某超高层建筑群风荷载CFD模拟分析

徐革，孙毅

（1中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013；2重庆科技学院，重庆 401331）

图1 日月光中心R5、R6塔楼

重庆日月光中心位于重庆解放碑较场口，为由5栋超高层建筑塔楼和裙楼组成的大底盘，其中R5塔楼高300m，R6塔楼高468m，建成后将是渝中半岛的地标性建筑，见图1。日月光中心南临十八梯陡坡，北临解放碑CBD密集建筑群，周边环境复杂，风荷载与现行荷载规范中的条件相差较大，无法直接套用规范方法计算。为了配合结构方案，保证超高层结构的抗风安全性和舒适性，采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对超高层结构连体模型进行了风荷载模拟和分析。

我国现行荷载规范[1]对山地风场用一个简单的修正系数来考虑，但其计算公式简单，所考虑因素极少，应用在实际工程中时具有较大局限；在复杂干扰工况时没有具体规定，建议通过相关试验和模拟来指导工程设计。近年来在山地风场领域李正良[2]、孙毅[3]、魏奇科[4]等学者进行了大量的研究工作，在风荷载干扰效应领域顾明[5]、谢壮宁[6]等学者开展了基于风洞试验的大量基础研究。本文在前人研究基础之上，针对具体工程案例进行山地风场和干扰工况的风荷载分析，以期为相关研究提供资料，为该工程设计提供依据，为类似工程提供参考。

1 计算模型

山地与平地的风场相比具有许多不同点，如场地平均风速的竖向风剖面和湍流度随高度分布规律，这些风场特点均受到场地周边的山地地貌影响而形成。因此计算模型中不能简单依据现有规范建立边界条件，而必须包含周边地形和建筑物，统一考虑风场形成的影响因素。

1.1 周边环境模型

R5、R6周边有密集的超高层建筑群。为了考察临近超高层建筑的干扰效应，建立了以R5、R6为中心，以500m为半径的周边建筑群计算模型，进行了表面风压计算。距离建筑南面700m处已经到达长江边，此部分区域坡度较大（垂直高差达75m），为了考察地形影响，在该部分考虑了500m到700m范围的地形建模，如图2所示。根据实际情况，考虑了周边500m范围内已建成和在建的部分高层和超高层建筑物，将其建入CFD分析模型中，以便分析实际情况中群体超高层建筑群中的R5、R6表面风压。模型中所考虑的周边建筑情况如图3所示。

图2 周边地形图

图3 周边建筑分布图

干扰和地形分析模型的CFD模型和网格划分如图4所示。

图4 CFD计算模型网格划分

1.2 风向角

群体建筑干扰分析时的风向角并未按照360°均分，而是选择了如图5所示的16个角度，这些角度分别代表了正东南西北方向（0°、90°、180°、270°）、R5的外表面法向（26°、206°、116°、296°）、R6的外表面法向（48°、228°、138°、318°）、连廊外表面的垂直和平行方向（159°、339°、249°、69°）。

图5 模拟风向角

1.3 计算域

对于高层建筑，通常的流域选择如图6所示。H为高层建筑高度，迎风向边界距离建筑5H，侧风向两边边界距离建筑均为5H，背风向边界距离建筑10H，流域高度5H。按此标准设置计算域，能保证普通流场中的普通高层建筑表面风压计算准确。

模拟之前对于计算域进行了流场检验，在各边界处的流场特性与入口基本保持一致，说明计算模型区域建立合理。

图6 流域尺寸图

1.4 边界条件

该工程10m高度处平均风速根据现行荷载规范中的基本风压换算可得；该地区超高层建筑密集，属于D类地面粗糙度类别，对应的风剖面指数为0.3。根据我国荷载规范中对于高度变化系数和湍流度剖面的计算方法，可直接得到数值模拟入口的速度边界和湍流度边界条件。

来流边界条件选用速度来流边界条件(velocity-inlet)：

大气边界层风速剖面：

湍流度剖面：

湍流参数：

式中，Cμ=0.09，l=0.07L代表湍流积分尺度，L为建筑物的特征尺寸。大气边界层风速剖面V(z)、湍动能k和湍流耗率ε采用Fluent提供的UDF(user-defined functions)编程与Fluent作接口实现。

流域顶部和两侧采用对称边界条件(symmetry)，等价于自由滑移的壁面。

出流面采用压力出流边界条件(pressure-outlet)。

建筑表面和地面采用无滑移的壁面条件(wall)，采用非平衡壁面函数模拟近壁面流动，且在地面引入粗糙壁面修正。

1.5 湍流模型

在本文求解中，选择了Realizable k-ε模型，此种模型是标准k-ε模型的一种修正，被认为是解决边界层流动和带有分离的流动问题的有效模型。

2 模拟分析计算结果

为了便于量化和比较，采用无量纲的风压系数来描述建筑物表面的风压分布。如式（1）所示定义风压系数：

上式中，P为建筑表面某点风压，ρ为空气密度，vH为参考点风速。本文参考点选取为R6顶点。

篇幅所限，选取具有代表性的几个风向角的风荷载模拟结果如图7、图8。

图7 0度风向角

图8 180度风向角

从分析结果中可以看出以下规律。

（1）最大正压均出现在R6的中上部位，并且压力系数均超过了1。这说明山体的存在对于风场有明显的加速效应，在最大压力系数处风荷载增加了约10%。

（2）当风从南面吹来时（如0°），表面风压主要受地形影响，其作用是迎风面风压增大，且较大风压分布的区域也较大，云图边界较为光滑，说明此时风荷载确定性较强，设计时按分析结果取值即可；当风从北面吹来时（如180°），表面风压主要受上风向建筑的干扰影响，其作用是迎风面平均风压因为受遮挡而减小，且较大风压的区域只出现在R6靠近顶部的受干扰较小部位，云图边界相对杂乱，说明此时风荷载具有较强不确定性，建议设计时按分析结果作适当放大处理。

（3）总体来说，山地效应对于山顶位置的平均风荷载有增大作用，但对脉动风荷载往往有减小作用；干扰效应对于建筑表面大部分区域的平均风荷载有减小作用，但对脉动风荷载有增大作用。对于总体的风效应不能简单得出增大或减小的结论，而需要通过具体计算确定。

3 风洞试验对比

为了进一步获得体形系数，在风洞中进行了刚性模型风洞试验。在此将部分试验结果与CFD模拟结果相比较，以说明模拟分析的准确性。风洞试验同样考虑了建筑周边的地形和干扰建筑，试验模型如图9所示。

图9 风洞试验模型

在0°风向角和180°风向角下，风洞试验的主要结果如下。

（1）0°风向角时的山地风场特性主要体现在主要迎风面：中下部体型系数超过了1，最大超过1.3，表现出了明显的山地平均风加速效应；随着高度的增加，每层的最大体形系数逐渐减小，到约200m高度时减小到1以内，表明山地加速效应的影响高度在200m范围内。

（2）180°风向角时R6塔楼的迎风面中下部由于受到上风向密集超高层建筑群的严重干扰作用，体形系数均较小，特别是在底部100m左右范围内，甚至在迎风面出现负压区；R6塔楼在250m以上高度区域，由于此高度的遮挡建筑较少，体形系数逐渐增大，但均不超过1。

和CFD模拟结果相比，风洞试验所得风荷载分布在迎风面吻合较好，一般数值误差不超过20%；在侧风面和背风面虽然分布规律较为吻合，但误差较大，最大超过50%，主要分布在接近地面和转角区域。

4 结论与建议

（1）CFD模拟是一种获得建筑风荷载分布规律的有效方法，具有经济高效的优点。通过CFD模拟在建筑迎风面可获得较为准确的结果，但在复杂体型建筑的侧风面和背风面误差稍大，建议重要和复杂体型工程项目结合风洞试验结果进行风荷载的合理取值。

（2）日月光中心R5、R6塔楼在不同的风向角工况时体现出不同的特征：0度风向角上风向为坡度，风荷载体现为山地风场的加速效应；180度风向角上风向为密集建筑群，风荷载体现为复杂干扰效应。在结构抗风计算和设计时应根据不同风向角区别验算。

（3）山地效应对于山顶位置的平均风荷载有增大作用，但对脉动风荷载往往有减小作用；干扰效应对于建筑表面大部分区域的平均风荷载有减小作用，但对脉动风荷载有增大作用。对于总体的风效应不能简单得出增大或减小的结论，而需要通过具体计算确定。

[1]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[2]李正良，孙毅，魏奇科，等.山地平均风加速效应数值模拟[J].工程力学，2010，27(7):32-37.

[3]孙毅.山地风场中高层建筑风致振动研究[D].重庆:重庆大学，2010.

[4]魏奇科，李正良，孙毅.山地风加速效应的计算模型[J].华南理工大学学报，2010，38(11):54-58.

[5]顾明，黄鹏.群体高层建筑风荷载干扰的研究现状与展望[J].同济大学学报，2003，31(7):762-766.

[6]谢壮宁.典型群体超高层建筑风致干扰效应研究[D].上海:同济大学，2003.