基于CFD的多風(fēng)地區(qū)矮層建筑局部形態(tài)優(yōu)化研究

(沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110168)

一、矮層建筑空氣動力學(xué)優(yōu)化原理

在多風(fēng)地區(qū)，每年風(fēng)災(zāi)都是代價最高的自然災(zāi)害之一，并且奪去許多生命。

屋頂系統(tǒng)相比于其他建筑元素，更加暴露于高荷載之下。 屋頂上最壞的風(fēng)吸力通常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角或者斜風(fēng)的方向。這些極端吸力是沿屋頂邊緣形成的錐形渦造成的，這些錐形渦是大多數(shù)風(fēng)致破壞的主要原因。屋頂上的木瓦板，瓦片或者鋪筑材料很容易被甩開，松散的屋面部件可能導(dǎo)致雨水侵入和內(nèi)部設(shè)備和建筑內(nèi)容的損失。近來，減少由于風(fēng)的影響而導(dǎo)致的屋頂破壞的需求成為了設(shè)計者、制造商和建筑規(guī)范制定官員所面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。

簡單的優(yōu)化屋頂邊緣形態(tài)或者利用屋頂附屬結(jié)構(gòu)能夠改變屋頂?shù)臍饬髂Ｊ?，并且能夠減少風(fēng)荷載，從而減少對低層建筑的破壞。由于他們主要目的是打斷和偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致極端屋頂吸力的錐形渦，這些方法被恰當(dāng)?shù)姆Q為“渦流抑制”技術(shù)。根據(jù)氣動機制，渦流抑制技術(shù)可分為以下四種類別[1]：

1. 針對消除創(chuàng)造渦流的直線銳邊的方法；

2. 針對打斷渦流形成的方法(如部分或多孔女兒墻)；

3. 針對擾動渦流的方法(如多孔圍墻或豎直構(gòu)件，屋頂氣缸或分流器)；

4. 針對轉(zhuǎn)移已形成渦流的方法(如高女兒墻)；

圖1展示了一些氣動優(yōu)化技術(shù)，能夠緩解低層建筑屋頂角部的吸壓力。請注意，為了更好地展示每一種方法，圖1中的模型并不是它們的實際尺寸。

圖1 矮層建筑局部形態(tài)優(yōu)化方法

二、空氣動力學(xué)邊緣

空氣動力學(xué)邊緣已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的建筑特征很多年了，主要是對于平屋頂建筑。許多風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場調(diào)研已經(jīng)證明了空氣動力學(xué)邊緣減少建筑屋頂風(fēng)荷載的有效性?；旧?，女兒墻提升分離剪切層離開屋頂表面，因此，能夠在較大區(qū)域內(nèi)消耗局部高角或邊緣效應(yīng)。然而，這可能會增加內(nèi)部區(qū)域的荷載，因此影響女兒墻的整體功效。由巴斯卡拉和斯塔索普洛斯開展的其中一個早期的研究中，特別考慮了這些建筑構(gòu)件在渦流抑制中的作用。他們的研究表明，高女兒墻通常減少屋頂角落的高吸力而低女兒墻增加屋頂邊緣和角落的吸力。Asghari Mooneghi等人[2]，在佛羅里達國際大學(xué)，通過風(fēng)開放射流墻對不同高度的實體女兒墻平屋頂建筑進行了大規(guī)模的試驗觀察到了類似的效果。巴斯卡拉通常連續(xù)女兒墻在減少拐角處壓力系數(shù)方面比只在屋頂一邊設(shè)置的女兒墻效果更顯著。女兒墻的有效性也是女兒墻配置的一個功能。在一個等比例模型上，對不同女兒墻配置的有效性進行了研究，其中包括部分鋸齒女兒墻，半圓柱空氣動力學(xué)邊緣，實體多孔屋頂角落分流器和獨立多孔幕墻。獨立多孔幕墻被證明是減少屋頂角落附近吸力最有效的選擇。擾流板和多孔連續(xù)女兒墻表現(xiàn)最佳，靠近屋頂角落的峰值壓力系數(shù)的最大減少達到44%和56%。結(jié)果表明，平屋頂角落附近的局部和區(qū)域平局風(fēng)荷載均有顯著的減少。

三、被動氣動裝置

除了對空氣動力學(xué)邊緣減少屋頂高風(fēng)吸力的功效的研究外，近期的研究主要集中在對屋頂角落或邊緣的優(yōu)化或添加不同的氣動邊緣元素來減少由錐形渦引起的極端負面壓力。這些元素可作為永久性的建筑元素，或者在強風(fēng)事件的準(zhǔn)備階段，被附著于屋頂之上。

通過氣動曲面和倒角屋檐邊的風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場測量，對屋頂邊緣配置減少風(fēng)荷載的效用進行了研究。雖然這些方法被證明是有效的，但他們有時并不實用，例如對于有屋檐的建筑物。

各種各樣的屋頂邊緣設(shè)備被運用于屋頂?shù)拈懿?例如，半圓形天溝，懸臂式擾流板等)。試驗表明，這些裝置利用不同程度的氣動效用和建筑實用性促進減少屋頂極端風(fēng)壓。例如，通過風(fēng)洞試驗，對八種典型吊頂?shù)男в眠M行了研究，在中國的住宅中，它們通常被用來緩解屋頂極端風(fēng)壓。結(jié)果表明，這些元素的存在顯著地減少了屋頂角落和邊緣的負峰值風(fēng)壓，而沒有改變其他屋頂區(qū)域的風(fēng)壓。這些試驗多數(shù)基于小尺度的風(fēng)洞試驗(模型比例1:50—1:200)。然而，大尺度或全尺度試驗更有利于評估氣動設(shè)備的性能。因為它們能夠精確模擬各種建筑細節(jié)，它們能夠采用較高雷諾數(shù)來避免不利的尺度影響，較高的雷諾數(shù)對于曲面更顯著，因此也許能夠用于氣動設(shè)備。近來由于這個原因，大尺寸和全尺寸試驗被用于屋頂吸力緩解技術(shù)的開發(fā)。

四、總結(jié)

本文回顧了在低層建筑物的屋頂上減輕風(fēng)的高吸力的各種方法，簡單的空氣動力邊緣裝置用于減輕風(fēng)致荷載的對矮層建筑物的形狀的各種空氣動力學(xué)優(yōu)化。希望能夠為建筑空氣動力學(xué)優(yōu)化方法的發(fā)展應(yīng)用起到積極的作用。

【參考文獻】

[1]D. Surry, J.X. Lin, The effect of surroundings and roof corner geometric mod-ifications on roof pressures on low-rise buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 58 (1995) 113-138.

[2]A. Baskaran, T. Stathopoulos, Roof corner wind loads and parapet configura-tions, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 29 (1988)-88.