李 煜， 周 岱,b,c， 汪 汛， 韓兆龍,c包 艷， 毛璐璐， 馬 寧， 馬 晉

(上海交通大學(xué) a. 船舶海洋與建筑工程學(xué)院； b. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心； c. 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

塔式仿古建筑在我國(guó)山區(qū)(沿海山區(qū))的應(yīng)用較為普遍.在夏季，我國(guó)東南沿海山區(qū)受東南亞夏季風(fēng)的影響，經(jīng)常遭遇臺(tái)風(fēng)，因而風(fēng)荷載是影響塔式仿古建筑安全的主要因素.此外，由于塔式仿古建筑所處山地環(huán)境和建筑形體本身的復(fù)雜性而使得建筑表面的風(fēng)壓分布與周?chē)L(fēng)場(chǎng)繞流十分復(fù)雜.目前，針對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形下塔式仿古建筑風(fēng)壓分布規(guī)律及其周?chē)ㄖ镲L(fēng)場(chǎng)繞流特性的研究較少，無(wú)法采用工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)和抗風(fēng)安全評(píng)估所用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]中的風(fēng)荷載參數(shù).在塔式仿古建筑形體中，較多采用歇山頂式、曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)型的屋面，建筑的各層各方位均設(shè)置挑檐，致使風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜化且風(fēng)荷載亦增大.因此，研究山區(qū)地形下塔式仿古建筑的風(fēng)壓分布和風(fēng)場(chǎng)繞流具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山地風(fēng)場(chǎng)的空間分布、風(fēng)速分布等風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行了研究[2-7].例如：沈國(guó)輝等[6]采用數(shù)值方法模擬了單山和雙山的風(fēng)場(chǎng)特征，并對(duì)比分析了山體環(huán)境和平地環(huán)境下的風(fēng)場(chǎng)特性，研究了山體參數(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響；李正昊等[7]研究了地貌因素對(duì)風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)山脈長(zhǎng)度、山頂間距等因素對(duì)風(fēng)的加速效應(yīng)影響顯著，并給出了最不利的埡口地貌因素組合；Taylor等[8]研究了山地位置、山體表面粗糙度和山體坡度等因素對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響.

本文針對(duì)我國(guó)沿海山區(qū)應(yīng)用較多的高層塔式仿古建筑，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法并引入RNG (Renormalization Group)k-ε湍流模型，通過(guò)求解Navier-Stokes 流體動(dòng)力學(xué)控制方程，分析了高層塔式仿古建筑表面的風(fēng)壓分布和風(fēng)場(chǎng)繞流特性；利用Rhino 3D建模軟件構(gòu)建單面山坡、峽谷型雙側(cè)山坡和3面環(huán)繞山坡的山地地形環(huán)境并置入不同構(gòu)形的塔式仿古建筑，分析了建筑與環(huán)境共同作用下的風(fēng)壓分布規(guī)律和風(fēng)場(chǎng)繞流特征.研究結(jié)果可以為山區(qū)環(huán)境下已有或待建建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)與防護(hù)提供參考.

1 數(shù)值模擬方法

在風(fēng)壓分布與風(fēng)場(chǎng)繞流的數(shù)值模擬中，利用CFD方法求解不可壓縮黏性流體的Navier-Stokes方程和連續(xù)方程，并引入雷諾平均方程和RNGk-ε湍流模型[9].RNGk-ε湍流模型考慮了均勻流場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)和旋流，并對(duì)湍流黏度進(jìn)行修正，因此，它在應(yīng)變率較高且流線(xiàn)曲率較大時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，且適用于復(fù)雜山地環(huán)境下的風(fēng)場(chǎng)分析[10].本文利用RNGk-ε湍流模型計(jì)算所得結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，該條件下的流體控制微分方程為

(2)

2 計(jì)算模型的構(gòu)建

(3)

(4)

式中：pi為測(cè)點(diǎn)i處的平均風(fēng)壓；vz為參考高度z處的平均風(fēng)速，本文取z=10 m；n為測(cè)點(diǎn)數(shù).

為方便起見(jiàn)，對(duì)塔式仿古建筑進(jìn)行區(qū)域編號(hào).迎風(fēng)面從下向上依次編號(hào)為1～4，背風(fēng)面從下向上編號(hào)為5～8， 屋頂上、 下表面從迎風(fēng)向開(kāi)始逆時(shí)針編號(hào)9～16，如圖2所示.

利用Rhino-3D軟件建立單面山坡、峽谷型雙側(cè)山坡、3面環(huán)繞山坡的復(fù)雜山地地形.將建筑分別置于3種山地地形環(huán)境，如圖3所示.

圖2 模型分區(qū)標(biāo)號(hào)Fig.2 Numbers of model partition

圖3 3類(lèi)山地地形模型Fig.3 Three types of mountainous terrain

圖4 流場(chǎng)計(jì)算域與結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshes of computational domain of fluid field and structural system

根據(jù)建筑的尺寸和山形模型，建筑所在山體區(qū)域的長(zhǎng)(L)、寬(W)均選為500 m，山峰高度(H)取150 m.基于風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域尺度選擇原則(計(jì)算對(duì)象尺度的關(guān)系)且應(yīng)滿(mǎn)足計(jì)算域阻塞率小于3%的要求[16]，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域取35L×12W×6H，即 20.0 km×6.0 km×0.9 km，建筑置于風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的前部1/3處.為減小計(jì)算量，采用由疏到密的網(wǎng)格劃分，將風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域分為近建筑(包含山體的正八棱柱形核心風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域，八棱柱形的邊長(zhǎng)600 m、高度200 m)和非核心風(fēng)場(chǎng)域.采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，核心風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格較密，而遠(yuǎn)離建筑與山體的區(qū)域網(wǎng)格較稀疏.該風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域劃分的網(wǎng)格總數(shù)高達(dá)5.63×108.網(wǎng)格劃分如圖4所示.

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的邊界條件：入風(fēng)口為速度入口邊界，采用編譯UDF文件確定并導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，選取基本風(fēng)壓p0=0.45 kPa，對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速v0=26.8 m/s；地貌選型為B類(lèi)地貌，對(duì)應(yīng)的地面粗糙度指數(shù)β=0.16；出風(fēng)口為自由流出邊界；計(jì)算域的頂面和側(cè)面為對(duì)稱(chēng)邊界；建筑物表面和計(jì)算域地面為固壁邊界[4,17-18].另外，參照日本建筑學(xué)會(huì)規(guī)范AIJ 2004[19]計(jì)算湍流強(qiáng)度.

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]計(jì)算p0.具體方法：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站歷年的最大風(fēng)速，按照p0的標(biāo)準(zhǔn)要求，將風(fēng)速儀所測(cè)不同高度的年最大風(fēng)速統(tǒng)一換算為在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距、重現(xiàn)期下離地10 m高度處的速度，即以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距10 min、重現(xiàn)期50 a的最大風(fēng)速作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速v0，根據(jù)Bernoulli公式有

(5)

離地面高度z處的順風(fēng)向平均風(fēng)速為

(6)

式中：v0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度z0(取z0=10 m)處的平均風(fēng)速，本文取v0=0.16 m/s；β為風(fēng)壓高度系數(shù).

圖5 3類(lèi)山地地形下的建筑表面風(fēng)壓分布情況Fig.5 Wind pressure distributions of the antiqued building in three types of mountainous terrain

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

采用上述模型計(jì)算建筑表面的風(fēng)壓分布及其周?chē)L(fēng)場(chǎng)，分析山地地形、建筑層數(shù)、建筑與山腳的距離等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑風(fēng)壓分布的影響.對(duì)于地形工況的設(shè)置，相同點(diǎn)在于3類(lèi)地形的立體地域的長(zhǎng)、寬均取為500 m、山峰高度為150 m、山體坡度為15°～30°，其表面粗糙度均選擇B類(lèi)地貌的粗糙度值，在探究地形變化時(shí)保持建筑形體不變；工況差異在于山坡面數(shù)，分別建立了單面山坡、峽谷型雙側(cè)山坡和3面環(huán)繞山坡的模型.對(duì)于建筑高度的工況設(shè)置，本文針對(duì)3面環(huán)山地形的建筑高度變化對(duì)建筑風(fēng)壓分布的影響機(jī)制進(jìn)行了探究.工況的相同點(diǎn)在于建筑的屋面、瞭望臺(tái)的構(gòu)造均保持一致且每層的樓層高度固定為 4.5 m；工況的差異在于建筑層數(shù)，分別從10層增至13、16層.由于塔式仿古建筑為錐形結(jié)構(gòu)，上小下大，為保證瞭望臺(tái)等上部結(jié)構(gòu)不變，從建筑中心到地面各邊的垂直距離(D)有所增大，10層時(shí)D=15.2 m，13層時(shí)D=16.8 m，16層時(shí)D=17.6 m.對(duì)于建筑與山腳距離的設(shè)置，定義建筑與山腳的距離為從山體下部最外沿點(diǎn)到建筑外邊線(xiàn)的最短距離，選擇3個(gè)風(fēng)壓變化最明顯的距離分界點(diǎn)，分別為40，70，100 m.

3.1 地形對(duì)建筑表面風(fēng)壓分布的影響

圖7所示為在峽谷型雙側(cè)山坡地形下的風(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)圖.可見(jiàn)，來(lái)風(fēng)繞過(guò)建筑表面并在建筑后方形成了交錯(cuò)前行的渦旋，且旋轉(zhuǎn)方向相反，來(lái)流在到達(dá)建筑前未受到山體遮擋.

圖6 3類(lèi)山地地形下建筑表面不同測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.6 Averaged wind pressure distributions of different points on the building surface under three types of mountainous terrain

圖7 峽谷型雙側(cè)山坡下的建筑周?chē)L(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)圖Fig.7 Wind flow around the building under the mountain canyon

圖8 不同建筑層數(shù)下的建筑風(fēng)壓分布Fig.8 Wind pressure distributions with different building floors

3.2 塔式建筑層數(shù)對(duì)建筑表面風(fēng)壓的影響

本文在3面環(huán)繞山坡地形下，對(duì)原建筑增減建筑層數(shù)，在建筑分別為10層(高度h=46.5 m)、13層(h=60.0 m)和16層(h=73.5 m) 3種情況下分析塔式建筑層數(shù)對(duì)建筑表面風(fēng)壓分布的影響，其結(jié)果如圖8所示.由圖8可見(jiàn)：在10層建筑的情形下，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓呈葉片狀分布，且建筑豎立面上部的風(fēng)壓大于下部的風(fēng)壓，氣流直接撞擊建筑的迎風(fēng)面，由于迎風(fēng)面與來(lái)風(fēng)方向的相對(duì)角度不變，故迎風(fēng)面的正風(fēng)壓系數(shù)基本一致；而撞擊后部的分氣流繞過(guò)塔身向建筑后方聚攏，由于建筑呈錐形，其層數(shù)越高，接近底面的半徑越大，建筑后方被遮擋的區(qū)域越大，故建筑層數(shù)較高的工況更容易形成渦旋，其背風(fēng)面的負(fù)壓較大.在13層建筑的情形下，建筑整個(gè)迎風(fēng)面被正風(fēng)壓覆蓋，正風(fēng)壓最大.在16層建筑的情形下，來(lái)風(fēng)對(duì)屋面產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓(風(fēng)吸力)，且屋面負(fù)風(fēng)壓所占面積在3種地形中最大，其原因是上部的氣流經(jīng)過(guò)屋頂后分離并繞過(guò)建筑而產(chǎn)生風(fēng)吸力，建筑越高，屋頂所在高度的基本風(fēng)速越大，對(duì)屋面的風(fēng)吸力越大.

圖10 不同d時(shí)建筑表面的風(fēng)壓分布情況Fig.10 Wind pressure distributions with different d

圖9 不同建筑層數(shù)下建筑表面分區(qū)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Averaged wind pressure distributions on different points of the building with different floors

圖9示出了不同建筑層數(shù)工況下建筑表面分區(qū)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù).可見(jiàn)：在3面環(huán)繞山坡地形下，3種層數(shù)的建筑表面的最大正風(fēng)壓均在迎風(fēng)面最上端位置，即第4區(qū)域；最大負(fù)風(fēng)壓均在與來(lái)風(fēng)方向緊鄰的兩個(gè)側(cè)屋面(非迎風(fēng)面的屋面)，即第10與15區(qū)域.隨著建筑層數(shù)增加，風(fēng)壓分布的變化較小，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓先增后減；屋面所受負(fù)風(fēng)壓隨建筑層數(shù)增加而增大.因此，在特定山地起伏地形下，針對(duì)抗風(fēng)安全性，應(yīng)控制塔式建筑的最佳高度，不適當(dāng)?shù)慕ㄖ叨葘⑹蛊渥畲筘Q立面正風(fēng)壓與最大屋面負(fù)風(fēng)壓的不利疊加效應(yīng)增強(qiáng).

3.3 建筑與山腳的間距對(duì)建筑表面風(fēng)壓的影響

由于單面山坡下山腳至建筑的距離較易表達(dá)，故本文以圖3(a)中的單面山坡地形為例，在單面山坡地形下分析建筑與山腳的距離d=40，70，100 m時(shí)13層原型建筑表面風(fēng)壓的變化情況，其結(jié)果如圖10所示.由于建筑與山腳的距離較大時(shí)氣流在經(jīng)過(guò)建筑后仍有湍流發(fā)育空間，所以氣流變化較平穩(wěn)，不易形成渦旋.當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)建筑后立刻與山壁碰撞被回彈，與新到達(dá)的氣流相交錯(cuò)，極易產(chǎn)生渦旋，從而導(dǎo)致建筑的背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓較大.由圖10可見(jiàn)：在d=40 m時(shí)，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓區(qū)域面積最小，但屋面的負(fù)風(fēng)壓區(qū)域面積最大，在3種情形下，建筑表面負(fù)風(fēng)壓的絕對(duì)值最大；在d=70 m時(shí)，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓區(qū)域面積明顯增大，屋面的負(fù)風(fēng)壓區(qū)域面積減少，建筑表面的正風(fēng)壓在3種情形中最大；在d=100 m時(shí)，建筑來(lái)風(fēng)方向前沿地面的正風(fēng)壓幾乎消失，正風(fēng)壓主要向結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)移，建筑離山體越遠(yuǎn)，對(duì)建筑周?chē)鷼饬鞯挠绊懺叫。串?dāng)d超過(guò)70 m后風(fēng)壓的變化不大.

圖11所示為在單面山坡地形下不同d時(shí)建筑表面不同測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù).由圖11可見(jiàn)：d對(duì)建筑中上部區(qū)域的風(fēng)壓分布影響明顯，而對(duì)其下部區(qū)域(如區(qū)域1)風(fēng)壓分布的影響不大.例如，對(duì)于區(qū)域4，在d=70，100 m下的平均風(fēng)壓系數(shù)分別為d=40 m下的約 2.0 和 1.5 倍；而對(duì)于區(qū)域10，在d=70，100 m下的屋面最大負(fù)風(fēng)壓僅為d=40 m下的 0.6 和 0.5 倍.分析發(fā)現(xiàn)，在d=70，100 m情形下的風(fēng)壓差異不明顯，這意味著若d超過(guò)70 m，則其對(duì)建筑表面風(fēng)壓分布的影響明顯減弱.在d影響顯著的范圍(70 m)內(nèi)，隨著d的增加，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓增大，且其在d=70 m時(shí)達(dá)到最大值；隨著d的減小，屋面所受負(fù)風(fēng)壓的絕對(duì)值增大.由此可見(jiàn)，在本文的山地地形環(huán)境下，13層原型建筑與山腳的距離宜控制在70 m及以上，以減少建筑表面的風(fēng)壓.

圖11 不同d下建筑表面不同測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.11 Averaged wind pressure distributions on the building with different d

由于風(fēng)速剖面選用指數(shù)型函數(shù)，故風(fēng)速隨著建筑增高而增大.因?yàn)榻ㄖ喜繀^(qū)域的風(fēng)速大于 10 m 高度處的基本風(fēng)速，所以由式(3)計(jì)算的凈風(fēng)壓大于基本風(fēng)壓，即pi>p0.將其同除以建筑遠(yuǎn)方上游自由流風(fēng)的平均動(dòng)壓，所得風(fēng)壓系數(shù)Cpi>Cp0.另外，規(guī)定10 m高度處基本風(fēng)速、基本風(fēng)壓條件下的建筑表面風(fēng)壓系數(shù)為1，因此，將會(huì)出現(xiàn)建筑上部平均風(fēng)壓系數(shù)大于1的現(xiàn)象.

4 結(jié)論

(1) 高層塔式仿古建筑迎風(fēng)面承受正風(fēng)壓，且呈葉片狀分布；背風(fēng)面與屋面承受負(fù)風(fēng)壓，與來(lái)風(fēng)方向緊鄰的兩個(gè)側(cè)屋面因氣流脫落而出現(xiàn)最大負(fù)風(fēng)壓.

(2) 對(duì)于單面山坡地形，必須重視塔式建筑屋面出現(xiàn)的最大負(fù)風(fēng)壓；對(duì)于峽谷型雙側(cè)山坡、3面環(huán)繞山坡地形，必須重視塔式建筑豎立面迎風(fēng)面的最大正風(fēng)壓.

(3) 隨著建筑高度增大，建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓先增后減，而屋面所受負(fù)風(fēng)壓隨著高度增加而增大，為減小最大正風(fēng)壓與屋面負(fù)風(fēng)壓的不利疊加效應(yīng)，應(yīng)控制塔式建筑的最佳高度.

(4) 建筑與山腳的距離影響建筑中上部區(qū)域的風(fēng)壓分布.隨著建筑與山腳距離的增加，建筑迎風(fēng)面正風(fēng)壓增大.在本文的山地地形環(huán)境下，13層原型建筑與山腳的距離宜控制在70 m及以上，以減少建筑物表面的風(fēng)壓.