建筑空气动力学

比较系统的研究始于19世纪末， 1890年，澳大利亚W. C. Kernot在风洞中，测量了建筑物模型屋面上的风压分布。1894年，丹麦J. O. Irminger也在风洞中测量了建筑物模型表面上的风压分布，并与实测结果进行了比较。1889年，法国G. Eiffel在设计当时世界最高(300m)的巴黎埃弗尔铁塔时，计算了塔的挠度;铁塔建成后，他又在地面用望远镜测量了塔顶移动的轨迹呈椭圆形，平均挠度为7~8cm。

20世纪30年代～50年代，建筑物的空气动力学研究主要集中在大气边界层的模拟和建筑物的风荷载测量。1943年，美国Bailey人在一个长试验段风洞中采用边界层模拟装置，在模型区形成了高度为0.25m的大气边界层，并对一座1:240比例比的建筑物模型进行了表面压力分布试验。50年代初，丹麦Jensen[3]对风洞模型试验的相似律问题作了重要阐述，提出了必须在风洞中模拟大气边界层内风特性。

20世纪50年代后，人们开始研究建筑物的结构响应问题，美国Liepmann首先研究了由大气湍流产生的结构响应。但将Liepmann理论应用到建筑物时，需要发展近地脉动风的模型。1961年，加拿大Davenport提出了这种模型，并在此基础上建立了计算建筑物顺风向响应的方法，并编入了建筑结构荷载规范。

建筑物横风向响应远比顺风向响应复杂，其激励机理与气动弹性联系在一起。虽然已有不少学者对横风向响应进行了研究，但至今还没有从基本原理出发推导出计算建筑物横风向响应的解析公式。

为了研究建筑物的结构响应问题，在风洞中发展了气动弹性模型试验技术动压力测量技术。20世纪70年代末，英国Whitbread和美国Cermak又将“高频底座天平技术”用于风洞试验，直接从几何相似的刚性模型获得动态风荷载，然后，计算结构响应。

在建筑群中，各建筑物间的空气动力干扰一直是人们十分关注的问题，自80年代后，许多学者对此进行了研究。有人试图从理论上提出带有普适性的干扰模式，来确定其干扰系数及其影响范围，以便对建筑群中建筑物间的干扰做出规范。但由于在建筑群中建筑物间的空气动力干扰非常复杂，因此，到目前为止，还难以用理论解析的方法来解决建筑群中各建筑物间的空气动力干扰问题，主要依靠风洞试验。

随着城市建筑物高度和密度的增加，建筑物周围的局部风环境不仅会影响人们的舒适性，而且会使城市的空气污染加剧，因此，近年来越来越引起重视，除了用风洞试验模拟外，还进行数值模拟分析，并制定了相应的规范。

进入21世纪以来，随着大跨度柔性建筑物的出现，对其风荷载特别是风致响应的研究成为建筑物空气动力学的热点问题之一。另外，针对动态风荷载测量，发展了脉动压力同步测量技术和新的数据处理方法等。

主要是实验室模拟、现场观测、理论分析和数值计算。绕建筑物流动主要是剪切湍流流动，而其完善的力学模型尚未建立，可见从基本方程出发来进行理论或数值计算还没有达到实用的程度。现场观测所需人力、财力较大，实验条件难以控制，而且很多建筑是待建的。因此当前解决实际问题的主要方法是实验室模拟，特别是采用缩尺模型在大气边界层风洞或分层流水槽中进行模拟实验（图2）。首先要求模拟大气边界层气流，主要是气流的平均速度分布、湍流度、积分尺度和频谱等。模拟方法可以利用长实验段风洞和不同底面粗糙度自然形成大气边界层，也可以在短实验段风洞中用旋涡发生器、喷气装置等人工加速形成大气边界层。其次要求几何相似，包括建筑物外形、表面粗糙度及其周围环境和地形等的几何相似。理论上也要求实验雷诺数与全尺寸实物时相同，但一般难以达到。对于有棱角建筑，相应的流动基本上与雷诺数无关，影响不大；对于球形、圆柱形等建筑来说，则可以用加大表面粗糙度的方法来补救。

人们自古以来就认识到风对建筑物的破坏作用，但对风的破坏机理并不十分清楚。随着空气动力学的蓬勃发展，人们开始从空气动力学的角度研究建筑物上的风载荷和风所激发的振动。特别是自从1940年美国塔科马(Tacoma)大桥倒塌事件发生以后，这种研究得到进一步的发展。60年代以后，高层建筑物不断增多，轻型建筑材料广泛应用,城市规划日益周密,风对建筑物的作用更受到重视。至今已逐渐形成了一门涉及空气动力学、气象学、气候学、结构动力学、建筑工程等多方面学科的边缘学科──建筑空气动力学。

研究作用在建物上的风荷载

风对建筑物的作用主要表现在平均风载荷、脉动风载荷、风振、通风和热损失、局部风环境等方面。风载荷是设计建筑物时必须考虑的载荷之一，包括风对建筑物的作用力、力矩和表面分布压力。风载荷主要取决于来流速度及其随高度的分布、风向、湍流结构以及建筑物的形状、表面粗糙度和动力特性,一般随时间变化，并且具有很大的随机性。为了研究方便，常将真实的瞬时风载荷分为平均风载荷和脉动风载荷两部分。图1表示一个绕经长方体建筑的典型流动图案(图1之a)和该建筑物某一横截面处的压力系数Cp的分布(图1之b)。压力系数Cp=(p-p_δ)/0.5ρ_δV_δ²，其中p为表面压力；p_δ、ρ_δ、V_δ分别为大气边界层外缘气流的压力、密度和速度。（图1之b） 中压力分布的表示方法为：负压（低于大气压的压力）分布绘于建筑物轮廓线内，正压分布绘于外；压力分布曲线上某点压力的大小与距建筑物轮廓线的距离成正比。图中给出的压力峰值是选择建筑物的贴面、玻璃、装饰物等所必须考虑的因素。

对通常形状的建筑物来说，表面摩擦应力同压力相比是小量，所以对建筑物表面上压力的积分即可认为等于作用力。在工程设计中，常用体形系数C_F表示平均作用力的大小。C_F=F/A:q，式中F为作用力；A为建筑物迎风面积；q为基本风压。体形系数与建筑物形状有很大的关系。在建筑载荷规范中常给出各种不同结构的体形系数，作为设计时的参考或准则。

研究建筑物在风作用下的结构响应

建筑物表面上的脉动压力，从机理上说，主要是由于大气中的湍流脉动和建筑物绕流中的旋涡脱落等作用的结果。脉动压力一般随位置和时间而随机地变化，它使建筑物承受随时间变化的作用力和力矩。这些力和建筑物的惯性力、恢复力、阻尼力等的共同作用使建筑物激发振动，简称风振。若风振的主要频率同建筑物固有频率相近，则可能发生共振而引起灾难性后果。风振特性及其防止措施是建筑空气动力学的研究内容之一。

研究建筑物周围的风环境和舒适性

横风向风振响应是超高层建筑设计中最常遇到的难题，已引起设计人员的极大关注。这一问题的解决可以从建筑外形与结构体系两方面寻求空气动力学和结构体系优化方法。虽然在这方面已获得了一些成功的经验，但是在工程实践中依然存在很大的难度。在空气动力学优化方面，主要问题在于空气动力学优化方法与建筑设计意图之间的内在冲突。主要由于这个原因，目前在超高层建筑概念设计阶段很少考虑建筑空气动力学问题。只有当设计后期发现严重的横风响应时，大多数超高层建筑才不得不必须采取补救措施。在结构优化方面，常规方法是增强结构刚度，但这可能导致成本的显著增加。近年来调谐质量阻尼器的应用受到工程界的关注。但是阻尼器所需要的大容纳空间以及费用仍是主要问题。这项研究的目的是在建筑和结构设计中探索如何让建筑物能够“适应”极端风效应，而不是 “抵抗”极端风效应，后者代表了传统的设计理念，而前者是课题研究的新概念。通过这一课题研究，提出在建筑与结构两方面实现适风设计的具体方法。建筑的适风设计可通过设置按需启动的导流装置，在极端气候时改善建筑物的气动特性。这样建筑物在绝大多数时间内能满足建筑意图，仅在少量时候才改变气动外形。为此建立了适风设计的两阶段方法与具体步骤。以一栋典型的270米超高层建筑为工程案例，通过采用与目前智能遮阳板外形类似的导流板技术，证实了采用建筑适风设计方法可以降低设计荷载近20%。这一方法的减载效率随着建筑高度的增加会进一步提高。结构适风设计主要通过优化结构的动力特性，使结构基本模态方向偏离建筑外形风敏感方向，这样在强风作用下将会诱发多模态响应，从而抑制单一模态的涡激共振。以一栋典型超高层建筑为例，理论分析与气动弹性模型试验均证实采用这一方法后，在不明显改变整体结构刚度的前提下，可以降低横风向风振响应近30%。上述成果已获得两项国家发明专利，在超高层建筑与长周期高耸结构设计中将有着重要的应用前景。 2100433B