淺析風(fēng)洞試驗(yàn)在建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉偉軒

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266033）

前言

幕墻是建筑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中常見(jiàn)的裝飾性結(jié)構(gòu)或建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其建筑特征主要表現(xiàn)為：該結(jié)構(gòu)并非直接分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的荷載，而是起到圍護(hù)結(jié)構(gòu)；在自身平面內(nèi)，幕墻與主體結(jié)構(gòu)相比，具有較大的位移能力，且能夠承受更大的變形；屬于支承結(jié)構(gòu)和面板共同組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。幕墻的建設(shè)在超高層和高層建筑設(shè)計(jì)和建筑過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槟粔ㄖ?huì)與大氣環(huán)境直接接觸，因而更加易受外部風(fēng)荷載作用的侵蝕。通常，風(fēng)荷載會(huì)對(duì)幕墻產(chǎn)生直接的控制作用，因而其本身應(yīng)具備較強(qiáng)的承載能力。

1 風(fēng)致幕墻破壞的主要特征

由風(fēng)致幕墻破壞的發(fā)生部位來(lái)看，風(fēng)致幕墻破壞的發(fā)生主要受風(fēng)荷載的影響，也就是正面侵襲的臺(tái)風(fēng)會(huì)在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生最大的正風(fēng)壓力。對(duì)于凹形設(shè)計(jì)的建筑平面，其內(nèi)轉(zhuǎn)角部位幕墻風(fēng)致破壞的發(fā)生率最高，通常表現(xiàn)為幕墻的正風(fēng)壓破壞，但檐口部位建筑的風(fēng)致破壞則主要是負(fù)風(fēng)壓破壞。

局部破壞是幕墻風(fēng)致破壞的主要類(lèi)型，主要形式包括開(kāi)啟扇破壞和玻璃板塊破裂等。其中，板塊強(qiáng)度破壞是發(fā)生率最高的類(lèi)型，且損壞不同通常較為集中，也就是某部位的多塊玻璃板同時(shí)遭到破壞。

2 建筑幕墻設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)理解和使用不當(dāng)

將風(fēng)洞試驗(yàn)所得的最大風(fēng)荷載數(shù)據(jù)直接用于建筑物幕墻設(shè)計(jì)和建設(shè)中。因?yàn)轱L(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表通常能夠直接給出圍護(hù)結(jié)構(gòu)參考設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，并為設(shè)計(jì)人員的工作提供基礎(chǔ)，因而提高幕墻設(shè)計(jì)的精細(xì)程度，會(huì)造成較為嚴(yán)重的幕墻建設(shè)的浪費(fèi)情況。

2.2 充分考慮周?chē)ㄖh(huán)境的情況

對(duì)于密集區(qū)域高層建筑幕墻的設(shè)計(jì)和建設(shè)，還應(yīng)從充分考慮周?chē)ㄖh(huán)境的情況，若僅僅從單體陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)荷載體型系數(shù)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，而未充分考慮群體風(fēng)干擾系數(shù)，則會(huì)大大降低建筑物使用的安全性[1]。

2.3 設(shè)計(jì)部分幕墻時(shí)，風(fēng)荷載取值較保守

設(shè)計(jì)部分幕墻時(shí)，風(fēng)荷載取值較保守，而未區(qū)分處理邊角區(qū)域和建筑大面。從幕墻設(shè)計(jì)計(jì)算的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)人員通常以建筑頂部高度的高度系數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)墻邊角體型系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)規(guī)范化的計(jì)算，獲得建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載技術(shù)，以此作為幕墻整體設(shè)計(jì)荷載，但這一操作規(guī)程會(huì)導(dǎo)致受風(fēng)面積較小的部位發(fā)生較為嚴(yán)重的材料浪費(fèi)現(xiàn)象[2]。

3 幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)中風(fēng)洞試驗(yàn)的應(yīng)用

建筑幕墻風(fēng)洞試驗(yàn)是指按照空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，在大氣邊界層環(huán)境中，在建筑物受風(fēng)待測(cè)情況下，重現(xiàn)可控流體的風(fēng)洞，從而獲得建筑物自身風(fēng)致反應(yīng)情況和風(fēng)荷載信息。完成風(fēng)洞測(cè)試后，按照實(shí)際設(shè)計(jì)要求處理原始數(shù)據(jù)，從而獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的風(fēng)荷載參數(shù)。

建筑物幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要法律規(guī)范包括：《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGl02-2003）》第5.3.3條指出：“玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果確定；玻璃幕墻高度大于200m或體型、風(fēng)荷載環(huán)境復(fù)雜時(shí)，宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)確定風(fēng)荷載”?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009-2001）》第7.3.1條指出：“房屋和構(gòu)筑物體型不同且無(wú)參考資料可以借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定;對(duì)于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定”[3]。

類(lèi)型不同的幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)，其風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程也存在一定的差異性，對(duì)于局部構(gòu)造復(fù)雜、周?chē)ㄖ芗约绑w型新穎的建筑物，其荷載規(guī)范無(wú)法將建筑全部囊括在內(nèi)，一般情況下，應(yīng)依據(jù)建筑幕墻的功能性質(zhì)、局部構(gòu)造形式以及外部形態(tài)，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)方法進(jìn)行具體選擇，雙層幕墻模型試驗(yàn)、遮陽(yáng)系統(tǒng)的局部模型試驗(yàn)以及整體模型風(fēng)壓試驗(yàn)是目前較為常用的建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)洞試驗(yàn)方法[4]。

與幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)的成本控制，也是其設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)建筑幕墻時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)特定程序，選擇風(fēng)荷載取值，并對(duì)風(fēng)荷載的全部最壞可能進(jìn)行充分考慮。從具體的工程實(shí)際來(lái)說(shuō)，風(fēng)洞試驗(yàn)僅僅需要對(duì)工程的實(shí)際情況進(jìn)行探討分析，所以，測(cè)試所得結(jié)果通常會(huì)低于規(guī)范取值，設(shè)計(jì)人員能夠按照風(fēng)洞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)建筑材料進(jìn)行合理分配和規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)建筑成本的降低，并對(duì)建筑成本進(jìn)行有效控制[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文由幕墻結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)關(guān)系、幕墻設(shè)計(jì)中風(fēng)洞試驗(yàn)的應(yīng)用價(jià)值、幕墻風(fēng)荷載取值、風(fēng)致幕墻結(jié)構(gòu)損壞特征等方面出發(fā)，對(duì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載情況進(jìn)行了分析。對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)在幕墻的使用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，特別是隨著遮陽(yáng)系統(tǒng)和雙層幕墻在建筑設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蚋臃奖銣?zhǔn)確地得到風(fēng)荷載值，并在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到直接應(yīng)用。利用風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)︼L(fēng)荷載分區(qū)進(jìn)行科學(xué)劃分，從而實(shí)現(xiàn)幕墻設(shè)計(jì)的合理性與安全性，最大限度降低建筑材料浪費(fèi)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)荷載取值的優(yōu)化。根據(jù)幕墻風(fēng)致破壞特點(diǎn)的不同實(shí)施抗風(fēng)設(shè)計(jì)，可選擇局部風(fēng)荷載，現(xiàn)階段，有關(guān)規(guī)定中的數(shù)據(jù)無(wú)法完全滿(mǎn)足非常規(guī)幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)的需要，而風(fēng)洞試驗(yàn)則能夠提供有效的補(bǔ)充。

[1]葛鴻飛，任璆.高層建筑幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)峰值因子研究[J].建筑工程，2012，1（5）：53-54.

[2]劉長(zhǎng)虹，劉春，宋俊杰.橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)洞試驗(yàn)及抗風(fēng)措施[J].北方交通，2011，10（2）：46-47.

[3]李正農(nóng)，羅蝶峰，石文海，梁笑寒.沿海高層建筑玻璃幕墻風(fēng)致應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)科學(xué)，2011，41（11）：1439-1440.

[4]陳勇，焦健，趙輝，婁文娟，孫炳南.面向設(shè)計(jì)的房屋建筑剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)[J].空間結(jié)構(gòu)，2003，9（2）：48-49.

[5]徐安，傅繼陽(yáng)，趙若紅，等.土木工程相關(guān)的臺(tái)風(fēng)近地風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（1）：23-31.