竹宇波（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

1 緒 論

1.1 研究背景

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市人口居住的密度日趨緊湊，目前，中國人口愈千萬的城市達(dá)到14座之多！其中有3座城市人口超過2000萬，這些數(shù)字將會隨著城鎮(zhèn)化水平的快速發(fā)展不斷提高。因此在土地資源越來越有限的情況下，高層建筑的建設(shè)可以緩解人類居住、工作環(huán)境的壓力，現(xiàn)今世界上比較著名的超高層建筑有總高828 m的迪拜塔、總高為632 m的上海中心大廈、597米的天津117大廈等，如圖1所示。

不過高層建筑的發(fā)展，也給建筑結(jié)構(gòu)安全性和居住舒適性帶來了巨大的挑戰(zhàn)，高層建筑的剛度隨著建筑高度增大而降低，而其自身頻率與風(fēng)頻率越來越接近，使得建筑整體剛度對風(fēng)荷載變的很敏感，特別是對于江浙沿海地區(qū)來說，風(fēng)荷載較地震荷載對高層建筑的橫向作用力更大，因此控制風(fēng)荷載成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

圖1 城市典型超高層建筑

據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)的自然災(zāi)害表明，風(fēng)災(zāi)損失居各種災(zāi)害之首，2010年的第11號超強(qiáng)“臺風(fēng)凡亞比”登陸中國東南部及中國臺灣，造成101人死亡，房屋倒塌數(shù)以千計(jì)；2013年11月，超強(qiáng)臺風(fēng)“海燕”在菲律賓登陸，中心最高風(fēng)速達(dá)到87.5m/s，約1萬人罹難，高達(dá)25000失蹤，并在災(zāi)后一個月內(nèi)災(zāi)區(qū)死亡人數(shù)仍在增加。

不過，風(fēng)能是一種無污染、可再生能源，在能源緊張和生態(tài)環(huán)境遭受污染的時代，全球的可利用風(fēng)能是水能資源的10倍，風(fēng)力發(fā)電是除水力發(fā)電以外，技術(shù)最成熟和最具有商業(yè)發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)。

因此，風(fēng)荷載雖然會對建筑產(chǎn)生橫向作用，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會帶來挑戰(zhàn)，但是如何提高風(fēng)能的利用率，實(shí)現(xiàn)能源的可再生利用，對高層建筑也可以實(shí)現(xiàn)能源的自給自足，是解決我國能源短缺問題一項(xiàng)重要舉措。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國外學(xué)者提出了許多關(guān)于風(fēng)能利用和集中的模型，在建筑環(huán)境中，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的位置，SanderMertens[1]提出了三種基本空氣動力學(xué)集中器模型：擴(kuò)散體型、平板型、非流線體型,其中平板型風(fēng)力集中器建筑型式可利用空洞聚集加強(qiáng)的風(fēng)，驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電。在2001年到2002年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)和荷蘭能源研究中心開展了“Wind energy solutions for the built environment”的研究項(xiàng)目，建造出了平板型集中器模型建筑。

在國內(nèi)，我國在利用建筑風(fēng)能發(fā)電方面的研究剛剛起步，姜瑜君,桑建國[2]等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對高層建筑周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估，結(jié)果表明由于建筑物的影響，高層建筑附近區(qū)域會出現(xiàn)局部的大風(fēng)；馬劍，陳水福[3]在數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對高層建筑組成的8種不同布局形式的建筑群在人行高度處的風(fēng)速比和風(fēng)速矢量進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了風(fēng)環(huán)境狀況與建筑平面布局之間的一些定性和定量的影響關(guān)系。張玉，袁行飛[4,5]通過計(jì)算流體力學(xué)對風(fēng)能利用建筑的風(fēng)場進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了其利用效能的評價(jià)指標(biāo)；并從分析建筑環(huán)境中的風(fēng)能特點(diǎn)出發(fā)，闡述了建筑環(huán)境中風(fēng)能利用的可能性，介紹了建筑環(huán)境中風(fēng)能利用的主要方式為自然通風(fēng)排氣和風(fēng)力發(fā)電。張濤，陳寶明[6]等結(jié)合我國濟(jì)南市的氣候特征，利用CFD和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以3種基本建筑集中器型式為基礎(chǔ)，分析各建筑形式風(fēng)能集結(jié)。

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程基本理論

2.1 邊界層風(fēng)特性

風(fēng)荷載是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力，而空氣在大氣邊界層內(nèi)貼近地面的流動為湍流，速度和流動方向呈現(xiàn)隨機(jī)脈動特征，在研究湍流的特性時,一般將風(fēng)速看做平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分，在某t時刻的瞬時風(fēng)速可由脈動風(fēng)速v'(t)與平均風(fēng)速之和來表示，公式即：

2.1.1 平均風(fēng)速剖面

平均風(fēng)剖面描述風(fēng)速沿豎向高度變化的情況，在不同粗糙度地面，其平均風(fēng)剖面會有所變化,平均風(fēng)速沿著豎直方向的分布變化情況，其中包括兩種主要的分布模型——對數(shù)律和指數(shù)律。

對數(shù)率能相對更貼合實(shí)際地描述大氣底層的強(qiáng)風(fēng)平均風(fēng)速[7]。

式中，為大氣底層內(nèi)高度z′處的平均風(fēng)速；為摩擦速度或流動剪切速度；κ為Karman常數(shù)，近似取值為0.4； 0z為地面粗糙長度；z′為有效高度。

Davenport[8]提出了平均風(fēng)速沿高度變化沿高度變化規(guī)律可用指數(shù)律表達(dá)，表達(dá)式為：

其中，zb表示標(biāo)準(zhǔn)參考高度；z表示任一高度；表示處在標(biāo)準(zhǔn)參考高度下的平均風(fēng)速；為處在任一高度下的平均風(fēng)速。α是指地面粗糙度的指數(shù)，該模型是假設(shè)在梯度高度范圍內(nèi)α保持不變并且梯度風(fēng)高度只與α相關(guān)。

2.1.2 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度描述了脈動風(fēng)的相對強(qiáng)弱，在某一高度z處湍流強(qiáng)度為：

式中，I(z)是高度z處的湍流強(qiáng)度；是在高度z處的平均風(fēng)速（m/s）；σ(z)是脈動風(fēng)速均方根。

2.2 風(fēng)對建筑物的影響

2.2.1 基本風(fēng)速

在現(xiàn)實(shí)工程設(shè)計(jì)中，風(fēng)速是可以通過工程風(fēng)速儀測得的，但是風(fēng)荷載是必須要通過作用在建筑物表面的風(fēng)壓計(jì)算所得。因此通過找出風(fēng)速與風(fēng)壓之間的對應(yīng)關(guān)系，在任一流線上各點(diǎn)可以得到風(fēng)壓的基本方程用Bernoulli方程表示：

表1 我國地面粗糙度類別和對應(yīng)的ZG，α值[9]

表2 我國規(guī)范的湍流強(qiáng)度

式中，ρ是空氣密度(kg/m3)；v是某點(diǎn)風(fēng)速(m/s)；P1是某點(diǎn)靜風(fēng)壓(Pa)。等式左邊第一項(xiàng)是動壓，等式右邊是總壓。若流線上的某點(diǎn)v=0，則該點(diǎn)取得最大靜壓，即P1=C，令

式(6)就是基本風(fēng)壓和基本風(fēng)速之間的關(guān)系式。

2.2.2 風(fēng)對建筑物的影響

高層建筑被認(rèn)為是豎向的懸臂結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對建筑產(chǎn)生振動作用，主要有以下方面：

1）風(fēng)向一致的風(fēng)力作用包括平均風(fēng)和脈動風(fēng)，其中脈動風(fēng)會引起建筑物在順風(fēng)向的振動；

2）建筑物背部流場會產(chǎn)生漩渦，使建筑物在橫風(fēng)向振動，特別是細(xì)長柱形的高層建筑，不可忽略此種形式引起的振動；

3）在城市建筑群中，會明顯受到上游建筑尾流影響造成的振動。

3 平板型建筑數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)與工況設(shè)置

本文對平板型建筑（長L為30m－寬D為10m－高H為30m）的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，因此模型參數(shù)的首要變量是高度，分別取開洞高度在1/2,2/3,5/6，也就是15m，20m，25m三個高度位置進(jìn)行通道內(nèi)風(fēng)速的測定，洞口的尺寸為5m×5m的方形，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)通道風(fēng)速測試結(jié)果，在建筑高度的2/3處附近風(fēng)速和風(fēng)速增大系數(shù)均達(dá)到極值，鑒于此，對2/3高度位置（20m）進(jìn)行風(fēng)能集聚效應(yīng)研究較為合理準(zhǔn)確。

表3 數(shù)值模型高差參數(shù)設(shè)置

所以，在建筑物20m高度位置控制風(fēng)向角的變量，選取的風(fēng)向角為每15°設(shè)置一個工況，共設(shè)置7組工況，風(fēng)向角設(shè)置如表4所示：

表4 數(shù)值模型風(fēng)向角參數(shù)設(shè)置

圖2 不同開洞高度處建筑通道內(nèi)風(fēng)壓云圖

3.2 單體平板型建筑周圍流場特性與表面風(fēng)壓特性

在風(fēng)荷載特性和抗風(fēng)研究過程中，通常采用風(fēng)特性云圖或者等值線圖形來展現(xiàn)建筑流場周圍各種風(fēng)特性，包括建筑通道內(nèi)風(fēng)壓，建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓，建筑側(cè)面風(fēng)壓等。接下來，將著重研究不同開洞高度建筑風(fēng)場內(nèi)的風(fēng)特性和同一開洞高度不同風(fēng)向角風(fēng)環(huán)境的比較。

圖3 不同開洞高度處平板型流場流線與風(fēng)壓云圖

1）不同開洞高度下建筑通道內(nèi)風(fēng)壓特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

在0度風(fēng)向角的工況下，由于建筑物的對稱性而體現(xiàn)出的風(fēng)特性也比較對稱，通道內(nèi)風(fēng)壓特性也較為均勻，從圖2中可知，對于建筑開洞高度在15m，20m，25m這三個高度的風(fēng)壓特性，其風(fēng)壓系數(shù)變化不大，特別是通道內(nèi)部和背面風(fēng)壓都是較為均勻的，只是開洞高度較低處，負(fù)壓比較大；而在開口正面中，我們會發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，風(fēng)壓會逐步增強(qiáng)，所以開洞高度越高，迎風(fēng)面的風(fēng)壓是越大的。

2）不同開洞高度下建筑流場特性和表面風(fēng)壓特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

圖3主要考慮在風(fēng)向角不變的情況下，改變洞口開洞高度對建筑流場特性與建筑表面風(fēng)壓特性影響的研究和分析。開口尺寸選取5m x 5m的方形洞口，分別在洞口中心高度為15m，20m，30m進(jìn)行模擬，總體而言，高層建筑迎風(fēng)面存在較大的正壓，建筑側(cè)面有著較大負(fù)壓，特別是建筑通道側(cè)面，建筑背風(fēng)面分布著零散駐渦和分離渦等，駐點(diǎn)和停滯點(diǎn)也是明顯存在的，而尾流區(qū)氣流運(yùn)動則比較復(fù)雜。

圖4 不同風(fēng)向角下平板型流場流線與風(fēng)壓云圖

隨著開洞高度的增高，建筑背風(fēng)面渦旋的形成和“卡門渦街”現(xiàn)象是有逐漸減弱的趨勢，通常，在風(fēng)向角0°的工況下，風(fēng)場風(fēng)壓系數(shù)大致以建筑通道中心線對稱分布，建筑高度方向上分布地也較為均勻，但是我們從圖中可以看出大約在建筑全高2/3區(qū)域到達(dá)最大，因此，建筑開洞的高度并不是越高，風(fēng)所聚能的效果是越好的，需要合理選擇風(fēng)機(jī)的安裝高度。

3）同一開洞高度下建筑表面風(fēng)壓特性和周圍流場特性（H=20m；β=0°-90°）

根據(jù)研究表明，對于單體高層建筑來說，停滯點(diǎn)約在建筑全高2/3位置處[10]，也就是在此附近平均風(fēng)壓最大，所以研究該位置處的風(fēng)向角變化較為合理。

從云圖中可以觀察到每個渦都是一個很高的負(fù)壓區(qū)，駐點(diǎn)位于渦旋與渦旋的交界處，而在建筑的背風(fēng)面都各自形成了駐渦。隨著風(fēng)向角的增大，建筑背風(fēng)面的駐渦會逐步往洞口通道側(cè)移動，通道內(nèi)則會始終產(chǎn)生比較大的負(fù)壓區(qū)。對于尾流區(qū)，當(dāng)風(fēng)向角約為15°-30°和60°-75°時，建筑尾流區(qū)有“卡門渦街”現(xiàn)象發(fā)生，但是后渦旋現(xiàn)象會隨著尾流區(qū)的延伸而逐步消失。整個過程有回旋環(huán)流的趨勢，但并沒有實(shí)際形成回旋環(huán)流。

4 結(jié) 語

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑的建設(shè)可以緩解人類居住環(huán)境的壓力。但是不同建筑高度受到風(fēng)荷載的影響不同，平板型高層建筑的風(fēng)特性研究可以為城市建設(shè)規(guī)劃和建筑風(fēng)能利用提供重要參考。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，選取風(fēng)機(jī)安裝高度，風(fēng)向角等作為控制變量，通過建立多組工況研究建筑物周圍風(fēng)能集聚效應(yīng)。結(jié)果表明：對于不同的開洞高度，通道內(nèi)的風(fēng)壓是比較均勻的，隨著開洞高度的增加，洞口表面風(fēng)壓會逐漸增大；而風(fēng)場的風(fēng)壓系數(shù)隨著建筑物的高度方向是比較均勻的，大約在建筑全高2/3處到達(dá)最大，因此，建筑開洞的高度并不是越高，風(fēng)所聚能的效果是越好的，需要合理選擇風(fēng)機(jī)的安裝高度；隨著風(fēng)向角的增大，建筑背風(fēng)面的駐渦會逐步往洞口通道側(cè)移動，當(dāng)風(fēng)向角約為15°-30°和60°-75°時，建筑尾流區(qū)有“卡門渦街”現(xiàn)象發(fā)生，但是后渦旋現(xiàn)象會隨著尾流區(qū)的延伸而逐步消失。

中國建筑材料科學(xué)研究總院召開2018年工作會議

2018年1 月26 日，中國建筑材料科學(xué)研究總院（簡稱中國建材總院或總院）2018年工作會議在北京召開。中國建材集團(tuán)黨委書記、董事長宋志平，副董事長李新華出席會議并作重要講話，中國建材集團(tuán)副董事長、中國建材總院院長姚燕做了題為“把牢科技優(yōu)勢，堅(jiān)持效益優(yōu)先，全力推動總院實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展”的工作報(bào)告，中國建材總院黨委書記王益民做了題為“步入全面從嚴(yán)治黨新時代，踏上總院改革發(fā)展新征程”的黨委報(bào)告。會議由中國建材總院副院長周云峰主持。

2017 年，在集團(tuán)董事會的指引下，在集團(tuán)公司的正確領(lǐng)導(dǎo)下，中國建材總院深入貫徹落實(shí)黨的十九大精神以及黨中央和國資委“穩(wěn)中求進(jìn)”等要求，堅(jiān)持集團(tuán)“穩(wěn)增長、抓改革、防風(fēng)險(xiǎn)、強(qiáng)黨建”十二字工作方針和“早細(xì)精實(shí)、干字當(dāng)頭”“穩(wěn)價(jià)、保量、降本、收款、壓庫、調(diào)整”等經(jīng)營管理原則，在總部管理、生產(chǎn)經(jīng)營、科技創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級、黨建文化等各項(xiàng)工作取得積極進(jìn)展，全年實(shí)現(xiàn)收入68.37億元，同比增長24%，利潤總額7.75億元，同口徑增長22%，取得良好的經(jīng)營業(yè)績。