肖丹玲

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州510500）

1 研究背景

民航“十三五”期間改擴建機場達125 個，各個機場采用改擴建擴容已成為主流，航站樓發(fā)展正式進入增量發(fā)展與存量更新的時代。廣東省近年啟動的機場改擴建項目包括珠海機場改擴建工程、惠州機場擴容擴建項目航站樓配套工程、揭陽潮汕機場擴建工程以及白云機場三期擴建工程等。

類似機場航站樓的屋蓋結(jié)構，建筑外形比較獨特、跨度大、質(zhì)量輕，且處于湍流度較高的近地區(qū)域，其周邊繞流和空氣動力作用非常復雜，是一種典型的風敏感結(jié)構，風荷載是控制結(jié)構設計的主要荷載之一，現(xiàn)行《建筑結(jié)構荷載規(guī)范：GB 50009-2012》［1］很難確定其屋蓋表面的風壓分布，通過風洞試驗來獲得其風荷載已經(jīng)成為業(yè)界共識［2-4］。

目前，文獻［1］中對于高層建筑由于周圍環(huán)境的改變而引起風荷載的變化已有條文規(guī)定，設計人員也較為重視，對于有的高層建筑在風洞試驗中甚至會通過既有周邊建筑和規(guī)劃周邊建筑2種工況來獲得結(jié)構風荷載用于設計。但是對于類似航站樓這樣的大跨度屋蓋結(jié)構，周圍環(huán)境的變化是否會引起風荷載的變化，影響有多大，尚未引起業(yè)內(nèi)人士的關注［5-6］。

2 項目概況

航站樓建筑單體的改擴建分為2 個方向：一是建筑部分的改擴建，包括水平橫向、豎向疊加擴建，內(nèi)部空間功能轉(zhuǎn)換，外立面改造；二是相關設備的更新改造。其中橫向水平擴展主要包含2 種情況：①既有建筑延伸：新建部分是原有功能的延伸或補充，可以在原有建筑的基礎上加寬平面，一般是在交通空間的末端來擴展，或者結(jié)合庭院來拓展平面，增加功能空間；②新建單體航站樓是最常見的擴建形式，但最好能以某種方式與老航站樓相連，將新舊建筑組合在一起，保證建筑的完整性，節(jié)約用地的同時，也提高陸側(cè)效率，改善旅客環(huán)境［7-11］。

廣東某機場改擴建工程為新建單體航站樓，在現(xiàn)狀航站樓的兩側(cè)分別擴建國內(nèi)航站樓和國際樓，同時在航站樓前面新建交通中心，擴建后的航站樓效果如圖1所示。

圖1 擴建后的建筑效果Fig.1 Architectural Renderings after Expansion

3 模擬計算

3.1 幾何建模

分別建立航站樓擴建前后建筑模型，并擬進行全風向下每30°為一個風向共12 個風向角的模擬計算，風向示意圖如圖2所示。

圖2 模擬風向角示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Simulated Wind Direction Angle

在計算過程中建立了全尺度模型，最大建筑高度30.625 m，計算域為總尺寸為12 000 m×3 500 m×450 m，如圖3b、圖3d 所示，0°風向?qū)?X 方向，90°風向?qū)?Y 方向，擴建前后三維模型及計算域如圖3所示。

圖3 擴建前后三維模型及計算域Fig.3 3D Model and Computational Domain before and after Expansion

3.2 網(wǎng)格劃分

將計算域劃分為內(nèi)部圓柱體區(qū)及外部域，主體建筑及周邊建筑物表面網(wǎng)格劃分如圖4 所示，內(nèi)部圓柱體區(qū)包含有建筑模型，采用全四面體網(wǎng)格劃分，機場主體結(jié)構內(nèi)外表面網(wǎng)格最大尺寸為1.5 m，周邊建筑表面網(wǎng)格最大尺寸為3.0 m；外部域采用四面體結(jié)構網(wǎng)格形式；內(nèi)外部網(wǎng)格生成后進行組合得到不同計算工況下的整體網(wǎng)格，擴建前網(wǎng)格總數(shù)量約800萬個，擴建后網(wǎng)格總數(shù)量約為1 500萬個。

圖4 擴建前后網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid Division before and after Expansion

3.3 邊界條件及計算參數(shù)設置

入口邊界條件采用B 類梯度風剖面，出口為壓力出口，頂部和兩側(cè)設置為對稱邊界條件，建筑表面及地面為無滑移壁面條件。

采用穩(wěn)態(tài)（Steady）計算，湍流模型選為SST k-ω模型，各量值迭代殘差小于10-4或壁面壓力監(jiān)控值穩(wěn)定后視為計算收斂。

3.4 結(jié)果后處理

由于體型系數(shù)和地貌類型、高度無關，通過它可以客觀地比較不同建筑體型的結(jié)構模型的風荷載分布特性，因此分別提取主體建筑表面網(wǎng)格點的風壓系數(shù)（Pressure Coefficient，Cp），分別提取內(nèi)、外表面風壓求差值得綜合風壓系數(shù)，該風壓系數(shù)的參考點高度選為建筑主體結(jié)構頂部高度，利用下式變換得到屋蓋結(jié)構表面各網(wǎng)格點的體型系數(shù)μsi：

式中：α 為地貌粗糙度指數(shù)，按B 類地貌取為0.15；H為建筑頂部標高；Zi為各網(wǎng)格點的高度，當Zi＜10 m時，取Zi=10 m。

4 結(jié)果及分析

計算得到的擴建前后航站樓上表面體型系數(shù)云圖如圖5所示，由圖5可以看出，擴建前后現(xiàn)狀航站樓表面風荷載體型系數(shù)發(fā)生了較為明顯的變化。

為更直觀地比較擴建前后航站樓屋蓋結(jié)構體型系數(shù)的變化，將航站樓屋蓋劃分為若干區(qū)塊（見圖6），對區(qū)塊內(nèi)的所有節(jié)點綜合體型系數(shù)求平均值，并選取代表區(qū)域繪制擴建前后的體型系數(shù)變化曲線，如圖7所示，其中區(qū)域1～6 為邊緣區(qū)域，區(qū)域7～10 為中間大面區(qū)域。

圖5 擴建前后航站樓上表面體型系數(shù)Fig.5 Surface Shape Coefficient of Terminal before and after Expansion

圖6 航站樓屋蓋分區(qū)Fig.6 Block of Terminal Roof

從圖7的對比可以看出：

⑴對于大部分區(qū)域大部分角度，擴建后的體型系數(shù)小于擴建前；

⑵邊緣區(qū)域4 在210°和240°風向角下擴建后負綜合體型系數(shù)與擴建前相比有所增大，尤其是240°風向角下增大較多；邊緣區(qū)域1 在60°風向角下擴建后的正綜合體型系數(shù)較擴建前有所增大；邊緣區(qū)域3 在90°風向角下擴建后的負綜合體型系數(shù)較擴建前有所增大；

圖7 航站樓屋蓋代表性區(qū)域擴建前后體型系數(shù)對比曲線Fig.7 Comparison Curve of Shape Coefficient before and after Expansion of Representative Area of Terminal Roof

⑶中間區(qū)域8在0°～30°和120°風向角下，中間區(qū)域10在120°風向角下負體型系數(shù)較擴建前均有所增大。

⑷由于擴建主體建筑的影響，航站樓屋蓋結(jié)構表面風荷載體型系數(shù)分布發(fā)生變化，有的區(qū)域風荷載方向發(fā)生了變化，如中間區(qū)域8 在60°風向角下、中間區(qū)域9在90°風向角下的風荷載方向均發(fā)生了變化。

5 結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬方法對某機場現(xiàn)狀航站樓在擴建前后平均風荷載進行了模擬計算，對于擴建前后現(xiàn)狀航站樓的代表性區(qū)域風荷載體型系數(shù)變化情況進行了對比分析，分析結(jié)果如下：

⑴就本項目整體而言，擴建后大部分區(qū)域在大部分角度下風荷載體型系數(shù)較擴建前變??；

⑵受擴建主體建筑影響，邊緣及中間部分局部區(qū)域在部分角度下風荷載體型系數(shù)較擴建前變大，中間部分區(qū)域風荷載在某些角度下由吸力變?yōu)閴毫蛘哂蓧毫ψ優(yōu)槲Α?/p>

鑒于擴建后現(xiàn)狀航站樓屋蓋風荷載體型系數(shù)有可能變大，對于改擴建航站樓項目的現(xiàn)狀航站樓提出以下建議，以供類似改擴建航站樓及大跨度屋蓋結(jié)構項目參考：

⑴有必要對擴建前后的現(xiàn)狀航站樓風荷載進行對比分析；

⑵針對擴建前后局部體型系數(shù)增大的區(qū)域尤其是邊緣區(qū)域進行圍護結(jié)構風荷載復核，并對抗力不足區(qū)域采取加強措施，以免擴建后屋蓋結(jié)構在臺風等大風作用下從該區(qū)域發(fā)生破壞從而引起連續(xù)破壞；

⑶針對擴建前后主體結(jié)構體型系數(shù)發(fā)生較大變化或風荷載反向的工況，復核主體結(jié)構風荷載。

需要注意的是，本文采用穩(wěn)態(tài)分析方法進行模擬計算，對比的是擴建前后體型系數(shù)（平均風荷載）變化情況，主體和圍護結(jié)構設計時還需考慮與高度變化系數(shù)、風振系數(shù)或陣風系數(shù)、基本風壓和有效受風面積的乘積。