熱帶海島地區薄膜溫室建筑抗風研究綜述

李 昊，黃 斌，劉 建，李正農，張志田，曾加東

（1.海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228；2.海南大學園藝學院，海南海口 570228；3.湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南長沙 410082）

引言

近年來，國家頒布了一系列支持設施農業發展的政策，如2017年，下發《農業部財政部關于批準創建第一批國家現代農業產業園的通知》（農計發〔2017〕100號）［1］；2019年，根據中央農村工作會議、中央1號文件部署，下發《農業農村部辦公廳財政部辦公廳關于開展2019年國家現代農業產業園創建工作的通知》（農辦規〔2019〕3號）［2］；2021年，自然資源部、國家發展改革委、農業農村部印發《關于保障和規范農村一二三產業融合發展用地的通知》（自然資發〔2021〕16號）［3］，提出保障設施農業發展用地的政策措施。同時，國家為鼓勵農業溫室建筑建設，制定了一系列補助政策。這些政策扶持，使農業溫室建筑發展前途光明。

發展高性能溫室建筑是實現現代高效農業生產的重要途徑。溫室建筑是采用透光覆蓋材料作為圍護結構，且具備一定環境調控能力，以抵御不良氣候，保證作物正常生長的低矮農業建筑設施［4］。溫室建筑的覆蓋材料主要有塑料薄膜、PC板和玻璃等。采用低密度聚乙烯塑料薄膜作為圍護結構的薄膜溫室建筑，具有投入低、產出高、施工簡便等優點，在各國現代農業生產中得到廣泛應用；但該結構屬于安全系數低的輕型膜結構，存在流固耦合效應，相比普通建筑，受風荷載影響嚴重。因此，風災是薄膜溫室建筑的主要氣象災害之一。由強/臺風造成溫室破壞、倒塌的事故時有發生，給農業經濟帶來巨大損失。1976年1月，英國1/4塑料溫室建筑在一夜間被一場風暴嚴重損壞［5］。2011年第9號臺風“梅花”襲擊韓國西部沿海，摧毀農業設施42.08 hm2，造成經濟損失約410萬美元［6］。我國海南省處于“臺風走廊”地帶，生成于太平洋和南海的臺風均有可能對海南造成威脅，其臺風具有數量大、活動時間較集中、路徑多樣的特點。2009年第16號臺風“凱薩娜”、2010年第2號臺風“康森”和2012年第23號臺風“山神”等均對海南南部大量溫室建筑造成破壞［7］；2014年第9號超強臺風“威馬遜”對海南北部467 hm2溫室建筑造成毀滅性災害［8］；2016年第21號強臺風“莎莉嘉”損毀海口市云龍鎮15.67 hm2和萬寧市2.15 hm2溫室建筑［9］。歷次風災表明，薄膜溫室建筑主要破壞形式有：薄膜損毀、骨架變形、構件受損和整體倒塌（圖1）。

圖1 薄膜溫室建筑的主要破壞形式Fig.1 Destruction forms of thin-film greenhouse buildings

我國地域廣闊且地貌復雜，針對我國國情的溫室結構設計標準與規范較少，致使多數溫室建筑存在安全隱患，影響其生產效益。海南為高溫、高濕、多雨的熱帶海洋性氣候，病蟲害比內陸地區嚴重，且偶有低溫冷害等，而溫室能克服這些不利因素，對作物起保護作用。然而，風致破壞頻發使得海南省薄膜溫室難以滿足《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183-2016）［10］中15年設計使用年限的規定。造成薄膜溫室建筑風致破壞的主要原因是人們對熱帶海島地區近地面臺風特性和溫室風效應的認識不足，溫室結構設計相關理論不完善，在溫室抗風設計與建造時缺乏相關規范指導。然而，目前國內外對強/臺風作用下薄膜溫室建筑的風致破壞機理、考慮流固耦合效應的風致響應、新型抗風措施等尚未開展系統研究。因此，基于分布式光纖傳感技術并結合現場實測、風洞試驗、數值模擬和理論分析等方法，系統開展海島地區的近地面臺風風場和薄膜溫室建筑風效應研究，得到相應的破壞機理和設計風荷載參數，提出相應的抗風措施，建立相應的抗風設計理論并運用于工程實際具有重大意義。

1 近地面風場特性研究

國內外學者基于沿海、內陸平原、復雜山區、城市中心和沙漠地區等多種地貌類型，對季風、強/臺風天氣下的風場特性開展了一系列研究，并取得一些成果。Tamura等［11］利用多普勒聲雷達，對海岸和內陸場地在50～340 m內的風場進行實測，認為風剖面與豎向湍流度剖面可用指數律表達。Hui等［12］利用香港昂船洲大橋附近50 m測風塔進行實測，獲取季風與臺風天氣下的大量風場數據。陳雋等［13］利用復雜地形下距地面50 m處的強臺風實測數據，采用非平穩風速模型和平穩風速模型分析脈動風特性，認為時變平均風速選取恰當時，非平穩風速模型更適用于近地臺風特性分析。Shiau等［14］利用某海港26 m測風塔進行風場實測，認為脈動風速為高斯分布，順風向風譜接近von Karman譜。Schroeder［15］獲取颶風“Bonnie”登陸期間的風場數據，并對風特性參數進行了分析。Sparks等［16］通過多種方式分別對海面、海岸和內陸的近地面風場進行測量，認為臺風的風特性與內陸良態風的特性基本相同。Powell等［17］采用GPS探測儀實測強臺風風剖面，研究表明邊界層內200 m以下的平均風剖面可用對數律描述，且約在500 m處風速取最大值。張傳雄等［18］基于溫州市中心某高層建筑頂部實測臺風數據，獲得了城市中心高空臺風風場特性。肖儀清等［19］基于4次實測于城市中心高層建筑頂部的臺風觀測數據，采用多種計算方法分析了臺風的湍流積分尺度，并將縱向脈動風速譜與經驗值進行了對比。陳麗等［20］在臺風“達維”作用期間對廣州市中心的超高層建筑“中信廣場”進行實測，得到了建筑物頂部的臺風風場特性參數。胡尚瑜等［21］采用追風房獲取臺風“蘇迪羅”、“彩虹”、“凱薩娜”和“芭瑪”等影響海南文昌期間的風速數據，分析了近地3.2～10 m的風特性。龍水等［22］根據建立在廣東省茂名市某海岸的近地臺風實測系統，對強臺風“尤特”登陸過程中的風場進行了現場實測，獲得了近地面7.5 m和10 m的風場特性。李正農等［23］研究了北京延慶縣12.5 m內的冬季風場，并與相關國家規范進行了對比。黃斌等［24］實測了沙漠地區近地面10 m內的風場特性，并提出了相應的計算公式。陳凱等［25］對傍山地區的強風進行了實測，發現實測值與鄰近氣象站同期記錄之間的相關性很差，傍山地區局部風場具有特殊性。周志勇等［26］采用軟件IMAGEWARE和Gambit建模，對某一大范圍區域的復雜地形風場進行了數值模擬研究。黃文鋒等［27］引入海面10 m高風速的海面拖拽系數，發展了Vickery臺風風場經驗模型，并對臺風“黑格比”期間的海面風場進行數值模擬，其模擬結果與實測結果吻合較好。

目前，風場特性研究主要集中在離地10～500 m內的現場實測方面，其結果主要用于城市風環境評估，高層建筑、大型橋梁以及其他大型基礎設施的風效應分析。因受地表面障礙物影響較大，對于離地10 m內的近地面風場特性研究較少，特別是在熱帶海島地區10 m內的臺風風場特性方面，尚未形成較為深刻的認識。各類溫室建筑的高度一般在3～8 m內，受近地面強/臺風風場的嚴重影響，尤其是薄膜溫室建筑具有顯著的流固耦合效應，風致破壞現象頻繁發生。因此，開展熱帶海島地區近地面風場研究具有重要的理論與工程實際意義。

2 溫室建筑抗風研究

國內外學者主要從現場實測、風洞試驗和數值模擬等方面對農業溫室建筑的抗風性能展開研究，并編制了相關標準和規范。具體研究狀況以下幾方面闡述。

2.1 溫室建筑風效應的現場實測

國外對于農業溫室建筑風效應的現場實測研究開展較早，并取得了一些成果。Wells等［28］在自然風下，采用現場實測獲得了5種不同橫截面的玻璃溫室在0°～90°風向內的風荷載數據并進行了分析。Hoxey等［29-30］在自然風下，對英國6個典型的單跨和多跨塑料溫室建筑的結構應變和表面壓力進行實測，并討論了幾何效應對壓力分布的影響，有利于設計者在保證足夠強度和高透光率間實現更有效的平衡。Richardson［5］在自然風下，選取約50%滲透率的防風層，在防風層和溫室間分別以7.5、15 m兩個平行于溫室屋脊的間距，對有無遮蔽的薄膜溫室表面壓力進行實測，得到相應的遮蔽系數。Richardson［31］也通過現場實測，獲得了塑料薄膜覆蓋的單跨畜禽舍建筑的內外風壓系數，為這種新型式結構提供了設計依據。Teitel等［32］通過現場實測、CFD模擬和風洞試驗研究，認為風向對溫室通風率、氣流模式和溫度分布有顯著影響，著重討論了溫室開口處實測風速與數值模擬值存在差異的原因。

目前有關溫室建筑風效應的現場實測研究較少，與此相關的國內文獻則更少；現有研究主要采用傳統的點式測量方法測量溫室的應變和風壓，鮮有結合分布式光纖傳感技術監測溫室三維整體應變場和變形場的研究；現有研究集中于自然風作用的現場實測，尚未涉及熱帶海島地區強/臺風作用下薄膜溫室風效應的實測研究。

2.2 溫室建筑風效應的風洞試驗

Kyeong-seok Kwon等［6］為評估沿海地區溫室建筑的安全性，在風洞中模擬風環境，測量不同風向、屋頂坡度和曲率半徑下，韓國4種典型單跨溫室建筑的風壓系數。Moriyama等［33-34］基于1：20的管棚式溫室剛性縮尺模型，采用風洞試驗研究了側山墻開口對溫室內、外壓力系數的影響和間距對2～3個平行布置的溫室表面風壓系數的影響。Yang等［35］基于剛性模型研究單跨塑料溫室和日光溫室表面的風壓分布，推導了兩類溫室表面損傷的臨界風速，并總結各表面分區的風壓系數規律。謝小妍等［36］對華南型單棟塑料溫室進行剛性模型風洞試驗，分析了16種風向下溫室風荷載體型系數大小和分布規律，討論了屋檐、天窗等外伸部位對溫室風荷載分布的影響。武燕飛［37］通過風洞試驗研究了有無遮陽幕時溫室表面的風壓系數，并采用流體動力學軟件Fluent，結合標準k-ε湍流模型，對溫室表面風壓進行數值模擬。王健等［38］基于剛性縮尺模型，在不同風向和有無遮陽幕工況下對互插式連棟塑料溫室的風壓分布進行分析，確定了溫室風載體型系數。楊再強等［39］開展了塑料大棚的剛性模型測壓試驗，分析不同風向下大棚表面的風壓分布規律，并推導了設施大棚各區域發生風災的臨界風速。

現有關于溫室建筑風效應的風洞模擬主要為平穩風場下的剛性縮尺模型測壓試驗，將薄膜溫室外表面按固面處理，對于非平穩與陣風風場下考慮流固耦合效應的風洞氣彈試驗極少研究；而且在風洞試驗過程中，縮尺比較大，難以完全模擬實際地貌的近地面風場特性，在一定程度上影響了試驗的精確性。此外，建筑物門窗的開敞或突然開孔導致內壓增大會影響屋蓋的安全［40］，但目前有關開孔溫室風效應及破壞機理的研究較少。

2.3 溫室建筑風效應的數值模擬

Mathews等［41］對半圓形溫室的風荷載進行了數值模擬，研究了雷諾數和地形粗糙度對溫室風壓分布的影響。Reichrath等［42］采用Fluent對52跨Venlo型溫室表面風壓進行數值模擬，其計算結果與實測值吻合較好，為今后溫室風壓模擬提供了依據。Mistriotis等［43］通過數值模擬，獲得橫風向作用時拱形溫室在兩側對稱開口和背風面開口工況下的內、外部風壓系數分布特點。Kim等［44-45］采用CFD模型對韓國典型的多跨溫室風壓系數進行研究，考慮風向、跨數和溫室設計因素的影響，分析了覆蓋層設計的最大風壓系數值。Kuroyanagi［46］通過數值模擬研究了縱向和橫向風對溫室漏風和溫室內外壓力系數的影響，并用實測結果驗證了模擬結果。陶冶［4］選取Pealizable k-ε湍流模型，分析了Venlo型連棟玻璃溫室在不同風向、頂窗形式、開窗形式下的風壓分布規律。郭萬東等［47］采用CFX-5，結合k-ε湍流模型和結構化非均勻網格模擬了華南型單棟和連棟溫室表面風壓分布，討論了溫室屋檐和屋脊處的風壓分布特點。王東霞［48］采用達文波特譜對北京地區脈動風進行了模擬，并考慮流固耦合作用，對平均風和脈動風下的彈性溫室結構進行了風壓和風振分析。蔡唯益［49］為獲取圓拱型溫室群在不同風向、排列方式中各單體的風壓系數和它們之間的相互影響，選取Pealizable k-ε湍流模型對溫室群建筑進行了表面風壓模擬，為圓拱型溫室抗風設計提供了參考。劉云飛［50］建立了桁架拱輕鋼塑料大棚有限元模型，計算了風荷載作用下大棚骨架的應力及位移，對塑料大棚骨架參數進行了優化設計。吳昆等［51-52］采用CFD數值模擬，結合Reynolds時均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，分析了拱形塑料大棚單棚和群棚模型在不同風向和棚間距時的表面風壓，并用干擾因子定量分析了群棚間的風致干擾效應。

相比現場實測，國內外對溫室建筑風效應的數值模擬研究開展較多，并取得了一些成果。然而，對于單棟和群體布置的塑料薄膜溫室的風致響應和群體干擾效應主要簡化為剛性模型進行研究，即針對薄膜溫室這種膜結構，尚未建立系統考慮流固耦合效應的數值模擬方法。

2.4 溫室建筑相關規范和標準

多數國家制定了農業溫室建筑的相關規范和標準，如美國溫室標準（NGMA，Design Loads in Greenhouse Structures，1996）［53］、荷蘭溫室標準（NEN 3859，Greenhouse Structural Requirements，1982）［54］、英國溫室標準（BS 5502，Buildings and Structures for Agriculture，1993）［55］、歐盟溫室標準（Greenhouses-Design and construction-Part 1：Commercial production greenhouses）（EN 13031-1：2001）［56］、日本園藝設施結構安全標準［57］、中國《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183-2016）［10］等。然而，現有溫室規范多套用工業與民用建筑結構設計相關規范和標準，再附加一些條款，未完全體現溫室建筑的特殊性。溫室建筑屬于輕型結構，在規模、重要性、使用年限等方面與工業與民用建筑差別較大，因此，將工民建規范直接用于溫室建筑結構設計有諸多不合理之處。

在我國《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183-2016）［10］中，未考慮脈動風壓影響，風振系數為1.0，而溫室建筑的圍護結構（如薄膜、PC板、玻璃等）破壞往往是由于極值風壓的作用；風荷載體型系數僅考慮0°和90°風向角，且基本按照《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）［58］、歐盟溫室標準（EN 13031-1：2001）［56］的有關規定給出，局部風荷載體型系數規定較粗略；關于風壓高度變化系數，中國溫室荷載規范對截斷高度的規定不如歐洲規范劃分細致，無法體現溫室這種低矮建筑在高度范圍內的風壓變化情況；溫室常以多跨、群體形式存在，而現有規范未提及溫室群體風致干擾的影響，未針對群體風致干擾效應對相應位置的溫室風荷載計算進行修正；對有啟閉通風口的溫室，規定風荷載設計中宜按通風口關閉狀態設計，而溫室開口對體型系數可能有較大影響。因此，亟需進一步完善農業溫室建筑的相關規范，提高溫室建筑抗風性能。

3 膜結構抗風研究

薄膜溫室建筑屬于膜結構，可參考膜結構風效應研究的相關理論和方法。膜結構在風荷載作用下產生大幅變形和振動，而結構的變形和振動又會影響周圍流場和結構表面的風荷載分布，即“流固耦合”效應［59］。Pramila［60］通過對膜結構開展風洞試驗，得出其風致破壞臨界風速和自振頻率僅為不考慮流固耦合效應時的15%～30%。因此，膜結構抗風設計時，應考慮流固耦合效應。膜結構抗風研究方法主要有現場實測、氣彈模型風洞試驗和流固耦合數值模擬。

3.1 膜結構風效應的現場實測

Michalski等［61］對傘形膜結構開展了現場實測，將實測風數據導入CFD軟件進行流固耦合數值模擬，通過對比實測值和模擬值驗證了數值模擬的正確性。Kim等［62］對韓國濟州島世界杯體育場膜結構的加速度進行了4年實測，發現其在強風下的氣彈效應明顯，結構頻率降低5%，總阻尼隨振幅增大約2倍。朱丙虎等［63］對強風下上海世博軸索膜結構的風場和風壓進行實測，發現風場湍流度大，具有顯著的紊亂性和隨機性；平均風壓系數實測值略小于風洞試驗值。張建勝等［64］對雙曲拋物面形膜結構的風場和風壓進行實測，并與數值模擬值對比，結果表明，風壓系數實測值略小于模擬值。蔣磊等［65］基于實測數據，對強風下某大跨度膜結構進行風場、風壓特性與非高斯特性分析，發現膜邊緣處的風壓呈明顯非高斯特性，且測點上下風壓呈負相關；風壓中低頻成分幅值較大。

現場實測不涉及相似比問題，最能真實反映膜結構的流固耦合效應，且能驗證數值模擬和氣彈試驗的準確性。然而，目前針對實際膜結構工程的實測仍較少。

3.2 膜結構風效應的風洞試驗

針對實際工程的風洞氣彈試驗研究，Lazzari等［66］基于拉普拉塔體育場索膜結構原型，保證幾何相似、頻率相似、阻尼相似和剛度相似，開展氣彈試驗，認為結構流固耦合效應與阻尼和剛度系數矩陣有關，阻尼和剛度系數矩陣由與風速相關的迭代矩陣進行修正，隨著風速增大，當迭代矩陣非正時，結構發生氣彈失穩。Rank等［67］以直徑30 m的傘形張拉膜結構為原型開展氣彈試驗，保證結構幾何相似，并將試驗結果用于驗證CFD模擬的正確性，發現模擬值和風洞試驗值吻合較好。針對假想膜結構工程的氣彈試驗研究，武岳、孫曉穎和陳昭慶［68-69］在均勻流場中分別進行開敞式、封閉式單向張拉膜結構的氣彈試驗，研究了膜結構的流固耦合機理。針對氣彈模型相似條件的研究，韓志惠等［70］基于1/5、1/10和1/20縮尺比的氣彈模型，研究了質量比、費勞德數、彈性模量對鞍型張拉膜結構風致響應的影響，并給出部分相似參數的理論取值控制范圍。

目前針對膜結構實際工程的風洞氣彈試驗仍較少，有重要參考價值的研究則更少。忽略相似理論限制，以假想模型為原型，以膜結構的氣彈響應為研究對象的氣彈試驗取得了一定成果，但仍未徹底解決膜結構的流固耦合機理和氣彈失穩機理。模型制作時，放松部分相似條件對結構響應的影響程度仍難以量化分析。

3.3 膜結構風效應的數值模擬

模擬膜結構風效應采用流固耦合數值模擬方法，即結合CFD計算流體動力學、CSD計算結構動力學以及動網格技術，在計算機上再現膜結構和風場的流固耦合過程［59］。按其求解策略分為強耦合法和弱耦合法。強耦合法是對流體方程、結構方程和耦合條件同時聯立，在同一時間步內對所有變量同時求解，其精度高，但對計算方法、離散格式及網格劃分的精細程度等要求也高。Hubner等［71］基于強耦合法模擬二維膜結構的流固耦合問題，其收斂性好，但未引入湍流模型，其計算精度有待提高。孫芳錦等［72］采用強耦合法，把偽實體模型引入流體域來處理變形問題，實現二維雙坡屋面膜結構的數值模擬。弱耦合法是在每個時間步內對流體域和結構域分別求解，并通過設置具體參數，在兩個計算域間進行數據傳遞，以實現兩個分區間的耦合求解，計算效率高。Knight等［73］采用弱耦合法，將風洞風壓數據導入自編流體計算程序，實現敞篷汽車車頂二維膜結構的流固耦合模擬，其響應值與勢流理論解和試驗值吻合較好。孫曉穎等［74］基于弱耦合法，結合FLUENT、自行編制的結構動力分析和動網格程序，建立流固耦合數值模擬平臺，對單向柔性屋蓋和鞍形膜結構進行模擬。申躍奎等［75］選用RNG k-ε湍流模型，基于弱耦合法模擬考慮流固耦合的矩形氣承式充氣膜結構的風荷載，發現考慮流固耦合時的體型系數比不考慮流固耦合時明顯偏大。此外，孫曉穎等［76］提出一種簡化數值模擬方法，將膜結構風振響應分為平均響應、背景響應和共振響應，對應流固耦合過程分為靜態耦合、擬靜態耦合和瞬態耦合，分別采用不同方法求解，實現對鞍形張拉膜結構的流固耦合簡化數值模擬。

流固耦合數值模擬在計算策略和效率上已取得一定進展，但仍僅限于簡單膜結構的分析；開展流固耦合數值模擬時，其動網格更新效率有待提高；數值模擬計算量巨大，難以滿足大規模推廣運用和指導工程設計的要求。

4 現有研究存在的主要問題

綜上所述，國內外在近地面風場、農業溫室建筑與膜結構風效應研究方面均取得一些進展。然而，針對臺風頻發的熱帶海島地區，在薄膜溫室建筑這一種特殊膜結構抗風研究方面仍存在以下問題亟待解決：

（1）熱帶海島地區近地面強/臺風風場的現場實測數據缺乏。現有風規和標準對10 m以下的風場描述較為粗糙，對風特性參數的規定也不統一。然而，近地面強/臺風風場對熱帶海島地區薄膜溫室建筑的抗風設計尤為重要。

（2）強/臺風下熱帶海島薄膜溫室風效應的原型實測很少。國外主要是實測自然風作用的溫室風效應，對溫室臺風作用及群體風致干擾的實測鮮有報道；國內主要實測低矮和高層建筑風效應，對熱帶海島薄膜溫室臺風效應的實測甚少。

（3）強/臺風下薄膜溫室整體應變場和變形場的實測研究開展甚少。現有關于薄膜溫室在風荷載下的應變測量主要采用應變片等傳統的點式測量方法，僅能獲得少數位置的局部應變和變形特征，難以全面監測結構的變形分布。

（4）非平穩風場下薄膜溫室流固耦合效應的風洞試驗研究很少。薄膜溫室在非平穩的強/臺風下存在流固耦合效應，而現有研究主要基于平穩風場下的剛性模型試驗來分析薄膜溫室風效應，導致所設計的薄膜溫室存在安全隱患。

（5）尚未建立薄膜溫室建筑風效應分析的流固耦合數值模擬方法。需要在求解策略和效率上作進一步的探索和研究。

（6）對薄膜溫室建筑的風致破壞機理研究甚少。薄膜開孔、表面極值風壓與極值應變分布對薄膜破壞和結構整體倒塌的影響等破壞機理有必要進一步研究。

（7）對薄膜溫室建筑抗風措施的研究相對較少。防風網的設置距離和位置對薄膜溫室建筑抗風效果的影響，溫室骨架的選材對整體結構抗風性能的影響，體型優化對薄膜溫室風效應的影響，對風壓較大區域進行局部加固等抗風措施的研究仍需進一步加強。

（8）對薄膜溫室建筑風效應的研究內容不夠全面。有關側窗、天窗、肩窗的不同開啟或關閉組合、有無遮陽幕、遮陽幕的設置角度和高度等各種工況下的溫室建筑風效應還需全面、系統地分析和研究。

（9）對薄膜溫室建筑風效應的研究手段比較單一。現有研究極少將分布式傳感技術與現場實測、氣彈模型風洞試驗、流固耦合數值模擬以及理論分析等研究手段相結合的較為深入、系統和全方位的研究。

存在以上問題的原因在于，一方面，沒有建立熱帶海島地區近地面臺風和薄膜溫室建筑風效應的現場實測平臺，缺乏長期實測數據作為研究基礎；另一方面，大多數研究未考慮到薄膜溫室這種膜結構在風荷載作用下的流固耦合效應，未建立薄膜溫室建筑的風洞氣彈試驗方法和流固耦合數值模擬理論；最后，尚未研究并總結出針對薄膜溫室建筑抗風性能的有效抗風措施。

5 研究展望

針對目前薄膜溫室建筑抗風研究中存在的主要問題，采用分布式光纖傳感技術與現場實測、風洞實驗、數值模擬和理論分析相結合的方法，對熱帶海島地區的強/臺風風場，薄膜溫室建筑風效應、風致破壞機理、抗風措施開展全面、系統的研究具有重要的理論與工程意義。主要包括如下幾方面的研究。

5.1 熱帶海島地區近地面風場與薄膜溫室建筑風效應的現場實測研究

（1）近地面風場與薄膜溫室建筑風效應的現場實測系統研制。在測風塔上安裝多套風速儀，連接采集儀，構成風場實測系統。選取典型的單棟和連棟塑料薄膜溫室為實測原型，在其表面布設風壓和加速度傳感器、網狀應變傳感光纖，并連接采集儀、分布式光纖傳感儀，構成風效應實測系統。集成風場和風效應實測系統，實現遠程控制與數據采集。

（2）熱帶海島地區近地面強/臺風風場的現場實測研究。利用風場實測系統，在典型海島地貌開展實測，獲取臺風實測數據，分析平均風速和風向、風剖面、湍流度、陣風因子、積分尺度、風速譜、湍流相關性、臺風登陸后的衰減規律和臺風的非平穩性等風場特性，并與現有風規和標準對比，總結出熱帶海島典型地貌的近地面臺風風場規律。

（3）熱帶海島地區薄膜溫室建筑風荷載的現場實測研究。基于數據融合的傳感器優化布置方法，優化薄膜溫室風效應實測系統。開展同步實測，獲取溫室表面風壓和加速度實測數據，得到單棟和連棟溫室薄膜表面的風壓分布規律和加速度響應特征。研究薄膜溫室的整體體型系數、局部體型系數以及風致干擾效應，并與現有風規和標準對比，為規范的修訂提供參考。

（4）臺風作用下薄膜溫室應變場和變形場的現場實測研究。基于分布式光纖應變傳感技術監測薄膜溫室結構的應變分布，獲得臺風下溫室表面的應變場和變形場，以全面把握溫室薄膜的實際變形狀態。基于實測應變場和變形場，分析溫室薄膜的破壞機理。

5.2 熱帶海島地區近地面風場與薄膜溫室建筑風效應的風洞試驗研究

（1）熱帶海島地區近地面臺風風場的陣風風洞模擬。基于風場實測數據，在陣風風洞中建立符合熱帶海島地形的臺風風場。同時，針對不同地貌和周邊建筑干擾對風場的影響開展多工況研究，提出熱帶海島典型地貌的風場計算方法。

（2）剛性模型和氣彈模型風洞測壓試驗對比研究。基于實測原型，分別制作滿足相似理論的縮尺剛性測壓模型、氣動彈性模型，對單棟、連棟溫室模型進行測壓試驗，并利用粒子圖像測速系統（PIV）可視化模型周圍流場。對比剛性模型和彈性模型表面的風壓分布特性、周圍流場分布特性，探討流固耦合效應對溫室表面風荷載和周圍流場的影響，并與實測結果進行對比分析。

（3）氣彈模型風洞同步測振與測壓試驗。在彈性模型表面安裝超薄型加速度傳感器，基于陣風風洞中建立的實測風場，對單棟、連棟溫室彈性模型進行同步測振與測壓試驗。分析流固耦合效應對結構振動特性的影響，研究模型響應與其表面脈動風壓之間的相關性。

5.3 熱帶海島地區近地面風場與薄膜溫室建筑風效應的數值模擬研究

（1）熱帶海島地區近地面臺風風場的數值模擬研究。基于CFD軟件，選取合適的湍流模型模擬得到熱帶海島地區的近地面臺風實測風場，為后續薄膜溫室流固耦合效應的數值模擬奠定基礎。

（2）考慮流固耦合的薄膜溫室建筑風效應的數值模擬研究。開發流固耦合模型模擬溫室的風效應，對比是否考慮流固耦合效應時薄膜表面的風壓特性、應力應變分布特性、加速度響應以及輕鋼骨架的應力應變分布特性和位移響應，獲得臺風影響下薄膜溫室風荷載和風致響應的特征。結合分形理論將模擬結果與現場實測和風洞試驗結果進行對比，探究各研究手段的相似性，以提高數值模擬的可靠性。

（3）熱帶海島地區薄膜溫室多工況風效應研究。探究不同開窗組合、開窗角度、是否遮陽、群體布置條件等工況對薄膜溫室表面風壓以及內外部流場的影響。

5.4 熱帶海島地區薄膜溫室建筑風致破壞機理研究

（1）薄膜溫室建筑的薄膜風致破壞機理研究。基于現場實測、風洞試驗和數值模擬結果，重點分析溫室薄膜表面極值風壓、極值應力與應變、應變場和變形場特征，確定薄膜表面的薄弱部位，并推導出薄膜各區域發生風致破壞的臨界風速；開展熱帶海島地區溫室覆蓋薄膜在高溫、高濕、高鹽霧及強紫外線照射等環境因素影響下的耐候性研究，從溫室施工和維護方面研究薄膜老化后的力學性能及風致破壞機理。

（2）薄膜溫室建筑的輕鋼骨架風致破壞機理研究。基于數值模擬結果，重點分析溫室輕鋼骨架的極值應力、極值應變以及變形特征，確定其薄弱部位，得到臺風作用下薄膜溫室輕鋼骨架的風致破壞機理。

5.5 薄膜溫室建筑抗風措施、抗風效果與抗風設計理論研究

（1）薄膜溫室建筑的抗風措施與效果研究。基于數值模擬和風洞試驗等手段研究外形與細部構造、間距以及風向等參數對薄膜溫室風效應的影響，優化抗風設計參數；研究種植樹木、安裝擾流板與阻尼耗能抗風裝置等措施改善溫室的抗風效果，提出最優抗風措施。

（2）薄膜溫室建筑輕鋼骨架的加固與優化設計研究。針對溫室輕鋼骨架的薄弱部位，提出相應的加固措施；對溫室輕鋼骨架進行整體優化設計，并將優化后的薄膜溫室再次進行流固耦合數值計算，驗證加固與優化的可行性。

（3）薄膜溫室建筑覆蓋薄膜的加固與優化設計研究。考慮經濟效益和保證溫室覆蓋薄膜具有良好透光性能的基礎上，提出溫室建筑覆蓋薄膜的最優抗風加固措施，如在薄膜材料中增加合適網格尺寸的鋼絲網，對溫室覆蓋薄膜進行加固設計研究。

（4）薄膜溫室建筑等效風荷載的確定方法研究。采用現場實測、風洞氣彈試驗、流固耦合數值模擬和理論分析等方法，系統地開展熱帶海島地區薄膜溫室臺風作用及其效應的研究，提出薄膜溫室等效風荷載確定的新方法，為薄膜溫室的抗風設計提供依據。

通過一系列深入的研究，加強人們對熱帶海島地區近地面臺風和薄膜溫室建筑風荷載特性的認識，完善溫室結構設計相關理論和規范，從而提高強/臺風地區薄膜溫室建筑的抗風性能，以減小風災損失。