热带海岛地区薄膜温室建筑抗风研究综述

李 昊，黄 斌，刘 建，李正农，张志田，曾加东

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228；2.海南大学园艺学院，海南海口 570228；3.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南长沙 410082）

引言

近年来，国家颁布了一系列支持设施农业发展的政策，如2017年，下发《农业部财政部关于批准创建第一批国家现代农业产业园的通知》（农计发〔2017〕100号）［1］；2019年，根据中央农村工作会议、中央1号文件部署，下发《农业农村部办公厅财政部办公厅关于开展2019年国家现代农业产业园创建工作的通知》（农办规〔2019〕3号）［2］；2021年，自然资源部、国家发展改革委、农业农村部印发《关于保障和规范农村一二三产业融合发展用地的通知》（自然资发〔2021〕16号）［3］，提出保障设施农业发展用地的政策措施。同时，国家为鼓励农业温室建筑建设，制定了一系列补助政策。这些政策扶持，使农业温室建筑发展前途光明。

发展高性能温室建筑是实现现代高效农业生产的重要途径。温室建筑是采用透光覆盖材料作为围护结构，且具备一定环境调控能力，以抵御不良气候，保证作物正常生长的低矮农业建筑设施［4］。温室建筑的覆盖材料主要有塑料薄膜、PC板和玻璃等。采用低密度聚乙烯塑料薄膜作为围护结构的薄膜温室建筑，具有投入低、产出高、施工简便等优点，在各国现代农业生产中得到广泛应用；但该结构属于安全系数低的轻型膜结构，存在流固耦合效应，相比普通建筑，受风荷载影响严重。因此，风灾是薄膜温室建筑的主要气象灾害之一。由强/台风造成温室破坏、倒塌的事故时有发生，给农业经济带来巨大损失。1976年1月，英国1/4塑料温室建筑在一夜间被一场风暴严重损坏［5］。2011年第9号台风“梅花”袭击韩国西部沿海，摧毁农业设施42.08 hm2，造成经济损失约410万美元［6］。我国海南省处于“台风走廊”地带，生成于太平洋和南海的台风均有可能对海南造成威胁，其台风具有数量大、活动时间较集中、路径多样的特点。2009年第16号台风“凯萨娜”、2010年第2号台风“康森”和2012年第23号台风“山神”等均对海南南部大量温室建筑造成破坏［7］；2014年第9号超强台风“威马逊”对海南北部467 hm2温室建筑造成毁灭性灾害［8］；2016年第21号强台风“莎莉嘉”损毁海口市云龙镇15.67 hm2和万宁市2.15 hm2温室建筑［9］。历次风灾表明，薄膜温室建筑主要破坏形式有：薄膜损毁、骨架变形、构件受损和整体倒塌（图1）。

图1 薄膜温室建筑的主要破坏形式Fig.1 Destruction forms of thin-film greenhouse buildings

我国地域广阔且地貌复杂，针对我国国情的温室结构设计标准与规范较少，致使多数温室建筑存在安全隐患，影响其生产效益。海南为高温、高湿、多雨的热带海洋性气候，病虫害比内陆地区严重，且偶有低温冷害等，而温室能克服这些不利因素，对作物起保护作用。然而，风致破坏频发使得海南省薄膜温室难以满足《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183-2016）［10］中15年设计使用年限的规定。造成薄膜温室建筑风致破坏的主要原因是人们对热带海岛地区近地面台风特性和温室风效应的认识不足，温室结构设计相关理论不完善，在温室抗风设计与建造时缺乏相关规范指导。然而，目前国内外对强/台风作用下薄膜温室建筑的风致破坏机理、考虑流固耦合效应的风致响应、新型抗风措施等尚未开展系统研究。因此，基于分布式光纤传感技术并结合现场实测、风洞试验、数值模拟和理论分析等方法，系统开展海岛地区的近地面台风风场和薄膜温室建筑风效应研究，得到相应的破坏机理和设计风荷载参数，提出相应的抗风措施，建立相应的抗风设计理论并运用于工程实际具有重大意义。

1 近地面风场特性研究

国内外学者基于沿海、内陆平原、复杂山区、城市中心和沙漠地区等多种地貌类型，对季风、强/台风天气下的风场特性开展了一系列研究，并取得一些成果。Tamura等［11］利用多普勒声雷达，对海岸和内陆场地在50～340 m内的风场进行实测，认为风剖面与竖向湍流度剖面可用指数律表达。Hui等［12］利用香港昂船洲大桥附近50 m测风塔进行实测，获取季风与台风天气下的大量风场数据。陈隽等［13］利用复杂地形下距地面50 m处的强台风实测数据，采用非平稳风速模型和平稳风速模型分析脉动风特性，认为时变平均风速选取恰当时，非平稳风速模型更适用于近地台风特性分析。Shiau等［14］利用某海港26 m测风塔进行风场实测，认为脉动风速为高斯分布，顺风向风谱接近von Karman谱。Schroeder［15］获取飓风“Bonnie”登陆期间的风场数据，并对风特性参数进行了分析。Sparks等［16］通过多种方式分别对海面、海岸和内陆的近地面风场进行测量，认为台风的风特性与内陆良态风的特性基本相同。Powell等［17］采用GPS探测仪实测强台风风剖面，研究表明边界层内200 m以下的平均风剖面可用对数律描述，且约在500 m处风速取最大值。张传雄等［18］基于温州市中心某高层建筑顶部实测台风数据，获得了城市中心高空台风风场特性。肖仪清等［19］基于4次实测于城市中心高层建筑顶部的台风观测数据，采用多种计算方法分析了台风的湍流积分尺度，并将纵向脉动风速谱与经验值进行了对比。陈丽等［20］在台风“达维”作用期间对广州市中心的超高层建筑“中信广场”进行实测，得到了建筑物顶部的台风风场特性参数。胡尚瑜等［21］采用追风房获取台风“苏迪罗”、“彩虹”、“凯萨娜”和“芭玛”等影响海南文昌期间的风速数据，分析了近地3.2～10 m的风特性。龙水等［22］根据建立在广东省茂名市某海岸的近地台风实测系统，对强台风“尤特”登陆过程中的风场进行了现场实测，获得了近地面7.5 m和10 m的风场特性。李正农等［23］研究了北京延庆县12.5 m内的冬季风场，并与相关国家规范进行了对比。黄斌等［24］实测了沙漠地区近地面10 m内的风场特性，并提出了相应的计算公式。陈凯等［25］对傍山地区的强风进行了实测，发现实测值与邻近气象站同期记录之间的相关性很差，傍山地区局部风场具有特殊性。周志勇等［26］采用软件IMAGEWARE和Gambit建模，对某一大范围区域的复杂地形风场进行了数值模拟研究。黄文锋等［27］引入海面10 m高风速的海面拖拽系数，发展了Vickery台风风场经验模型，并对台风“黑格比”期间的海面风场进行数值模拟，其模拟结果与实测结果吻合较好。

目前，风场特性研究主要集中在离地10～500 m内的现场实测方面，其结果主要用于城市风环境评估，高层建筑、大型桥梁以及其他大型基础设施的风效应分析。因受地表面障碍物影响较大，对于离地10 m内的近地面风场特性研究较少，特别是在热带海岛地区10 m内的台风风场特性方面，尚未形成较为深刻的认识。各类温室建筑的高度一般在3～8 m内，受近地面强/台风风场的严重影响，尤其是薄膜温室建筑具有显著的流固耦合效应，风致破坏现象频繁发生。因此，开展热带海岛地区近地面风场研究具有重要的理论与工程实际意义。

2 温室建筑抗风研究

国内外学者主要从现场实测、风洞试验和数值模拟等方面对农业温室建筑的抗风性能展开研究，并编制了相关标准和规范。具体研究状况以下几方面阐述。

2.1 温室建筑风效应的现场实测

国外对于农业温室建筑风效应的现场实测研究开展较早，并取得了一些成果。Wells等［28］在自然风下，采用现场实测获得了5种不同横截面的玻璃温室在0°～90°风向内的风荷载数据并进行了分析。Hoxey等［29-30］在自然风下，对英国6个典型的单跨和多跨塑料温室建筑的结构应变和表面压力进行实测，并讨论了几何效应对压力分布的影响，有利于设计者在保证足够强度和高透光率间实现更有效的平衡。Richardson［5］在自然风下，选取约50%渗透率的防风层，在防风层和温室间分别以7.5、15 m两个平行于温室屋脊的间距，对有无遮蔽的薄膜温室表面压力进行实测，得到相应的遮蔽系数。Richardson［31］也通过现场实测，获得了塑料薄膜覆盖的单跨畜禽舍建筑的内外风压系数，为这种新型式结构提供了设计依据。Teitel等［32］通过现场实测、CFD模拟和风洞试验研究，认为风向对温室通风率、气流模式和温度分布有显著影响，着重讨论了温室开口处实测风速与数值模拟值存在差异的原因。

目前有关温室建筑风效应的现场实测研究较少，与此相关的国内文献则更少；现有研究主要采用传统的点式测量方法测量温室的应变和风压，鲜有结合分布式光纤传感技术监测温室三维整体应变场和变形场的研究；现有研究集中于自然风作用的现场实测，尚未涉及热带海岛地区强/台风作用下薄膜温室风效应的实测研究。

2.2 温室建筑风效应的风洞试验

Kyeong-seok Kwon等［6］为评估沿海地区温室建筑的安全性，在风洞中模拟风环境，测量不同风向、屋顶坡度和曲率半径下，韩国4种典型单跨温室建筑的风压系数。Moriyama等［33-34］基于1：20的管棚式温室刚性缩尺模型，采用风洞试验研究了侧山墙开口对温室内、外压力系数的影响和间距对2～3个平行布置的温室表面风压系数的影响。Yang等［35］基于刚性模型研究单跨塑料温室和日光温室表面的风压分布，推导了两类温室表面损伤的临界风速，并总结各表面分区的风压系数规律。谢小妍等［36］对华南型单栋塑料温室进行刚性模型风洞试验，分析了16种风向下温室风荷载体型系数大小和分布规律，讨论了屋檐、天窗等外伸部位对温室风荷载分布的影响。武燕飞［37］通过风洞试验研究了有无遮阳幕时温室表面的风压系数，并采用流体动力学软件Fluent，结合标准k-ε湍流模型，对温室表面风压进行数值模拟。王健等［38］基于刚性缩尺模型，在不同风向和有无遮阳幕工况下对互插式连栋塑料温室的风压分布进行分析，确定了温室风载体型系数。杨再强等［39］开展了塑料大棚的刚性模型测压试验，分析不同风向下大棚表面的风压分布规律，并推导了设施大棚各区域发生风灾的临界风速。

现有关于温室建筑风效应的风洞模拟主要为平稳风场下的刚性缩尺模型测压试验，将薄膜温室外表面按固面处理，对于非平稳与阵风风场下考虑流固耦合效应的风洞气弹试验极少研究；而且在风洞试验过程中，缩尺比较大，难以完全模拟实际地貌的近地面风场特性，在一定程度上影响了试验的精确性。此外，建筑物门窗的开敞或突然开孔导致内压增大会影响屋盖的安全［40］，但目前有关开孔温室风效应及破坏机理的研究较少。

2.3 温室建筑风效应的数值模拟

Mathews等［41］对半圆形温室的风荷载进行了数值模拟，研究了雷诺数和地形粗糙度对温室风压分布的影响。Reichrath等［42］采用Fluent对52跨Venlo型温室表面风压进行数值模拟，其计算结果与实测值吻合较好，为今后温室风压模拟提供了依据。Mistriotis等［43］通过数值模拟，获得横风向作用时拱形温室在两侧对称开口和背风面开口工况下的内、外部风压系数分布特点。Kim等［44-45］采用CFD模型对韩国典型的多跨温室风压系数进行研究，考虑风向、跨数和温室设计因素的影响，分析了覆盖层设计的最大风压系数值。Kuroyanagi［46］通过数值模拟研究了纵向和横向风对温室漏风和温室内外压力系数的影响，并用实测结果验证了模拟结果。陶冶［4］选取Pealizable k-ε湍流模型，分析了Venlo型连栋玻璃温室在不同风向、顶窗形式、开窗形式下的风压分布规律。郭万东等［47］采用CFX-5，结合k-ε湍流模型和结构化非均匀网格模拟了华南型单栋和连栋温室表面风压分布，讨论了温室屋檐和屋脊处的风压分布特点。王东霞［48］采用达文波特谱对北京地区脉动风进行了模拟，并考虑流固耦合作用，对平均风和脉动风下的弹性温室结构进行了风压和风振分析。蔡唯益［49］为获取圆拱型温室群在不同风向、排列方式中各单体的风压系数和它们之间的相互影响，选取Pealizable k-ε湍流模型对温室群建筑进行了表面风压模拟，为圆拱型温室抗风设计提供了参考。刘云飞［50］建立了桁架拱轻钢塑料大棚有限元模型，计算了风荷载作用下大棚骨架的应力及位移，对塑料大棚骨架参数进行了优化设计。吴昆等［51-52］采用CFD数值模拟，结合Reynolds时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，分析了拱形塑料大棚单棚和群棚模型在不同风向和棚间距时的表面风压，并用干扰因子定量分析了群棚间的风致干扰效应。

相比现场实测，国内外对温室建筑风效应的数值模拟研究开展较多，并取得了一些成果。然而，对于单栋和群体布置的塑料薄膜温室的风致响应和群体干扰效应主要简化为刚性模型进行研究，即针对薄膜温室这种膜结构，尚未建立系统考虑流固耦合效应的数值模拟方法。

2.4 温室建筑相关规范和标准

多数国家制定了农业温室建筑的相关规范和标准，如美国温室标准（NGMA，Design Loads in Greenhouse Structures，1996）［53］、荷兰温室标准（NEN 3859，Greenhouse Structural Requirements，1982）［54］、英国温室标准（BS 5502，Buildings and Structures for Agriculture，1993）［55］、欧盟温室标准（Greenhouses-Design and construction-Part 1：Commercial production greenhouses）（EN 13031-1：2001）［56］、日本园艺设施结构安全标准［57］、中国《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183-2016）［10］等。然而，现有温室规范多套用工业与民用建筑结构设计相关规范和标准，再附加一些条款，未完全体现温室建筑的特殊性。温室建筑属于轻型结构，在规模、重要性、使用年限等方面与工业与民用建筑差别较大，因此，将工民建规范直接用于温室建筑结构设计有诸多不合理之处。

在我国《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183-2016）［10］中，未考虑脉动风压影响，风振系数为1.0，而温室建筑的围护结构（如薄膜、PC板、玻璃等）破坏往往是由于极值风压的作用；风荷载体型系数仅考虑0°和90°风向角，且基本按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）［58］、欧盟温室标准（EN 13031-1：2001）［56］的有关规定给出，局部风荷载体型系数规定较粗略；关于风压高度变化系数，中国温室荷载规范对截断高度的规定不如欧洲规范划分细致，无法体现温室这种低矮建筑在高度范围内的风压变化情况；温室常以多跨、群体形式存在，而现有规范未提及温室群体风致干扰的影响，未针对群体风致干扰效应对相应位置的温室风荷载计算进行修正；对有启闭通风口的温室，规定风荷载设计中宜按通风口关闭状态设计，而温室开口对体型系数可能有较大影响。因此，亟需进一步完善农业温室建筑的相关规范，提高温室建筑抗风性能。

3 膜结构抗风研究

薄膜温室建筑属于膜结构，可参考膜结构风效应研究的相关理论和方法。膜结构在风荷载作用下产生大幅变形和振动，而结构的变形和振动又会影响周围流场和结构表面的风荷载分布，即“流固耦合”效应［59］。Pramila［60］通过对膜结构开展风洞试验，得出其风致破坏临界风速和自振频率仅为不考虑流固耦合效应时的15%～30%。因此，膜结构抗风设计时，应考虑流固耦合效应。膜结构抗风研究方法主要有现场实测、气弹模型风洞试验和流固耦合数值模拟。

3.1 膜结构风效应的现场实测

Michalski等［61］对伞形膜结构开展了现场实测，将实测风数据导入CFD软件进行流固耦合数值模拟，通过对比实测值和模拟值验证了数值模拟的正确性。Kim等［62］对韩国济州岛世界杯体育场膜结构的加速度进行了4年实测，发现其在强风下的气弹效应明显，结构频率降低5%，总阻尼随振幅增大约2倍。朱丙虎等［63］对强风下上海世博轴索膜结构的风场和风压进行实测，发现风场湍流度大，具有显著的紊乱性和随机性；平均风压系数实测值略小于风洞试验值。张建胜等［64］对双曲抛物面形膜结构的风场和风压进行实测，并与数值模拟值对比，结果表明，风压系数实测值略小于模拟值。蒋磊等［65］基于实测数据，对强风下某大跨度膜结构进行风场、风压特性与非高斯特性分析，发现膜边缘处的风压呈明显非高斯特性，且测点上下风压呈负相关；风压中低频成分幅值较大。

现场实测不涉及相似比问题，最能真实反映膜结构的流固耦合效应，且能验证数值模拟和气弹试验的准确性。然而，目前针对实际膜结构工程的实测仍较少。

3.2 膜结构风效应的风洞试验

针对实际工程的风洞气弹试验研究，Lazzari等［66］基于拉普拉塔体育场索膜结构原型，保证几何相似、频率相似、阻尼相似和刚度相似，开展气弹试验，认为结构流固耦合效应与阻尼和刚度系数矩阵有关，阻尼和刚度系数矩阵由与风速相关的迭代矩阵进行修正，随着风速增大，当迭代矩阵非正时，结构发生气弹失稳。Rank等［67］以直径30 m的伞形张拉膜结构为原型开展气弹试验，保证结构几何相似，并将试验结果用于验证CFD模拟的正确性，发现模拟值和风洞试验值吻合较好。针对假想膜结构工程的气弹试验研究，武岳、孙晓颖和陈昭庆［68-69］在均匀流场中分别进行开敞式、封闭式单向张拉膜结构的气弹试验，研究了膜结构的流固耦合机理。针对气弹模型相似条件的研究，韩志惠等［70］基于1/5、1/10和1/20缩尺比的气弹模型，研究了质量比、费劳德数、弹性模量对鞍型张拉膜结构风致响应的影响，并给出部分相似参数的理论取值控制范围。

目前针对膜结构实际工程的风洞气弹试验仍较少，有重要参考价值的研究则更少。忽略相似理论限制，以假想模型为原型，以膜结构的气弹响应为研究对象的气弹试验取得了一定成果，但仍未彻底解决膜结构的流固耦合机理和气弹失稳机理。模型制作时，放松部分相似条件对结构响应的影响程度仍难以量化分析。

3.3 膜结构风效应的数值模拟

模拟膜结构风效应采用流固耦合数值模拟方法，即结合CFD计算流体动力学、CSD计算结构动力学以及动网格技术，在计算机上再现膜结构和风场的流固耦合过程［59］。按其求解策略分为强耦合法和弱耦合法。强耦合法是对流体方程、结构方程和耦合条件同时联立，在同一时间步内对所有变量同时求解，其精度高，但对计算方法、离散格式及网格划分的精细程度等要求也高。Hubner等［71］基于强耦合法模拟二维膜结构的流固耦合问题，其收敛性好，但未引入湍流模型，其计算精度有待提高。孙芳锦等［72］采用强耦合法，把伪实体模型引入流体域来处理变形问题，实现二维双坡屋面膜结构的数值模拟。弱耦合法是在每个时间步内对流体域和结构域分别求解，并通过设置具体参数，在两个计算域间进行数据传递，以实现两个分区间的耦合求解，计算效率高。Knight等［73］采用弱耦合法，将风洞风压数据导入自编流体计算程序，实现敞篷汽车车顶二维膜结构的流固耦合模拟，其响应值与势流理论解和试验值吻合较好。孙晓颖等［74］基于弱耦合法，结合FLUENT、自行编制的结构动力分析和动网格程序，建立流固耦合数值模拟平台，对单向柔性屋盖和鞍形膜结构进行模拟。申跃奎等［75］选用RNG k-ε湍流模型，基于弱耦合法模拟考虑流固耦合的矩形气承式充气膜结构的风荷载，发现考虑流固耦合时的体型系数比不考虑流固耦合时明显偏大。此外，孙晓颖等［76］提出一种简化数值模拟方法，将膜结构风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应，对应流固耦合过程分为静态耦合、拟静态耦合和瞬态耦合，分别采用不同方法求解，实现对鞍形张拉膜结构的流固耦合简化数值模拟。

流固耦合数值模拟在计算策略和效率上已取得一定进展，但仍仅限于简单膜结构的分析；开展流固耦合数值模拟时，其动网格更新效率有待提高；数值模拟计算量巨大，难以满足大规模推广运用和指导工程设计的要求。

4 现有研究存在的主要问题

综上所述，国内外在近地面风场、农业温室建筑与膜结构风效应研究方面均取得一些进展。然而，针对台风频发的热带海岛地区，在薄膜温室建筑这一种特殊膜结构抗风研究方面仍存在以下问题亟待解决：

（1）热带海岛地区近地面强/台风风场的现场实测数据缺乏。现有风规和标准对10 m以下的风场描述较为粗糙，对风特性参数的规定也不统一。然而，近地面强/台风风场对热带海岛地区薄膜温室建筑的抗风设计尤为重要。

（2）强/台风下热带海岛薄膜温室风效应的原型实测很少。国外主要是实测自然风作用的温室风效应，对温室台风作用及群体风致干扰的实测鲜有报道；国内主要实测低矮和高层建筑风效应，对热带海岛薄膜温室台风效应的实测甚少。

（3）强/台风下薄膜温室整体应变场和变形场的实测研究开展甚少。现有关于薄膜温室在风荷载下的应变测量主要采用应变片等传统的点式测量方法，仅能获得少数位置的局部应变和变形特征，难以全面监测结构的变形分布。

（4）非平稳风场下薄膜温室流固耦合效应的风洞试验研究很少。薄膜温室在非平稳的强/台风下存在流固耦合效应，而现有研究主要基于平稳风场下的刚性模型试验来分析薄膜温室风效应，导致所设计的薄膜温室存在安全隐患。

（5）尚未建立薄膜温室建筑风效应分析的流固耦合数值模拟方法。需要在求解策略和效率上作进一步的探索和研究。

（6）对薄膜温室建筑的风致破坏机理研究甚少。薄膜开孔、表面极值风压与极值应变分布对薄膜破坏和结构整体倒塌的影响等破坏机理有必要进一步研究。

（7）对薄膜温室建筑抗风措施的研究相对较少。防风网的设置距离和位置对薄膜温室建筑抗风效果的影响，温室骨架的选材对整体结构抗风性能的影响，体型优化对薄膜温室风效应的影响，对风压较大区域进行局部加固等抗风措施的研究仍需进一步加强。

（8）对薄膜温室建筑风效应的研究内容不够全面。有关侧窗、天窗、肩窗的不同开启或关闭组合、有无遮阳幕、遮阳幕的设置角度和高度等各种工况下的温室建筑风效应还需全面、系统地分析和研究。

（9）对薄膜温室建筑风效应的研究手段比较单一。现有研究极少将分布式传感技术与现场实测、气弹模型风洞试验、流固耦合数值模拟以及理论分析等研究手段相结合的较为深入、系统和全方位的研究。

存在以上问题的原因在于，一方面，没有建立热带海岛地区近地面台风和薄膜温室建筑风效应的现场实测平台，缺乏长期实测数据作为研究基础；另一方面，大多数研究未考虑到薄膜温室这种膜结构在风荷载作用下的流固耦合效应，未建立薄膜温室建筑的风洞气弹试验方法和流固耦合数值模拟理论；最后，尚未研究并总结出针对薄膜温室建筑抗风性能的有效抗风措施。

5 研究展望

针对目前薄膜温室建筑抗风研究中存在的主要问题，采用分布式光纤传感技术与现场实测、风洞实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，对热带海岛地区的强/台风风场，薄膜温室建筑风效应、风致破坏机理、抗风措施开展全面、系统的研究具有重要的理论与工程意义。主要包括如下几方面的研究。

5.1 热带海岛地区近地面风场与薄膜温室建筑风效应的现场实测研究

（1）近地面风场与薄膜温室建筑风效应的现场实测系统研制。在测风塔上安装多套风速仪，连接采集仪，构成风场实测系统。选取典型的单栋和连栋塑料薄膜温室为实测原型，在其表面布设风压和加速度传感器、网状应变传感光纤，并连接采集仪、分布式光纤传感仪，构成风效应实测系统。集成风场和风效应实测系统，实现远程控制与数据采集。

（2）热带海岛地区近地面强/台风风场的现场实测研究。利用风场实测系统，在典型海岛地貌开展实测，获取台风实测数据，分析平均风速和风向、风剖面、湍流度、阵风因子、积分尺度、风速谱、湍流相关性、台风登陆后的衰减规律和台风的非平稳性等风场特性，并与现有风规和标准对比，总结出热带海岛典型地貌的近地面台风风场规律。

（3）热带海岛地区薄膜温室建筑风荷载的现场实测研究。基于数据融合的传感器优化布置方法，优化薄膜温室风效应实测系统。开展同步实测，获取温室表面风压和加速度实测数据，得到单栋和连栋温室薄膜表面的风压分布规律和加速度响应特征。研究薄膜温室的整体体型系数、局部体型系数以及风致干扰效应，并与现有风规和标准对比，为规范的修订提供参考。

（4）台风作用下薄膜温室应变场和变形场的现场实测研究。基于分布式光纤应变传感技术监测薄膜温室结构的应变分布，获得台风下温室表面的应变场和变形场，以全面把握温室薄膜的实际变形状态。基于实测应变场和变形场，分析温室薄膜的破坏机理。

5.2 热带海岛地区近地面风场与薄膜温室建筑风效应的风洞试验研究

（1）热带海岛地区近地面台风风场的阵风风洞模拟。基于风场实测数据，在阵风风洞中建立符合热带海岛地形的台风风场。同时，针对不同地貌和周边建筑干扰对风场的影响开展多工况研究，提出热带海岛典型地貌的风场计算方法。

（2）刚性模型和气弹模型风洞测压试验对比研究。基于实测原型，分别制作满足相似理论的缩尺刚性测压模型、气动弹性模型，对单栋、连栋温室模型进行测压试验，并利用粒子图像测速系统（PIV）可视化模型周围流场。对比刚性模型和弹性模型表面的风压分布特性、周围流场分布特性，探讨流固耦合效应对温室表面风荷载和周围流场的影响，并与实测结果进行对比分析。

（3）气弹模型风洞同步测振与测压试验。在弹性模型表面安装超薄型加速度传感器，基于阵风风洞中建立的实测风场，对单栋、连栋温室弹性模型进行同步测振与测压试验。分析流固耦合效应对结构振动特性的影响，研究模型响应与其表面脉动风压之间的相关性。

5.3 热带海岛地区近地面风场与薄膜温室建筑风效应的数值模拟研究

（1）热带海岛地区近地面台风风场的数值模拟研究。基于CFD软件，选取合适的湍流模型模拟得到热带海岛地区的近地面台风实测风场，为后续薄膜温室流固耦合效应的数值模拟奠定基础。

（2）考虑流固耦合的薄膜温室建筑风效应的数值模拟研究。开发流固耦合模型模拟温室的风效应，对比是否考虑流固耦合效应时薄膜表面的风压特性、应力应变分布特性、加速度响应以及轻钢骨架的应力应变分布特性和位移响应，获得台风影响下薄膜温室风荷载和风致响应的特征。结合分形理论将模拟结果与现场实测和风洞试验结果进行对比，探究各研究手段的相似性，以提高数值模拟的可靠性。

（3）热带海岛地区薄膜温室多工况风效应研究。探究不同开窗组合、开窗角度、是否遮阳、群体布置条件等工况对薄膜温室表面风压以及内外部流场的影响。

5.4 热带海岛地区薄膜温室建筑风致破坏机理研究

（1）薄膜温室建筑的薄膜风致破坏机理研究。基于现场实测、风洞试验和数值模拟结果，重点分析温室薄膜表面极值风压、极值应力与应变、应变场和变形场特征，确定薄膜表面的薄弱部位，并推导出薄膜各区域发生风致破坏的临界风速；开展热带海岛地区温室覆盖薄膜在高温、高湿、高盐雾及强紫外线照射等环境因素影响下的耐候性研究，从温室施工和维护方面研究薄膜老化后的力学性能及风致破坏机理。

（2）薄膜温室建筑的轻钢骨架风致破坏机理研究。基于数值模拟结果，重点分析温室轻钢骨架的极值应力、极值应变以及变形特征，确定其薄弱部位，得到台风作用下薄膜温室轻钢骨架的风致破坏机理。

5.5 薄膜温室建筑抗风措施、抗风效果与抗风设计理论研究

（1）薄膜温室建筑的抗风措施与效果研究。基于数值模拟和风洞试验等手段研究外形与细部构造、间距以及风向等参数对薄膜温室风效应的影响，优化抗风设计参数；研究种植树木、安装扰流板与阻尼耗能抗风装置等措施改善温室的抗风效果，提出最优抗风措施。

（2）薄膜温室建筑轻钢骨架的加固与优化设计研究。针对温室轻钢骨架的薄弱部位，提出相应的加固措施；对温室轻钢骨架进行整体优化设计，并将优化后的薄膜温室再次进行流固耦合数值计算，验证加固与优化的可行性。

（3）薄膜温室建筑覆盖薄膜的加固与优化设计研究。考虑经济效益和保证温室覆盖薄膜具有良好透光性能的基础上，提出温室建筑覆盖薄膜的最优抗风加固措施，如在薄膜材料中增加合适网格尺寸的钢丝网，对温室覆盖薄膜进行加固设计研究。

（4）薄膜温室建筑等效风荷载的确定方法研究。采用现场实测、风洞气弹试验、流固耦合数值模拟和理论分析等方法，系统地开展热带海岛地区薄膜温室台风作用及其效应的研究，提出薄膜温室等效风荷载确定的新方法，为薄膜温室的抗风设计提供依据。

通过一系列深入的研究，加强人们对热带海岛地区近地面台风和薄膜温室建筑风荷载特性的认识，完善温室结构设计相关理论和规范，从而提高强/台风地区薄膜温室建筑的抗风性能，以减小风灾损失。