淺析風洞試驗在建筑幕墻抗風設計中的應用

劉偉軒

（青島理工大學，山東 青島 266033）

前言

幕墻是建筑設計和施工過程中常見的裝飾性結構或建筑外圍護結構，其建筑特征主要表現為：該結構并非直接分擔主體結構的荷載，而是起到圍護結構；在自身平面內，幕墻與主體結構相比，具有較大的位移能力，且能夠承受更大的變形；屬于支承結構和面板共同組成的結構系統。幕墻的建設在超高層和高層建筑設計和建筑過程中得到了廣泛的應用，因為幕墻建筑會與大氣環境直接接觸，因而更加易受外部風荷載作用的侵蝕。通常，風荷載會對幕墻產生直接的控制作用，因而其本身應具備較強的承載能力。

1 風致幕墻破壞的主要特征

由風致幕墻破壞的發生部位來看，風致幕墻破壞的發生主要受風荷載的影響，也就是正面侵襲的臺風會在建筑的迎風面產生最大的正風壓力。對于凹形設計的建筑平面，其內轉角部位幕墻風致破壞的發生率最高，通常表現為幕墻的正風壓破壞，但檐口部位建筑的風致破壞則主要是負風壓破壞。

局部破壞是幕墻風致破壞的主要類型，主要形式包括開啟扇破壞和玻璃板塊破裂等。其中，板塊強度破壞是發生率最高的類型，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遭到破壞。

2 建筑幕墻設計風荷載取值常見問題

2.1 風洞試驗數據理解和使用不當

將風洞試驗所得的最大風荷載數據直接用于建筑物幕墻設計和建設中。因為風洞試驗數據圖表通常能夠直接給出圍護結構參考設計風荷載，并為設計人員的工作提供基礎，因而提高幕墻設計的精細程度，會造成較為嚴重的幕墻建設的浪費情況。

2.2 充分考慮周圍建筑環境的情況

對于密集區域高層建筑幕墻的設計和建設，還應從充分考慮周圍建筑環境的情況，若僅僅從單體陣風系數和風荷載體型系數方面進行設計，而未充分考慮群體風干擾系數，則會大大降低建筑物使用的安全性[1]。

2.3 設計部分幕墻時，風荷載取值較保守

設計部分幕墻時，風荷載取值較保守，而未區分處理邊角區域和建筑大面。從幕墻設計計算的角度來看，設計人員通常以建筑頂部高度的高度系數為基礎，對墻邊角體型系數進行計算，通過規范化的計算，獲得建筑物圍護結構風荷載技術，以此作為幕墻整體設計荷載，但這一操作規程會導致受風面積較小的部位發生較為嚴重的材料浪費現象[2]。

3 幕墻抗風設計中風洞試驗的應用

建筑幕墻風洞試驗是指按照空氣動力學相關理論，在大氣邊界層環境中，在建筑物受風待測情況下，重現可控流體的風洞，從而獲得建筑物自身風致反應情況和風荷載信息。完成風洞測試后，按照實際設計要求處理原始數據，從而獲得圍護結構和主體結構設計所需的風荷載參數。

建筑物幕墻抗風設計的主要法律規范包括：《玻璃幕墻工程技術規范（JGl02-2003）》第5.3.3條指出：“玻璃幕墻的風荷載標準值可按風洞試驗結果確定；玻璃幕墻高度大于200m或體型、風荷載環境復雜時，宜進行風洞試驗確定風荷載”?！督ㄖY構荷載規范（GB 50009-2001）》第7.3.1條指出：“房屋和構筑物體型不同且無參考資料可以借鑒時，宜由風洞試驗確定;對于重要且體型復雜的房屋和構筑物，應由風洞試驗確定”[3]。

類型不同的幕墻抗風設計，其風洞試驗過程也存在一定的差異性，對于局部構造復雜、周圍建筑密集以及體型新穎的建筑物，其荷載規范無法將建筑全部囊括在內，一般情況下，應依據建筑幕墻的功能性質、局部構造形式以及外部形態，對風洞試驗方法進行具體選擇，雙層幕墻模型試驗、遮陽系統的局部模型試驗以及整體模型風壓試驗是目前較為常用的建筑幕墻抗風設計風洞試驗方法[4]。

與幕墻抗風設計和風洞試驗的成本控制，也是其設計建設過程中的關鍵環節。在設計建筑幕墻時，設計人員需要根據特定程序，選擇風荷載取值，并對風荷載的全部最壞可能進行充分考慮。從具體的工程實際來說，風洞試驗僅僅需要對工程的實際情況進行探討分析，所以，測試所得結果通常會低于規范取值，設計人員能夠按照風洞試驗所得數據對建筑材料進行合理分配和規劃，以實現建筑成本的降低，并對建筑成本進行有效控制[5]。

4 結語

本文由幕墻結構與風洞試驗的設計關系、幕墻設計中風洞試驗的應用價值、幕墻風荷載取值、風致幕墻結構損壞特征等方面出發，對建筑幕墻結構設計中風荷載情況進行了分析。對風洞試驗在幕墻的使用情況進行了簡要介紹，特別是隨著遮陽系統和雙層幕墻在建筑設計中的廣泛應用，通過風洞試驗能夠更加方便準確地得到風荷載值，并在圍護結構設計中得到直接應用。利用風洞試驗能夠對風荷載分區進行科學劃分，從而實現幕墻設計的合理性與安全性，最大限度降低建筑材料浪費問題，實現風荷載取值的優化。根據幕墻風致破壞特點的不同實施抗風設計，可選擇局部風荷載，現階段，有關規定中的數據無法完全滿足非常規幕墻抗風設計的需要，而風洞試驗則能夠提供有效的補充。

[1]葛鴻飛，任璆.高層建筑幕墻抗風設計峰值因子研究[J].建筑工程，2012，1（5）：53-54.

[2]劉長虹，劉春，宋俊杰.橋梁抗風設計、風洞試驗及抗風措施[J].北方交通，2011，10（2）：46-47.

[3]李正農，羅蝶峰，石文海，梁笑寒.沿海高層建筑玻璃幕墻風致應力現場實測研究[J].中國科學，2011，41（11）：1439-1440.

[4]陳勇，焦健，趙輝，婁文娟，孫炳南.面向設計的房屋建筑剛性模型風洞試驗[J].空間結構，2003，9（2）：48-49.

[5]徐安，傅繼陽，趙若紅，等.土木工程相關的臺風近地風場實測研究[J].空氣動力學學報，2010，28（1）：23-31.