建筑屋面風雨場及突出建筑立面風驅雨的實測研究

王 輝, 吳安超, 吳學健, 吳亞雄

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

城市是建筑最密集的區域,布局內的建筑改變了地表狀況,顯著影響了區域內近地邊界層風場和雨場,形成特有的復雜風驅雨(wind-driven rain,WDR)環境[1],其能有效減輕由城市效應引發的大氣污染、熱島效應等系列現象,同時也是城市雨水綠色收集的根本水源[2]。另一方面,處于WDR環境下的各類建筑,受風雨作用和雨水侵蝕,引發立面滲水、墻材劣化、徑流污染、不良溫濕環境等一系列工程問題[3]。

建筑屋面區域是城市典型室外風雨空間,其WDR特點代表了城市區域的復雜風雨特征。不同于地面區域WDR場,由于來流風碰撞建筑迎風立面后一部分氣流將向上爬升,在屋檐轉角區因發生氣流分離導致風速增大,并在屋面區域形成較多渦旋,從而構成建筑屋面特有的復雜湍流WDR場,特別當屋面區域存在突出建筑物時(如退臺建筑、突出梯間等),圍繞突出屋面建筑的WDR場與地面情況必然存在顯著差異。

建筑WDR研究集中針對地面建筑的立面雨強,對于屋面風雨的空間分布及相應位置的建筑WDR研究仍然缺乏。WDR研究主要采用3種方法:現場實測、半經驗方法、數值模擬[4]。作為WDR研究開展最早的現場實測仍然是WDR研究的重要基礎[4]。文獻[4-7]相繼對低層建筑、高聳塔樓及中高層建筑開展WDR雨強實測;針對復雜湍流,文獻[8]實測群集布局建筑模型迎風立面WDR雨強;文獻[9]對臺風環境下的低層建筑進行WDR現場實測,探討屋面挑檐、風速、風向和降雨強度對建筑立面WDR的影響。

目前,國內外已有的實測研究主要針對地面建筑WDR,有關建筑屋面風雨場及突出屋面建筑的WDR實測比較缺乏,因此對此開展實測,分析揭示空間風雨運動與分布特征,以及場內建筑立面WDR雨強分布特性,對于深入城市布局環境下WDR研究,推動綠色城市發展具有重要的科學意義。

本文對某多層建筑的屋面WDR場及突出屋面建筑的立面WDR雨強開展實測,獲取多類特征降雨事件下的空間風雨信息,以及突出建筑立面WDR雨強,分析掌握不同降雨時屋面空間風雨及建筑立面WDR分布特點與規律,為深入研究城市區域的建筑WDR提供有效依據。

1 現場實測

1.1 實測建筑

對某6層建筑屋面風雨場及突出屋面的建筑WDR開展實測。辦公樓東西向長約64.0 m,南北向寬約54.0 m,高約30.0 m,屋面為上人屋面,且存在突出屋面建筑物,建筑實測圖如圖1所示。

圖1 建筑實測圖

1.2 實測設備

屋面設置風雨測量系統包括空間風雨監測氣象設備如圖2所示,監測建筑立面WDR雨強的自記式集雨器如圖3所示,同步實施監測采集降雨時段內的空間風雨場和建筑立面WDR雨強信息。

圖2 氣象監測設備

圖3 集雨器及建筑測點布置

空間風雨監測氣象設備由Gill windmaster三維超聲波風速風向儀、OTT Parsivel2激光光學粒子雨滴譜儀、HL-YL1雨量傳感器、CR1000X series數據采集儀組成。建筑立面自記式集雨器采用3D打印高性能聚合樹脂制作,雨水收集區大小為0.2 m×0.2 m。為減少雨滴撞擊收集區平板后掛壁凝滯造成的誤差,對集雨面進行打磨并涂刷超疏水材料。集雨板下水口設置微型傾斗式雨量計,精確測量收集的WDR水量,其測量分辨率比標準(水平)雨量計采用的傾斗式雨量計的分辨率高出6倍。在數據采集和存儲方面,通過內置數采存儲模塊完成。

突出屋面的建筑尺寸長×寬×高為16 m×9 m×4 m,氣象監測設備設置在屋面建筑的正南向距離5 m位置。對突出屋面建筑的立面布置集雨器時,考慮東南風為實測地區的盛行風向,因此于東立面和南立面分別布置8個和3個集雨器,其具體分布如圖3c所示。

1.3 實測分析方法

本次實測周期自2021年6月15日至10月15日,包括降雨和非降雨時段,由cr1000x系統輸出測點每日信息總表以及風速儀、雨滴譜儀詳細信息報表。

1.3.1 風場數據統計方法

風場包括全程盛行的風向和風速。用風向頻率表示某方向風出現的頻率,風向頻率及其對應風向的平均風速計算公式為:

(1)

(2)

其中:Fm為在m方向上所分析時段內靜風觀測到的次數;C為在分析時段內靜風觀測到的次數;Vmi為在m方向上第i次觀測到的風速。

將數據按照10 min的時距分割,同時合成數據形成平均水平風速V、平均水平風向θ和豎向平均風速W[10]為:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.3.2 雨場數據統計方法

雨場特征量主要涉及雨滴粒徑、雨強以及雨滴速度。利用雨滴譜儀的監測數據,可以分析獲得雨滴譜分布、雨滴體積占有率、降雨強度、含水量以及質量加權平均粒徑等。雨滴譜統計公式如下:

(12)

其中:N(Di)為尺度為i次的雨滴譜濃度;nij為處于速度j、尺度i的雨滴數;S和Δt代表面積和時間;Di為雨滴的直徑;ΔD代表i檔的直徑間隔;Vj為對應雨滴的末速度。

(13)

(14)

其中:N為單位體積內各檔雨滴的數量;α為雨滴體積占有率;a取32。

(15)

其中:Rwdr和Rh(D)分別表示Rwdr和Rh中粒徑為D的雨滴所貢獻的部分;αD表示粒徑為D的雨滴在該點處的體積分數;|Vn(D)|表示粒徑為D的雨滴在該點處沿建筑表面法向的速度大小。

2 風雨場分析

實測期間出現不同特征的降雨,根據風力等級規定[12],風速在1.6～3.3 m/s的范圍內屬于輕風,0.3～1.5 m/s屬于軟風,0～0.2 m/s屬于無風。整個實測時段內,風速差異并不明顯,但降雨強度呈現不同強度特征,根據降雨強度的不同,分別選擇暴雨(24 h降雨量50.0～99.9 mm)、強降雨(1 h雨量16.0 mm以上)、大雨(24 h降雨量25.0～49.9 mm)3類具有代表性的降雨事件進行分析。

2.1 實測點風場特點

降雨時的風速、風向及降雨強度的氣象條件如圖4、圖5所示。

圖4 降雨強度和風速

圖5 風玫瑰圖

從圖4、圖5可以看出:暴雨時風向主要集中于350°附近,主要為西北向;強降雨的風向為偏東北向,風速基本處于1.5～2.0 m/s;大雨風向由早期的南東南方向向東北方向偏移,0.5～1.0 m/s范圍內的風速占主導地位。

3類降雨時順風向(U方向)、橫風向(V方向)和豎風向(W方向)湍流度如圖6所示。總體而言,隨平均風速增加,三向湍流度均呈下降趨勢,豎向湍流度普遍較小,基本處于0.4～0.8范圍。3類降雨時實測點順風向湍流度平均值分別為0.64、0.52、0.51,暴雨時的湍流度明顯大于強降雨和大雨,由日本規范計算獲得的順風向湍流度為0.24,與實測存在明顯偏差。

圖6 空間測點三向湍流度分布

3類降雨事件下陣風因子隨平均風速的變化如圖7所示。由圖7可知,陣風因子隨平均風速的增大而減小。強降雨時風場脈動相對較為劇烈,其順風向、橫風向、豎風向陣風因子均值分別為2.17、2.05、0.89。由經驗公式[13-14]獲得的順風向陣風因子為1.64,與3類情況下其平均值比較,經驗值明顯小于實測值。上述參數實測值與理論值之間的差異,主要由于屋面風場構成以來流風碰撞立面爬升并在檐口轉角產生分離后的湍流為主,湍流脈動特征更為顯著。

圖7 空間測點三向陣風因子分布

三向陣風因子隨湍流度的變化規律及線性擬合結果如圖8所示。

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圖8 空間測點順向陣風因子與湍流度關系

從圖8可以看出,隨著湍流度的增大,陣風因子基本呈上升趨勢,強降雨和大雨時擬合直線的斜率更大,陣風因子與湍流度之間的正相關性更強。

實測湍流積分尺度分布如圖9所示,從圖9可以看出,豎風向的積分尺度普遍較小,接近于1.0。隨著平均風速增大,三向湍流積分尺度均有所增大。暴雨、強降雨、大雨條件下實測點順風向積分尺度均值分別為3.77、2.14、2.91 m,橫風向積分尺度均值分別為3.09、2.93、2.09 m,豎風向積分尺度均值為1.08、1.08、0.96 m。暴雨時順風向和橫風向積分尺度均明顯大于其他兩類降雨事件。根據文獻[15]的理論公式,實測順風向尺度值為7.23 m,約為實測值2倍,與文獻[16]認為Counihan提出的縱向積分尺度理論公式對實測值存在高估的結論基本一致,分析原因為除周圍建筑的干擾影響,主要由于測點處于屋面與屋面突出建筑之間,該區域因建筑干擾及氣流分離效應,漩渦破碎后以小尺度渦為主。

圖9 空間測點湍流積分尺度分布

3類降雨順風向風速實測譜和卡門(Karman)譜如圖10所示。暴雨時實測譜與卡門譜的吻合程度較另兩類降雨高,因暴雨時的實測風速和雨強均較大,表明對于風雨耦合效應更強的暴雨風場,卡門譜也能較好地再現脈動風特征。

圖10 空間測點順風向脈動功率譜

2.2 實測點雨場特點

實測點的雨滴譜濃度和雨滴數量如圖11所示。從圖11可以看出,處于較小粒徑范圍的雨滴數量和雨滴譜濃度的實測結果與M-P譜計算結果差距較大,雨滴數量的最大差值可到125個,但隨著粒徑的增大,兩者之間的差距越來越小,小粒徑雨滴不論是雨滴數量還是雨滴譜濃度在總體上均較大,而大粒徑雨滴則接近于0,表明雨滴的分布函數對大粒徑雨滴的估計值比較符合實際。

圖11 雨滴譜濃度和雨滴數量

實測時雨滴譜儀均未測出粒徑小于0.312 mm的雨滴,可以推測實際降雨未出現極小粒徑的雨滴;此外未捕捉到粒徑超過5 mm的雨滴,原因可能是屋面區域風雨場因環境影響,爬坡風的顯著增速易導致大粒徑雨滴破碎成更小粒徑。對同場降雨,雨滴譜濃度和雨滴數量最大值所對應的雨滴粒徑均相同,大雨對應的粒徑明顯大于其他兩類降雨,但數量卻遠小于其他兩類。

在3類降雨中雨滴數量實測值和理論值最大差值所對應的雨滴粒徑與雨滴譜濃度差距不大,粒徑小于1.5 mm時實測與理論獲得的粒子分布差異較大,隨著粒徑增大,兩者之間的差值趨于0,由此推斷,對于屋面風雨場,在雨強較小時,如仍采用基于地面實測建立的M-P譜預測小粒徑雨滴,理論值小于實測值;對于大粒徑雨滴,M-P譜理論值與實測值更接近,表明小粒徑雨滴受屋面湍流風作用產生了重分布。

突出屋面建筑立面各測點WDR量如圖12所示,WDR抓取率見表1所列。整體上看,東立面抓取率從上至下遞減。

表1 建筑立面WDR抓取率

圖12 突出屋面建筑立面各測點WDR量

由圖12可知,暴雨時WDR總量在20:00之后均達到最大值,與東立面相比,南立面收集到的WDR量較少;強降雨時WDR總量在16:30之后均達到最大值,與東立面相比,南立面采集到的雨量較少。因抓取率受風速、風向角以及降雨強度影響,對于風速較大、入射角(風向與建筑立面垂直線之間的夾角)較小的降水事件,其抓取率相對較高。由于大雨時的入射角較小,其抓取率高于前兩次降雨事件。暴雨、強降雨和大雨的抓取率均在南立面影響較小,而東立面則在頂部拐角部位較大。

選取建筑東立面的東6和南立面的南1這兩個具有代表性的測點,對3類降雨時的抓取率進行分析。在主導風速值差距較小的情況下,暴雨下的東6抓取率明顯低于強降雨和大雨,這是由于前者的主導風向為北偏西22.5°,其風向角與后兩者有較大差異,而東立面在整個降雨時段基本處于背風區,導致東立面抓取率明顯偏小。對于南立面的南1測點,暴雨時主導風向為東偏北22.5°,該風向下由于周圍建筑南立面的干擾減小,導致測點雨量顯著大于其他兩類降雨。風經建筑立面向上爬升并在檐口發生分離,風速有所增大,相對于大粒徑雨滴,小粒徑雨滴易受風速驅動,偏離能碰撞突出建筑立面的路徑,導致雨滴尤其小粒徑雨滴容易擊中立面,導致東立面的抓取率較小。

選擇東6測點的實測值與國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)預測值[17]進行比較,對比情況如圖13所示。由圖13可知,大雨時,預測值約為實測值的2倍,是由于ISO模型是依據氣象數據的平均值確定預測值,平均方法對結果有較大影響。此外,ISO半經驗模型計算時考慮的粗糙度系數CR、地形系數CT及墻系數等參數均會顯著影響預測值,實測建筑處于屋面,而基于地面長期實測確定的系數較難反映屋面WDR場。暴雨和強降雨時實測值與ISO預測值差異較為明顯,而大雨時的差距相對減小,原因是由于ISO半經驗模型不適用于強對流天氣情況[17],即前兩類降雨如仍采用ISO模型預測會導致與實際情況存在較大偏差。對于東5和東6測點,兩者實測抓取率值存在較大差異,而ISO模型因未考慮立面WDR水平向分布差異,因此兩測點ISO預測值相同。

圖13 抓取率實測值降雨事件與ISO預測值對比

3 結 論

針對建筑屋面風雨場及突出屋面建筑的立面WDR,選取暴雨、強降雨及大雨3類具有代表性的降雨事件,利用現場實測分析探討風雨場特點及突出屋面建筑立面WDR分布特點,獲得以下主要結論。

1) 湍流度和陣風因子均隨平均風速的增大而減小,而湍流積分尺度與平均風速成正比。對比3類降雨的脈動風功率譜,隨著頻率增加,3類降雨時的湍流度、陣風因子和湍流積分尺度的理論值和實測值差異均較大,原因是氣流受到立面阻擋向上爬升并于檐口發生分離,從而形成復雜的屋面湍流風場。

2) 突出屋面建筑的立面WDR抓取率受建筑周圍風雨條件影響,3類降雨事件的風速差距較小,因此抓取率的變化并不明顯,且降雨強度對抓取率的影響較小。由于受風向的影響,建筑南立面的抓取率較小,而面向盛行風向的東立面,抓取率相對較大,且分布呈現由頂部向底部遞減的趨勢。

3) 3類任意降雨事件中均是粒徑較小的雨滴數量相對較多,對于同一粒徑尺度的雨滴,實測的雨滴濃度譜以及雨滴數量比以M-P譜推算小粒徑雨滴粒子值高,原因是屋面湍流風場對雨滴運動行為有顯著影響。

4) 由于屋面WDR場特點,ISO半經驗模型預測值約為實測值的2倍,表明采用ISO模型估算突出屋面建筑的立面WDR存在較大誤差。