高层建筑风载影响

1、 PAGE 13Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.高层建筑风环境及其影响研究江清源 概述随着厦门经经济特区区的发展展，一座座座标志志性的高高层建筑筑拔地而而起，人人们自然然关心风风这个自自然因素素对这些些高层建建筑有什什么影响响？反过过来这些些高层建建筑周围围又会形形成一个个什么样样的风环环境？它它对城市市规划建建筑设计计、施工工和人们们的生活活有什么么影响？近年来来风工程程研究工工作者都都在对高高层建筑筑的风环环境进行行研究。所谓“高层层建筑”，联合合国教科科文组织织所属的的世界高高层建筑

2、筑委员会会在19972年年召开的的年会上上曾建议议将高层层建筑分分为四类类：即99166层最高高50米米者为第第一类；1725层层最高775米者者为第二二类；226440层最最高1000米者者为第三三类；440层以以上高于于1000米者为为第四类类高层建建筑（超超高层建建筑）。我国在上世世纪800年代以以前，110层以以上就称称为高层层建筑。但但目前的的标准已已定为：20层层左右为为中高层层建筑；30层层，高1100米米左右为为高层建建筑；550层，高高2000米以上上为超高高层建筑筑。国外高层建建筑及其其群体所所造成负负面影响响不良良风环境境问题，甚甚至风灾灾，事故故频发，不不得不引引起我们

3、们的关注注和重视视。国内内近几年年来建筑筑物的玻玻璃幕墙墙、屋顶顶搭盖物物被大风风吹毁的的事例也也不少。如如上世纪纪末宁夏夏回族自自治区某某宾馆在在偶发阵阵风作用用下，一一片幕墙墙玻璃飞飞落，当当场把在在宾馆门门口迎宾宾的新娘娘子砸死死。还有有浙江大大学逸夫夫楼在一一夜大风风劲吹下下，所有有的幕墙墙玻璃几几乎都被被吹毁。至至于台风风季节建建筑物、结结构物、幕幕墙玻璃璃及覆盖盖物等被被风吹毁毁的事例例，在沿沿海城市市更是屡屡见不鲜鲜的事实实。如99114#台台风登陆陆厦门吹吹倒了厦厦门会展展中心施施工塔吊吊，厦门门太古飞飞机工程程公司机机库钢板板屋面被被风掀翻翻，也是是人所共共知。 除上述建建筑

4、物及及其群体体在大风风中其覆覆面材料料或构件件被毁坏坏的事例例外，由由于建筑筑物的体体型及其其群体布布局不当当而给行行人及地地面交通通、生活活环境等等带来的的不良风风环境影影响的事例也更多。在大风季节节时，高高层建筑筑及其群群体的布布局，可可能造成成对自身身及其周周围不良良风环境境，甚至至风灾的的课题，已已责无旁旁贷地展展现在今今日城市市规划、建建筑设计计部门、施施工单位位的面前前。如同同城市中中大气污污染、噪噪声污染染、光污污染、采采光权纠纠纷等环环境问题题一样，能能否在高高层建筑筑的规划划与布局局伊始，事事先就周周密地考考虑到优优化风环环境，防防范不测测风灾，而而进行认认真的论论证和试试验

5、，这这已成为为评估城城市建设设规划优优劣的一一个重要要衡量指指标。显显然，良良好的风风环境指指的是，在在气象工工作者给给出的某某一大区区域里风风特性的的条件下下，为了了使人们们工作、居居住生活活与活动动有一个个舒适的的环境，城城市规划划与设计计部门能能否力求求以最小小的代价价去营造造一个安安全而舒舒适的风风环境，来来满足广广大人民民群众安安居乐业业之需。本本文笔者者尽所能能地收集集国内外外带有普普遍性的的高层建建筑风环环境问题题的详实实资料和和风洞试试验数据据，进行行分析研研究。高层建筑在在风力作作用下的的绕流特特性 风场实测测表明，对对建筑物物绕流特特性影响响最显著著的是近近地面风风，而近近

6、地面风风是有着着显著的的紊乱性性和随机机性。在在一定的的时间间间隔内，各各个高度度的平均均风速几几乎是不不变的，但但实际绕绕流风速速平均值值是脉动动的，且且风速的的平均值值随高度度的增加加按指数数律增大大，故通通常认为为风速是是由不变变的平均均风速和和变化的的脉动风风速两部部分组成成的。作作用在建建筑物上上的风压压也可归归结为由由静态的的平均风风压和动动态的脉脉动风压压两部分分组成。在风力作用用下，高高层建筑筑表面风风压分布布的测定定，目前前多在模模拟大气气边界层层风场的的风洞中中对模型型进行动动态测量量试验获获得。但但也有些些对已建建成的建建筑物进进行实测测，以收收集可贵贵的风荷荷载资料料，

7、供日日后设计计时参考考或改造造原设计计之用。为为阐明风风力对高高层建筑筑及其周周边环境境的影响响，下面面对一座座较为典典型的高高层建筑筑模型在在风洞试试验中观观测到的的典型绕绕流状况况作简单单介绍。图1 矩形板板式高层层建筑典典型模型型绕流示示意图由图1可见见，在迎迎风墙面面上气流流受阻，动动压降低低，静压压增高，约约在对称称中心线线上3/4高处处，存在在一点风风速为零零，即驻驻点O，其其压强最最大。由由于迎面面风速随随高度增增加而增增大，相相应其阻阻滞的静静压也相相应增大大。故在在驻点OO下存在在一个递递降的静静压梯度度，迫使使一股风风向下流流动。若若建筑物物下部有有拱廊（过过道），则则有些

8、风风就加速速穿过拱拱廊流向向背风面面的负压压区，在在拱廊里里形成一一股强劲劲的穿堂堂风；若若建筑物物整个是是密封的的，则在在下部形形成一个个类似于于二次流流的固定定旋涡，而而后分两两股成马马蹄形流流向建筑筑物两侧侧，并向向背风面面的负压压区流去去，增强强背风面面的吸力力。由驻驻点O向向两侧和和屋顶方方向，由由于三维维效应，静静压也逐逐渐降低低，至拐拐角棱边边处风速速急剧增增大，气气流沿棱棱边分离离，伴生生旋涡，造造成侧壁壁及屋顶顶形成较较为均匀匀的负压压区。一一般而言言，近侧侧负压绝绝对值稍稍大些，远远侧则稍稍小些。顺顺流而下下在建筑筑物背风风面形成成尾流区区，尾流流区的负负压绝对对值，一一般

9、边缘缘处略大大，中心心区略小小。这种种绕流特特性对建建筑物本本身的搭搭盖物、覆覆盖饰物物、幕墙墙玻璃等的的影响在在后面阐阐述，而而对近地地面2米米高度行行人处环环境风速速的影响响程度，经经实测，一一般实际际情况大大致如表表1所示示（设高高层建筑筑物的高高度为其其周边建建筑物高高度的448倍倍情况）。表1 板式式高层建建筑周围围环境的的近似风风速比绕 流 情情 况（测点）地面2米高高度处与与屋顶平平均风速速的比值值地面有固定定旋涡（1）0.5 : 1底层中央有有拱廊（2）1.2 : 1绕建筑物拐拐角处（3）0.95 : 1高层建筑内内、外风风环境不不舒适性性测评准准则高层建筑及及其群体体的外形形

10、、布局局，随设设计者的的构思而而异。在在风力作作用下，其其绕流特特性各异异。当布布局不当当时，在在建筑物物外部往往往造成成局部不不良的风风环境：如卷起起灰尘、纸纸屑及杂杂物并堆堆积于背背风区；掀起屋屋顶覆盖盖物、破破坏围护护结构、幕幕墙玻璃璃、门窗窗等等，对对广场、街街道上的的行人及及交通安安全构成成威胁。此此外，目目前很多多高层建建筑采用用钢结构构框架，设设计重量量越来越越轻，高高度越来来越高，而而本身机机械阻尼尼却越来来越低，对对风力作作用越来来越敏感感，且往往往是高高柔性结结构。尽尽管结构构工程师师能保证证结构承承受风荷荷载是安安全可靠靠的，但但风致振振动，使使大楼产产生摆动动，造成成室

11、内家家具碰撞产产生噪声声，吊灯灯摇晃等等现象，也也会使居居住者心心理上备备感不适适。这里里提出一一个建筑筑物内部部的风环环境舒适适性的问问题。1、外部风风环境问问题长期以来，人人们通过过试验，观察制制定了一一个在人人行街道道、广场场对人类类活动感感到不舒舒适的指指标-“不舒适适参数”，来测测评近地地面风环环境的优优劣。当当1时时，人们们步行开开始感到到不适，伞伞难撑，眼眼难睁。步步行者受受风影响响情况判判别如表表2所示示。可见见，仅当当风速uu5 m/s（或1）是是舒适的的，47级是是不舒适适的，88级以上上则认为为是危险险的。表2 步行者者受风影影响情况况判别表表风速等级3秒钟平均均风速（米

12、米/秒）风 速 影影 响 情 况况105人脸感到有有风，但但对行动动或舒适适性无影影响。2510对风敏感，脚脚步偶有有不规则则，但大大多数行行动尚不不受影响响。310155步行不易，上上身要前前倾，脚脚步不规规则，以以直线前前进。4 1520步行艰难，难难以控制制，整个个身体前前倾，且且摇摆不不定。520255安全行走的的极限，安安稳行走走极难或或不可能能。625300危险风速（国国际通用用23米米/秒为为危险风风速极限限）。根据高层建建筑物的的外形，相相互布局局情况及及风的相相对方向向，可能能测得的的建筑物物外部环环境的不不舒适参参数值是不不同的。常常见几种种高层建建筑群体体，布局局间相互互

13、干扰而而引发的的不舒适适风环境境的试验验值如下。 （1）压压力连通通效应如图22（1）、（22）所示示，当风风垂直吹吹向错开开排列的的高层建建筑物时时，若建建筑物间间的距离离小于建建筑物的的高度，则则有部分分压力较较高的风风流向背背面压力力较低的的区域，形形成街道道风，在在街道上上形成不不舒适区区域。该该区不舒舒适参数数是建筑筑物高度度的函数数。一般般而言，对对1011层层，约335440米高高者，街街道风的的 1.311.6；特特殊情况况，对塔塔式高层层建筑，当当相互间间隔不大大时（如如约为11/4楼楼高），其其 1.8。 图2 压 力 连连 通 效 应应（2）间隙隙效应：如图33所示，当当

14、风吹过过突然变变窄的剖剖面时（如如底层拱拱廊），在在该处形形成不舒舒适区域域，其不不舒适参参数 1.211.5，主主要取决决于建筑筑物的迎迎风面积积与变窄窄剖面面面积的比比值或建建筑物的的高度。通通常对77层楼高高，底部部不舒适适参数 1.2；楼楼高超过过50米米时，取取1.5。图3 间间 隙 效 应应（3）拐角角效应：如图44所示，当当风垂直直吹向建建筑物时时，在拐拐角处由由于迎面面风的正正压与背背面风的的负压连连通形成成一个不不舒适的的拐角区区域；有有时，当当两幢并并排建筑筑物的间间距L2d（d为建筑筑物沿风风向的长长度）时时，两幢幢间也形形成不舒舒适区域域；它们们的 1.2。对对3545

15、米米高的塔塔式建筑筑物，其其 1.4；对1000米以以上的塔塔式建筑筑物，其其 2.2。图4 拐 角角 效 应（4）尾流流效应：如图55所示，在在高层建建筑物尾尾流区里里，自气气流分离离点的下下游处，形形成不舒舒适的涡涡流区。随随着建筑筑物高度度的增高高，不舒舒适影响响区增大大，一般般塔式建建筑物的的 1.422.2，其其影响范范围与塔塔式建筑筑物的宽宽度与高高度相近近。对低矮的建建筑物，其其 0.511.6，影影响区域域纵深约约为建筑筑物高度度的12倍。 （5）下下洗涡流流效应：如图66所示，当当风吹向向高层建建筑物时时，自驻驻点向下下冲向地地面形成成涡流。若若前面低低矮建筑筑物的高高度h与

16、两楼楼间间距距大致相相等（ee= h）时，则则不舒适适影响最最显著，其其不舒适适参数 1.511.8，由由于有垂垂直向下下的风速速分量，故故更令人人感到不不舒适。图图中阴影影线为高高风速区区。 图6 下 洗 涡涡 流 效 应应 除上述外外，其它它类型的的外部风风环境不不舒适参参数就不不赘述。有有些研究究者提出出尚需考考虑出现现频度，并并提出在在广场、停停车场偶偶发阵风风，若出出现阵风风u = 6 m/s，只要要每年不不大于110 % 的时间间；人行行道偶发发阵风出出现u = 12 mm/s，每月月不多于12次，吹吹刮时间间又极短短暂，尽尽管不舒舒适参数数较高，应应认为是是可以接接受。2、内部风

17、风环境问问题人体感觉器器官不能能察觉绝绝对位移移和速度度，只能能察觉它它们的相相对变化化。而影影响人体体感觉不不舒适的的因素除除加速度度外，还还有振动动频率和和持续时时间。对对高层建建筑的居居住者而而言，后后两项是是难以限限制的，唯唯有设法法限制其其振动加加速度以以满足人人们的舒舒适要求求是可能能的。目前对建筑筑物内部部风环境境的不舒舒适程度度与振动动加速度度的对应应关系，如如表3所所示（gg为重力力加速度度）。表3 人人体舒适适度与振振动加速速度限值值关系振动加速度度限值（% g）人体舒适程程度0.5 无感觉觉 0.551.5有感觉 1.555令人不舒服服 5115非常令人不不舒服 155无

18、法忍受一种直观测测评标准准是根据据大风季季节里实实测高楼楼楼顶层层风致摆摆动的最最大振幅幅来测评评的。美美国有关关部门建建议，设设计良好好的高楼楼其屋顶顶中心点点的风致致偏移量量应控制制在H/5000H为为楼高度度（米）范围内内，否则则应采取取措施以以减小人人感不适适的建筑筑物摆动动量。如如在“9.11”恐怖事事件中倒倒塌的美美国世贸贸大厦，高高度为4417米米，而大大风季节节实测偏偏移量达达91厘厘米，稍稍许超标标，最后后世贸大大厦采用用粘弹性性阻尼器器减振，其其优点是是无需经经常监控控、且无无需电源源。而目目前大多多采用可可调质量量阻尼器器，由弹弹簧、质质量块、液液压减振振器组成成来控制制

19、高楼的的摆动。有有资料表表明，已已使用的的有澳大大利亚悉悉尼的中中心大厦厦、加拿拿大多伦伦多CNN大厦，美美国波士士顿的约约翰汉考考克大厦厦及纽约约的城市市企业中中心大厦厦等。台台北1001大厦厦就设置置了“可调质质量阻尼尼器”，在888-992楼层层挂置一一个重达达6600吨的巨巨大钢球球，利用用摆动来来减缓建建筑物的的振幅。通过模型的的风洞试试验了解解高层建建筑间相相互干扰扰对风压压分布影影响众所周知，在在建筑结结构设计计中除考考虑抗竖竖向的重重力、雪雪荷载及及水平向向的地震震力外，随随机的水水平风荷荷载是设设计中必必需考虑虑的一个个重要因因素。显显然，期期望在建建筑风荷荷载规范范里寻找找

20、具体地地貌区域域里，设设计外形形各异的的建筑物物风荷载载体型系系数供设设计计算算之用，无无疑是困困难的。何何况不同同风向角角下，其其流态是是不同的的，风载载荷体型型系数是是变化的的，建筑筑物间也也存在相相互干扰扰，风载载荷的影影响量是是难以预预估的，故故只有通通过模型型的风洞洞试验，了了解在风风力作用用下高层层建筑群群体间的的相互干干扰影响响和改变变其外表表面周边边的风压压分布情情况，获获取必要要的风载载荷数据据，才能能准确评评估其各各个高度度上局部部风环境境的详情情，才能能确保百百年大计计的建筑筑物安全全可靠，具具有舒适适的风环环境。通过对不同同外形建建筑群体体的风洞洞试验结结果表明明：由于

21、于建筑物物的形体体各异，所所处地貌貌不同，相相互间的的气动干干扰是复复杂的，套套用规范范值于单单幢建筑筑物是欠欠妥的。何何况风压压分布在在3600o方位角角上是变变化的，尤尤其是地地处东南南沿海的的台风影影响区，而而北半球球台风按按逆时针针方向旋旋转，在在不同风风向角下下高层建建筑物的的风压分分布是变变化的。故故各种外外形高层层建筑物物沿周边边不同高高度上，其其风环境境的变化化是难以以预估的的，只有有通过相相似模型型的风洞洞试验来来定夺，以以免低估估其风压压分布值值而导致致其周围围的围护护结构、玻玻璃幕墙墙、观光光电梯、屋屋顶搭盖盖物、广广告牌等等等在大大风季节节出现风风灾事故故。高层建筑及及

22、其群体体不良风风环境的的防护与与改善措措施 由于规划划、设计计的失误误而出现现的高层层建筑及及其群体体内、外外的不良良风环境境，特别别是体型型不规则则及怪异异的建筑筑物，如如何防护护与改善善已日益益引起人人们的重重视。对对于风致致摆动问问题，最最好在规规划伊始始就对其其气动外外形的减减振效果果有所估估计并对对其在寿寿命期间间里可能能遭遇大大风暴时时应具备备的强度度、刚度度，通过过科学试试验与设设计计算算予以解解决。沿沿用机械械工程减减振措施施而采用用的可调调质量阻阻尼器（TTMD）及及粘弹性性阻尼器器的方法法，只是是一种不不得已而而为之的的补救辅辅助措施施。下面面主要提提出一些些高层建建筑外部

23、部不良风风环境的的防护与与改善措措施。 1、对街街道、广广场、人人行与交交通安全全有影响响的街道道风、穿穿堂风、尾尾涡旋风风，通常常主动方方法是改改变建筑筑物的布布局、外外形，尽尽量把引引发不良良风环境境的根源，消消除在建建成之前前。被动动方法是是采用挡挡墙、格格栅、种种植灌木木林带、乔乔木林带带来改善善风环境境，以保保证车辆辆行驶与与行人的的安全，并并确保高高楼后广广场、花花园的洁洁净。 2、对高高层建筑筑迎风面面的下冲冲旋涡风风的防护护，目前前大多采采用裙楼楼结构隔隔断下冲冲气流，并并在大楼楼主要出出入口设设置防护护顶棚，以以缓冲可可能坠落落的幕墙墙玻璃及及其它装装饰物。3、建筑物物的拐角

24、角处、平平面与曲曲面的交交接处、立立面上凸凸出的观观光电梯梯等部位位常是出出现负风风压（吸吸力）的的峰值区区，设计计时最好好把直角角边钝化化或粗糙糙化，凸凸出部的的法线与与盛行风风向应避避免相垂垂直以减减弱气流流分离而而形成高高吸力区区，或在在负压峰峰值区设设置百叶叶窗式的的扰流罩罩以镇压压过高的的负压峰峰值。4、屋顶，不不管是平平屋顶、人人字形或或斜截头头屋顶、半半圆形屋屋顶等，通通常在其其屋脊、四四周屋檐檐及拐角角处出现现负风压压峰区。尤尤其平屋屋顶的周周沿及拐拐角，其其负压峰峰值较大大。防护护与改善善方法是是在平屋屋顶边缘缘处加一一矮护墙墙，使拐拐角区域域的旋涡涡抬离屋屋顶面。试试验资料料表明，这这一措施施可使最最大吸力力急剧下下降；也也有人在在拐角处处安置突突出物（如如烟囱、装装饰物等等），扰扰动分离离旋涡也也达到减减轻局部部区域最最大吸力力的目的的。