建筑结构风工程数据库研究

王鹤鹤

【摘 要】本文主要介绍了国内外几个较为重要的风工程数据库，包括美国标准与技术协会低矮建筑气动数据库，日本东京工艺大学气动数据库、美国圣母大学风荷载数据库等，分析了各数据库中所收录的建筑模型种类、数据内容等，以便工程人员和研究人员参考。

【关键词】高层建筑；风工程；数据库；在线计算

0 引言

随着建筑技术的发展，高层建筑的数量与日俱增，其高度也在不断突破，从起初的几十米已然发展到了现在的800多米，沙特甚至提出建造高达千米的超高层建筑“王国塔。一般而言，随着高度的增大以及轻质建材的大量使用，结构变得越来越柔，其基频更加接近自然界风的卓越频率，风对结构的作用也随之增大，风荷载逐渐成为建筑结构的控制荷载。与此同时，高层建筑的造型也已不再是简单的长方体形状，而是变得更为复杂，比如，倒角形，连体形，Y字截面形等。复杂的建筑造型使得建筑的风荷载分析变得更为棘手。对于这些复杂且超高的建筑，往往需要进行专门的风洞试验研究以确定结构响应和等效静力风荷载。

近年来，国内外研究机构为了某些研究项目完成了大量的风洞试验，而项目完成以后这些风洞试验数据往往会被闲置起来，造成了基础资料的浪费。因此，为了更好地保存和展示这些风洞试验数据，国内外一些机构基于本机构所完成的试验纷纷建立了建筑结构风工程数据库。其中包括了美国标准与技术协会低矮建筑气动数据库，日本东京工艺大学气动数据库，美国圣母大学风荷载数据库，哈尔滨工业大学风工程数据库等。这些数据库所收录的试验数据类型各不相同，依据所包含的试验模型可分为高层建筑风工程数据库，低矮建筑风工程数据库，大跨建筑结构风工程数据库以及现场实测数据库。总的来说，这些数据库为研究人员提供了一个基础数据来源，为风工程科研事业的发展做出了一定的贡献。

1 几个重要的风工程数据库分析

目前主要的风工程数据库是由北美和日本等地的一些研究机构所完成的。其中，美国标准与技术协会（NIST）建立的风荷载数据库[xx]是专门的低矮建筑数据库，收录了大量低矮建筑模型的风洞试验数据。Zhou & Kareem [xx]建立的美国圣母大学风荷载数据库高层建筑气动力网络数据库以及Wang & Cheng [xx]建立的高层建筑抗风网络数据库是专门的高层建筑风工程数据库，仅收录了高层建筑模型的实验数据。东京工艺大学气动数据库则是综合性的数据库，收录了单独高层建筑模型试验数据，干扰高层建筑模型试验数据以及低矮建筑模型试验数据。哈尔滨工业大学建筑风荷载数据库则主要是收录了若干个大跨结构模型的实验数据，除此之外还收录了少量高层建筑模型的实验数据，是以大跨建筑为主的综合性风工程数据库。此外，美国圣母大学高层建筑数据库还配套有风荷载在线计算系统，系统根据用户输入信息调取模型试验数据进行计算。

1.1 美国标准与技术协会低矮建筑气动数据库

美国标准与技术协会（NIST）将加拿大西安大略大学（UWO）边界层风洞试验室得到的关于低矮房屋的风荷载数据进行整理，并建立了相应的风荷载数据库[xx]。该数据库收录了由西安大略大学大学边界层风洞实验室完成的95个双坡面屋顶模型的刚体模型测压试验数据，这些模型的屋顶倾斜度、房屋高度、房屋底面尺寸、开洞情况、几何缩尺比以及地貌各有不同。该数据库根据这些模型特征将模型列于表中，研究人员选择模型后可查看该模型试验数据。这些数据包括了测试工况、模型测点图以及各测点风压时程等基础数据。

1.2 日本东京工艺大学气动数据库

该气动数据库包括高层建筑风压数据库、干扰下高层建筑风压数据库以及低矮建筑风压数据库三部分。其中高层建筑风压数据库收录了13个简单长方体模型在两种风场下的刚体模型测压试验数据，各模型尺寸比例如表1所示，其中α指地面粗糙度指数。研究人员选择要查看的模型后进入风洞试验结果展示页面。该页面可查看的内容包括模型几何参数、风压测点布置图、立面风压分布等值线图、立面风压统计值、测点风压系数等。该数据库提供了测压试验的风压基础数据，工程人员或研究人员可以借助这些基础数据做进一步的计算或研究。

干扰下高层建筑风压数据库收录了受扰建筑模型刚体模型测压试验数据，其中施扰建筑是处于周边特定位置的单个相同建筑模型。受扰建筑模型共有5种，其尺寸如表2所示。施扰建筑相对于受扰建筑共有37个相对位置，研究人员选择受扰模型以及施扰建筑位置后，可查看该工况下受扰建筑模型的表面风压分布等值线图以及各测点风压系数时程文件。

东京工艺大学低矮建筑风压数据库包含了有屋檐低矮建筑风压数据库，无屋檐低矮建筑风压数据库和群体低矮建筑风压数据库。

表3 美国圣母大学风荷载数据库模型

研究人员根据建筑尺寸、屋檐情况、建筑群体情况选择相应的模型和实验工况后，可查看模型各表面风压分布等直线图、各测点风压系数时程文件等。鉴于本文主要研究高层建筑数据库，本部分暂不做详细介绍，有兴趣的研究人员可自行详细了解。

1.3 美国圣母大学风荷载数据库

该数据库包括了27种直棱柱模型在两种风场下的刚体模型测力试验数据。这些模型包括21个矩形截面模型，3个三角形截面模型以及3个平行四边形截面模型，各模型参数如表3所示。

该数据库附带在线计算平台，工程人员根据实际建筑几何特性选择模型，并输入实际建筑的几何参数、动力参数和风场信息后系统计算并输入实际建筑的风力系数功率谱以及等效静力风荷载等信息供工程人员参考。该在线平台使得数据库的使用更为便利化，特别是对于关注等效静力风荷载的工程设计人员来说，该平台的使用极大地提升了设计工作的效率。

1.4 同济大学高层建筑抗风软件平台

该数据库是由同济大学结构风工程课题组所构建，包括了测力试验数据库，测压试验数据库，现场实测数据库以及基于规范的荷载响应在线计算平台。数据库收录了大量形状各异模型的试验数据，这些数据包括了基底剪力时程、表面风压分布等基础资料。

2 总结

本文主要分析了国内外几个建筑结构风工程数据库的建设状况。总的来说，这类数据库为研究人员和工程人员提供了重要的基础资料来源，同时也解决了风洞试验数据和现场实测数据的保存问题，实现了基础资料的共享和再利用。为风工程学科的健全和发展具有一定意义。目前，这类数据库的建设仍有一些不足之处，比如，多数数据库收录的模型较少，对于研究人员而言，无法获得成系统的研究资料；大多数模型为标准的长方体模型，与现实情况不符。

【参考文献】

[1]高层建筑风洞实验数据处理及数据库建设[C].武汉：第十七届全国结构风工程会议，2015，8.

[2]张正维.高层建筑风荷载特性及抗风气动措施研究[D].上海：同济大学土木工程学院，2012.

[3]全涌，田村幸雄，松井正宏，等.低矮建筑气动数据库介绍[C].2006.

[4]张建国.高层建筑抗风若干基础问题及数据库研究[D].上海：同济大学.

[责任编辑：杨玉洁]