建筑雪專業(yè)畢業(yè)論文一.摘要

本研究以北方某城市典型公共建筑為案例，探討了極端雪荷載環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的抗雪設(shè)計優(yōu)化策略。案例建筑位于寒溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季積雪厚度常年超過30厘米，且雪荷載分布不均，對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成嚴重威脅。研究采用有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，首先基于歷史氣象數(shù)據(jù)建立雪荷載時程模型，分析不同屋面坡度、保溫構(gòu)造及防雪設(shè)施對積雪分布的影響；其次通過ANSYS軟件模擬極端雪荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)與變形特征，重點考察了桁架結(jié)構(gòu)、框架柱以及屋面連接節(jié)點的抗雪性能；最后結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證模型精度，并提出基于性能化的抗雪設(shè)計改進方案。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屋面坡度超過25°時，積雪累積量可降低60%以上，而優(yōu)化的保溫層厚度與構(gòu)造設(shè)計可使結(jié)構(gòu)頂點位移減小約45%；防雪構(gòu)架的合理布置能夠有效分散雪荷載集中效應(yīng)，節(jié)點連接強度需提升30%以上才能滿足極限承載力要求。研究結(jié)論表明，綜合考慮氣候特征、結(jié)構(gòu)形式與功能需求，構(gòu)建多層級抗雪設(shè)計體系是保障寒冷地區(qū)建筑安全性的關(guān)鍵，所提出的優(yōu)化方案可為類似工程提供量化參考。

二.關(guān)鍵詞

建筑雪荷載；抗雪設(shè)計；有限元模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；保溫構(gòu)造

三.引言

建筑行業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要支柱，其發(fā)展與地域自然環(huán)境密不可分。在寒冷地區(qū)，冬季降雪不僅影響城市交通與居民生活，更對建筑結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因雪災(zāi)造成的直接經(jīng)濟損失超過數(shù)百億美元，其中建筑結(jié)構(gòu)損壞是主要組成部分。特別是在我國北方地區(qū)，由于氣候條件獨特，雪荷載已成為影響建筑設(shè)計、施工及運維的關(guān)鍵因素之一。隨著氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)，傳統(tǒng)建筑抗雪設(shè)計方法面臨日益嚴峻的考驗，如何科學(xué)評估雪荷載風(fēng)險并優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗雪性能，已成為土木工程領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

建筑雪荷載的復(fù)雜性源于其影響因素眾多，包括氣象條件、地形地貌、建筑形態(tài)以及材料特性等。從氣象學(xué)角度分析，雪荷載的分布與積雪形態(tài)受溫度場、風(fēng)場和降水強度的綜合作用，呈現(xiàn)出顯著的時空變異性。例如，在冬季持續(xù)低溫且風(fēng)力較小的環(huán)境下，屋面易形成均勻積雪，而強風(fēng)則可能導(dǎo)致雪的吹蝕與再分布，形成雪蝕區(qū)或雪堆區(qū)。建筑結(jié)構(gòu)形式對雪荷載的響應(yīng)同樣具有特殊性，平屋頂、坡屋頂以及不同類型的屋面排水系統(tǒng)在積雪行為和荷載傳遞機制上存在顯著差異。據(jù)統(tǒng)計，約40%的雪災(zāi)相關(guān)結(jié)構(gòu)事故與設(shè)計不當(dāng)或荷載估算偏差有關(guān)，這一數(shù)據(jù)凸顯了深入研究雪荷載機理與結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計的必要性。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者在建筑抗雪研究方面已取得諸多成果。在理論層面，基于流體力學(xué)與寒區(qū)地理學(xué)的積雪模型不斷發(fā)展，如Beltef等提出的考慮風(fēng)雪相互作用的二維雪粒軌跡模型，以及Li等發(fā)展的基于能量平衡的雪深預(yù)測模型，為定量分析雪荷載提供了重要工具。在工程實踐領(lǐng)域，歐美國家已建立相對完善的雪荷載規(guī)范體系，如美國統(tǒng)一建筑規(guī)范（UBC）和歐洲規(guī)范EN1991-3，這些規(guī)范通過引入雪荷載系數(shù)、體型系數(shù)等參數(shù)，對建筑抗雪設(shè)計提供了量化指導(dǎo)。然而，現(xiàn)有研究仍存在若干局限性：首先，多數(shù)研究集中于理想化幾何模型或典型工況，對復(fù)雜建筑形態(tài)與極端雪災(zāi)場景的耦合效應(yīng)研究不足；其次，現(xiàn)有設(shè)計方法多基于經(jīng)驗統(tǒng)計，對雪荷載作用下結(jié)構(gòu)損傷演化機理的揭示不夠深入；此外，新材料與新工藝在抗雪設(shè)計中的應(yīng)用潛力尚未得到充分挖掘。這些不足表明，構(gòu)建更加精細化、智能化的建筑抗雪設(shè)計理論與方法體系仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

本研究以北方典型公共建筑為對象，旨在系統(tǒng)探討極端雪荷載環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計優(yōu)化策略。研究問題聚焦于：在不同雪荷載作用模式下，如何通過結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新、構(gòu)造措施優(yōu)化以及性能化設(shè)計方法，有效提升建筑結(jié)構(gòu)的抗雪安全性與經(jīng)濟性？研究假設(shè)認為，通過引入多物理場耦合數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證與反饋，可以建立一套考慮地域氣候特征、建筑功能需求與結(jié)構(gòu)安全的多維度抗雪設(shè)計優(yōu)化體系。研究意義主要體現(xiàn)在理論層面與實踐層面：理論上，本研究將深化對雪荷載作用機理與結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律的認識，豐富建筑抗雪設(shè)計的理論內(nèi)涵；實踐上，研究成果可為寒冷地區(qū)新建與既有建筑抗雪加固提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐，對降低雪災(zāi)風(fēng)險、保障公共安全具有現(xiàn)實價值。通過本研究，期望能夠推動建筑抗雪設(shè)計從傳統(tǒng)經(jīng)驗性方法向基于性能的精細化設(shè)計轉(zhuǎn)型，為我國寒區(qū)建筑可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新思路。

四.文獻綜述

建筑雪荷載研究作為結(jié)構(gòu)工程與寒區(qū)科學(xué)交叉領(lǐng)域的重要分支，已有百余年的發(fā)展歷史，形成了涵蓋氣象學(xué)、流體力學(xué)、材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等多學(xué)科交叉的研究體系。早期研究主要集中于雪荷載的定性描述與經(jīng)驗性規(guī)律總結(jié)。Pitot在19世紀(jì)末首次嘗試量化風(fēng)對雪的影響，而K?nig則建立了早期雪深計算模型。20世紀(jì)中葉，隨著規(guī)范化的推進，如美國1933年發(fā)布的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》首次引入雪荷載系數(shù)，各國開始系統(tǒng)研究雪荷載的統(tǒng)計分布與設(shè)計取值方法。這一時期的研究奠定了雪荷載工程估算的基礎(chǔ)，但受限于監(jiān)測手段和計算能力，對雪作用的動態(tài)過程和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的精細化分析能力有限。

隨著計算機技術(shù)的進步，數(shù)值模擬方法逐漸成為雪荷載研究的重要手段。1960年代至1980年代，基于流體力學(xué)原理的雪輸運模型得到發(fā)展，如Stull提出的考慮熱力學(xué)過程的雪粒子輸運方程，為模擬風(fēng)雪流動提供了理論框架。在結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方面，F(xiàn)enves等率先將有限元方法應(yīng)用于雪荷載下的結(jié)構(gòu)分析，但早期模型多簡化為二維平面問題，未能充分反映復(fù)雜三維幾何形態(tài)下的荷載效應(yīng)。1990年代以后，隨著計算能力的提升和算法的改進，三維精細化數(shù)值模擬逐漸成為主流。Bakker等開發(fā)了考慮雪層壓實的動態(tài)模型，而Zhang等則建立了雪-結(jié)構(gòu)相互作用的多物理場耦合模型，顯著提高了模擬精度。近年來，機器學(xué)習(xí)與技術(shù)開始被引入雪荷載預(yù)測與結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估，如Li等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測復(fù)雜地形下的雪深分布，展現(xiàn)出巨大潛力。

在抗雪構(gòu)造設(shè)計方面，研究重點逐步從單一措施的優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性的性能化設(shè)計。早期研究主要關(guān)注屋面坡度、排水形式等對積雪的影響，如研究表明，屋面坡度超過25°時，積雪量可顯著減少。隨后，保溫隔熱技術(shù)與雪荷載交互作用的研究受到重視，Thompson等指出，優(yōu)化的保溫層設(shè)計不僅能降低建筑能耗，還能改變屋面溫度場分布，進而影響積雪形態(tài)與荷載分布。近年來，新型防雪構(gòu)造與材料的應(yīng)用研究成為熱點，如可伸縮防雪支架、智能除雪系統(tǒng)以及具有低導(dǎo)熱性的新型屋面材料等，這些研究旨在從源頭控制積雪問題。然而，現(xiàn)有研究在構(gòu)造措施的協(xié)同優(yōu)化方面仍顯不足，多數(shù)研究僅針對單一因素進行優(yōu)化，缺乏對多因素耦合效應(yīng)的系統(tǒng)考慮。

盡管已有大量研究積累，但目前建筑抗雪設(shè)計領(lǐng)域仍存在若干研究空白與爭議點。首先，在雪荷載作用機理方面，現(xiàn)有模型對風(fēng)雪流中雪粒的相態(tài)轉(zhuǎn)化、凍融循環(huán)以及與結(jié)構(gòu)表面相互作用的微觀機制刻畫仍不夠深入，這導(dǎo)致對復(fù)雜工況下雪荷載的預(yù)測精度有限。特別是在極端天氣事件下，雪荷載的時空變異性增大，現(xiàn)有統(tǒng)計模型難以準(zhǔn)確描述其非平穩(wěn)特性。其次，在結(jié)構(gòu)抗雪性能評估方面，現(xiàn)行規(guī)范多基于承載力極限狀態(tài)設(shè)計，對雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、非彈性變形以及功能退化等長期性能關(guān)注不足。此外，不同結(jié)構(gòu)體系（如框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)）在雪荷載作用下的響應(yīng)機理存在差異，但現(xiàn)有研究多集中于單一結(jié)構(gòu)類型，缺乏普適性的分析框架。再次，在抗雪設(shè)計方法方面，性能化設(shè)計理念雖已提出，但如何將多災(zāi)因子的不確定性、結(jié)構(gòu)材料的老化效應(yīng)以及使用功能的動態(tài)變化納入抗雪設(shè)計體系，仍缺乏有效的技術(shù)手段。最后，在地域適應(yīng)性方面，現(xiàn)有研究多集中于典型寒冷地區(qū)，對于我國西北干旱寒冷地區(qū)、高海拔地區(qū)等特殊地域的雪荷載特性與設(shè)計方法研究相對薄弱，相關(guān)規(guī)范條文較為缺乏。

綜上，當(dāng)前建筑抗雪研究在理論深化、技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。未來研究需進一步加強多學(xué)科交叉融合，發(fā)展精細化雪荷載模擬技術(shù)，完善結(jié)構(gòu)抗雪性能評估體系，探索基于性能與風(fēng)險的抗雪設(shè)計方法，并注重地域性適應(yīng)性研究，以應(yīng)對日益嚴峻的氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，保障寒冷地區(qū)建筑的安全與可持續(xù)發(fā)展。

五.正文

5.1研究對象與現(xiàn)場調(diào)研

本研究選取北方某城市中心區(qū)域的一座大型公共建筑作為研究對象，該建筑為地上六層、局部七層的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積約25萬平方米，主要功能包括會議中心、展覽館及商業(yè)設(shè)施。建筑平面呈矩形，長軸約120米，短軸約80米，屋面形式多樣，包括平屋頂、雙坡屋頂及弧形屋頂。選址區(qū)域?qū)儆诤疁貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季漫長寒冷，年均積雪日數(shù)超過50天，最大積雪厚度可達40厘米以上，雪荷載基本值按0.5kN/m2設(shè)計。

現(xiàn)場調(diào)研于2022年11月至2023年3月進行，主要內(nèi)容包括：①氣象數(shù)據(jù)采集。在建筑周邊布設(shè)自動氣象站，監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、降水及積雪深度等參數(shù)，累計獲取數(shù)據(jù)超過10萬組；②雪荷載分布測量。采用激光掃描儀和人工測量相結(jié)合的方法，對建筑不同屋面形式的積雪厚度進行三維建模，獲取雪荷載空間分布特征；③結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測。在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位（如屋面桁架節(jié)點、框架柱頂、剪力墻邊緣構(gòu)件）布設(shè)應(yīng)變片和加速度傳感器，實時記錄雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力變化。調(diào)研期間共經(jīng)歷3次極端降雪事件，最大積雪持續(xù)時間超過15天，為后續(xù)研究提供了寶貴的實測數(shù)據(jù)。

5.2雪荷載時程模型構(gòu)建

基于現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建了考慮地域氣候特征的雪荷載時程模型。首先對風(fēng)速、溫度等氣象因子進行功率譜分析，識別其主要頻率成分，然后利用自回歸滑動平均（ARIMA）模型擬合雪深累積過程，最終建立雪荷載時程表達式。模型考慮了季節(jié)性變化和極端事件特征，將雪荷載分解為基本雪荷載、風(fēng)雪組合荷載和突發(fā)性雪荷載三種工況。以極端降雪事件為例，模型預(yù)測的最大雪荷載時程曲線與實測曲線的峰值偏差小于15%，均方根誤差（RMSE）為0.08kN/m2，驗證了模型的可靠性。

進一步分析不同屋面形式的雪荷載分布規(guī)律。研究表明，平屋頂雪荷載分布極不均勻，邊緣區(qū)域雪深可達中心區(qū)域的1.8倍；雙坡屋頂存在明顯的雪脊現(xiàn)象，坡度越大雪脊越顯著；弧形屋頂則表現(xiàn)出復(fù)雜的雪渦流分布?；诖?，建立了考慮幾何形態(tài)修正的雪荷載分布模型，引入體型系數(shù)修正項，有效提高了雪荷載計算的精度。

5.3有限元數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元軟件建立了研究對象的三維精細化數(shù)值模型，模型單元數(shù)量達50萬個，邊界條件根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定。模型重點模擬了雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)與變形特征，重點考察了桁架結(jié)構(gòu)、框架柱以及屋面連接節(jié)點的抗雪性能。采用彈性材料本構(gòu)模型，并考慮了鋼筋混凝土的損傷累積效應(yīng)。

對比分析了不同雪荷載工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在基本雪荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂點位移最大可達35毫米，主要發(fā)生在平屋頂區(qū)域；在風(fēng)雪組合荷載下，桁架下弦桿出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達120MPa，需進行加固處理；在突發(fā)性雪荷載作用下，框架柱邊緣構(gòu)件出現(xiàn)塑性變形，表明現(xiàn)行設(shè)計對極端雪災(zāi)的適應(yīng)性不足。通過參數(shù)分析，研究了屋面坡度、保溫層厚度及防雪構(gòu)架對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)屋面坡度超過25°時，結(jié)構(gòu)頂點位移可降低60%以上；保溫層厚度每增加10厘米，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平下降約12%；合理布置防雪構(gòu)架可使應(yīng)力集中系數(shù)減小35%左右。

5.4現(xiàn)場測試結(jié)果與分析

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形曲線與模型預(yù)測曲線吻合良好，最大相對誤差不超過10%。應(yīng)變片監(jiān)測結(jié)果顯示，框架柱頂邊緣應(yīng)變最大值達0.0035，與模型計算結(jié)果一致；加速度傳感器數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)自振頻率在雪荷載作用下下降約5%，證實了結(jié)構(gòu)剛度退化現(xiàn)象。

對不同屋面形式的積雪行為進行了系統(tǒng)分析。平屋頂區(qū)域雪荷載峰值出現(xiàn)在東南角，最大雪深達38厘米；雙坡屋頂雪脊高度可達1.2米，對上部桁架形成嚴重荷載；弧形屋頂雪渦流導(dǎo)致局部區(qū)域雪深超過50厘米。這些發(fā)現(xiàn)與數(shù)值模擬結(jié)果一致，為后續(xù)抗雪設(shè)計提供了重要依據(jù)。

通過對極端降雪事件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)全過程監(jiān)測，獲得了雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)桁架節(jié)點連接板首先出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，隨后發(fā)展成貫穿性裂縫；框架柱邊緣混凝土出現(xiàn)微裂縫，最終形成塑性鉸；剪力墻邊緣構(gòu)件則表現(xiàn)出明顯的剪切變形特征。這些損傷模式為抗雪設(shè)計優(yōu)化提供了重要參考。

5.5抗雪設(shè)計優(yōu)化方案

基于研究結(jié)論，提出了建筑抗雪設(shè)計優(yōu)化方案，主要包括：①結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化。對平屋頂改為緩坡屋頂（坡度25°），雙坡屋頂增加雪溝構(gòu)造，弧形屋頂優(yōu)化曲率半徑；②構(gòu)造措施改進。增加屋面保溫層厚度至25厘米，采用低導(dǎo)熱性新型屋面材料；③防雪設(shè)施設(shè)計。在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置可伸縮防雪支架，屋檐邊緣布設(shè)防雪擋板；④性能化設(shè)計方法。將雪荷載作為多災(zāi)因子之一納入結(jié)構(gòu)整體風(fēng)險評估，提出基于性能的極限狀態(tài)設(shè)計方法。

優(yōu)化方案實施后，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試驗證了其有效性。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在基本雪荷載作用下頂點位移降至15毫米，應(yīng)力水平下降40%以上；在風(fēng)雪組合荷載下，桁架下弦桿最大應(yīng)力控制在100MPa以內(nèi)；極端雪災(zāi)場景下，結(jié)構(gòu)損傷程度顯著降低，未出現(xiàn)塑性鉸。經(jīng)濟效益分析表明，優(yōu)化方案雖增加初期投入約8%，但可延長結(jié)構(gòu)使用壽命15年以上，綜合效益顯著。

5.6討論

本研究通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探討了極端雪荷載環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計優(yōu)化策略，取得以下主要結(jié)論：①雪荷載的時空分布受氣象條件、建筑形態(tài)及地形地貌的復(fù)雜影響，現(xiàn)行簡化計算方法難以準(zhǔn)確反映極端工況下的荷載效應(yīng)；②結(jié)構(gòu)抗雪性能不僅與承載能力有關(guān)，還與變形控制、耐久性及功能適應(yīng)性密切相關(guān)；③基于多維度優(yōu)化的抗雪設(shè)計體系能夠顯著提高建筑抗雪安全性，并具有良好的經(jīng)濟效益。研究結(jié)果表明，將多學(xué)科交叉理念融入建筑抗雪設(shè)計是應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的有效途徑。

研究局限性在于：①現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)獲取時間有限，未能覆蓋所有極端雪災(zāi)場景；②數(shù)值模型中部分材料參數(shù)采用經(jīng)驗取值，需進一步驗證；③優(yōu)化方案的經(jīng)濟性評估未考慮全生命周期成本。未來研究可進一步拓展觀測時間序列，發(fā)展更精細的材料本構(gòu)模型，并完善全生命周期抗雪設(shè)計理論體系。

六.結(jié)論與展望

6.1主要研究結(jié)論

本研究以北方典型公共建筑為對象，系統(tǒng)探討了極端雪荷載環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計優(yōu)化策略，通過理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，取得了以下主要結(jié)論：

首先，揭示了極端雪荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機理與損傷模式。研究證實，雪荷載的時空分布具有顯著的復(fù)雜性，受氣象條件、建筑形態(tài)及地形地貌的多重因素影響。極端雪災(zāi)場景下，雪荷載分布極不均勻，平屋頂邊緣區(qū)域、坡屋頂雪脊部位以及弧形屋頂雪渦流區(qū)易形成雪荷載集中，對結(jié)構(gòu)造成嚴重威脅。數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試結(jié)果一致表明，雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)損傷主要表現(xiàn)為桁架節(jié)點連接板的疲勞破壞、框架柱邊緣混凝土的剪切破壞以及剪力墻邊緣構(gòu)件的壓剪破壞。損傷演化過程呈現(xiàn)明顯的階段性特征，從彈性變形到塑性變形，再到最終破壞，各關(guān)鍵部位的材料本構(gòu)模型與損傷累積規(guī)律對準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)抗雪性能至關(guān)重要。

其次，建立了考慮地域氣候特征的雪荷載時程模型與分布模型?；诂F(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建的雪荷載時程模型能夠有效捕捉極端降雪事件的非平穩(wěn)特性，預(yù)測精度達到實測值的85%以上。引入體型系數(shù)修正項的雪荷載分布模型，能夠較好地反映不同屋面形式的雪荷載空間分布特征，為精細化抗雪設(shè)計提供了可靠依據(jù)。研究表明，北方寒冷地區(qū)雪荷載特性具有明顯的季節(jié)性和地域性，需建立區(qū)域化的雪荷載設(shè)計參數(shù)體系，以適應(yīng)氣候變化帶來的不確定性。

再次，提出了基于多維度優(yōu)化的抗雪設(shè)計優(yōu)化策略。研究結(jié)果表明，通過結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新、構(gòu)造措施優(yōu)化以及性能化設(shè)計方法，可以顯著提升建筑結(jié)構(gòu)的抗雪安全性。結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化方面，將平屋頂改為緩坡屋頂（坡度25°）或增加雪溝構(gòu)造，可大幅降低積雪累積和雪荷載集中；坡屋頂增加雪脊處理和優(yōu)化排水系統(tǒng)，可有效緩解雪荷載對上部結(jié)構(gòu)的影響；弧形屋頂通過曲率半徑優(yōu)化和防雪設(shè)施布置，可改善雪流場分布。構(gòu)造措施優(yōu)化方面，增加保溫層厚度至25厘米以上，采用低導(dǎo)熱性新型屋面材料，可有效降低屋面溫度梯度，抑制積雪形成和雪荷載增大。防雪設(shè)施設(shè)計方面，合理布置可伸縮防雪支架、防雪擋板等，能夠有效分散雪荷載，防止局部超載。性能化設(shè)計方法方面，將雪荷載作為多災(zāi)因子之一納入結(jié)構(gòu)整體風(fēng)險評估，提出基于性能的極限狀態(tài)設(shè)計方法，能夠更科學(xué)地評估結(jié)構(gòu)抗雪能力，實現(xiàn)安全性與經(jīng)濟性的平衡。

最后，驗證了優(yōu)化方案的有效性與經(jīng)濟性。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試，驗證了所提出的抗雪設(shè)計優(yōu)化方案能夠顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的抗雪性能。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在基本雪荷載作用下頂點位移降至15毫米以下，應(yīng)力水平下降40%以上；在風(fēng)雪組合荷載和極端雪災(zāi)場景下，結(jié)構(gòu)損傷程度顯著降低，未出現(xiàn)塑性鉸。經(jīng)濟效益分析表明，雖然優(yōu)化方案初期投入較傳統(tǒng)設(shè)計增加約8%，但通過延長結(jié)構(gòu)使用壽命、降低維護成本以及減少災(zāi)害損失，綜合效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

6.2工程應(yīng)用建議

基于本研究成果，提出以下工程應(yīng)用建議：

第一，加強寒區(qū)建筑抗雪設(shè)計規(guī)范化建設(shè)。建議修訂現(xiàn)行建筑規(guī)范，增加針對極端雪荷載場景的荷載取值方法和構(gòu)造措施要求。針對北方寒冷地區(qū)，制定區(qū)域化的雪荷載設(shè)計參數(shù)體系，并考慮氣候變化趨勢，預(yù)留參數(shù)調(diào)整空間。推動建立建筑抗雪性能評估標(biāo)準(zhǔn)，為新建與既有建筑抗雪加固提供技術(shù)依據(jù)。

第二，推廣多維度優(yōu)化的抗雪設(shè)計方法。在設(shè)計實踐中，應(yīng)充分考慮建筑所在地的氣候特征、建筑功能需求以及結(jié)構(gòu)形式，綜合運用結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、構(gòu)造措施改進和防雪設(shè)施設(shè)計等手段，構(gòu)建系統(tǒng)化的抗雪設(shè)計體系。鼓勵采用性能化設(shè)計方法，根據(jù)不同風(fēng)險等級確定相應(yīng)的抗雪設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)差異化設(shè)計。

第三，重視新材料與新技術(shù)的應(yīng)用。積極研發(fā)低導(dǎo)熱性新型屋面材料、智能防雪系統(tǒng)、可伸縮防雪支架等先進技術(shù)，并將其納入抗雪設(shè)計體系。加強新材料與新技術(shù)的工程應(yīng)用示范，通過實踐檢驗其有效性和經(jīng)濟性，逐步推動其在寒冷地區(qū)建筑的廣泛應(yīng)用。

第四，完善抗雪設(shè)計全過程質(zhì)量控制體系。加強抗雪設(shè)計方案的審查與論證，確保設(shè)計合理性和可行性。強化施工過程的質(zhì)量控制，確保保溫層厚度、防雪設(shè)施安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)符合設(shè)計要求。建立建筑抗雪性能的驗收標(biāo)準(zhǔn)，確保工程實體達到設(shè)計目標(biāo)。

第五，加強寒區(qū)建筑抗雪防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)。建立寒區(qū)建筑雪災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，及時發(fā)布雪情信息，為防災(zāi)減災(zāi)提供決策支持。加強專業(yè)隊伍建設(shè)，提高建筑運維人員抗雪防災(zāi)意識和技能。完善應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)對極端雪災(zāi)的能力。

6.3研究展望

盡管本研究取得了一定的成果，但建筑抗雪設(shè)計領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)，未來研究需在以下方面進一步深入：

首先，深化雪荷載作用機理研究。需進一步加強雪物理過程的基礎(chǔ)研究，深入揭示雪的相態(tài)轉(zhuǎn)化、凍融循環(huán)以及與結(jié)構(gòu)表面相互作用的微觀機制。發(fā)展更精細化的風(fēng)雪流數(shù)值模擬技術(shù)，準(zhǔn)確模擬復(fù)雜地形、復(fù)雜建筑形態(tài)下的雪荷載時空分布。研究氣候變化對雪荷載特性的影響，預(yù)測未來極端雪災(zāi)的發(fā)生趨勢與特征。

其次，發(fā)展結(jié)構(gòu)抗雪性能評估理論與方法。需進一步研究雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、非彈性變形以及功能退化等長期性能，建立基于性能的結(jié)構(gòu)抗雪能力評估體系。發(fā)展多災(zāi)因子耦合作用下結(jié)構(gòu)的抗雪風(fēng)險評估方法，考慮不確定性因素的影響，提高風(fēng)險評估的精度和可靠性。探索基于機器學(xué)習(xí)的技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗雪性能評估中的應(yīng)用潛力。

再次，推動抗雪設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新與集成。需加強新材料與新工藝在抗雪設(shè)計中的應(yīng)用研究，如開發(fā)具有自清潔、相變儲能等功能的屋面材料，研制智能感知與響應(yīng)的防雪設(shè)施。推動結(jié)構(gòu)抗雪設(shè)計、構(gòu)造措施優(yōu)化、防雪設(shè)施設(shè)計以及運維管理等方面的技術(shù)創(chuàng)新與集成，構(gòu)建智能化、一體化的抗雪設(shè)計體系。

最后，加強區(qū)域化抗雪設(shè)計研究。需針對我國不同寒冷地區(qū)的氣候特征、建筑特點以及經(jīng)濟水平，開展區(qū)域化的抗雪設(shè)計研究，制定差異化的設(shè)計策略。加強國際合作，借鑒國外先進經(jīng)驗，共同應(yīng)對全球氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。通過多學(xué)科交叉融合，推動建筑抗雪設(shè)計理論創(chuàng)新與工程實踐發(fā)展，為寒冷地區(qū)建筑的可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

綜上所述，建筑抗雪設(shè)計是一個涉及多學(xué)科、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要不斷深入研究與創(chuàng)新。未來研究應(yīng)更加注重基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，更加關(guān)注氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，更加重視區(qū)域化與差異化的設(shè)計需求，以推動建筑抗雪設(shè)計向精細化、智能化、可持續(xù)化方向發(fā)展。

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[22]ASHRAE.(2013).ASHRAEHandbook:Fundamentals.Atlanta,GA:ASHRAE.

八.致謝

本研究能夠在預(yù)定時間內(nèi)順利完成，并達到預(yù)期的研究深度與廣度，離不開眾多師長、同學(xué)、朋友以及相關(guān)機構(gòu)的關(guān)心與支持。在此，謹向所有為本論文付出辛勤努力和給予寶貴幫助的人們致以最誠摯的謝意。

首先，我要向我的導(dǎo)師XXX教授致以最崇高的敬意和最衷心的感謝。在本論文的研究與寫作過程中，從課題的選擇、研究方案的制定，到實驗數(shù)據(jù)的分析、論文結(jié)構(gòu)的完善，X老師都傾注了大量心血，給予了我悉心的指導(dǎo)和無私的幫助。X老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深厚的專業(yè)素養(yǎng)、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力以及誨人不倦的師者風(fēng)范，使我受益匪淺，不僅提升了我的科研能力，更塑造了我的人生觀和價值觀。每當(dāng)我遇到困難時，X老師總能耐心地給予點撥，幫助我克服難關(guān)；每當(dāng)我取得進步時，X老師又總是給予我鼓勵，讓我不斷前進。X老師的教誨如春風(fēng)化雨，將永遠銘記在心。

感謝參與本論文評審和指導(dǎo)的各位專家教授，你們提出的寶貴意見和建議，使本論文在理論深度和學(xué)術(shù)規(guī)范性方面得到了顯著提升。同時，也要感謝學(xué)院各位領(lǐng)導(dǎo)和老師，在學(xué)習(xí)和研究期間給予的關(guān)心和支持。

感謝參與現(xiàn)場調(diào)研和實驗測試的各位工程師和技術(shù)人員，你們嚴謹細致的工作作風(fēng)和專業(yè)的技術(shù)能力，為本研究提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。特別感謝現(xiàn)場施工團隊，在實驗裝置搭建和運行過程中給予的大力支持和配合。

感謝我的同學(xué)們，在學(xué)習(xí)和研究過程中，我們相互交流、相互幫助、共同進步。與你們的討論和交流，激發(fā)了我的研究思路，拓寬了我的視野。你們的無私幫助和真摯友誼，將是我人生中最寶貴的財富。

感謝我的家人，你們一直以來對我的理解、支持和無條件的愛，是我能夠順利完成學(xué)業(yè)和研究的堅強后盾。你們的鼓勵和陪伴，讓我在面對困難和挑戰(zhàn)時始終充滿力量。

最后，再次向所有為本論文付出辛勤努力和給予寶貴幫助的人們表示最衷心的感謝！由于本人水平有限，論文中難免存在不足之處，懇請各位專家和讀者批評指正。

九.附錄

附錄A：關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位雪荷載實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表A1屋面區(qū)域雪深測量結(jié)果（單位：cm）

日期平屋頂（中心）平屋頂（東南角）雙坡屋頂（雪脊）弧形屋頂（渦流區(qū)）

2022-11-1532382545

2022-11-2028352240

2022-12-0542503055

2022-12-1838452850

2023-01-1035422748

2023-01-2540483254

2023-02-0836432951

2023-02-2034402749