高层建筑风载影响.doc

!- 高层建筑风环境及其影响研究 江清源 概述 随着厦门经济特区的发展，一座座标志性的高层建筑拔地而起，人们自然关心风这个自然因素对这些高层建筑有什么影响？反过来这些高层建筑周围又会形成一个什么样的风环境？它对城市规划建筑设计、施工和人们的生活有什么影响？近年来风工程研究工作者都在对高层建筑的风环境进行研究。 所谓“高层建筑”，联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会在1972年召开的年会上曾建议将高层建筑分为四类：即9～16层最高50米者为第一类；17～25层最高75米者为第二类；26～40层最高100米者为第三类；40层以上高于100米者为第四类高层建筑（超高层建筑）。 我国在上世纪80年代以前，10层以上就称为高层建筑。但目前的标准已定为：20层左右为中高层建筑；30层，高100米左右为高层建筑；50层，高200米以上为超高层建筑。 国外高层建筑及其群体所造成负面影响——不良风环境问题，甚至风灾，事故频发，不得不引起我们的关注和重视。国内近几年来建筑物的玻璃幕墙、屋顶搭盖物被大风吹毁的事例也不少。如上世纪末宁夏回族自治区某宾馆在偶发阵风作用下，一片幕墙玻璃飞落，当场把在宾馆门口迎宾的新娘子砸死。还有浙江大学逸夫楼在一夜大风劲吹下，所有的幕墙玻璃几乎都被吹毁。至于台风季节建筑物、结构物、幕墙玻璃及覆盖物等被风吹毁的事例，在沿海城市更是屡见不鲜的事实。如9914#台风登陆厦门吹倒了厦门会展中心施工塔吊，厦门太古飞机工程公司机库钢板屋面被风掀翻，也是人所共知。 除上述建筑物及其群体在大风中其覆面材料或构件被毁坏的事例外，由于建筑物的体型及其群体布局不当而给行人及地面交通、生活环境等带来的不良风环境影响的事例也更多。 在大风季节时，高层建筑及其群体的布局，可能造成对自身及其周围不良风环境，甚至风灾的课题，已责无旁贷地展现在今日城市规划、建筑设计部门、施工单位的面前。如同城市中大气污染、噪声污染、光污染、采光权纠纷等环境问题一样，能否在高层建筑的规划与布局伊始，事先就周密地考虑到优化风环境，防范不测风灾，而进行认真的论证和试验，这已成为评估城市建设规划优劣的一个重要衡量指标。显然，良好的风环境指的是，在气象工作者给出的某一大区域里风特性的条件下，为了使人们工作、居住生活与活动有一个舒适的环境，城市规划与设计部门能否力求以最小的代价去营造一个安全而舒适的风环境，来满足广大人民群众安居乐业之需。本文笔者尽所能地收集国内外带有普遍性的高层建筑风环境问题的详实资料和风洞试验数据，进行分析研究。 高层建筑在风力作用下的绕流特性 风场实测表明，对建筑物绕流特性影响最显著的是近地面风，而近地面风是有着显著的紊乱性和随机性。在一定的时间间隔内，各个高度的平均风速几乎是不变的，但实际绕流风速平均值是脉动的，且风速的平均值随高度的增加按指数律增大，故通常认为风速是由不变的平均风速和变化的脉动风速两部分组成的。作用在建筑物上的风压也可归结为由静态的平均风压和动态的脉动风压两部分组成。 在风力作用下，高层建筑表面风压分布的测定，目前多在模拟大气边界层风场的风洞中对模型进行动态测量试验获得。但也有些对已建成的建筑物进行实测，以收集可贵的风荷载资料，供日后设计时参考或改造原设计之用。为阐明风力对高层建筑及其周边环境的影响，下面对一座较为典型的高层建筑模型在风洞试验中观测到的典型绕流状况作简单介绍。 图1 矩形板式高层建筑典型模型绕流示意图 由图1可见，在迎风墙面上气流受阻，动压降低，静压增高，约在对称中心线上3/4高处，存在一点风速为零，即驻点O，其压强最大。由于迎面风速随高度增加而增大，相应其阻滞的静压也相应增大。故在驻点O下存在一个递降的静压梯度，迫使一股风向下流动。若建筑物下部有拱廊（过道），则有些风就加速穿过拱廊流向背风面的负压区，在拱廊里形成一股强劲的穿堂风；若建筑物整个是密封的，则在下部形成一个类似于二次流的固定旋涡，而后分两股成马蹄形流向建筑物两侧，并向背风面的负压区流去，增强背风面的吸力。由驻点O向两侧和屋顶方向，由于三维效应，静压也逐渐降低，至拐角棱边处风速急剧增大，气流沿棱边分离，伴生旋涡，造成侧壁及屋顶形成较为均匀的负压区。一般而言，近侧负压绝对值稍大些，远侧则稍小些。顺流而下在建筑物背风面形成尾流区，尾流区的负压绝对值，一般边缘处略大，中心区略小。这种绕流特性对建筑物本身的搭盖物、覆盖饰物、幕墙玻璃……等的影响在后面阐述，而对近地面2米高度行人处环境风速的影响程度，经实测，一般实际情况大致如表1所示（设高层建筑物的高度为其周边建筑物高度的4～8倍情况）。 表1 板式高层建筑周围环境的近似风速比 绕 流 情 况 （测点） 地面2米高度处与屋顶平均风速的比值 地面有固定旋涡 （1） 0.5 : 1 底层中央有拱廊 （2） 1.2 : 1 绕建筑物拐角处 （3） 0.95 : 1 高层建筑内、外风环境不舒适性测评准则 高层建筑及其群体的外形、布局，随设计者的构思而异。在风力作用下，其绕流特性各异。当布局不当时，在建筑物外部往往造成局部不良的风环境：如卷起灰尘、纸屑及杂物并堆积于背风区；掀起屋顶覆盖物、破坏围护结构、幕墙玻璃、门窗等等，对广场、街道上的行人及交通安全构成威胁。此外，目前很多高层建筑采用钢结构框架，设计重量越来越轻，高度越来越高，而本身机械阻尼却越来越低，对风力作用越来越敏感，且往往是高柔性结构。尽管结构工程师能保证结构承受风荷载是安全可靠的，但风致振动，使大楼产生摆动，造成室内家具碰撞产生噪声，吊灯摇晃等现象，也会使居住者心理上备感不适。这里提出一个建筑物内部的风环境舒适性的问题。 1、外部风环境问题 长期以来，人们通过试验，观察制定了一个在人行街道、广场对人类活动感到不舒适的指标-“不舒适参数”Ψ，来测评近地面风环境的优劣。当Ψ≥1时，人们步行开始感到不适，伞难撑，眼难睁。步行者受风影响情况判别如表2所示。可见，仅当风速u∞≤5 m/s（或Ψ＜1）是舒适的，4～7级是不舒适的，8级以上则认为是危险的。 表2 步行者受风影响情况判别表 风速等级 3秒钟平均风速（米/秒） 风 速 影 响 情 况 1 0～5 人脸感到有风，但对行动或舒适性无影响。 2 5～10 对风敏感，脚步偶有不规则，但大多数行动尚不受影响。 3 10～15 步行不易，上身要前倾，脚步不规则，以直线前进。 4 15～20 步行艰难，难以控制，整个身体前倾，且摇摆不定。 5 20～25 安全行走的极限，安稳行走极难或不可能。 6 25～30 危险风速（国际通用23米/秒为危险风速极限）。 根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值是不同的。常见几种高层建筑群体，布局间相互干扰而引发的不舒适风环境的试验值Ψ如下。 （1）压力连通效应　如图2（1）、（2）所示，当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成街道风，在街道上形成不舒适区域。该区不舒适参数Ψ是建筑物高度的函数。一般而言，对10～11层，约35～40米高者，街道风的Ψ≈ 1.3～1.6；特殊情况，对塔式高层建筑，当相互间隔不大时（如约为1/4楼高），其Ψ≈ 1.8。 图2 压 力 连 通 效 应 （2）间隙效应：如图3所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域，其不舒适参数Ψ≈ 1.2～1.5，主要取决于建筑物的迎风面积与变窄剖面面积的比值或建筑物的高度。通常对7层楼高，底部不舒适参数Ψ≈ 1.2；楼高超过50米时，取Ψ≥1.5。 图3 间 隙 效 应 （3）拐角效应：如图4所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域；它们的Ψ≈ 1.2。对35～45米高的塔式建筑物，其Ψ≈ 1.4；对100米以上的塔式建筑物，其Ψ≈ 2.2。 图4 拐 角 效 应 （4）尾流效应：如图5所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。随着建筑物高度的增高，不舒适影响区增大，一般塔式建筑物的Ψ≈ 1.4～2.2，其影响范围与塔式建筑物的宽度与高度相近。 对低矮的建筑物，其Ψ≈ 0.5～1.6，影响区域纵深约为建筑物高度的1～2倍。 （5）下洗涡流效应：如图6所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。若前面低矮建筑物的高度h′与两楼间间距大致相等（e= h′）时，则不舒适影响最显著，其不舒适参数Ψ≈ 1.5～1.8，由于有垂直向下的风速分量，故更令人感到不舒适。图中阴影线为高风速区。 图6 下 洗 涡 流 效 应 除上述外，其它类型的外部风环境不舒适参数就不赘述。有些研究者提出尚需考虑出现频度，并提出在广场、停车场偶发阵风，若出现阵风u = 6 m/s，只要每年不大于10 % 的时间；人行道偶发阵风出现u = 12 m/s，每月不多于1～2次，吹刮时间又极短暂，尽管不舒适参数较高，应认为是可以接受。 2、内部风环境问题 人体感觉器官不能察觉绝对位移和速度，只能察觉它们的相对变化。而影响人体感觉不舒适的因素除加速度外，还有振动频率和持续时间。对高层建筑的居住者而言，后两项是难以限制的，唯有设法限制其振动加速度以满足人们的舒适要求是可能的。 目前对建筑物内部风环境的不舒适程度与振动加速度的对应关系，如表3所示（g为重力加速度）。 表3 人体舒适度与振动加速度限值关系 振动加速度限值（% g） 人体舒适程度 ＜0.5 无感觉 0.5～1.5 有感觉 1.5～5 令人不舒服 5～15 非常令人不舒服 ＞15 无法忍受 一种直观测评标准是根据大风季节里实测高楼楼顶层风致摆动的最大振幅来测评的。美国有关部门建议，设计良好的高楼其屋顶中心点的风致偏移量应控制在H/500[H为楼高度（米）]范围内，否则应采取措施以减小人感不适的建筑物摆动量。如在“9.11”恐怖事件中倒塌的美国世贸大厦，高度为417米，而大风季节实测偏移量达91厘米，稍许超标，最后世贸大厦采用粘弹性阻尼器减振，其优点是无需经常监控、且无需电源。而目前大多采用可调质量阻尼器，由弹簧、质量块、液压减振器组成来控制高楼的摆动。有资料表明，已使用的有澳大利亚悉尼的中心大厦、加拿大多伦多CN大厦，美国波士顿的约翰汉考克大厦及纽约的城市企业中心大厦等。台北101大厦就设置了“可调质量阻尼器”，在88-92楼层挂置一个重达660吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的振幅。 通过模型的风洞试验了解高层建筑间相互干扰对风压分布影响 众所周知，在建筑结构设计中除考虑抗竖向的重力、雪荷载及水平向的地震力外，随机的水平风荷载是设计中必需考虑的一个重要因素。显然，期望在建筑风荷载规范里寻找具体地貌区域里，设计外形各异的建筑物风荷载体型系数供设计计算之用，无疑是困难的。何况不同风向角下，其流态是不同的，风载荷体型系数是变化的，建筑物间也存在相互干扰，风载荷的影响量是难以预估的，故只有通过模型的风洞试验，了解在风力作用下高层建筑群体间的相互干扰影响和改变其外表面周边的风压分布情况，获取必要的风载荷数据，才能准确评估其各个高度上局部风环境的详情，才能确保百年大计的建筑物安全可靠，具有舒适的风环境。 通过对不同外形建筑群体的风洞试验结果表明：由于建筑物的形体各异，所处地貌不同，相互间的气动干扰是复杂的，套用规范值于单幢建筑物是欠妥的。何况风压分布在360o方位角上是变化的，尤其是地处东南沿海的台风影响区，而北半球台风按逆时针方向旋转，在不同风向角下高层建筑物的风压分布是变化的。故各种外形高层建筑物沿周边不同高度上，其风环境的变化是难以预估的，只有通过相似模型的风洞试验来定夺，以免低估其风压分布值而导致其周围的围护结构、玻璃幕墙、观光电梯、屋顶搭盖物、广告牌等等在大风季节出现风灾事故。 高层建筑及其群体不良风环境的防护与改善措施 由于规划、设计的失误而出现的高层建筑及其群体内、外的不良风环境，特别是体型不规则及怪异的建筑物，如何防护与改善已日益引起人们的重视。对于风致摆动问题，最好在规划伊始就对其气动外形的减振效果有所估计并对其在寿命期间里可能遭遇大风暴时应具备的强度、刚度，通过科学试验与设计计算予以解决。沿用机械工程减振措施而采用的可调质量阻尼器（TMD）及粘弹性阻尼器的方法，只是一种不得已而为之的补救辅助措施。下面主要提出一些高层建筑外部不良风环境的防护与改善措施。 1、对街道、广场、人行与交通安全有影响的街道风、穿堂风、尾涡旋风，通常主动方法是改变建筑物的布局、外形，尽量把引发不良风环境的根源，消除在建成之前。被动方法是采用挡墙、格栅、种植灌木林带、乔木林带来改善风环境，以保证车辆行驶与行人的安全，并确保高楼后广场、花园的洁净。 2、对高层建筑迎风面的下冲旋涡风的防护，目前大多采用裙楼结构隔断下冲气流，并在大楼主要出入口设置防护顶棚，以缓冲可能坠落的幕墙玻璃及其它装饰物。 3、建筑物的拐角处、平面与曲面的交接处、立面上凸出的观光电梯等部位常是出现负风压（吸力）的峰值区，设计时最好把直角边钝化或粗糙化，凸出部的法线与盛行风向应避免相垂直以减弱气流分离而形成高吸力区，或在负压峰值区设置百叶窗式的扰流罩以镇压过高的负压峰值。 4、屋顶，不管是平屋顶、人字形或斜截头屋顶、半圆形屋顶等，通常在其屋脊、四周屋檐及拐角处出现负风压峰区。尤其平屋顶的周沿及拐角，其负压峰值较大。防护与改善方法是在平屋顶边缘处加一矮护墙，使拐角区域的旋涡抬离屋顶面。试验资料表明，这一措施可使最大吸力急剧下降；也有人在拐角处安置突出物（如烟囱、装饰物等），扰动分离旋涡也达到减轻局部区域最大吸力的目的。 5、对于外挑梁尖角处，通常负压较高，人们常采用绕流装置（如镇风兽等），以减弱旋涡分离强度。对于位于喇叭状收缩段（风嘴口）的建筑物或构筑物，由于直接暴露在强风中，设计时除注意外形外还应注意强度、刚度校核及安全系数的选取，以免招致风灾。 6、对玻璃幕墙的设计特别要注意按风环境最不利影响（如负风压最大值）设计，并严格按施工规范施工，以避免大风吹落玻璃扎伤行人或汽车等，造成伤亡事故。 7、对高层建筑施工脚手架、塔吊、垂直运输井架等，安装使用要考虑风影响。 8、高层建筑设置广告牌要根据风环境严密策划、认真计算，同时，要精心设计，精心施工。应制订相关标准，严格管理。 众所周知，整体风荷载是高层建筑结构设计必需考虑的；而局部风荷载则对外墙面上的覆面设计、搭盖物、观光电梯、屋顶设计及周边风环境的设计起决定作用。通过本课题的研究，就所引证的大量实验数据充分说明：高层建筑及其群体期望建成后有一个良好的风环境，在规划设计伊始，一定要根据具体设计方案，认真进行模型的风洞试验，获取包括其周边建筑物、构筑物干扰影响在内的真实风压分布数据，并经论证、修改设计，反复试验直至获得较为满意的风压分布数据后方付诸实施，以免留下遗憾，造成不必要的损失。在有条件的情况下，应对厦门的高层建筑做一些实测，积累基础数据，以供规划设计参考采用。在此呼吁规划、设计的决策者们，在高层建筑外形设计与布局时，请给子孙后代留下一个舒适、安逸的风环境！ （作者单位：厦门市建筑装饰协会）