群体高层建筑风荷载及风环境数值计算分析

评价，并指出风环境不良的区域。

关键词：群体高层建筑；风荷载；风环境；CFD模拟

引言

背景项目为某超高层写字楼，总占地面积约5339.2m2，本塔楼地上建筑面积130000m2，其中包括110000m2办公空间，20000m2商务公寓。屋面最高处高度为356m，建筑立面形状特别。由于该建筑较高，周围建筑较多，为风敏感结构。

将 模型与非平衡壁面函数搭配使用，模拟超高层建筑及其周围建筑的风场。超高层写字楼及其周围建筑的试验模型缩尺比例为1：400，试验以写字楼中心为圆心，进行群体风洞试验。根据建筑场地的具体地形地貌，确定试验采用的大气边界层为C 类，风向角在0°～360°范围内每隔10°选取。将CFD模拟得到的写字楼的压力系数与风洞试验结果进行对比，验证了数值方法的正确性。然后，对风场数值结果进行分析，得出行人高度处的风速比，采用风环境评价方法对建筑的风环境进行评价，并指出风环境不良的区域。

1数值方法

建筑结构风工程中的流体为近地层大气，可看作是近似不可压缩性牛顿粘性流体。此时，在直角坐标系下，问题的控制方程简化为如下Navier-Stokes方程（N-S方程）：

式中： 为流体微元体速度矢量场在i 方向的分量；ρ为风流体密度；p 为风压。压力与速度耦合迭代选用SIMPLE方法，动量方程和湍流耗散率方程均采用二阶离散格式。

N-S方程求解的常用方法有：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）、雷诺平均方法（RANS）。在现有的计算条件下，即便是对中等雷诺数的湍流流动，用DNS也是不可能的；LES对工程应用而言，耗机时，成功率低，很难满足工程进度要求；RANS比较成熟，在国内外已被广泛应用。本文采用RANS方法求解N-S方程。

使用RANS模拟N-S方程必须选择合适的湍流模型来封闭计算。本文采用重整化群 （ ）模型模拟湍流流动。 模型是通过对N-S方程的重整化群分析得到，其中的 和 方程跟标准 模型中的相似，但模型常数有所变化，其中常数 由函数 代替。其表达式如下：

模型是针对高雷诺数Re的湍流流动建立起来的，不适用于低雷诺数Re的流动，比如壁面附近粘性底层的流动状态。壁面函数通过半经验公式将粘性底层和完全发展的湍流区域联系起来。与标准的壁面函数（Standard Wall Functions）相比，非平衡壁面函数（Non-Equilibrium Wall Functions）可以部分说明压力梯度和偏移平衡点，对包含脱流、回流和冲击的复杂流动的描述更为准确，因此，本文将非平衡壁面函数与 模型搭配使用。

2风洞试验

超高层写字楼及其周围建筑的试验模型缩尺比例为1：400，见图1，试验以写字楼中心为圆心，进行群体风洞试验。在写字楼塔楼立面、下部雨棚和底部连廊布置有代表性的测压点测试风压分布，共布置测点577个。

根据建筑场地的具体地形地貌，确定试验采用的大气边界层为《建筑结构荷载规范》（GB50009）规定的C 类。为了得到所要求的边界层，需要进行边界层调试，调试的结果见图2和图3。风向角在0°～360°范围内每隔10°选取，如图4所示。

风压系数平均值的计算式为：

式中， 为模型上测点 的压力平均值， 和 分别为参考点处（背景项目写字楼最高处，即356m处）的总压和静压平均值， 即参考点处来流平均分压， 为测点 的平均风压与参考点处平均风压之比，称为风压系数平均值。

3风压系数CFD结果与试验对比

参照设计部门提供的设计图纸，对背景项目的超高层写字楼及其周围建筑建立数值模型，并进行CFD计算。为了和风洞试验的结果进行对比，数值模拟的缩尺比例和风速分布均和风洞试验保持一致。风向角在0°～360°范围内每隔10°选取，限于篇幅，本文仅给出两个典型的风向角（风向角为0°和230°）下的计算结果，见图5和图6。由图5和图6可以看出，风向角为0°时，写字楼的上游位置建筑物比较密集，对来流风产生了较大的阻挡和干扰效应，因而，写字楼下部的压力系数较小；风向角为230°时，写字楼上游没有建筑物，所以，写字楼表面的压力系数上下分布比较均匀。

为了定量对比CFD结果和风洞试验结果，取三个典型标高：50.0m、200.0m、300.0m，并对建筑物表面测点进行编号，见图7。

图8、图9和图10分别给出了50.0m、200.0m和300.0m三个标高处，风压系数CFD结果与风洞试验结果的对比。由三个标高处的风压系数对比，可以看出：数值结果和风洞试验结果的大致趋势比较一致，且极大值和极小值比较接近。由此证明，数值模拟的结果可以接受。

4行人高度风环境模拟结果

采用风速比评估行人高度风环境。风速比 定义为： ，其中 为流场中 点位置行人高度处的平均风速标量， ， 行人高度处未受干扰来流的平均风速标量， 。本文行人高度取为1.5m。

图11和图12分别给出了风向角为0°和230°时行人高度处速度场分布图。由图11和图12可以看出，风向角为0°时，由于写字楼前方有比较密集的建筑物阻挡，写字楼周围的风速比较小，整个小区的速度比最大风速比仅为1.30，且不是出现在写字楼周围；风向角为230°时，写字楼前方比较空旷，写字楼周围的风速比较大，风速比达到1.76。

5结语

对某超高层写字楼及其周围建筑进行了风场CFD模拟和风洞试验，将CFD模拟得到的写字楼的压力系数与风洞试验结果进行对比，验证了CFD方法的正确性。然后，对风场数值结果进行分析，得出行人高度处的风速比，结果表明：风向角为230°附近时，由于写字楼前方比较空旷，其周围的风速比较大，其他情况下，写字楼周围的风速比较小。

参考文献：

[1]顾磊，齐宏拓，刘红军，傅学怡.奥运网球中心赛场风荷载和风环境数值模拟分析[J]. 建筑结构学报，2009（03）

[2]朱海，彭兴黔，高志飞，杨蓉，刘春艳.低矮异型建筑风环境的数值模拟[J].建筑结构学报，2010（S2）

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