带高耸中庭的某高层建筑风荷载体型系数研究

厉同昌，吴蕙蕙，楼文娟

（1.浙江万科南都房地产有限公司，浙江 杭州310006；2.浙江大学建筑工程学院结构工程研究所，浙江 杭州310058）

中庭是连接建筑内部与外界环境的空间，可用于改善建筑采光、通风，满足人与环境的交互等［1］。随着建筑体型在高度方向迅猛发展，带中庭的高层建筑不断涌现。当中庭顶部不封闭时，中庭四周即建筑内环表面围护结构直接承受外部风荷载影响，而风荷载是高层建筑围护结构设计的重要荷载。

国内外学者对高层建筑风压分布特性进行过大量的试验与研究，包括复杂体型［2］、干扰效应［3］等问题。而针对带中庭的高层建筑，学者们多着眼于中庭的自然通风效果［4-5］、防火排烟特性［6-7］等，鲜少关注中庭内建筑外表面风压分布特性规律。李永贵等［8-9］通过风洞试验研究了不同开洞率下中庭内立面风压分布情况，并给出了中庭内立面抗风设计建议公式。

我国规范［10］对于这种体型复杂、中庭空间开放的高层建筑抗风设计缺乏相应的体型系数规定。因此，本文对杭州“未来之光”二期工程4#塔楼进行风洞试验，计算分析了该塔楼内环及外环表面风荷载体型系数，得出带高耸中庭的高层建筑风荷载体型系数分布规律。

1 工程概况

杭州“未来之光”二期工程位于杭州市余杭区良渚组团万科未来城二期东侧，紧临地铁2号线杜甫站，4#塔楼东侧为商业永旺梦乐城，东北侧与南侧均为商业等复合业态，北侧、西侧为住宅小区。见图1。其中4#综合楼高149.6 m，采用钢筋混凝土框架-剪力墙（多筒）结构体系，利用建筑隔墙及楼梯、电梯位置设置剪力墙（筒体），按建筑轴网布置框架柱；底部大空间处采用桁架式转换。该塔楼设计基于新的生活方式以及工作方式，透过横条形的布局，降低了高度的建筑与地面公共空间较近的设计手法，让建筑物内的使用者更容易走出室外，利用公共空间，达到人与人、人与空间的自然互动，提升生活以及工作品质。而塔楼则是将这样一个横条形与地面的水平关系分成好几个体块堆叠起来，每一个架空层都是一个地面，集合成一个垂直的巨大体量。该建筑的效果见图2。

图1 “未来之光”地块总平面

塔楼平面呈“回”字形，内部是从地面到楼顶通透的高耸中庭，平面为44.2 m×37.2 m，底层中庭平面较上层略大。见图3。塔楼底部四面开敞，其中南北向开口宽21.6 m，东面开口宽12 m，西面开口宽6 m，高均为8.4 m。此外，5层和14层为设备层，四面透风；10层和18层为避难层，东西向透风，南北向不透风。

图3 塔楼标准层平面图

2 风洞试验概况

2.1 模型制作

本次风洞试验模型采用ABS工程塑料制成，选取几何缩尺比为1∶180，模型总高度为0.831 m。

4#塔楼模型共布置447个测点，分为16个测区，其中A、B、C、D、E、F、G、H测区位于建筑外环表面，AN、BN、CN、DN、EN、FN、GN、HN位于建筑内环表面。各测层模型高度及对应实物高度见表1，以D层为例，测点布置图见图4。每个测点埋设外径为1.2 mm的退火铜管或不锈钢管，测压管垂直建筑物表面，并使测压管表面与模型表面齐平无凹凸。

表1 模型测点高度及对应的实物高度

图4 D/DN层测点布置

2.2 风场模拟

本次试验在浙江大学的ZD-1边界层风洞中进行。ZD-1边界层风洞为单回流闭口立式钢结构和混凝土结构相结合的混合结构型式。试验段为闭口式，长18 m，截面尺寸为宽4 m，高3 m；风洞的最高风速55 m/s。模型在风洞中最大阻塞比小于8%，满足风洞试验要求，因此试验所得的无量纲参数，可直接应用于建筑物实体。

依据《建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）》规定，风压采用杭州市的50年重现期的基本风压0.45 kN/m2。根据荷载规范判别依据，确定试验建筑处于B类地貌，风洞流场统一按B类地貌模拟，地貌粗糙度指数α=0.15。

试验风速参考点选在风洞高度0.85 m处，该高度在缩尺比1∶180的情况下对应于实际高度153 m。试验直接测得的各点风压系数均是以153 m高度处的风压为参考风压。风洞试验中参考点的风速为12.60 m/s，对应于实际高度153 m处，50年重现期10 min平均风速为40.40 m/s，因此本次风洞试验的风速比为1∶3.21。

2.3 试验工况

风洞试验中每个风向角为一个工况，测压风向角从0°到345°，间隔为15°，风向角示意见图5。

图5 风向角示意

为比较建筑内环空间顶部是否开敞对建筑所受风荷载的影响，试验分两次完成：建筑内环空间顶部开敞和建筑内环空间顶部封闭。试验首先针对内环空间顶部开敞工况进行，结束后封闭建筑内环顶部空间，进行第二次试验。风洞试验图见图6。

图6 风洞试验

3 风荷载体型系数分析

3.1 0°风向角

0°风向角对应建筑正南面来风。建筑正南面无遮挡建筑，所得的风荷载体型系数具有代表性。

根据图3平面图作建筑1-1断面图，并进行风流场分析，见图7。在内环顶部开敞的情况下，建筑南北向在底层、5层与14层透风。

图7 1-1断面及0°风向角风场

将建筑内环表面自西南角起逆时针展开，即按测点号顺序展开，分别为南侧、东侧、北侧、西侧内环立面，如图8所示为0°风向角下建筑开敞内环表面风荷载体型系数分布图。

由图8可得，内环表面体型系数均为负值。相同高度下，体型系数值相近。由于底部透风，北面底层AN层测点的体型系数稍大于另外三面。不同高度处，体型系数有所差异，高度越低，体型系数越小，AN18测点处为体型系数最小值-1.07，HN11测点处为体型系数最大值-0.52。且随着高度上升，体型系数随高度增加速率放缓。

图8 0°风向角开敞内环体型系数分布

同样的，将建筑外环表面自西南角起逆时针展开，即按测点号顺序展开为南侧、东侧、北侧、西侧外立面，如图9所示为0°风向角下内环开敞情况建筑外表面风荷载体型系数分布图。建筑外环外表面风压分布符合一般长方体外形高层建筑分布规律。南面迎风面体型系数为正，最大值出现在底层中间A12测点处，为1.29，这与该处建筑外形内凹有关。随着高度升高，体型系数缓慢减小，中部测层接近1，顶层降低至0.7以下。同一高度处，立面中央体型系数显著大于两边。东、西、北三处立面均分布为负压，低层处的负压大于高层，东西两侧的负压大于北侧。西侧B测层的负压极值可能是西面建筑干扰及建筑外形改变造成的。

图9 0°风向角开敞外环体型系数分布

在内环顶部封闭的情况下，建筑仅在底部透风。图10为0°风向角下建筑内环顶部封闭表面风荷载体型系数分布图。对比图8内环顶部开敞的情况，两者的内环负压分布规律几乎一致，但封闭时的负压整体大于开敞情况。AN17测点测得体型系数极小值为-1.18，比开敞情况下极小值小0.1。C层及以上测层，顶部封闭情况下体型系数平均比开敞情况小0.03。

图10 0°风向角封闭内环体型系数分布

图11为0°风向角内环顶部封闭情况建筑外表面风荷载体型系数分布图。对比图9可以发现，内环是否开敞对外表面风荷载体型系数分布情况没有影响。这是因为透风层层高不高，建筑外环外表面风压主要还是受外部气流影响。

图11 0°风向角开敞外环体型系数分布

3.2 270°风向角

270°风向角对应建筑正东面来风。建筑东面约200 m处有一楼高30 m以下的商场，其余无迎风面干扰。根据图3平面图作建筑2-2断面图，并进行风流场分析，见图12。在内环顶部开敞的情况下，建筑东西向在底层、5层、10层、14层与18层透风。

图12 2-2断面及270°风向角风场

图13为270°风向角下建筑内环顶部开敞时内环表面风荷载体型系数分布图。建筑内环表面均为负压，这与0°风向角相同，但体型系数分布情况不同。270°风向角下，同一高度处的体型系数不尽相同。东面作为进风口，体型系数整体小于另外三面，西面受东面透风来流影响，体型系数整体较高，而南北两面呈现过渡趋势。此外，270°风向角下，内环表面体型系数均大于0°风向角情况，体型系数最小值出现在AN17测点，为-0.76，最大值出现在HN14测点，为-0.38，负风压比0°风向角小25%以上。

图13 270°风向角开敞内环体型系数分布

在内环顶部封闭的情况下，建筑仅在底部透风。图14为270°风向角下建筑内环顶部封闭表面风荷载体型系数分布图。封闭情况下，270°风向角的内环体型系数分布与0°风向角类似，同一高度的体型系数几乎相同。对比图13可以发现，封闭时的负压同样整体大于开敞情况。AN17测点测得体型系数最小值为-0.95，比开敞情况下最小值小0.19。E层及以上测层，封闭情况下体型系数平均比开敞情况小0.03。

图14 270°风向角封闭内环体型系数分布

4 结 语

本文选取“未来之光”二期项目4#塔楼作为研究对象，对带高耸中庭的高层建筑内环与外环的风荷载体型系数分布进行了分析，得出以下结论：

1）带有高耸中庭且少数楼层透风的高层建筑，外环表面风压分布并不受中庭影响，分布规律符合一般性认知。

2）建筑中庭表面整体受负风压，且中庭封闭程度越高，负风压越大，即体型系数越小。当建筑顶部不透风或透风较少时，中庭表面风压在同一高度处几乎相等；当建筑中部透风较多时，同一高度处，进风侧负风压较大，与其相对的出风侧负风压较小，四面呈现不同的风压分布。