(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

一、高層建筑空氣動(dòng)力學(xué)原理

第一種減少建筑物的風(fēng)荷載的方法是使用“空氣動(dòng)力學(xué)緩和”技術(shù)。這些方法有效地使用簡(jiǎn)單和創(chuàng)新的建筑功能來(lái)修改建筑物的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，以減少風(fēng)荷載。第二種減少建筑物風(fēng)荷載的策略是利用“空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)優(yōu)化”技術(shù)。在最佳形狀設(shè)計(jì)的問(wèn)題上，性能標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化取決于邊界的形狀。

高層建筑的風(fēng)振響應(yīng)通常由風(fēng)渦脫落導(dǎo)致的橫向動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載所主導(dǎo)。周期性的旋渦脫落通過(guò)創(chuàng)造脈動(dòng)壓力，對(duì)建筑主體產(chǎn)生橫風(fēng)的力量。斯特勞哈爾數(shù)是一個(gè)定義橫風(fēng)向力波動(dòng)的無(wú)量綱數(shù)。方程表達(dá)式為：

S=fB/U

(1)

其中，f是旋渦分離頻率，S是斯特勞哈爾數(shù)，U是風(fēng)速，B是建筑寬度。斯特勞哈爾數(shù)是一個(gè)建筑形態(tài)值在0.1到0.3之間的函數(shù)，例如，一個(gè)正方形截面的斯特勞哈爾數(shù)約為0.14，一個(gè)大致圓柱體的斯特勞哈爾數(shù)約為.02。當(dāng)漩渦分離頻率f接近建筑固有的一種頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)。這導(dǎo)致橫風(fēng)向響應(yīng)增強(qiáng)。渦激振動(dòng)是高層建筑自激振動(dòng)的首要問(wèn)題。

利用氣動(dòng)緩和技術(shù)對(duì)建筑外部形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化(例如，轉(zhuǎn)角處的優(yōu)化，截面形狀和沿高度尺寸的改變，等等)，通過(guò)改變風(fēng)在建筑周圍的流動(dòng)方式來(lái)減少建筑對(duì)于風(fēng)荷載的響應(yīng)，同時(shí)能夠引導(dǎo)更加經(jīng)濟(jì)和舒適的設(shè)計(jì)。氣動(dòng)優(yōu)化技術(shù)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?jī)?yōu)化和整體優(yōu)化。

二、局部?jī)?yōu)化

這些優(yōu)化對(duì)建筑物整體的結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)計(jì)的影響可以忽略不計(jì)。常見的建筑形狀有方形和矩形，這種建筑形態(tài)將導(dǎo)致建筑物經(jīng)受相當(dāng)強(qiáng)的漩渦力?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)建筑的氣動(dòng)形態(tài)就行小范圍的優(yōu)化來(lái)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(yōu)化建筑截面角的形狀和改變相對(duì)最頻繁強(qiáng)風(fēng)的建筑的朝向的方法來(lái)提升高層建筑的抗風(fēng)性能(圖1)。相對(duì)于普通矩形形狀的建筑物而言，這些方法可以減少隨風(fēng)向響應(yīng)和橫風(fēng)向響應(yīng)。

圖1 空氣動(dòng)力學(xué)局部形態(tài)優(yōu)化方法

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

三、整體優(yōu)化

這些優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)計(jì)有重要的影響。例如，這些優(yōu)化方法中的改變建筑的形狀和沿高度的退移、尖細(xì)化處理、頂部開口和扭曲建筑有助于提出一個(gè)有利的建筑氣動(dòng)形態(tài)(圖2)。對(duì)其中一些方法的討論如下。

圖2 建筑空氣動(dòng)力學(xué)整體優(yōu)化方法

尖細(xì)化和退移：通過(guò)尖細(xì)化和退移，能夠使建筑寬度沿高度發(fā)生改變，從而使渦流之間的相關(guān)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(xì)化對(duì)減少風(fēng)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(shù)隨高度發(fā)生變化(方程式1)，從而使渦流在一個(gè)較為寬泛的頻率內(nèi)分離。這種方法能夠特別有效的減小橫風(fēng)向力。

多孔或開口：給建筑添加開口是另外一種提高結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力特性的方法。通過(guò)使空氣經(jīng)由開口和多孔部分進(jìn)入建筑的方法，可以削弱渦流的形成，并且被結(jié)構(gòu)中的氣流阻斷。

扭曲活旋轉(zhuǎn)建筑：旋轉(zhuǎn)建筑非常有效，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者能夠設(shè)定建筑的朝向，這樣，建筑最不利的一面不會(huì)和風(fēng)力最強(qiáng)的方向一致?？梢栽诋?dāng)今的高層建筑中找到扭轉(zhuǎn)形式的設(shè)計(jì)，如瑞典馬爾默的旋轉(zhuǎn)大廈和中國(guó)上海的上海中心大廈。

四、總結(jié)

本文回顧了用于減輕風(fēng)致荷載的對(duì)高層建筑物的形狀的各種空氣動(dòng)力學(xué)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(guò)改變建筑物周圍的風(fēng)流特性來(lái)顯著減小沿順風(fēng)以及橫風(fēng)向的建筑響應(yīng)。希望能夠?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)優(yōu)化方法在其他類型建筑上的應(yīng)用起到積極的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[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.