擬建高大建筑對鄰近建筑整體風荷載的影響

陳嘉路， 全 涌， 顧 明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

隨著城市化的不斷推進，建筑向著更高更柔更密集的方向發展，風荷載逐漸成為高層建筑結構設計時需要考慮的主要荷載之一，甚至控制性荷載.在大城市中，高層建筑之間的距離一般不會很大，氣動干擾效應相當復雜.早在20世紀8、90年代，Sakamoto[1]、Taniike[2]和Khanduri[3]等最早對高層建筑間的氣動干擾效應展開研究.在此后三十多年里，越來越多的學者開始從事建筑間氣動干擾領域的研究，并作出了一系列研究貢獻.Xie[4]和Gu[5]等通過一系列詳細的風洞試驗，研究了兩棟和三棟高層建筑之間的風致干擾效應，并分別定性討論了遮擋效應和狹縫效應的影響.Xie等[6]對三幢高層建筑的平均干擾效應進行了進一步研究，提出了描述動態干擾效應的包絡干擾因子(EIF).Lam等[7]研究了連續5個近距離平行布置的一排高層建筑之間的風致干擾效應，并解釋了這種布置下的一些特有的氣動干擾機制.之后，Lam等[8]進一步研究了近距離平行以及菱形排列的5個高層建筑的風致干擾效應，對建筑平均和脈動風荷載進行測量，并對建筑物風振動力響應進行估計.Kim等[9]研究了風向、施擾建筑的相對高度和相對位置等干擾因素對目標建筑的局部峰值風壓的干擾作用，之后Kim等[10]進一步研究了兩幢建筑間的風致干擾對整體風荷載的影響.還有很多學者對不同形狀及布置形式的兩棟高層建筑之間的各類氣動干擾效應做過研究[11-14].

雖然人們對建筑間氣動干擾效應的研究已經有很多，但一般僅考慮相對簡單的情況，如施擾建筑和受擾建筑均為規則的方形截面，周邊建筑排布整齊(如直線排列、斜向排列、L形排列等)，施擾建筑的橫截面大小與受擾建筑相當，等等.而大城市隨機密集城區對目標建筑的影響，尚未得到深入的研究.在新建一棟高大建筑時，周邊建筑對擬建建筑的影響往往能夠得到人們的足夠重視，但擬建高大建筑對鄰近相對低矮的高層建筑可能會有更嚴重的影響，卻常常被人們忽視.

本文基于一棟高150 m左右的實際超高層建筑的剛性模型測壓風洞試驗，分析了其鄰近更加高大(高度約400 m)的大型超高層建筑、等高的姊妹樓建筑和其他相對低矮的背景建筑群對其風荷載的影響.

1 目標建筑及周邊建筑概況

目標建筑為一棟高150 m的實際超高層建筑，寬度和厚度分別為38 m和23 m左右，橫截面形狀沿高度無變化.圖1為其風洞試驗測壓剛性模型的測點布置示意圖.模型外表面共布置了210個測點，分10層布置，每層21個測點.

周邊干擾建筑信息如圖2所示，模型試驗模擬的建筑場地范圍是半徑為750 m的圓形區域.目標建筑+y軸方向約170 m處是一棟高度約400 m的擬建大型超高層建筑(下文簡稱“大高樓”)，其橫截面基本形狀為邊長57 m的有斜切角的正方形;目標建筑+x軸方向有一棟高度與目標建筑相同，橫截面形狀與目標建筑相似的姊妹建筑(下文簡稱“姊妹樓”)，它與目標建筑平行布置，間隔23 m;其他周邊建筑(下文簡稱“背景建筑群”)大多比目標建筑低矮，分布情況總體表現為東半側(+x方向)稀疏西半側(-x方向)密集;北側及西側的背景建筑相對偏高，高度多數集中在20～50 m之間，個別建筑高度也達到了100 m;在+y軸方向較遠處(距離550 m左右)，還有3棟背景建筑與目標建筑等高.

圖2 周邊建筑及風向角信息(單位：m)

風洞試驗以正北方向定義為0°風向角，正東方向定義為90°風向角，以每10°取一個試驗工況，共計36個試驗風向工況.目標建筑體軸Y方向與地理北方向呈23°夾角.

2 試驗概況

在同濟大學TJ-2大氣邊界層風洞中進行了風洞試驗.該風洞試驗段高2.5 m，寬3.0 m.風洞試驗在模擬D類風場中進行，幾何縮尺比取1/500，全部建筑模型對試驗段橫截面的阻塞比在5%左右.模型頂部高度處的試驗風速為11.2 m·s-1.相對于建設場地50年重現期基本風壓0.75 Kpa，該試驗的風速和時間縮尺比分別為1∶3.6和1∶140.圖3為試驗中模擬的平均風速和紊流度剖面與建筑結構荷載規范中D類地貌值的對比,其中U為各高度處風速；U_ref為110 cm高度處的風速.

圖3 風場模擬結果

為了更好地研究周邊建筑對目標建筑的影響，試驗設置了5個工況，如表1和圖4所示.其中，工況1為孤立工況，周邊無任何建筑;工況2的周邊僅有姊妹樓一棟建筑;工況3的周邊只有姊妹樓和大高樓兩棟建筑;工況4的周邊有姊妹樓和背景建筑群，無大高樓;工況5有全部周邊建筑，包括大高樓、姊妹樓和背景建筑群.

表1 工況說明

3 數據處理

4 實驗結果

基于上述方法計算得到的各工況下的風荷載系數，可分析各周邊建筑的影響.

4.1 擬建大高樓的影響

圖5a和5b分別給出目標建筑在工況2和工況3下CFx和CFy隨風向角變化的情況.通過比較可以發現，在風向角350°附近，目標建筑受擬建大高樓的影響最為突出.相比于“既沒有大高樓也沒有背景建筑群”的工況2，工況3中新增的大高樓使得目標建筑x軸向和y軸向的峰值風荷載都有所增大，且x軸向峰值風荷載增大的幅度更加顯著.

a CFx

b CFy

為了解釋這一現象，圖6給出了目標建筑在工況2和工況3下CFx_rms和CFy_rms隨風向角變化的曲線圖.可以觀察到在350°風向角，順風向CFy_rms受擬建大高樓影響增大了約41%，而橫風向CFx_rms的增幅甚至達到了105%.

350°風向角附近，目標建筑脈動氣動力的增大與上游擬建大高樓的尾流旋渦脫落有關.在350°風向角附近，大高樓正好處于目標建筑上游，來流經過大高樓后會發生旋渦脫落現象，尾流中相互交替的旋渦會極大地激勵下游建筑的橫風向氣動力，使其橫風向氣動力脈動值顯著增大.順風向氣動力的脈動值也會受到上游大高樓的干擾，但不會有橫風向顯著，這與圖6中的分析結果一致.

a CFx_rms

b CFy_rms

撇開擬建大高樓對目標建筑氣動力脈動值的影響，考查圖5a和5b中各工況的氣動力系數平均值，可以發現在350°附近風向角，由于擬建大高樓的遮擋作用使得氣流的方向發生一定變化，原本接近0值的CFx_mean顯著偏離0值附近，并使得原本絕對值較大的CFy_mean卻明顯減小.可見，當擬建大高樓相對目標建筑處在來流上游時，它的遮擋效應以及尾流旋渦脫落，會使得目標建筑橫風向氣動力平均值顯著增大的同時,順風向氣動力平均值明顯減小.

為了進一步研究在實際情況下擬建大高樓對目標建筑風荷載的影響，圖8和圖9分別給出了在工況4和工況5中目標建筑CFx和CFy隨風向角變化情況.其中工況5為全部干擾建筑均存在的工況，而工況4相比工況5去掉了擬建大高樓.與前文中理想狀態下的“工況2和工況3”不同，“工況4和工況5”的對比研究是在有背景建筑群干擾的前提下進行的，以反映目標建筑在實際情況下的受擾情況.

圖8 工況4和工況5的CFx統計值對比

圖9 工況4和工況5的CFy統計值對比

通過對比工況4與工況5，發現在350°風向角附近有與工況3相對于工況2一致的變化規律：在x軸方向，目標建筑CFx_mean的絕對值和CFx_rms都由于擬建大高樓的尾流旋渦脫落的影響而顯著增大，最終導致目標建筑CFx_peak增大，使得其控制值(所有風向下CFx_peak的最不利值)增大了10%左右；在y軸方向，目標建筑的CFy_rms也會受大高樓尾流旋渦脫落的影響而有所上升，同時由于擬建大高樓的遮擋效應，目標建筑的CFy_mean絕對值會下降.

圖10 工況4和工況5在170°風向角下的

圖11 工況2和工況3在180°風向角下的

可見，擬建的大高樓對目標建筑風荷載的影響并非僅發生在其位于目標建筑上游時，當擬建大高樓相對于目標建筑處在來流下游時，它會一定程度上削弱目標建筑的橫風向脈動氣動力，且不同于理想狀態，在實際城市中目標建筑的周邊有眾多低矮建筑存在，下游擬建大高樓的影響可能更為顯著.

綜上所述，當擬建大高樓處在目標建筑上游時，其遮擋效應會減小目標建筑的順風向氣動力平均值，其尾流旋渦脫落現象將增大目標建筑順風向和橫風向的氣動力脈動值，最終可能會導致目標建筑橫風向的風荷載峰值顯著增大；擬建大高樓處在目標建筑下游時，它會一定程度上削弱目標建筑橫風向脈動氣動力，且背景建筑群的出現不但不會改變大高樓對目標建筑的影響規律，可能還會使得下游擬建大高樓的影響更為顯著.

4.2 等高姊妹樓的影響

圖12和圖13分別為目標建筑在工況1和工況2下CFx和CFy隨風向角變化情況.工況2 在工況1基礎上僅僅新增了等高的姊妹樓.

圖12 工況1和工況2的CFx統計值對比

圖13 工況1和工況2的CFy統計值對比

就平均氣動力而言，等規模姊妹樓的影響主要體現在對目標建筑CFx_mean的影響上，而對目標建筑CFy_mean的影響很小.從工況2與工況1的差異可以看出，在風向角為20°～120°時，目標建筑的CFx_mean絕對值受姊妹樓干擾顯著.其中，在40°風向角附近，目標建筑CFx_mean的絕對值因姊妹樓影響減小了約38%，而在風向角為70°附近(姊妹樓位于目標建筑正上游方向)時，姊妹樓對目標建筑的影響最大，它使目標建筑CFx_mean的絕對值減小了約67%.

就峰值風荷載而言，觀察圖12和圖13可以發現，從0°～140°風向角附近，目標建筑的x軸和y軸向的風荷載峰值均會由于新增姊妹樓的影響而有所降低.為了解釋這種現象，圖14給出了目標建筑在工況1和工況2下,CFx_rms和CFy_rms隨風向角變化的曲線圖.

通過比較圖14中工況1與工況2的差異可知，等高姊妹樓對目標建筑脈動氣動力的影響從0°風向角開始，一直到140°風向角結束.這期間目標建筑的CFx_peak和CFy_peak均會受姊妹樓干擾而有所降低.風向角在70°左右時，姊妹樓處在目標建筑正上游，對目標建筑CFx_peak的影響最為顯著，使之從0.86降低到0.35，減小了約60%.

可見，當等高的姊妹樓處在來流上游時，它不但會使目標建筑順風向的平均和脈動氣動力都顯著降低，同時還會使其橫風向脈動氣動力也有所下降，這主要是由于姊妹樓與目標建筑距離非常近，遮擋效應十分顯著.目標建筑迎風面在被上游姊妹樓遮擋的情況下，減小了來流的直接作用，迎風面的風壓不論是平均值還是脈動值均顯著降低，而其背風面的風壓變化不大，故其順風向不論是平均氣動力還是脈動氣動力均會顯著下降.同時，來流在姊妹樓迎風面發生分離，盡管在姊妹樓自身的側風面迎風邊緣附近的風壓脈動值會很大，但當氣流從姊妹樓迎風邊緣沿其側立面流向背風邊緣時，其風壓脈動值不斷減小并逐漸趨于穩定，等到達目標建筑側立面時風壓脈動值遠小于沒有姊妹樓的情況.

a CFx_rms

b CFy_rms

仔細觀察圖12還可以發現，相對于工況1而言，新增姊妹樓后的工況2中CFx_peak在160°～190°風向角之間明顯增大，相同的情況還可在300°～340°風向角之間觀察到.這表明，當姊妹樓相對于來流處在目標建筑一側時，會增大目標建筑的橫風向峰值風荷載，這是由于狹管效應導致目標建筑與姊妹樓之間的氣流流速顯著增大導致的.

a 70°

b 180°

綜上所述，當姊妹樓相對于目標建筑處在來流上游時，其遮擋效應不但會使目標建筑順風向氣動力平均值和脈動值都顯著降低，同時還會使目標建筑橫風向氣動力脈動值也有所下降，從而降低目標建筑順風向和橫風向的風荷載峰值；當姊妹樓相對于來流處在目標建筑一側時，它與目標建筑間狹管效應會增大目標建筑的橫風向氣動力脈動值，從而最終增大目標建筑的橫風向風荷載峰值.

4.3 背景建筑群的影響

圖16和圖17分別為目標建筑在工況2和工況4下x軸及y軸向的風荷載系數CFx和CFy隨風向角變化的情況，其中,工況4是在工況2的基礎上新增了背景建筑群.

通過比較工況2與工況4的氣動力系數平均值的差異可以看出，風向角處于270°～290°之間時工況4中的CFx_mean顯著降低，風向角為290°～340°時CFy_mean的絕對值也降低了很多.這主要是由于在270°～340°方向有密集的背景建筑群，它們雖然相對于擬建大高樓較低矮，但也不乏與目標建筑高度相當的建筑存在，其遮擋作用不可忽視.

圖16 工況2和工況4的CFx統計值對比

圖17 工況2和工況4的CFy統計值對比

比較圖16和圖17中工況2和工況4的風荷載系數峰值還可以發現，在340°風向角附近，背景建筑群的存在會使目標建筑x軸向的峰值風荷載有所增強.這主要是由于在北偏西20°方向(風向角340°，目標建筑+y方向)較遠的地方，都是與目標建筑等高的背景建筑，當來流經過他們再到達目標建筑時，目標建筑的脈動氣動力不論是x軸向還是y軸向均顯著增大，最終可能導致目標建筑風荷載峰值的增大.

為了進一步在有擬建大高樓的前提下研究背景建筑群對目標建筑的干擾效應，圖18和圖19分別為目標建筑在工況2、工況3和工況5下風荷載系數CFx和CFy隨風向角變化情況，其中，工況3和工況5均有擬建大高樓，且工況5相比工況3新增了周邊的背景建筑群.

圖18 工況2，工況3和工況5各工況的CFx統計值對比

圖19 工況2，工況3和工況5各工況的CFy統計值對比

通過比較圖18和圖19中工況3和工況5的差異，可以看到就氣動力平均值而言,背景建筑群對目標建筑的影響與圖16和圖17中所示的規律一樣，即在背景建筑群較密集的風向角下主要起遮擋來流的作用.而就風荷載峰值而言，在擬建大高樓影響最為突出的350°風向角附近，背景建筑群的存在會使目標建筑x軸向及y軸向的風荷載峰值都有略微的降低，但與工況2相比，目標建筑受擬建大高樓的影響依然十分顯著.

同樣的情況也出現在目標建筑的氣動力脈動值上.在圖20和圖21中，通過比較350°風向角附近工況5和工況3的差異，可以發現，在無背景建筑群的工況3里，CFx_rms受擬建大高樓影響上升最大，而當有背景建筑群的影響時，CFx_rms有略微降低，但仍然很高.可見，盡管背景建筑群的存在的確可略微削弱上游擬建大高樓對目標建筑氣動力脈動值的干擾作用，但擬建大高樓對目標建筑的影響仍然十分顯著.

圖20 工況2，工況3和工況5各工況CFx_rms隨風向角變化

圖21 工況2，工況3和工況5各工況CFy_rms隨風向角變化

圖22和圖23給出各工況下目標建筑在350°風向角時的x軸向和y軸向氣動力系數功率譜.圖中可以清楚的看到，相比于工況3中的情況，工況5中由于背景建筑群的出現，目標建筑的x軸向和y軸向氣動力系數均方根值都有所削弱，但還是顯然要比沒擬建大高樓的工況2要大很多.

圖22 350°風向角下工況2，工況3和工況5各工況的

圖23 350°風向角下工況2，工況3和工況5的

綜上所述，來流經密集的背景建筑群時，目標建筑順風向氣動力平均值會顯著減小.一些與目標建筑等規模的背景建筑群可能會增大目標建筑的順風向和橫風向氣動力脈動氣值，最終導致目標建筑風荷載峰值的增大；同時，盡管背景建筑群的存在會削弱上游擬建大高樓對目標建筑的干擾，但大高樓對目標建筑的影響仍然相當顯著.

5 結論

基于一棟超高層建筑模型的剛性模型測壓風洞試驗，本文通過分析不同工況下目標建筑x方向及y方向風荷載系數試驗結果的變化情況，討論了鄰近更加高大的大型超高層、等高的姐妹樓及其他背景建筑對目標建筑風荷載系數的影響，得出如下結論：

(1) 擬建“高大”建筑的遮擋效應會減小下游既有較低矮建筑的順風向氣動力平均值.但與此同時，由于尾流旋渦脫落的影響，“高大”建筑的出現也可能會顯著放大下游“低矮”建筑的順風向和橫風向氣動力脈動，最終導致其橫風向風荷載峰值顯著增大，這可能使得原結構設計變得不安全.

(2) 擬建“高大”建筑也會在一定程度上削弱其上游鄰近較低矮建筑的橫風向氣動力脈動，背景建筑較密集時這種影響有可能更為顯著.

(3) 緊鄰的等高姊妹樓的遮擋效應可能會使下游目標建筑的順風向氣動力平均值和脈動值以及橫風向氣動力脈動值都有所下降；當姊妹樓相對于來流處在目標建筑一側時，它與目標建筑間的氣流可能會產生狹管效應，導致目標建筑橫風向氣動力脈動值的增大.

(4) 背景建筑群主要起遮擋來流的作用.在上游背景建筑比較密集時，下游建筑的順風向氣動力系數均值會顯著降低.當上游出現一些與目標建筑等高度的背景建筑群時，目標建筑的順風向和橫風向氣動力脈動值可能會被放大，導致風荷載峰值的增大.當擬建大型超高層建筑處在目標建筑上游時，背景建筑群的存在會略微削弱大型超高層對目標建筑的干擾效應.

(5) 在實際工程中建設一座比周邊建筑更高大的超高層建筑時，它可能會對周圍的鄰近建筑有不利影響.設計者在關注周邊建筑對其風荷載的影響時，也應該就擬建高大建筑的出現對鄰近建筑風荷載的影響給予足夠的重視.