某機(jī)場現(xiàn)狀航站樓改擴(kuò)建前后屋蓋風(fēng)荷載體型系數(shù)變化分析

肖丹玲

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

1 研究背景

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

類似機(jī)場航站樓的屋蓋結(jié)構(gòu)，建筑外形比較獨(dú)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(fù)雜，是一種典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一，現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012》［1］很難確定其屋蓋表面的風(fēng)壓分布，通過風(fēng)洞試驗(yàn)來獲得其風(fēng)荷載已經(jīng)成為業(yè)界共識［2-4］。

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

2 項(xiàng)目概況

航站樓建筑單體的改擴(kuò)建分為2 個方向：一是建筑部分的改擴(kuò)建，包括水平橫向、豎向疊加擴(kuò)建，內(nèi)部空間功能轉(zhuǎn)換，外立面改造；二是相關(guān)設(shè)備的更新改造。其中橫向水平擴(kuò)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(bǔ)充，可以在原有建筑的基礎(chǔ)上加寬平面，一般是在交通空間的末端來擴(kuò)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(kuò)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(jī)場改擴(kuò)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(kuò)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(kuò)建后的航站樓效果如圖1所示。

圖1 擴(kuò)建后的建筑效果Fig.1 Architectural Renderings after Expansion

3 模擬計(jì)算

3.1 幾何建模

分別建立航站樓擴(kuò)建前后建筑模型，并擬進(jìn)行全風(fēng)向下每30°為一個風(fēng)向共12 個風(fēng)向角的模擬計(jì)算，風(fēng)向示意圖如圖2所示。

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

在計(jì)算過程中建立了全尺度模型，最大建筑高度30.625 m，計(jì)算域?yàn)榭偝叽鐬?2 000 m×3 500 m×450 m，如圖3b、圖3d 所示，0°風(fēng)向?qū)?yīng)+X 方向，90°風(fēng)向?qū)?yīng)+Y 方向，擴(kuò)建前后三維模型及計(jì)算域如圖3所示。

圖3 擴(kuò)建前后三維模型及計(jì)算域Fig.3 3D Model and Computational Domain before and after Expansion

3.2 網(wǎng)格劃分

將計(jì)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(jī)場主體結(jié)構(gòu)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(gòu)網(wǎng)格形式；內(nèi)外部網(wǎng)格生成后進(jìn)行組合得到不同計(jì)算工況下的整體網(wǎng)格，擴(kuò)建前網(wǎng)格總數(shù)量約800萬個，擴(kuò)建后網(wǎng)格總數(shù)量約為1 500萬個。

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

3.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)置

入口邊界條件采用B 類梯度風(fēng)剖面，出口為壓力出口，頂部和兩側(cè)設(shè)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(jì)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(jì)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(guān)，通過它可以客觀地比較不同建筑體型的結(jié)構(gòu)模型的風(fēng)荷載分布特性，因此分別提取主體建筑表面網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)（Pressure Coefficient，Cp），分別提取內(nèi)、外表面風(fēng)壓求差值得綜合風(fēng)壓系數(shù)，該風(fēng)壓系數(shù)的參考點(diǎn)高度選為建筑主體結(jié)構(gòu)頂部高度，利用下式變換得到屋蓋結(jié)構(gòu)表面各網(wǎng)格點(diǎn)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(biāo)高；Zi為各網(wǎng)格點(diǎn)的高度，當(dāng)Zi＜10 m時，取Zi=10 m。

4 結(jié)果及分析

計(jì)算得到的擴(kuò)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(kuò)建前后現(xiàn)狀航站樓表面風(fēng)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(kuò)建前后航站樓屋蓋結(jié)構(gòu)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(diǎn)綜合體型系數(shù)求平均值，并選取代表區(qū)域繪制擴(kuò)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(kuò)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(kuò)建后的體型系數(shù)小于擴(kuò)建前；

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

圖7 航站樓屋蓋代表性區(qū)域擴(kuò)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(fēng)向角下，中間區(qū)域10在120°風(fēng)向角下負(fù)體型系數(shù)較擴(kuò)建前均有所增大。

⑷由于擴(kuò)建主體建筑的影響，航站樓屋蓋結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布發(fā)生變化，有的區(qū)域風(fēng)荷載方向發(fā)生了變化，如中間區(qū)域8 在60°風(fēng)向角下、中間區(qū)域9在90°風(fēng)向角下的風(fēng)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(jī)場現(xiàn)狀航站樓在擴(kuò)建前后平均風(fēng)荷載進(jìn)行了模擬計(jì)算，對于擴(kuò)建前后現(xiàn)狀航站樓的代表性區(qū)域風(fēng)荷載體型系數(shù)變化情況進(jìn)行了對比分析，分析結(jié)果如下：

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

⑵受擴(kuò)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(fēng)荷載體型系數(shù)較擴(kuò)建前變大，中間部分區(qū)域風(fēng)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(kuò)建后現(xiàn)狀航站樓屋蓋風(fēng)荷載體型系數(shù)有可能變大，對于改擴(kuò)建航站樓項(xiàng)目的現(xiàn)狀航站樓提出以下建議，以供類似改擴(kuò)建航站樓及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)項(xiàng)目參考：

⑴有必要對擴(kuò)建前后的現(xiàn)狀航站樓風(fēng)荷載進(jìn)行對比分析；

⑵針對擴(kuò)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(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載復(fù)核，并對抗力不足區(qū)域采取加強(qiáng)措施，以免擴(kuò)建后屋蓋結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)等大風(fēng)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(kuò)建前后主體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)發(fā)生較大變化或風(fēng)荷載反向的工況，復(fù)核主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。

需要注意的是，本文采用穩(wěn)態(tài)分析方法進(jìn)行模擬計(jì)算，對比的是擴(kuò)建前后體型系數(shù)（平均風(fēng)荷載）變化情況，主體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時還需考慮與高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)或陣風(fēng)系數(shù)、基本風(fēng)壓和有效受風(fēng)面積的乘積。