化趨勢很接近，隨著高度升高呈現先增加后減小的趨勢；迎風面脈動風壓系數隨高度增加而無明顯趨勢，而背風面隨著高度增大而有稍微的減小趨勢。側風面隨高度增加而變化的趨勢較為明顯，先增大后減小，這主要是由于湍流度對側風面脈動風壓的影響較為明顯。

（2）有干擾時，迎風面測點18、25平均風壓系數隨高度增加而增加，而側風面負壓值變大，發生分離比較明顯，這是由于建筑兩側有干擾物，產生了峽谷效應，使得建筑表面平均風壓等值線發生偏移。并且在施擾建筑物作用下，對風速有一定的加速效應，出現較大負壓。側風面氣流分離處平均風壓系數隨高度也有顯著變化，這主要與干擾建筑物的位置有關系。對于脈動風壓，從整體上來看，迎風面風壓系數分布規律較為不明顯，背風面及側面隨著高度的增加而有增大的趨勢，但增大幅度不大。

5.4 來流風向對局部區域體型系數的影響

截取目標建筑第18、19、20、R層b的部分區域，如圖4所示，用來研究有無周邊環境干擾情況下的局部體型系數變化規律，具體分布規律如圖13所示。

圖4 體型系數測點示意圖Fig.4 Schematic diagram of body form factor measuring points

圖13 局部區域體型系數分布（風洞試驗）Fig.13 Local area body shape coefficient distribution（wind tunnel test）

（1）無干擾時，迎風面A區～F區局部體型系數以180°風向角為對稱軸，體現了風向角的改變對高層建筑的繞流特性。當風向角在100°～260°范圍內時，由于所選取A區～F區域正處于迎風面，且氣流在建筑短邊邊緣區域分離嚴重，導致該區域各測點風壓較大。100°～200°范圍內，B、C、E、F區體型系數隨風向增加而增大，200°～260°范圍內隨風向角的增大而減小，在200°風向時達到最大，體型系數為接近1.0。A、D區域區域在150°風向達到最大，體型系數近為1.0。

（2）有干擾時，整體上隨著風向角的增加體型系數先增加后減小，且數值上基本為正值。這是由于受到周邊環境的影響，迎風面邊緣發生分離，隨著距迎風面前緣越遠氣流趨于均勻。A、C區域和D、F區域體型系數分別重合較好，說明體型系數在數值上基本呈現兩邊對稱趨勢，并且隨風向的增大呈現先增大后減小的趨勢。來流風向對建筑局部風壓影響較大，高層建筑主要在斜風向影響下，氣流在迎風面棱角處氣流分離和渦脫落嚴重從而導致該區域形成高負壓區，其吸力值遠大于垂直風向影響。

6 結論

（1）無周邊環境干擾時，迎風面為正壓區，側風面和背風面基本為負壓區。各測點平均風壓系數曲線呈現中間測值大、兩邊測值小的趨勢。并且由于建筑會由于外表面體型的復雜性對風壓分布會產生一定的影響作用。迎、背風面的脈動風壓系數值較側面小，且總體趨勢分布較為平緩，背風面隨著高度增大而有稍微減小的趨勢。湍流度對側風面脈動風壓的影響較為明顯，其隨高度增加先增大后減小的趨勢較為明顯。

（2）有干擾時，周邊環境對目標建筑外表面的平均風壓及脈動風壓分布影響較大。由于障礙物對來流的阻擋作用會使得氣流產生分離流動，以及建筑之間的“峽谷效應”等問題，對風速有一定的加速效應，使得背風面、側面出現較大負壓。

（3）來流風向對建筑表面局部風壓影響較大，導致局部體型系數變化較大。高層建筑在斜風向影響下，氣流在迎風面棱角處氣流分離和渦脫落嚴重從而導致該區域形成高負壓區，其吸力值遠大于垂直風向影響。

（4）通過CFD數值模擬，可以快速并有效地研究單體建筑受周邊環境的風干擾效應，將建筑群在風場作用下旋渦之間的相互干擾作用更加可視化。通過剛性模型測壓風洞試驗可以驗證CFD結果的正確性，并且通過量化得出建筑表面風壓系數和局部體型系數的分布特性，可為相應的工程圍護結構設計提供參考。