空气动力对建筑业的影响研究论文

风载荷 高层建筑物 影响风是紊乱的随机现象风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法；摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害。风对建筑物表面的作用力大小，与建筑物体型、高度、建筑物所处位置、结构特性有关。一、风荷载的形成风荷载是空气流动形成的，对建筑物的作用是不规则的，风荷载实际上是一种随机时变活荷载，但不同于一般活荷载（楼面和屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载）。为了结构设计方便，迄今为止，世界各国的高层建筑结构设计，都是将风荷载转换为确定性的静力等效风。风对建筑物的影响不仅仅是风声，主要是风荷载对水平位移的影响。具体到多少米会有影响，要看当地气候特点、风力状况、场地特征、建筑物体型等等因素。总风荷载与局部风荷载总风荷载是指建筑物的各个表面所受风荷载的合力，是沿建筑物变化的线荷载，通常按建筑物的主轴方向计算。局部风荷载是指在建筑物表面某些风压较大的部位，考虑风压对局部某些构建的不利作用时考虑的风荷载，考虑部位一般是建筑物的角隅或阳台雨篷等悬挑构件。风荷载与楼层高度有关，越高风压越大，但不是简单的正比关系。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范取值确定。对于山区的建筑物，风压高度变化系数还应考虑地形条件的修正。二、风荷载对高层建筑物的影响风荷载是超高层建筑的主要控制荷载,气流经过高耸结构物会产生明显的三维风荷载效应,即顺风向、横风向和扭转风荷载,从而引起结构在三个方向上的振动。高层建筑三维风荷载形成机理复杂,影响因素众多,一直以来都是风工程研究的热点问题。但目前大多数的研究都集中于矩形等少数规则平面的高层建筑,而对复杂体型高层建筑的风荷载则较少涉及。（一）、高层建筑物周围的风环境高层建筑物周围的风环境状况是由靠近地面的流动风（简称近地风）所决定的，近地风的形态结构如湍流度、旋涡尺寸等以相当复杂的形式依赖于建筑物的尺度、外形、建筑物之间相对位置以及周围的地形地貌等，不同时间、不同空间的风速、风向是不同的。可见，空气绕过建筑物的流动是一个非常复杂的流体运动现象，其流动特征具有明显的紊乱性、随机性，对行人的舒适程度的影响也不尽相同。风作用在建筑物上产生风压差。当风吹到建筑物上时，在迎风面上由于空气流动受阻，速度降低，风的部分动能变为静压，使建筑物迎风面上的压力大于大气压，在迎风面上形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶和两侧，由于在气流曲绕过程中形成空气稀薄现象，因此该处压力将小于大气压，形成负压区，形成涡流。高大建筑林立会产生“峡谷”效应，带来变幻莫测的“高楼风”。气流分布与建筑物形状有关。高层建筑如建筑呈横长形时风速最大区为建筑上方，当建筑呈细高状时，风速最大区为建筑两侧，项目的裙楼建筑为横长形,情况属于前者，塔楼建筑为细长形，情况属于后者。实际上，某一单体高层建筑物孤立存在的情况是很少的，更常见的是多栋相邻高层建筑物构成的建筑群。对于高层建筑群，由于各单体建筑之间的相互干扰，使得组成群体的各个建筑的空气动力特征与单个孤立建筑相比有较大的区别，其周围的风环境情况也更加复杂。影响高层建筑群风环境的主要因素为①建筑群空间密度及布局；②建筑物周围环境相对高度；③风向、风速；④建筑物的尺度、相对高度；⑤局域的地形、地貌等。对于多个相邻高层建筑物，当间距足够大时，它们之间没有相互作用，相当于多个单体的情形；而当间距很小时，整体上只相当于一个单体建筑；只有当相邻建筑物之间存在一定的距离并相互作用时，其风场状况才不同于单体建筑。高层建筑群风环境较差的区域为建筑物拐角处和巷道内。拐角处是角区气流作用较大的区域，其附近风速较高，风力较大，流场分布极不均匀。巷道是建筑物之间的区域，当气流平行流向巷道时，由此产生渠道效应，风速不断增大，而且巷道两端是建筑物的拐角，角区气流对巷道内产生较高风速也起了一定的作用。随着巷道纵深长度的增加，两侧建筑物的高度越高，建筑密度越大，渠道效应也越明显，当出现大风天气时，可能发展成为较强风速区，对行人和建筑造成一定危害。（二）、风荷载对高层建筑结构的要求在高层建筑中，竖向荷载对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。对一些较柔的高层建筑，风荷载是结构设计的控制因素，随着建筑物高度的增高，风荷载的影响越来越大。高层建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的侧向荷载是风荷载，在荷载组合时往往起控制作用。因此，高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工程师们的重视。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符合下列要求：1、应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；2、应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；3、对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。高层建筑的结构体系尚宜符合要求：结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位。风荷载是结构的重要设计荷载，特别对于高耸结构(如烟囱、塔架、桅杆等)、高层建筑、大跨度桥梁、冷却塔、屋盖等，有时甚至起到决定性的作用，因而抗风设计是工程结构中的重要课题。近二十年来，国内外建造了超高层建筑和大跨度结构。对这些限高层建筑结构风荷载和风震响应的计算分析，确保高层建筑物的质量是十分必要的。参考文献：[1]黄本才，结构抗风分析原理及应用[M]，天津：同济大学出版社，2001，1-7[2]张向庭.工程抗风设计计算手册[M]，北京：中国建筑工业出版社，1998[3]GB50009)2001建筑结构荷载规范[S]，2001，北京：中国建筑工业出版社，2002

建筑标准中对通风的要求 建筑通风方式比较国家颁布的《住宅设计规范》（GB50096-2011）规定：6.9.1 住宅的卧室、起居室（厅）、厨房不应布置在地下室；当布置在半地下室时，必须对采光、通风、日照、防潮、排水及安全防护采取措施。6.9.6 地下室、半地下室应采取防水、防潮及通风措施，采光井应采取排水措施。7.2.1 卧室、起居室（厅）、厨房应有自然通风。7.2.3 每套住宅的自然通风开口面积不应小于地面面积的5%。8.4.3 燃气设备的设置应符合下列规定：1. 燃气设备严禁设置在卧室内；2. 严禁在浴室内安装直接排气式、半密闭式燃气热水器等在使用空间内积聚有害气体的加热设备；3. 户内燃气灶应安装在通风良好的厨房、阳台内；4. 燃气热水器等燃气设备应安装在通风良好的厨房、阳台内或其他非居住房间。8.5.3 无外窗的暗卫生间，应设置防止回流的机械通风设施或预留机械通风设置条件。建筑中常用的自然通风实现方式主要有以下几种:1.利用风压实现自然通风节能,自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中,利用风压促进建筑的室内空气流通,改善室内的空气环境质量,是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明:当风吹向建筑时,因受到建筑的阻挡,会在建筑的迎风面产生正压力。同时,气流绕过建筑的各个侧面及背面,会在相应位置产生负压力。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。另外,伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。2.利用热压实现自然通风自然通风的另一原理是利用建筑内部空气的热压差———即通常讲的“烟囱效应”———来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理,在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中,可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔———如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求,并在顶部设置可以控制的开口,将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同,热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。3.风压与热压相结合实现自然通风在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说,在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风,而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙特福德大学女王馆就是这方面的一个优秀实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块,既在尺度上与周围古老的街区相协调,又能形成一种有节奏的韵律感,同时小的体量使得自然通风成为可能。位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风;而位于中间部分的报告厅、大厅及其它用房则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风。同时,建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料,使得建筑内部的得热量降到最低。)4.机械辅助式自然通风在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足于实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道,辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热、深井水换热等) ,并借助一定的机械方式加速室内通风。5.双层维护结构双层维护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术,被誉为“可呼吸的皮肤”。双层维护结构一般由双层玻璃或三层玻璃组成,在两层玻璃之间留有一定宽度的空隙形成空气夹层,并配有可调节的深色百页。在冬季,空气夹层和百页可以形成一个利用太阳能加热空气的装置,提高建筑外墙表面温度,有利于建筑的保温采暖;在夏季,则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出,达到降温的目的。对于高层建筑来说,直接对外开窗容易造成紊流,不易控制,而双层维护结构则能够很好的解决这一问题。建筑设计与自然通风自然通风效果与建筑构件(窗、门、墙体等) 有着密切关系。我们在建筑结构设计时应考虑充分利用自然通风。1.双层玻璃幕墙在欧洲,采用玻璃幕墙的建筑很流行,为减少夏季空调的冷负荷,需要遮阳设备。研究表明,采用外遮阳设备比内遮阳设备节能效果更佳,但外遮阳设备投资大且影响美观。于是发展了双层玻璃幕墙,双层玻璃之间留有较大的空间,常被称为“会呼吸的皮肤”。有时可将房间的窗户开向墙穴。在冬季,双层玻璃间层形成阳光温室,提高建筑围护结构表面温度;在夏季,可利用烟囱效应在间层内通风。玻璃幕墙间层内气流和温度分布受双层墙及建筑的几何、热物理、光和空气动力特性等因素的影响。CFD和network 方法的模拟结果表明,该结构可大大减少建筑冷负荷,提高自然通风效率。双层玻璃幕墙具有如下优点:避免开窗带来的对室内气候的干扰;使室内免受室外交通噪声的干扰;夜间可安全通风。然而由于大量使用玻璃,夏季会增加太阳辐射得热而使夹层内的温度很高,引起能耗增加,甚至导致办公室过热。所以为减少其带来的不利影响,内层可采用浅色玻璃,间层内设置窗檐, 但应注意窗檐、风口、窗户的合理安装。2.窗户大多数情况下,自然通风系统中以窗户来充当风口,窗户的形式、面积大小及安装位置影响通风效率、室内气流组织和室内热舒适。Per Heiselberg 等人研究了不同类型窗户的通风特性,认为对于单侧自然通风、贯流通风或热压驱动的自然通风来说,在冬季最好选择底悬式窗户,在夏季最好选择侧悬式窗户。窗户的通风系数Cd 随着开口面积、窗户类型和室内外温差的变化而变化,不能认为是常数,仅当开口面积较大时,通风系数才近似等于0.6 。3.中庭绿色建筑、高层建筑可利用中庭的热压作用实现自然通风,德国法兰克福商业银行总部大楼便是成功的一例。有中庭的建筑越来越多,但大多为封闭式,设计的目的主要是采光。4.风塔由垂直竖井和几个风口组成,在房间的排风口末端安装太阳能空气加热器以对从风塔顶部进入的空气产生抽吸作用。该系统类似于风管供风系统。5.屋顶屋顶的形状影响室外风压,从而影响自然通风效果。可采用翼形屋顶以便形成高压区和低压区。用CFD 方法和实验方法研究了自然通风建筑中,屋顶形状和屋顶高度对自然通风情况下的室内气流分布和室内气流流速的影响。依靠通风机提供的动力来迫使空气流通来进行室内外空气交换的方式叫做机械通风。与自然通风相比，机械通风具有以下优点：送入车间或工作房间内的空气可以经过加热或冷却，加湿或减湿的处理；从车间排除的空气，可以进行净化除尘，保证工厂附近的空气不被污染；按能够满足卫生和生产上所要求造成房间内人为的气象条件；可以将吸入的新鲜空气按照需要送到车间或工作房间内各个地点，同时也可以将室内污浊的空气和有害气体从产生地点直接排除到室外去；通风量在一年四季中都可以保持平衡，不受外界气候的影响，必要时，根据车间或工作房间内生产与工作情况，还可以任意调节换气量。但是，机械通风系统中需设置各种空气处理设备、动力设备（通风机），各类风道、控制附件和器材，故初次投资和日常运行维护管理费用远大于自然通风系统；另外，各种设备需要占用建筑空间和面积，并需要专门人员管理，通风机还将产生噪声。机械通风可根据有害物分布的状况，按照系统作用范围大小分为局部通风和全面通风两类。局部通风包括局部送风系统和局部排风系统；全面通风包括全面送风系统和全面排风系统。（1）局部通风利用局部的送、排风控制室内局部地区的污染物的传播或控制局部地区的污染物浓度达到卫生标准要求的通风叫做局部通风。局部通风又分为局部排风和局部送风。局部排风是直接从污染源处排除污染物的一种局部通风方式。当污染物集中于某处发生时，局部排风是最有效的治理污染物对环境危害的通风方式。局部排风系统的划分应遵循如下原则：a.污染物性质相同或相似，工作时间相同且污染物散发点相距不远时，可合为一个系统。b.不同污染物相混可产生燃烧、爆炸或生成新的有毒污染物时，不应合为一个系统，应各自成独立系统。c.排除有燃烧、爆炸或腐蚀的污染物时，应当各自单独设立系统，并且系统应有防止燃烧、爆炸或腐蚀的措施。d.排除高温、高湿气体时，应单独设置系统，并有防止结露和有排除凝结水的措施。② 局部送风系统在一些大型的车间中，尤其是有大量余热的高温车间，采用全面通风已经无法保证室内所有地方都达到适宜的程度。在这种情况下，可以向局部工作地点送风，造成对工作人员温度、湿度、清洁度合适的局部空气环境，这种通风方式叫做局部送风。直接向人体送风的方法又叫岗位吹风或空气淋浴。（2）全面通风全面通风又称稀释通风，原理是向某一房间送入清洁新鲜空气，稀释室内空气中的污染物的浓度，同时把含污染物的空气排到室外，从而使室内空气中污染物的浓度达到卫生标准的要求。全面通风适用于：有害物产生位置不固定的地方；面积较大或局部通风装置影响操作；有害物扩散不受限制的房间或一定的区段内。这就是允许有害物散入室内，同时引入室外新鲜空气稀释有害物浓度，使其降低到合乎卫生要求的允许浓度范围内，然后再从室内排出去。全面通风包括全面送风和全面排风，两者可同时或单独使用。单独使用时需要与自然送、排风方式相结合。① 全面排风为了使室内产生的有害物尽可能不扩散到其他区域或邻室去，可以在有害物比较集中产生的区域或房间采用全面机械排风。图7－5所示就是全面机械排风。② 全面送风当不希望邻室或室外空气渗入室内，而又希望送入的空气是经过简单过滤、加热处理的情况下，多用如图7－6所示的全面机械送风系统来冲淡室内有害物，这时室内处于正压，室内空气通过门窗排到室外。

建筑空气动力学（architectural aerodynamics） 空气动力学的一个分支，主要研究风对建筑物、构筑物（如房屋、桥梁、烟囱、冷却塔、电视塔、空中电缆、输电塔、广告牌、雕塑等，以下简称建筑物）的作用和效应以及建筑物的存在所造成的风环境等问题。 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，高耸建筑物不断增多，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。 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。 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，常用体形系数表示平均作用力的大小。＝(/):，式中为作用力；为建筑物迎风面积;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。 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。 此外，风吹过建筑群时，当地的流场将发生很大变化，引起不利效应。如使地面行人行走不便，甚至摔倒；在露天运动场产生不适宜比赛的风场等。这需要采取措施如预先调整建筑物间的布置形式、植树、布置防风设施等来控制局部气流。 研究方法 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。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。