高层建筑抗风优化

高层建筑抗风优化

李骋

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041

摘要：高层建筑由于自振频率较小、抗风阻尼小，结构轻柔的特征使其对风荷载特别敏感。世界各地的高层建筑发展十分迅速，因此人们对其抗风性能有了新的要求。这其中就包括选择建筑的外形将风荷载的最小化和荷载的有效传递的结构形式。建筑的空气动力学工程抗风优化，是一种拥有较低成本但是却能高效的控制高层建筑在风荷载作用下的变形和风致振动的方法。

关键字：高层建筑；抗风优化；空气动力学

0引言

随着世界范围的城市化，以及科技的进步和社会的发展，使得高层建筑以及高耸结构蓬勃发展，然而高层建筑在恶劣的天气下（如台风、飓风等）会收到不同程度的影响。尤其是由于高层建筑向着高耸，强度高，轻质的发展方向，导致结构的水平刚度和抗风阻尼不断地降低，使得建筑结构的水平强度与抗风阻尼都进一步地减小,使得目前高层建筑的自振周期性与一般常见风速的卓越周期更加的相似,也使得建筑物结构属于风力敏感构件。在大中型高层建筑的工程设计中,建筑设计工程师们必须找出经济实用和构造性能最高效的建筑总体设计方法,并且还需要确保建筑设计的稳定性,在设计方面的整体性以及满足居住人的舒适需求等。

1高层建筑发展现状

建于一八八三年的美国芝加哥一家保险公司大厦十二楼,55米高度,标志近代高楼大厦的开始。十九世纪末钢结构被大量运用于高楼大厦中,使建筑的平均高度达到了一百米以上。

于一九六八年建造的广州宾馆，共27层楼，高度86米，是我国第一座独立设计、自行建筑的大楼。于一九九六年建造的广东国际大厦，共63层，高度200米；于2004年建成的台北101大楼，共101层，高度509m。这些高层建筑的涌现，推动了亚洲高层建筑从无到有、从少到多，在我国发展速度十分迅猛。

2结构对风荷载的响应

结构顺风向风振: 長度>30米,且高宽比>1.5的房屋和基本自振时间T1>0.25s的各类型高大建筑及其大跨屋建筑,都要充分考察平均风压脈動及其对结构构件的順風向風振的作用。

结构横风向风振：是由于不稳定的空气动力特征所产生的。在横向风的作用之下，结构将会产生横向的位移和振动。与结构的截面形状有关。

结构扭转风振：是由于建筑各方面的风压不对称作用，建筑物的质心与气动荷载的瞬間作用點不在同壹位置所引起的。

3高层建筑空气动力学优化方法

任何物体在空气中运动,又或者物体不运动,当空气从物体外部通过时(例如风吹过建筑物),空气对物体内部都会有推动力。因为空气对物质做了相对运动,在物质上形成的这个推动力,就叫做空气动力。

空气动力学工程,是指通过选择或改变房屋的高层横向截面形式、圆弧倒角、切角和高立面开孔等方法,减少由于涡激振动而改变高层建筑高度走向的一致性,从而减少对房屋横向的负荷。有效减小风荷载的空气动力学结构方法,主要有圆弧倒角、契形立面、截面曲线、扰流翼、立面开口等。

3.1削弱“边角强风”优化设计策略

3.1.1建筑边角圆润化

对建筑平面輪廓的角處校正方法主要可以分为倒角、削角和圓潤化。角處矯正方法改善了分離剪切面的性能,并使得其重新附着,减小了尾流面,从而能够十分明显的降低压力和涟波升力值。该校正方式对控制气弹的失稳情况都十分有益。因为适当的角处校正方法可以提高建筑的阻尼,从而达到抑制风振响应的效果。和普通建筑平面的选取方法不同的是,角处校正方法对建筑内空的影响程度相对较小。

3.1.2设置遮风板

为了缓解高层建筑边角处的强烈空气,提高房屋边角的抗风阻尼,建议在房屋阳台的边角部安装遮风挡板,能够有效的降低角上风。在没有安装遮风板的阳台内将会产生大风,而当安装遮风板时,在其转角附近的风力大幅度减弱。

另外重视建筑细部的处理也可以减弱边角强气流的干扰。

3.1.3扭转的形体

扭转的形体可以通过引导边角强气流的走向，将边角强气流依附于形体表面盘旋上升，从而化解了建筑周边的强气流的冲击。

经典案例:上海市中心大楼建筑运用了圆弧倒角、契形立面、截面变形等三种建筑外形优化方式。以降低涡激振动与高层建筑高度方向的一致性,进而降低建筑物横风向风荷载。上海中央大楼的每增加高度一次都将会扭转约1°,因此整个大楼就扭转了大约120°。同时与一般的方晶锥一样,因为这个扭转的形态而降低了约百分之二十四的风荷载,因此对于上海中央大楼可以削弱本身边角强风,以及减小与周围建筑的分环境影响，都是很好的外形选择。

3.2化解“迎风面涡旋”优化设计策略

3.2.1锥形化立面、阶梯缩进平面

锥形化立面和阶梯缩进后的新平面都不改变了原来建筑平面形式,而只是变化了建筑不同层平面比例的方式。

其中锥形化立面的空间变化是逐渐减小，然而阶梯型却是根据建筑总楼层将建筑分层几段后进行比例缩小。

3.3减小“建筑风影区”优化策略

3.3.1倾斜面形体

倾斜面造型同时也是中高层建筑常见的主体建筑造型,同时由于其倾斜所产生的动感和律感也可以使其立面延申、流畅,而具有鲜明的现代风格。高层建筑高度变化较多,并且考虑了消防分区的水平面积特点,其标准层的水平面积通常相对固定,但通过采用合理的斜面结构可以减小多层楼房的重量感。

3.3.2附加开口

由于高层建筑层高和宽度的增加,将会引起对风振影响以及建筑背部涡流区域产生许多不良风荷载影响的作用,为防止大型高层建筑因为过于封闭的结构形式而产生强大气流,可利用附加开口来改善风场条件,以缓解由建筑正面吹来的大风,从而减少了大风对大型高层建筑的损害,同时也减少了对大型高层建筑背部的风影区的影响。

4结语

在高层建筑中通过结合空气动力学抗风优化方案设计建筑物构造及其外形特点,可降低建筑物构造的风致效应,实现节省成本和提升构造效能相平衡。在实际的高层结构设计中，在确保建筑的安全性，设计功能的可用性以及满足居住者的舒适度规范要求的前提下，应结合削弱“边角强风”、化解“迎风面涡旋”、减小“建筑风影区”等优化方案使结构效率最大化。