超高層建築的適風設計方法及其關鍵技術研究

《超高層建築的適風設計方法及其關鍵技術研究》是依託浙江大學，由謝霽明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超高層建築的適風設計方法及其關鍵技術研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：謝霽明
• 項目類別：面上項目

項目摘要

根據強風暴的可預報特點，本申請書提出關於建築適風設計方法的研究，以取代或補充傳統的建築抗風設計方法。抗風設計強調的是增強結構系統的被動抗風能力，使之在整個建築物使用年限內每時每刻都具備應對罕遇強風的能力。而適風設計則通過可調被動流動控制方法，僅在罕遇強風情況下對建築物的外形實施空氣動力學最佳化，從而增強建築物應對極端風氣候的自適應能力。這一新方法可以將建築外形的空氣動力學最佳化以一種靈活實用的方式實現，解決了目前的建築氣動外形最佳化方法與建築外形設計、建築空間利用率、覆面設計難度、結構設計與施工效率之間的矛盾和衝突，從而可以大大提高超高層建築的設計效率與經濟指標。本研究課題擬解決與適風設計有關的關鍵技術問題，建立適風設計的基本理論框架，為這一新的設計方法在實際工程中的套用奠定基礎。

結題摘要

橫風向風振回響是超高層建築設計中最常遇到的難題，已引起設計人員的極大關注。這一問題的解決可以從建築外形與結構體系兩方面尋求空氣動力學和結構體系最佳化方法。雖然在這方面已獲得了一些成功的經驗，但是在工程實踐中依然存在很大的難度。在空氣動力學最佳化方面，主要問題在於空氣動力學最佳化方法與建築設計意圖之間的內在衝突。主要由於這個原因，目前在超高層建築概念設計階段很少考慮建築空氣動力學問題。只有當設計後期發現嚴重的橫風回響時，大多數超高層建築才不得不必須採取補救措施。在結構最佳化方面，常規方法是增強結構剛度，但這可能導致成本的顯著增加。近年來調諧質量阻尼器的套用受到工程界的關注。但是阻尼器所需要的大容納空間以及費用仍是主要問題。這項研究的目的是在建築和結構設計中探索如何讓建築物能夠“適應”極端風效應，而不是 “抵抗”極端風效應，後者代表了傳統的設計理念，而前者是課題研究的新概念。通過這一課題研究，提出在建築與結構兩方面實現適風設計的具體方法。建築的適風設計可通過設定按需啟動的導流裝置，在極端氣候時改善建築物的氣動特性。這樣建築物在絕大多數時間內能滿足建築意圖，僅在少量時候才改變氣動外形。為此建立了適風設計的兩階段方法與具體步驟。以一棟典型的270米超高層建築為工程案例，通過採用與目前智慧型遮陽板外形類似的導流板技術，證實了採用建築適風設計方法可以降低設計荷載近20%。這一方法的減載效率隨著建築高度的增加會進一步提高。結構適風設計主要通過最佳化結構的動力特性，使結構基本模態方向偏離建築外形風敏感方向，這樣在強風作用下將會誘發多模態回響，從而抑制單一模態的渦激共振。以一棟典型超高層建築為例，理論分析與氣動彈性模型試驗均證實採用這一方法後，在不明顯改變整體結構剛度的前提下，可以降低橫風向風振回響近30%。上述成果已獲得兩項國家發明專利，在超高層建築與長周期高聳結構設計中將有著重要的套用前景。