帶高聳中庭的某高層建筑風荷載體型系數(shù)研究

厲同昌，吳蕙蕙，樓文娟

（1.浙江萬科南都房地產有限公司，浙江 杭州310006；2.浙江大學建筑工程學院結構工程研究所，浙江 杭州310058）

中庭是連接建筑內部與外界環(huán)境的空間，可用于改善建筑采光、通風，滿足人與環(huán)境的交互等［1］。隨著建筑體型在高度方向迅猛發(fā)展，帶中庭的高層建筑不斷涌現(xiàn)。當中庭頂部不封閉時，中庭四周即建筑內環(huán)表面圍護結構直接承受外部風荷載影響，而風荷載是高層建筑圍護結構設計的重要荷載。

國內外學者對高層建筑風壓分布特性進行過大量的試驗與研究，包括復雜體型［2］、干擾效應［3］等問題。而針對帶中庭的高層建筑，學者們多著眼于中庭的自然通風效果［4-5］、防火排煙特性［6-7］等，鮮少關注中庭內建筑外表面風壓分布特性規(guī)律。李永貴等［8-9］通過風洞試驗研究了不同開洞率下中庭內立面風壓分布情況，并給出了中庭內立面抗風設計建議公式。

我國規(guī)范［10］對于這種體型復雜、中庭空間開放的高層建筑抗風設計缺乏相應的體型系數(shù)規(guī)定。因此，本文對杭州“未來之光”二期工程4#塔樓進行風洞試驗，計算分析了該塔樓內環(huán)及外環(huán)表面風荷載體型系數(shù)，得出帶高聳中庭的高層建筑風荷載體型系數(shù)分布規(guī)律。

1 工程概況

杭州“未來之光”二期工程位于杭州市余杭區(qū)良渚組團萬科未來城二期東側，緊臨地鐵2號線杜甫站，4#塔樓東側為商業(yè)永旺夢樂城，東北側與南側均為商業(yè)等復合業(yè)態(tài)，北側、西側為住宅小區(qū)。見圖1。其中4#綜合樓高149.6 m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻（多筒）結構體系，利用建筑隔墻及樓梯、電梯位置設置剪力墻（筒體），按建筑軸網(wǎng)布置框架柱；底部大空間處采用桁架式轉換。該塔樓設計基于新的生活方式以及工作方式，透過橫條形的布局，降低了高度的建筑與地面公共空間較近的設計手法，讓建筑物內的使用者更容易走出室外，利用公共空間，達到人與人、人與空間的自然互動，提升生活以及工作品質。而塔樓則是將這樣一個橫條形與地面的水平關系分成好幾個體塊堆疊起來，每一個架空層都是一個地面，集合成一個垂直的巨大體量。該建筑的效果見圖2。

圖1 “未來之光”地塊總平面

塔樓平面呈“回”字形，內部是從地面到樓頂通透的高聳中庭，平面為44.2 m×37.2 m，底層中庭平面較上層略大。見圖3。塔樓底部四面開敞，其中南北向開口寬21.6 m，東面開口寬12 m，西面開口寬6 m，高均為8.4 m。此外，5層和14層為設備層，四面透風；10層和18層為避難層，東西向透風，南北向不透風。

圖3 塔樓標準層平面圖

2 風洞試驗概況

2.1 模型制作

本次風洞試驗模型采用ABS工程塑料制成，選取幾何縮尺比為1∶180，模型總高度為0.831 m。

4#塔樓模型共布置447個測點，分為16個測區(qū)，其中A、B、C、D、E、F、G、H測區(qū)位于建筑外環(huán)表面，AN、BN、CN、DN、EN、FN、GN、HN位于建筑內環(huán)表面。各測層模型高度及對應實物高度見表1，以D層為例，測點布置圖見圖4。每個測點埋設外徑為1.2 mm的退火銅管或不銹鋼管，測壓管垂直建筑物表面，并使測壓管表面與模型表面齊平無凹凸。

表1 模型測點高度及對應的實物高度

圖4 D/DN層測點布置

2.2 風場模擬

本次試驗在浙江大學的ZD-1邊界層風洞中進行。ZD-1邊界層風洞為單回流閉口立式鋼結構和混凝土結構相結合的混合結構型式。試驗段為閉口式，長18 m，截面尺寸為寬4 m，高3 m；風洞的最高風速55 m/s。模型在風洞中最大阻塞比小于8%，滿足風洞試驗要求，因此試驗所得的無量綱參數(shù)，可直接應用于建筑物實體。

依據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》規(guī)定，風壓采用杭州市的50年重現(xiàn)期的基本風壓0.45 kN/m2。根據(jù)荷載規(guī)范判別依據(jù)，確定試驗建筑處于B類地貌，風洞流場統(tǒng)一按B類地貌模擬，地貌粗糙度指數(shù)α=0.15。

試驗風速參考點選在風洞高度0.85 m處，該高度在縮尺比1∶180的情況下對應于實際高度153 m。試驗直接測得的各點風壓系數(shù)均是以153 m高度處的風壓為參考風壓。風洞試驗中參考點的風速為12.60 m/s，對應于實際高度153 m處，50年重現(xiàn)期10 min平均風速為40.40 m/s，因此本次風洞試驗的風速比為1∶3.21。

2.3 試驗工況

風洞試驗中每個風向角為一個工況，測壓風向角從0°到345°，間隔為15°，風向角示意見圖5。

圖5 風向角示意

為比較建筑內環(huán)空間頂部是否開敞對建筑所受風荷載的影響，試驗分兩次完成：建筑內環(huán)空間頂部開敞和建筑內環(huán)空間頂部封閉。試驗首先針對內環(huán)空間頂部開敞工況進行，結束后封閉建筑內環(huán)頂部空間，進行第二次試驗。風洞試驗圖見圖6。

圖6 風洞試驗

3 風荷載體型系數(shù)分析

3.1 0°風向角

0°風向角對應建筑正南面來風。建筑正南面無遮擋建筑，所得的風荷載體型系數(shù)具有代表性。

根據(jù)圖3平面圖作建筑1-1斷面圖，并進行風流場分析，見圖7。在內環(huán)頂部開敞的情況下，建筑南北向在底層、5層與14層透風。

圖7 1-1斷面及0°風向角風場

將建筑內環(huán)表面自西南角起逆時針展開，即按測點號順序展開，分別為南側、東側、北側、西側內環(huán)立面，如圖8所示為0°風向角下建筑開敞內環(huán)表面風荷載體型系數(shù)分布圖。

由圖8可得，內環(huán)表面體型系數(shù)均為負值。相同高度下，體型系數(shù)值相近。由于底部透風，北面底層AN層測點的體型系數(shù)稍大于另外三面。不同高度處，體型系數(shù)有所差異，高度越低，體型系數(shù)越小，AN18測點處為體型系數(shù)最小值-1.07，HN11測點處為體型系數(shù)最大值-0.52。且隨著高度上升，體型系數(shù)隨高度增加速率放緩。

圖8 0°風向角開敞內環(huán)體型系數(shù)分布

同樣的，將建筑外環(huán)表面自西南角起逆時針展開，即按測點號順序展開為南側、東側、北側、西側外立面，如圖9所示為0°風向角下內環(huán)開敞情況建筑外表面風荷載體型系數(shù)分布圖。建筑外環(huán)外表面風壓分布符合一般長方體外形高層建筑分布規(guī)律。南面迎風面體型系數(shù)為正，最大值出現(xiàn)在底層中間A12測點處，為1.29，這與該處建筑外形內凹有關。隨著高度升高，體型系數(shù)緩慢減小，中部測層接近1，頂層降低至0.7以下。同一高度處，立面中央體型系數(shù)顯著大于兩邊。東、西、北三處立面均分布為負壓，低層處的負壓大于高層，東西兩側的負壓大于北側。西側B測層的負壓極值可能是西面建筑干擾及建筑外形改變造成的。

圖9 0°風向角開敞外環(huán)體型系數(shù)分布

在內環(huán)頂部封閉的情況下，建筑僅在底部透風。圖10為0°風向角下建筑內環(huán)頂部封閉表面風荷載體型系數(shù)分布圖。對比圖8內環(huán)頂部開敞的情況，兩者的內環(huán)負壓分布規(guī)律幾乎一致，但封閉時的負壓整體大于開敞情況。AN17測點測得體型系數(shù)極小值為-1.18，比開敞情況下極小值小0.1。C層及以上測層，頂部封閉情況下體型系數(shù)平均比開敞情況小0.03。

圖10 0°風向角封閉內環(huán)體型系數(shù)分布

圖11為0°風向角內環(huán)頂部封閉情況建筑外表面風荷載體型系數(shù)分布圖。對比圖9可以發(fā)現(xiàn)，內環(huán)是否開敞對外表面風荷載體型系數(shù)分布情況沒有影響。這是因為透風層層高不高，建筑外環(huán)外表面風壓主要還是受外部氣流影響。

圖11 0°風向角開敞外環(huán)體型系數(shù)分布

3.2 270°風向角

270°風向角對應建筑正東面來風。建筑東面約200 m處有一樓高30 m以下的商場，其余無迎風面干擾。根據(jù)圖3平面圖作建筑2-2斷面圖，并進行風流場分析，見圖12。在內環(huán)頂部開敞的情況下，建筑東西向在底層、5層、10層、14層與18層透風。

圖12 2-2斷面及270°風向角風場

圖13為270°風向角下建筑內環(huán)頂部開敞時內環(huán)表面風荷載體型系數(shù)分布圖。建筑內環(huán)表面均為負壓，這與0°風向角相同，但體型系數(shù)分布情況不同。270°風向角下，同一高度處的體型系數(shù)不盡相同。東面作為進風口，體型系數(shù)整體小于另外三面，西面受東面透風來流影響，體型系數(shù)整體較高，而南北兩面呈現(xiàn)過渡趨勢。此外，270°風向角下，內環(huán)表面體型系數(shù)均大于0°風向角情況，體型系數(shù)最小值出現(xiàn)在AN17測點，為-0.76，最大值出現(xiàn)在HN14測點，為-0.38，負風壓比0°風向角小25%以上。

圖13 270°風向角開敞內環(huán)體型系數(shù)分布

在內環(huán)頂部封閉的情況下，建筑僅在底部透風。圖14為270°風向角下建筑內環(huán)頂部封閉表面風荷載體型系數(shù)分布圖。封閉情況下，270°風向角的內環(huán)體型系數(shù)分布與0°風向角類似，同一高度的體型系數(shù)幾乎相同。對比圖13可以發(fā)現(xiàn)，封閉時的負壓同樣整體大于開敞情況。AN17測點測得體型系數(shù)最小值為-0.95，比開敞情況下最小值小0.19。E層及以上測層，封閉情況下體型系數(shù)平均比開敞情況小0.03。

圖14 270°風向角封閉內環(huán)體型系數(shù)分布

4 結 語

本文選取“未來之光”二期項目4#塔樓作為研究對象，對帶高聳中庭的高層建筑內環(huán)與外環(huán)的風荷載體型系數(shù)分布進行了分析，得出以下結論：

1）帶有高聳中庭且少數(shù)樓層透風的高層建筑，外環(huán)表面風壓分布并不受中庭影響，分布規(guī)律符合一般性認知。

2）建筑中庭表面整體受負風壓，且中庭封閉程度越高，負風壓越大，即體型系數(shù)越小。當建筑頂部不透風或透風較少時，中庭表面風壓在同一高度處幾乎相等；當建筑中部透風較多時，同一高度處，進風側負風壓較大，與其相對的出風側負風壓較小，四面呈現(xiàn)不同的風壓分布。