CN105844041A - 超高层建筑的适风设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高层建筑的适风设计方法，所述方法以降低风荷载和/或降低风荷载效应为目的，使所设计的建筑物具有可变化的空气动力学外形，本发明能够在强风情况下提高建筑物对风效应的自适应能力，从而减小抗风结构体系的设计荷载，同时降低建筑外形设计中对空气动力学优化的要求。
Description
技术领域
本发明涉及超高层建筑与结构设计。
背景技术
超高层建筑设计中的一大挑战是风效应问题。这里定义的超高层建筑系指高度超过200米或者高宽比大于6的高层建筑。这类建筑物对风效应比较敏感。
由于高层的风速较大、超高层结构的固有周期较长、结构阻尼比较低等原因，风荷载往往是控制结构抗侧体系设计的主要荷载。研究表明，建筑外形的空气动力学优化能大大降低结构风荷载与风致结构振动，带来可观的经济效益。在不少超高层建筑设计中，空气动力学优化成为设计成败的关键。目前在超高层建筑的空气动力学优化中采用的具体方法包括楼角的柔化处理、立面随高度收缩或随高度成阶梯状、立面扭转、上部开孔等等。
虽然目前的建筑外形空气动力学优化方法存在诸多优点而受到重视，但也存在着与其它设计要素之间的内在冲突，使得空气动力学优化的实际效率与广泛应用受到极大限制。这些内在冲突主要表现在以下几方面。
(1) 减低建筑效率。这方面最典型的例子是立面收缩的空气动力学优化方法。立面收缩将导致建筑物上部楼层的建筑面积大大减少。楼角柔化处理的空气动力学优化方法则使得最昂贵的楼角单元的使用性能受到一定程度的削弱。
(2) 增加设计和施工的难度与成本。典型的例子是外立面扭转的空气动力学优化方法。该方法使得幕墙系统的设计难度与建造成本都大大提高。
(3) 与建筑设计理念发生冲突。满足空气动力学优化要求的建筑外形可能与周围环境不协调，可能影响建筑表现力，或者在美学上有悖建筑师的设计理念，等等。
因此建立一种既满足空气动力学优化要求，对其它设计要素又不产生或极少产生冲突的超高层建筑设计方法是一个亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超高层建筑的适风设计方法，能够在强风情况下提高建筑物对风效应的自适应能力，从而减小抗风结构体系的设计荷载，同时降低建筑外形设计中对空气动力学优化的要求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述方法以降低风荷载和/或降低风荷载效应为目的，使所设计的建筑物具有可变化的空气动力学外形，并包括以下步骤：
（1）设计建筑的基本外形；
（2）根据基本外形和抗风设计参数设计初步的结构系统，并按该结构系统确定结构将承受的风荷载；
（3）根据该结构风荷载验算所设计的结构系统的抗风能力，以确定是否需要降低结构风荷载；
（4）如果需要降低结构风载荷，则在建筑的基本外形基础上设计能对气流流动实施控制的装置，并定义该流动控制装置启动后的建筑外形为受控外形；
（5）确定受控外形的空气动力学参数；
（6）根据受控外形的空气动力学参数、结构动力学参数以及抗风设计参数，确定受控外形结构在强风暴状态时的结构风荷载；
（7）确定用于建筑物基本外形状态的设计风速U N 与相应的结构风荷载；
（8）按照基本外形的结构风荷载与受控外形的结构风荷载两者之间最不利的情况设计各结构构件；
（9）根据基本外形状态的设计风速U N 确定建筑物由基本外形转换为受控外形的启动风速U T ；
（10）设计流动控制装置的启动机构，以具体实现建筑物在基本外形和受控外形之间的转换。
所述步骤（2）和（6）中的抗风设计参数是指满足建筑设计规范要求的抗风设计参数，至少包括与抗风设计回归期一致的设计风速U D 与场地资料。
所述适风设计方法还包括完善结构设计的步骤，所述完善结构设计的步骤具体包括：
（1）确定常态风状态的设计风速U N ；
（2）根据以下两阶段中最不利的荷载效应验算结构构件：
a. 基本外形建筑物在常态设计风速U N 下的风荷载；
b. 受控外形建筑物在抗风设计风速U D 下的风荷载。
所述基本外形是指根据设计意图与目标完成的建筑外形，所述受控外形是指在基本外形基础上为适应风荷载变化而转换形成的具有更高抗风性能的建筑外形，所述基本外形和受控外形之间可以相互转换。
所述适风设计方法分为包括基本外形设计和受控外形设计两个阶段，所述基本外形设计阶段对应常态风，所述受控外形设计阶段对应强风暴，在所述基本外形设计阶段的重点考虑建筑物的功能与效率，在所述受控外形涉及阶段重点考虑建筑物的结构抗风安全性。
所述基本外形设计阶段的风荷载设计参数允许采用低于目前抗风设计回归期的风速或风压验算结构风荷载，所述受控外形设计阶段的风荷载设计参数采用与目前抗风设计回归期相同的风速或风压验算结构风荷载。
所述流动控制装置能在强风预警时启动，将建筑物由基本外形转换为受控外形，并能在警报解除时使得建筑物由受控外形恢复为基本外形。
所述适风设计方法在所述步骤（10）后还包括根据上述步骤编制用户手册的步骤，所述用户手册的内容包括：参考风速的规定、风暴预警的获取方式以及流动控制装置的操作与维护说明。
本发明是一种高层建筑抗风设计的新方法，该方法解决了建筑空气动力学优化设计与其它方面设计之间的内在冲突。
本发明的适风设计方法，将建筑物设计成具有两种不同的空气动力学外形：基本外形（Basic Configuration）与受控外形（Controlled Configuration），基本外形是指建筑物在绝大多数时间内呈现的外形，即没有对建筑外形进行特意的空气动力学处理，受控外形则是在基本外形基础上引入局部流动控制装置后的建筑外形，是建筑物在强风到来前通过外形转换系统形成的临时建筑外形，受控外形使得建筑物在强风时受到的风荷载大大减低，适风设计方法的基本思路与工作原理如图1所示。
本发明的适风设计方法与目前的抗风设计方法不同点之一：目前的抗风设计方法考虑的是固定的建筑外形，采用“以不变应万变”的设计思路，将建筑物设计成在任何时刻都能抵抗罕遇的极端风（例如50年或100年回归期风暴）。本发明的适风设计方法则基于强风可预报的事实，采用“随机应变”的设计思路，将建筑物设计成能根据需要调整自身的空气动力学外形。仅在罕遇的极端风情况下，才需要确保建筑物能抵抗罕遇的极端风。
本发明的适风设计方法与目前的抗风设计方法不同点之二：目前的抗风设计方法按抗风设计回归期（50年或100年）设计抗风结构系统，考虑的是罕遇的极端风事件，所以在绝大部分使用年限内存在过多的强度储备。本发明的适风设计方法按低于抗风设计回归期（10年或20年）设计基本外形下的抗风结构系统，使得结构在绝大部分使用年限内具有合适的强度储备。而在罕遇强风情况下，则启动外形空气动力学优化来降低对结构强度的要求，然后按抗风设计回归期（50年或100年）验算受控外形下的抗风结构系统，使得结构在罕遇强风情况下具有足够的强度储备。图2给出按目前的抗风设计方法所采用的设计风荷载与按适风设计方法采用的设计风荷载之比较示意，可见适风设计方法带来的经济效益是显然的。
本发明的适风设计方法与目前的抗风设计方法不同点之三：目前的抗风设计方法属于一阶段设计法，即在设计过程中需要同时考虑建筑外形对抗风性能的影响与对其它设计要素（例如建筑效率、美学等）的影响，并综合平衡各方面的利弊，参见图3。本发明的适风设计方法则属于二阶段设计法，即允许将建筑外形对抗风性能的影响与对其它设计要素的影响分在常态风阶段与强风暴阶段这两个不同阶段内分别考虑，参见图4。常态风阶段内建筑物为基本外形，抗风验算时采用较低的回归期风速（10年至20年左右），从而允许将这阶段设计的重点放在建筑效率、功能、美学等方面。强风暴时建筑物转换为受控外形。建筑物处于受控外形的实际出现率很低（例如一年一次或多年一次，每次小于一周左右），从而允许将这阶段的设计重点放在结构抗风方面，而对其它设计要求（例如建筑美学等）可以适当放松。
本发明的适风设计方法与目前的抗风设计方法不同点之四：目前的抗风设计方法中的空气动力学优化是以一种凝固的形态成为建筑外形的一部分，本发明的适风设计方法中的空气动力学优化则是以一种可变的形态成为建筑外形的一种应需措施。这种措施包括在强风到来时启动导流板、气动稳定板、或扰流装置等等，也包括应需开启的泄流通道等等。
本发明的适风设计方法与目前的抗风设计方法不同点之五：目前的抗风设计方法中需要考虑极端风情况下的结构可靠度。本发明的适风设计方法中不但需要考虑极端风情况下的结构可靠度，而且需要考虑常态风情况下的结构可靠度，以及由基本外形向强风暴时的受控外形转换过程中的系统可靠度。
与目前的抗风设计方法相比，本发明适风设计方法的益处如下：
（1）建筑设计较少受制于对外形空气动力学优化的要求，扩大了建筑设计的自由空间，增加了设计的灵活性。使得建筑物的基本功能得以充分展现与优化，从而能提高建筑设计的效率、改善建筑物的使用性能、并且优化建筑物的经济指标。
（2）建筑外形的空气动力学优化设计较少受制于对建筑其他方面设计的要求，扩大了空气动力学优化方法的选择空间，使得更多样化、更高效的空气动力学优化方法能够得以实施，从而能更大程度地提高建筑外形空气动力学优化的效率，改善建筑物的安全指标与经济指标。
（3）为未来的建筑工业化提供有力的技术支撑。目前抗风设计中的空气动力学优化方法不适合建筑工业化，而采用适风设计方法则可以将流动控制装置及其启动机构标准化、模块化、和工厂化，有望为工业化的高层建筑提供商品化的抗风构配件。
针对高层建筑的抗风，本发明的适风设计方法给出了一种崭新的设计思路和具体的概念设计。这一设计方法可以概括为以降低风荷载及其风荷载效应为目的，以强风预警时改变建筑物的空气动力学外形为具体对策，所采用的建筑与结构设计方法。虽然具体的工程项目有各自的特殊性，例如项目所在地的风气候，项目周围的地形地貌、所设计建筑物的基本外形、等等，但本发明的适风设计方法则具有普遍适用性。对抗风要求比较高的工程项目，适风设计方法更显示其优越性。
本发明的适风设计方法可以作为目前抗风设计方法的补充，解决强风区超高层建筑设计中的问题。
附图说明
图1是本发明的适风设计方法的基本思路。
图2是传统的抗风设计方法和本发明的适风设计方法中设计风荷载的比较示意图。
图3是目前的抗风设计方法的流程框图。
图4是本发明的适风设计方法的流程框图。
图5是本发明的流动控制装置与其控制方法的示意图。
图6是本发明的流动控制装置启动的基本方式示意图。
图7是本发明的实施例中的建筑基本外形及其坐标轴定义。
图8是本发明的实施例中基本外形的基底倾覆力矩与参考风速的关系。
图9是某些常用的空气动力学外形优化方案示意图。
图10是借助风洞试验的流动控制装置。
图11是一种有效的流动控制方式。
图12是本发明的实施例中受控外形的基底倾覆力矩与参考风速的关系。
图13是本发明的实施例中建筑按适风设计方法的设计风荷载。
图14是本发明的实施例中建筑物的横风向功率谱。
具体实施方式
实施例1。
本发明的适风设计方法如图4所示，各具体设计步骤分述如下：
（1）确定抗风设计的基本参数。这主要包括抗风设计风速U D （一般取50至100年回归期风速）、风向资料、场地资料等等与结构风效应有关的基本资料。
（2）建筑外形设计资料。即根据设计意图与目标完成的建筑外形概念设计或初步设计，该建筑外形为“基本外形”。
（3）确定基本外形的空气动力学参数。即根据步骤（2）所述建筑外形涉及资料并结合步骤（1）所得风资料和场地资料确定基本外形的空气动力学参数。目前最可靠并被工程应用接受的方法是采用风洞模型试验。空气动力学参数包括风压风力系数及其统计值、风荷载功率谱、风荷载约化时程、等等。
（4）结构初步设计资料。根据步骤（1）和步骤（2）所得资料估计初步的结构风荷载，并在此基础上由结构工程师完成结构的初步设计，然后通过动力分析得到结构的各项动力特性参数。
（5）基本外形状态结构风荷载。根据步骤（3）所得空气动力学参数并结合步骤（4）所得结构动力特性参数，确定基本外形情况下的实际结构总风荷载。
（6）判断是否需要降低结构风荷载。将步骤（5）所得实际结构总风荷载与步骤（4）初步估计的结构风荷载作比较后，决定是否需要考虑降低结构风荷载。
如果发现实际结构的风荷载不控制结构设计（例如抗侧体系由地震荷载控制），或者实际结构的风荷载小于初步设计中的估计值并且决定不修改设计，则选择“否”。在这种情况下，适风设计与目前的抗风设计没有区别。
如果发现实际结构的风荷载大于初步设计中的估计值并且该风荷载控制结构的设计，或者期望通过减低风荷载进一步优化结构设计，则选择“是”。设计由此进入第二阶段。
（7）设计受控外形及流动控制方法。在基本外形的基础上，借助物理试验、理论分析、数值模拟、以及结合工程经验等方法研发流动控制的具体措施以期改善空气动力学性能。绝大多数超高层建筑的设计风荷载由横风向响应控制。通过控制横风向涡脱的气动方法能有效降低风荷载。典型的流动控制方法如图5所示。
（8）确定受控外形及空气动力学参数。即根据步骤（2）所述建筑外形并结合步骤（1）所得风资料和场地资料，确定受控外形的空气动力学参数。目前最可靠并被工程应用接受的方法是采用风洞模型试验。空气动力学参数包括风压风力系数及其统计值、风荷载功率谱、风荷载约化时程等等。
（9）强风暴状态结构风荷载。根据步骤（8）所述空气动力学参数并结合步骤（4）所得结构动力特性参数，确定受控外形在强风暴状态时的结构风荷载。
（10）确定常态风状态的设计风速U N 。这一风速用于建筑物基本外形时的风荷载验算。U N 的取值原则是基本外形在U N 风速下的风荷载不大于受控外形在抗风设计风速U D 下的风荷载。取较小的常态设计风速U N 使得气动特性较差的建筑物基本外形容易被设计接受，但将提高对受控外形的气动优化要求，同时外形转换的出现率也会相对频繁些。对每一项具体工程，需要根据实际情况具体确定这些设计风速。一般建议考虑U N 取10年至20年回归期风速。
（11）完善结构设计。根据以下两阶段中最不利的荷载效应（例如应力应变）验算结构构件：
基本外形建筑物在常态设计风速U N 下的风荷载；
受控外形建筑物在抗风设计风速U D 下的风荷载。
（12）确定流动控制启动风速U T 。当预警的强风暴达到这一风速时，建筑物需要从基本外形转换至受控外形，从基本外形到受控外形的转换可以通过启动流动控制装置来实现。流动控制装置作用在建筑物上，使得建筑物部分地变换位置或形状，从而实现外形的变化。启动风速U T 的取值原则是必须小于常态设计风速U N ，一般建议考虑启动风速U T 的出现概率至少二倍于常态设计风速U N 的出现概率，以便对外形转换系统的可靠性有一定的宽容度。
（13）根据（7）与（12）所获得的流动控制方式和启动条件，设计流动控制装置与启动机构。典型的流动控制装置的启动方式如图6所示。
（14）编制用户手册。制定有关流动控制装置的操作与维护说明，并将此作为物业管理部门的技术规程与操作指南。其内容包括：
a. 参考风速的规定。
参考风速的定义应与风暴预警中的风速定义一致，以避免换算错误。用户手册中的流控启动风速以参考风速定义并取值。
b. 风暴预警的获取方式。
具体设定风暴预警的获取方式，例如通过与气象台联网方式、物业管理软件自动上网搜索方式、以及其它获知实时气象预报的方式。
c. 外形转换机构的启动方式。
启动方式可以是全自动、半自动、和/或手动方式。启动方式中还应包括应急启动方式，即一旦启动机构发生故障（包括断电）时可采用的人工启动方式。
d. 外形转换机构的复位，包括复位的条件与复位方式。
e. 外形转换机构的检查与维护。为保证外形转换机构的正常工作，需要进行定期检查、维护、以及启动/复位操作演练。这可以与常规的消防检查演练一样纳入物业管理的基本内容与条款。
f. 外形转换机构的操作培训教程。
作为比较，图3给出目前抗风设计的流程框图。如果需要降低风荷载，适风设计方法是进行流动控制方法的研制，基本上不要求改变原设计。而抗风设计方法则要求修改建筑设计和/或修改结构设计，而且该修改－判据的过程可能需要多次重复。一般来说，最后的抗风设计是平衡各方面因素的结果，即风荷载的减低是在某种程度上建筑/结构设计方面的让步达成的。
实施例2。
下面结合实例对本发明的适风设计方法作进一步的说明。
以图7所示典型超高层建筑为例。设计基本资料如下：
a. 正方形截面67层超高层，建筑高度270米，建筑宽度45米。
b. 结构侧移基本模态的固有周期为7秒，结构阻尼比为2%。
c. 按100年回归期设计，基本风压0.75kPa。
d. 周围场地为规范C类地貌。
e. 结构坐标系统与风向角定义参见图7。
按初步设计的建筑基本外形与结构动力特性，通过风洞试验与分析，得到表征总体风荷载大小的基底倾覆力矩与参考风速的关系，如图8所示。其中参考风速U 0 为相应开阔场地上10米高度的十分钟平均风速。100年回归期参考风速为34.6m/s（U D =34.6m/s），与基本风压0.75kPa一致。顺风向倾覆力矩沿X方向，横风向倾覆力矩沿Y方向。
图8证实了该超高层建筑的设计风荷载是由横风向荷载控制的。在本实施例中，横风向倾覆力矩是顺风向倾覆力矩的二倍以上。这样大的横向风荷载不但带来结构设计方面的困难，而且一般来说由此设计的结构是不经济的。按目前国内外通常的做法，风工程顾问会建议建筑师修改原设计。
图9列出一些风工程顾问经常建议的方案。显然所有这些修改方案都极大改变了原设计，不但导致建筑设计必须几乎从头开始，而且可能带来前述的建筑理念、建筑效率、设计与施工难度、建造成本等一系列问题。但采用本发明的适风设计方法，基本上不需要改变原设计。而是在原设计基础上，考虑强风状态时通过启动流动控制装置达到降低风荷载的目的。为此需要研发有针对性的流动控制装置。风洞模型试验是目前最为实用可靠的技术手段，如图10所示。
由于建筑上部的流动控制效果较明显，本实例中仅考虑在建筑上部1/3高度内设置流动控制装置。图11为所选定的流动控制方法，其中导流板与建筑外立面的夹角为45o，这可以采用旋转方式启动该导流板。在未启动前该导流板与建筑外立面持平，从而能保持原建筑设计的基本外形。
图12为建筑物在受控外形下得到的基底倾覆力矩与参考风速的关系。
假设在风速达到20年回归期风速前，建筑物由基本外形转换为受控外形，得到的设计倾覆力矩如图13所示。可以看出按适风设计方法，本实例中的设计风荷载可以降低30%。100年回归期倾覆力矩由原来的1.69×1010N-m减低为1.18×1010N-m。当风荷载是抗侧结构系统设计的控制荷载时，30%的荷载折减量所带来的经济效益是非常可观的。
偏保守地假设外形转换机构（流动控制装置的启动机构）的事故率不超过50%，则可取外形转换启动风速U T 为10年回归期参考风速。这样在每一年内，需要将基本外形转换为受控外形的概率仅为10%。
本实施例充分证明：局部流动控制装置对超高层建筑的横风向荷载的控制尤为突出，本实例的流动控制装置主要是减低了的横风向荷载谱的峰值部分（图14），因此对控制强风地区超高层建筑的横风向响应效果更佳。
上述流动控制装置结构简单、效率很高，在未启动前该装置可与建筑立面持平，对建筑物的基本外形几乎没有影响，但如果采用目前的建筑外形优化设计方法，需要将该流动控制措施处于永久开启状态，这一般很难被建筑师接受，采用适风设计方法克服了目前建筑外形优化方法中的这一局限性。
本实例仅为了说明本发明的具体应用思路。适风设计方法在实际工程项目中的应用需要比上述实例详尽很多（详见图4），其中需考虑不同风向角的响应分析、结合风气候资料的统计分析、除倾覆力矩之外的其它荷载效应、以及根据实际需求对不同流动控制方法的比较与优化等问题。但其基本原理和概念设计则与上述实例一致。
Claims (8)
1.超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述方法以降低风荷载和/或降低风荷载效应为目的，使所设计的建筑物具有可变化的空气动力学外形，并包括以下步骤：
（1）设计建筑的基本外形；
（2）根据基本外形和抗风设计参数设计初步的结构系统，并按该结构系统确定结构将承受的风荷载；
（3）根据该结构风荷载验算所设计的结构系统的抗风能力，以确定是否需要降低结构风荷载；
（4）如果需要降低结构风载荷，则在建筑的基本外形基础上设计能对气流流动实施控制的装置，并定义该流动控制装置启动后的建筑外形为受控外形；
（5）确定受控外形的空气动力学参数；
（6）根据受控外形的空气动力学参数、结构动力学参数以及抗风设计参数，确定受控外形结构在强风暴状态时的结构风荷载；
（7）确定用于建筑物基本外形状态的设计风速U N 与相应的结构风荷载；
（8）按照基本外形的结构风荷载与受控外形的结构风荷载两者之间最不利的情况设计各结构构件；
（9）根据基本外形状态的设计风速U N 确定建筑物由基本外形转换为受控外形的启动风速U T ；
（10）设计流动控制装置的启动机构，以具体实现建筑物在基本外形和受控外形之间的转换。
2.如权利要求1所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述步骤（2）和（6）中的抗风设计参数是指满足建筑设计规范要求的抗风设计参数，至少包括与抗风设计回归期一致的设计风速U D 与场地资料。
3.如权利要求1所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述适风设计方法还包括完善结构设计的步骤，所述完善结构设计的步骤具体包括：
（1）确定常态风状态的设计风速U N ；
（2）根据以下两阶段中最不利的荷载效应验算结构构件：
a. 基本外形建筑物在常态设计风速U N 下的风荷载；
b. 受控外形建筑物在抗风设计风速U D 下的风荷载。
4.如权利要求1所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述基本外形是指根据设计意图与目标完成的建筑外形，所述受控外形是指在基本外形基础上为适应风荷载变化而转换形成的具有更高抗风性能的建筑外形，所述基本外形和受控外形之间可以相互转换。
5.如权利要求4所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述适风设计方法分为包括基本外形设计和受控外形设计两个阶段，所述基本外形设计阶段对应常态风，所述受控外形设计阶段对应强风暴，在所述基本外形设计阶段的重点考虑建筑物的功能与效率，在所述受控外形涉及阶段重点考虑建筑物的结构抗风安全性。
6.如权利要求5所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述基本外形设计阶段的风荷载设计参数允许采用低于目前抗风设计回归期的风速或风压验算结构风荷载，所述受控外形设计阶段的风荷载设计参数采用与目前抗风设计回归期相同的风速或风压验算结构风荷载。
7.如权利要求1所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述流动控制装置能在强风预警时启动，将建筑物由基本外形转换为受控外形，并能在警报解除时使得建筑物由受控外形恢复为基本外形。
8.如权利要求1所述的超高层建筑的适风设计方法，其特征在于：所述适风设计方法在所述步骤（10）后还包括根据上述步骤编制用户手册的步骤，所述用户手册的内容包括：参考风速的规定、风暴预警的获取方式以及流动控制装置的操作与维护说明。
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