輕型四坡野營房屋風壓分布特性和體型優(yōu)化研究

劉文朋

（長安大學建筑工程學院，西安710061）

0 引 言

輕型四坡野營房屋的外形是四坡頂支桿樣式，如圖1所示，該類野營房屋廣泛應(yīng)用于臨時搶險救災(zāi)、軍隊野營住房和臨時活動性住房等使用，由于該類房屋總質(zhì)量較輕，在設(shè)計中風荷載往往起主導(dǎo)作用，是典型的風敏感結(jié)構(gòu)。然而，目前關(guān)于輕型四坡房屋的風荷載體型系數(shù)在國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中并未給出，文獻［1］采用數(shù)值模擬的方法僅對這類房屋在特定尺寸下房屋表面風壓進行了研究，但關(guān)于輕型四坡野營房屋在不同屋面坡角、高寬比等因素下的表面風壓分布特征和體型優(yōu)化的研究并未進行，在進行抗風設(shè)計時僅能參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）［2］和一些相關(guān)研究［3-6］中相類似房屋的風荷載體型系數(shù)，因此急需對輕型四坡野營房屋進行基于抗風設(shè)計的體型優(yōu)化研究。

目前，越來越多的學者應(yīng)用基于計算流體動力學CFD的數(shù)值模擬技術(shù)研究建筑表面風壓分布特征，Tominaga等［7］研究了不同屋面坡角對雙坡低矮房屋表面風壓分布特征的影響，其數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)較為貼合。顏衛(wèi)亨等［8］通過改變折疊網(wǎng)殼房屋外形設(shè)計了8種不同形狀的優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬分析比較得到較為合理的建筑外形來降低結(jié)構(gòu)的風致響應(yīng)。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)系統(tǒng)地分析了房屋在不同風向角、不同屋面坡角及高寬比下風壓分布特征，并基于風壓分布規(guī)律和以風荷載系數(shù)標準差最小為優(yōu)化指標對其進行體型優(yōu)化，采用合理的建筑外形，對減小房屋表面風壓具有重要意義。

圖1 輕型四坡野營房屋外形圖（單位：mm）Fig.1 Four slope camp building outline drawing（Unit：mm）

1 數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)性研究

數(shù)值模擬技術(shù)伴隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和計算流體動力學的逐步完善而得到推廣使用，相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場實測和風洞試驗方法，數(shù)值模擬技術(shù)具有計算周期短，成本較低，且能夠隨意地改變相關(guān)參數(shù)來研究其對結(jié)果的影響，而不受試驗干擾效應(yīng)影響等優(yōu)點。

1.1 數(shù)值模擬技術(shù)的可行性

為了驗證數(shù)值模擬的可行性，在B類地貌、10 m∕s風速和0°風向角下對德克薩斯州理工大學提出的TTU標準模型進行數(shù)值模擬［7-9］，并對模型橫向中軸線上11個測點進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 網(wǎng)格數(shù)量對測點平均風壓系數(shù)影響Fig.2 Influence of grid number on average wind pressure coefficient of measuring points

圖3 湍流模型對測點平均風壓系數(shù)影響Fig.3 Influence of turbulence model on mean wind pressure coefficient of measuring points

1.1.1 網(wǎng)格數(shù)量和劃分方式的選取

由圖2可知，不同網(wǎng)格數(shù)量下模擬結(jié)果與TTU試驗值趨勢一致，在一定網(wǎng)格數(shù)量范圍內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)量越高精度也越好，超過一定范圍后，由于計算機硬件的限制和軟件計算方式的影響，模擬結(jié)果的精度不在提高，圖中當網(wǎng)格數(shù)量達到160萬時已經(jīng)基本上滿足精度要求，因此，在進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格數(shù)量在160萬到180萬之間即可滿足精度要求。常見的網(wǎng)格劃分方式有兩種：分區(qū)劃分和不分區(qū)劃分，其中分區(qū)劃分相對于不分區(qū)劃分的優(yōu)點是可以根據(jù)流場中不同區(qū)域特點有區(qū)別地采用不同疏密程度的網(wǎng)格，在滿足精度要求的同時提高計算效率。網(wǎng)格類型主要有三種：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格，其中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用性更廣，可以應(yīng)用在具有復(fù)雜外形型體的模擬中，但較結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算效率低、網(wǎng)格質(zhì)量差，混合網(wǎng)格則兼容了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩者的優(yōu)點，可以在模型周圍采用適用性好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在其他流場區(qū)域采用網(wǎng)格質(zhì)量好、計算效率高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因此，在建模時本文采用分區(qū)的混合網(wǎng)格劃分。

1.1.2 湍流模型的選取

現(xiàn)在常用的湍流運輸模擬方法是基于Reynolds時均的N-S方程，而N-S方程本身是不封閉的，需要引入一組代數(shù)或微分方程（湍流模型）來形成封閉的方程，常用的湍流模型有標準κ-w模型、SSTκ-w模型、標準κ-ε、RNGκ-ε和Realizableκε模型等。由圖3可知，在五種湍流模型下的數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗值的趨勢一致，其中RNGκε模型相對于其他模型精度較好，因此本文選用RNGκ-ε模型。依據(jù)文獻［10-13］選取數(shù)值模擬的其他參數(shù)。

1.2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)目前野營房屋使用情況，同時參考建筑排水和采光等功能性要求下采用無量綱形式設(shè)計房屋模型，選取風向角為0°、15°、30°和45°，以房屋屋面坡角、高寬比和長寬比為優(yōu)化參數(shù)設(shè)計了12種房屋模型，共48種工況進行數(shù)值模擬，表1為建筑模型優(yōu)化方案，圖4為房屋表面分區(qū)布置圖。

表1 建筑模型優(yōu)化方案Table 1 Optimization scheme of building models

圖4 房屋表面分區(qū)布置圖Fig.4 Partition plan for building surface

2 房屋表面風壓分布特性數(shù)值模擬分析

2.1 高寬比對房屋表面風壓分布規(guī)律的影響

以高寬比為變量因子，選取0°風向角下的Shape02∕05∕08∕11四種模型方案，各方案下的屋面風壓分布等值線如圖5所示，房屋表面各區(qū)域平均風壓系數(shù)如圖6所示。

由圖5、圖6分析可得，隨著高寬比的減小房屋屋面風壓系數(shù)也逐漸減小，且呈對稱分布，其中圖5（b）與圖5（c）屋面風壓等值線分布較為接近，即房屋屋面風壓系數(shù)在高寬比為1∕3和1∕4時較為接近。迎風面（A1、A2）風壓系數(shù)為正值，主要受到風壓力的影響，其余各面風壓系數(shù)都是負數(shù)，即承受風吸力的影響，其中由于氣流的分離在迎風屋面屋脊處形成較高的風吸力區(qū)，最大平均風壓系數(shù)達到-0.958。隨著高寬比的減小迎風屋面平均風壓系數(shù)變化幅度較大，背風屋面平均風壓系數(shù)變化幅度較小。房屋兩側(cè)面平均風壓系數(shù)有所差異，這是由于模型在網(wǎng)格劃分過程中兩側(cè)存在差異性，但是兩者的變化趨勢基本一致，而且由迎風面到背風面風壓系數(shù)逐漸變小，總體呈現(xiàn)階梯狀形式分布，由圖5（d）可以看出，背風面屋脊處風壓系數(shù)在高寬比為1∕5時有所增大。綜上可知，高寬比的減小有利于房屋的實際抗風。

2.2 屋面坡角對房屋表面風壓分布規(guī)律的影響

以房屋屋面坡角為變量因子，選取0°風向角下Shape07∕08∕09三種模型方案，各方案下的屋面風壓分布等值線和不同屋面坡度下房屋表面各區(qū)域平均風壓系數(shù)如圖7、圖8所示。

圖5 不同高寬比下屋面風壓等值線圖Fig.5 Wind pressure contour map of roof under different aspect ratio

圖6 不同高寬比下房屋表面各區(qū)域平均風壓系數(shù)Fig.6 Average wind pressure coefficient of different areas under different aspect ratios

由圖7、圖8可得，隨著屋面坡角的增大，房屋表面各區(qū)域平均風壓系數(shù)也逐漸增大，且迎風屋面平均風壓系數(shù)在屋面坡角達到45°時變?yōu)檎担串斘菝嫫陆窃黾拥侥硞€數(shù)值后迎風屋面由風壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轱L吸力，出現(xiàn)反向。由圖7可知，當屋面坡角為15°時，由于屋面坡度較緩，氣流分離區(qū)出現(xiàn)在迎風屋檐和屋脊交匯處，形成較強的風吸力區(qū)域，此處風壓系數(shù)也較大；當屋面坡度為30°時，由于氣流分離在迎風屋脊處形成高風吸力區(qū)，且風壓系數(shù)從迎風屋脊底端到頂端逐漸增大；當屋面坡度為45°時，由于屋面坡度較高，在迎風屋面處風壓系數(shù)變?yōu)檎担矣L屋脊處風壓系數(shù)由底端到頂端逐漸變小。由此可知，隨著屋面坡角的增加，迎風屋脊處風壓系數(shù)變化趨勢為：較高的風吸力區(qū)從屋脊交匯處逐漸增大并向屋脊底部延伸，當坡度達到一定數(shù)值，較高的風吸力區(qū)從屋脊交匯處逐漸減小并向屋脊底部延伸。因此，屋面坡角增加到一定值后，迎風屋面風壓反向，不利于利房屋的抗風設(shè)計。

圖7 不同屋面坡角下屋面風壓分布等值線圖Fig.7 Contour map of roof wind pressure distribution under different roof slope angles

2.3 風向角對房屋表面風壓分布規(guī)律的影響

圖9 給出了Shape08在4種風向角下的屋面風壓分布等值線圖。

圖8 不同屋面坡角下房屋表面各區(qū)域平均風壓系數(shù)Fig.8 Average wind pressure coefficient of different areas under different roof slope angles

由圖9可知，風向角從0°到45°的變化過程中，風壓分布越來越不均勻。0°風向角下，氣流垂直于屋面，風壓分布呈對稱分布，高風壓區(qū)出現(xiàn)在氣流分離處的迎風屋脊處，各分區(qū)平均風壓系數(shù)最大相差0.5，最大部位風壓系數(shù)達到1.1，而當風向角變化到45°時，各分區(qū)平均風壓系數(shù)最大相差0.7，最大部位風壓系數(shù)達到1.6，該部位在強風作用下容易發(fā)生破壞，這是由于在45°風向角下，氣流變化較為復(fù)雜，氣流的分離和渦旋脫落而引起氣流再附著，從而導(dǎo)致屋面某些部位風壓系數(shù)過大。

3 攢尖四坡野營房屋體型優(yōu)化分析

房屋表面風荷載體型系數(shù)與房屋體型緊密相關(guān)，房屋體型優(yōu)化便是通過改變房屋的外形來降低風荷載對房屋結(jié)構(gòu)的風致響應(yīng)［14］，通過對房屋體型的優(yōu)化來解決房屋表面不利風壓的分布，達到建筑外形和風環(huán)境相適應(yīng)的目的。文獻［8，15］通過對各分區(qū)風荷載體型系數(shù)標準差最小、各區(qū)域體型系數(shù)最值、各區(qū)域差值變化幅度等優(yōu)化指標的對比，得到房屋表面風壓分布越是均勻?qū)Ψ课莸目癸L設(shè)計越是有利，而在各優(yōu)化指標中各分區(qū)風荷載體型系數(shù)標準差最小較好地描述了風壓分布的均勻程度，因此本文以各分區(qū)風荷載體型系數(shù)標準差最小為優(yōu)化指標對各方案下房屋體型進行對比，從中得到較為合理的體型設(shè)計，各方案下體型系數(shù)標準差如表2所示。

由表2可得，在四種風向角下各分區(qū)體型系數(shù)標準差最小的優(yōu)化方案分別為shape11和shape07，而shape11的高寬比較小，考慮到房屋的實際使用要求，本文初步確定shape07為較好的優(yōu)化方案，并與shape00原模型方案進行對比。在四種方向角下shape07房屋模型各分區(qū)體型系數(shù)標準差均小于shape00原房屋模型，說明shape07房屋模型表面風壓分布較為均勻。與原房屋模型相比，shape07房屋模型各分區(qū)風荷載體型系數(shù)標準差在0°風向角下有最大的降低幅度，最大為11.1%，故shape07模型較原模型有較好的抗風性能，因此，當H∕B=1∕4，屋面坡角α=15°時的模型是較為合理的體型。

圖9 不同風向角下屋面風壓分布等值線圖Fig.9 contour map of wind pressure distribution on roof under different wind angles

表2 各方案體型系數(shù)標準差Table2 Standard deviation of body shape coefficient of each plan

4 結(jié) 論

（1）輕型四坡野營房屋在進行數(shù)值風洞計算時，選用混合網(wǎng)格劃分技術(shù)且網(wǎng)格數(shù)量控制在160萬左右，湍流模型為RNGκ-ε模型，具有較好的穩(wěn)定性，且數(shù)值計算的精度和效率較高。

（2）輕型四坡野營房屋的高寬比和屋面坡角是影響房屋抗風性能的主要因素。屋面風壓系數(shù)隨著房屋高寬比的減小而減小，適當降低高寬比有利于抗風設(shè)計；屋面坡角增大到一定數(shù)值，迎風屋面風壓反號，由風吸力轉(zhuǎn)變?yōu)轱L壓力，不利于抗風設(shè)計，因此屋面坡角要控制15°～30°的范圍內(nèi)。

（3）輕型四坡野營房屋在風壓分布特性的基礎(chǔ)上依據(jù)模型各分區(qū)體型系數(shù)標準差最小的標準，得到高寬比 H∕B=1∕4、屋面坡角 α=15°的優(yōu)化方案。與原房屋模型相比，該方案下房屋表面風壓分布較為均勻且風荷載有顯著的降低，抗風性能有了很大的提高。