基于CFD的低矮建筑風(fēng)荷載數(shù)值模擬與特性研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展，低矮建筑作為城市建筑群體中的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)、農(nóng)村住宅以及一些臨時(shí)性建筑等領(lǐng)域。然而，風(fēng)災(zāi)頻發(fā)給這些低矮建筑帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在歷年的風(fēng)災(zāi)事件中，低矮建筑的損毀比例相當(dāng)高，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，同時(shí)也對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。例如，在某些臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中，大量的農(nóng)村低矮房屋因無(wú)法承受強(qiáng)風(fēng)的作用而倒塌，導(dǎo)致居民流離失所，損失慘重。風(fēng)荷載作為低矮建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵荷載之一，其大小和分布規(guī)律直接影響著建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。由于低矮建筑自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如高度較低、體型相對(duì)簡(jiǎn)單等，其風(fēng)荷載特性與高層建筑存在顯著差異。例如，低矮建筑更容易受到地面粗糙度和周邊環(huán)境的影響，在風(fēng)場(chǎng)作用下，其表面的氣流分離和再附著現(xiàn)象更為復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)荷載分布不均勻，局部區(qū)域的風(fēng)荷載可能會(huì)顯著增大。此外，低矮建筑的結(jié)構(gòu)形式多樣，不同的屋面坡度、長(zhǎng)寬比、高寬比以及建筑布局等因素，都會(huì)對(duì)風(fēng)荷載的大小和分布產(chǎn)生影響。因此，深入研究低矮建筑的風(fēng)荷載特性，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估其抗風(fēng)能力，保障建筑結(jié)構(gòu)的安全具有至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)上，研究低矮建筑風(fēng)荷載主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和物理模型風(fēng)洞試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)雖然能夠獲取真實(shí)環(huán)境下的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，但受到測(cè)量條件、天氣狀況以及成本等因素的限制，數(shù)據(jù)的獲取難度較大，且難以全面涵蓋各種工況。而物理模型風(fēng)洞試驗(yàn)雖然可以在一定程度上模擬不同的風(fēng)場(chǎng)條件，但也存在諸如模型制作成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、難以改變?cè)囼?yàn)參數(shù)等缺點(diǎn)。此外，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際建筑之間存在一定的尺度效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果在應(yīng)用到實(shí)際工程時(shí)也存在一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)能夠通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上模擬風(fēng)場(chǎng)與建筑結(jié)構(gòu)的相互作用過(guò)程，從而獲得建筑表面的風(fēng)荷載分布情況。與傳統(tǒng)的研究方法相比，數(shù)值模擬技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，它可以靈活地改變各種參數(shù)，如建筑的幾何形狀、尺寸、周邊環(huán)境以及風(fēng)場(chǎng)條件等，能夠快速地對(duì)不同工況進(jìn)行模擬分析，大大提高了研究效率。其次，數(shù)值模擬能夠提供更為詳細(xì)和全面的數(shù)據(jù)，不僅可以得到建筑表面的平均風(fēng)荷載，還能精確地計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)荷載、風(fēng)壓系數(shù)等參數(shù)，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更豐富的信息。此外，數(shù)值模擬不受實(shí)際試驗(yàn)條件的限制，可以模擬一些在實(shí)際試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的極端工況，有助于深入研究低矮建筑在各種復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)荷載特性。例如，通過(guò)數(shù)值模擬可以研究在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、下?lián)舯┝鞯葮O端風(fēng)況下，低矮建筑的風(fēng)荷載分布規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，為建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更為可靠的依據(jù)。綜上所述，開(kāi)展低矮建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究，不僅能夠深入揭示低矮建筑在風(fēng)場(chǎng)作用下的風(fēng)荷載特性和作用機(jī)理，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)準(zhǔn)確的理論依據(jù)，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，同時(shí)還能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)研究方法的不足，降低研究成本，提高研究效率。這對(duì)于推動(dòng)建筑風(fēng)工程領(lǐng)域的發(fā)展，提升我國(guó)在建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)水平，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。1.2低矮建筑風(fēng)荷載研究現(xiàn)狀低矮建筑風(fēng)荷載的研究一直是建筑風(fēng)工程領(lǐng)域的重要課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)多種方法對(duì)此展開(kāi)了深入研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。在國(guó)外，對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的研究開(kāi)展較早。早期，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)獲取風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。例如，美國(guó)、英國(guó)及澳大利亞等國(guó)家的學(xué)者，借助實(shí)測(cè)手段對(duì)低矮房屋在極端風(fēng)氣候條件下的風(fēng)載特性進(jìn)行研究，并制定了相應(yīng)的規(guī)范條文用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。隨著風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，其逐漸成為研究低矮建筑風(fēng)荷載的重要手段。通過(guò)建立縮尺模型，在風(fēng)洞中模擬不同的風(fēng)場(chǎng)條件，能夠系統(tǒng)地研究低矮建筑在各種風(fēng)況下的風(fēng)荷載分布規(guī)律。相關(guān)研究討論了屋面和挑檐部分的平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在不同風(fēng)向角下的分布特性，以及風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度對(duì)屋面脈動(dòng)風(fēng)壓分布的影響等。國(guó)內(nèi)對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。一方面，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面，針對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下低矮房屋風(fēng)載特性及近地臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)狀況展開(kāi)研究，建造了全尺寸實(shí)測(cè)房屋，對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、熱帶風(fēng)暴及季風(fēng)等風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子等風(fēng)特性參數(shù)，以及低矮房屋屋面平均、脈動(dòng)及峰值風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律。另一方面，風(fēng)洞試驗(yàn)也得到了廣泛應(yīng)用。例如，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同體型參數(shù)組合的山丘周圍的風(fēng)場(chǎng)特性以及受山丘影響后低矮建筑表面風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行研究，找出了對(duì)抗風(fēng)較不利的風(fēng)向角，并總結(jié)了相應(yīng)的實(shí)用擬合公式，為低矮建筑抗風(fēng)防災(zāi)設(shè)計(jì)提供參考。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在低矮建筑風(fēng)荷載研究中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者較早地將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)引入到建筑風(fēng)工程領(lǐng)域，通過(guò)數(shù)值模擬研究低矮建筑的風(fēng)荷載特性。國(guó)內(nèi)在這方面也取得了顯著進(jìn)展，運(yùn)用CFD軟件對(duì)低矮建筑屋面風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同房屋參數(shù)（如坡角、挑檐長(zhǎng)度、檐口高度等）和幾何參數(shù)（如看臺(tái)、后挑、變截面等）對(duì)表面風(fēng)荷載的影響。此外，還通過(guò)數(shù)值模擬研究樹(shù)木對(duì)低矮房屋風(fēng)荷載的遮擋作用等。盡管國(guó)內(nèi)外在低矮建筑風(fēng)荷載研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足和有待改進(jìn)的方向。例如，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，數(shù)據(jù)的獲取受到諸多因素限制，難以大規(guī)模開(kāi)展，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性存在一定局限性。風(fēng)洞試驗(yàn)雖然能夠較好地模擬風(fēng)場(chǎng)，但模型制作和試驗(yàn)成本較高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且存在尺度效應(yīng)等問(wèn)題。數(shù)值模擬技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)勢(shì)，但模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性、湍流模型的選擇以及邊界條件的設(shè)定等，目前不同湍流模型在模擬低矮建筑風(fēng)荷載時(shí)的適用性和精度仍有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。此外，對(duì)于復(fù)雜地形和周邊環(huán)境對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的影響，以及低矮建筑在多種風(fēng)況（如下?lián)舯┝?、龍卷風(fēng)等極端風(fēng)況）下的風(fēng)荷載特性，研究還不夠深入全面，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)方面的研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容不同工況下風(fēng)荷載模擬：建立多種典型低矮建筑的三維數(shù)值模型，涵蓋不同的屋面形式（如單坡、雙坡、平屋面等）、長(zhǎng)寬比、高寬比以及建筑布局?？紤]不同的風(fēng)場(chǎng)條件，包括不同的風(fēng)速、風(fēng)向角、湍流強(qiáng)度等，對(duì)這些工況下低矮建筑表面的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取建筑表面各部位的風(fēng)壓分布數(shù)據(jù)。風(fēng)荷載特性分析：基于模擬得到的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，深入分析低矮建筑風(fēng)荷載的特性。計(jì)算平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載以及風(fēng)壓系數(shù)等參數(shù)，研究這些參數(shù)在建筑表面的分布規(guī)律。探討屋面坡度、長(zhǎng)寬比、高寬比等建筑幾何參數(shù)對(duì)風(fēng)荷載特性的影響，分析不同參數(shù)變化時(shí)風(fēng)荷載的變化趨勢(shì)，明確各參數(shù)對(duì)風(fēng)荷載影響的敏感程度。復(fù)雜地形和周邊環(huán)境影響研究：考慮復(fù)雜地形（如山地、丘陵等）以及周邊建筑、樹(shù)木等環(huán)境因素對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的影響。通過(guò)建立包含地形和周邊環(huán)境的數(shù)值模型，模擬不同地形條件和周邊環(huán)境下低矮建筑的風(fēng)荷載情況，分析地形和周邊環(huán)境因素改變風(fēng)場(chǎng)后對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載大小和分布的影響規(guī)律，為處于復(fù)雜環(huán)境中的低矮建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證：將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或物理模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在的差異，分析原因并對(duì)數(shù)值模擬模型和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度。1.3.2研究方法本研究主要采用CFD數(shù)值模擬方法，通過(guò)建立數(shù)值風(fēng)洞模型來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)與低矮建筑的相互作用過(guò)程。具體使用的軟件工具為ANSYSFluent，它是一款功能強(qiáng)大的CFD軟件，廣泛應(yīng)用于流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)以及多物理場(chǎng)耦合等領(lǐng)域的數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，首先根據(jù)實(shí)際低矮建筑的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在ANSYSDesignModeler模塊中建立精確的三維幾何模型。然后，將幾何模型導(dǎo)入到ANSYSMeshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格劃分策略，在建筑表面和近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高模擬的精度和計(jì)算的穩(wěn)定性。在定義邊界條件時(shí)，入口邊界設(shè)置為速度入口，根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)條件給定風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等參數(shù)；出口邊界設(shè)置為壓力出口；建筑表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件；計(jì)算域的上邊界和側(cè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。選擇合適的湍流模型是CFD數(shù)值模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，本研究將對(duì)比不同湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等）在模擬低矮建筑風(fēng)荷載時(shí)的性能，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確定最適合本研究的湍流模型。最后，在ANSYSFluent中進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，得到低矮建筑表面的風(fēng)壓分布結(jié)果，并利用CFD-Post等后處理工具對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和數(shù)據(jù)分析，提取風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)荷載特性分析。二、風(fēng)荷載相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1風(fēng)荷載基本概念風(fēng)荷載是指風(fēng)作用在建筑物表面上所產(chǎn)生的壓力或吸力，其本質(zhì)是空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用力。從物理原理角度來(lái)看，風(fēng)的形成源于大氣壓力差導(dǎo)致的空氣流動(dòng)，當(dāng)這股流動(dòng)的空氣遇到建筑物的阻礙時(shí)，其動(dòng)能會(huì)發(fā)生改變，從而在建筑物表面轉(zhuǎn)化為壓力或吸力形式的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載主要由平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載兩部分組成。平均風(fēng)荷載是在較長(zhǎng)時(shí)間尺度（通常取10分鐘）內(nèi)，風(fēng)速的平均值所產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓作用。其大小相對(duì)穩(wěn)定，主要取決于風(fēng)速的平均大小、地貌、地面粗糙度以及建筑物高度等因素。例如，在平坦開(kāi)闊地形上，離地面10米高的位置，若平均風(fēng)速為10m/s，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)荷載數(shù)值。平均風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用類似于靜力作用，它直接影響著建筑結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的重要荷載之一。脈動(dòng)風(fēng)荷載則是由于風(fēng)速的隨機(jī)脈動(dòng)而產(chǎn)生的，具有短周期、不規(guī)則的特點(diǎn)，其周期通常在幾秒左右。脈動(dòng)風(fēng)的產(chǎn)生源于大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)，使得風(fēng)速在平均風(fēng)速的基礎(chǔ)上產(chǎn)生上下波動(dòng)。這種波動(dòng)導(dǎo)致建筑物表面所受到的風(fēng)壓力或吸力也隨之快速變化，從而形成脈動(dòng)風(fēng)荷載。脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用性質(zhì)是動(dòng)力的，它會(huì)引起建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，即風(fēng)振效應(yīng)。對(duì)于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)振效應(yīng)可能會(huì)顯著增大結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，因此在設(shè)計(jì)中必須予以充分考慮。例如，在強(qiáng)風(fēng)作用下，高層建筑的頂部可能會(huì)因脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用而產(chǎn)生明顯的晃動(dòng)，這種晃動(dòng)不僅會(huì)影響建筑物內(nèi)人員的舒適性，還可能對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成威脅。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載起著至關(guān)重要的作用。它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的主要荷載工況之一，無(wú)論是單層、多層還是高層建筑，都受到風(fēng)荷載的作用。對(duì)于低矮建筑而言，雖然其高度相對(duì)較低，但由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)較為輕巧，且常位于較為空曠的區(qū)域，更容易受到風(fēng)的影響。風(fēng)荷載的大小和分布直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。如果在設(shè)計(jì)中低估了風(fēng)荷載的作用，可能導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際風(fēng)荷載作用下發(fā)生破壞，如墻體開(kāi)裂、屋頂掀翻、結(jié)構(gòu)倒塌等，從而危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全；而高估風(fēng)荷載則會(huì)增加建筑結(jié)構(gòu)的材料用量和工程造價(jià)，造成不必要的浪費(fèi)。因此，準(zhǔn)確確定風(fēng)荷載的大小和分布，對(duì)于合理設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，確保其在各種風(fēng)況下的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。2.2風(fēng)荷載計(jì)算方法2.2.1規(guī)范計(jì)算方法規(guī)范計(jì)算方法是建筑工程領(lǐng)域中確定風(fēng)荷載的傳統(tǒng)且重要的手段，其依據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)以及理論分析制定而成，具有權(quán)威性和通用性，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。我國(guó)現(xiàn)行的GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是風(fēng)荷載計(jì)算的重要依據(jù)。該規(guī)范針對(duì)不同類型的建筑結(jié)構(gòu)，提供了詳細(xì)的風(fēng)荷載計(jì)算方法。在計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}式中，w_{k}為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m^{2}）；\beta_{z}是高度z處的風(fēng)振系數(shù)，用于考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。對(duì)于高度H大于30米且高寬比大于1.5的房屋，以及自振周期大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)需通過(guò)特定公式計(jì)算得出，它綜合考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、風(fēng)的脈動(dòng)特性以及場(chǎng)地條件等因素；\mu_{s}為風(fēng)荷載體型系數(shù)，它反映了建筑物的體型和尺寸對(duì)風(fēng)荷載分布的影響，不同的建筑體型（如矩形、圓形、三角形等）和建筑部位（如迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)面、檐口等）具有不同的體型系數(shù)取值，規(guī)范中給出了各種常見(jiàn)建筑體型的體型系數(shù)取值表，可根據(jù)實(shí)際建筑情況進(jìn)行查閱和取值；\mu_{z}是風(fēng)壓高度變化系數(shù)，其數(shù)值與地面粗糙度和離地面高度相關(guān)。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類，A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。在不同的地面粗糙度類別下，風(fēng)壓高度變化系數(shù)隨高度的變化規(guī)律各不相同，規(guī)范中給出了相應(yīng)的計(jì)算公式和圖表，可用于確定不同高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)值；w_{0}表示基本風(fēng)壓，它是以當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0米高度處10分鐘平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50年一遇的最大值確定的風(fēng)速v_{0}，再考慮相應(yīng)的空氣密度通過(guò)計(jì)算確定數(shù)值大小，基本風(fēng)壓不得小于0.3kN/m2，且在確定時(shí)需考慮建筑所在地區(qū)的氣候條件、地形地貌等因素。當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：w_{k}=\beta_{gz}\mu_{sl}\mu_{z}w_{0}式中，\beta_{gz}為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，主要考慮陣風(fēng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)作用，其取值與地面粗糙度、離地面高度以及陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)；\mu_{sl}是風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，用于考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部部位（如門窗、幕墻、雨篷等）的風(fēng)荷載集中效應(yīng)，這些局部部位的風(fēng)荷載往往比主體結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載更為復(fù)雜，其局部體型系數(shù)的取值需根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式和部位，參考規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定。除我國(guó)規(guī)范外，國(guó)際上也有一些被廣泛認(rèn)可的風(fēng)荷載計(jì)算規(guī)范，如美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）制定的ASCE7-16《MinimumDesignLoadsandAssociatedCriteriaforBuildingsandOtherStructures》、歐洲規(guī)范EN1991-1-4《Eurocode1:Actionsonstructures-Part1-4:Generalactions-Windactions》等。這些國(guó)際規(guī)范在風(fēng)荷載的計(jì)算原理上與我國(guó)規(guī)范有一定的相似性，但在具體的參數(shù)取值、計(jì)算方法以及適用范圍等方面存在差異。例如，ASCE7-16規(guī)范中對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算考慮了更多的地形地貌因素，如山脈、峽谷等對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，在確定基本風(fēng)壓時(shí)采用的統(tǒng)計(jì)方法和重現(xiàn)期與我國(guó)規(guī)范也有所不同；EN1991-1-4規(guī)范則更加注重結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法有獨(dú)特的規(guī)定，并且在風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值上，針對(duì)歐洲常見(jiàn)的建筑風(fēng)格和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)的分類和規(guī)定。規(guī)范計(jì)算方法具有明確的計(jì)算流程和參數(shù)取值依據(jù)，便于工程設(shè)計(jì)人員使用，在一般情況下能夠滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求。然而，由于規(guī)范計(jì)算方法是基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于一些特殊體型的低矮建筑、復(fù)雜地形條件下的建筑以及周邊環(huán)境復(fù)雜的建筑，其計(jì)算結(jié)果可能存在一定的局限性。例如，對(duì)于形狀不規(guī)則、具有獨(dú)特造型的低矮建筑，規(guī)范中給出的體型系數(shù)可能無(wú)法準(zhǔn)確反映其實(shí)際的風(fēng)荷載分布情況；在復(fù)雜地形（如山地、丘陵等）中，規(guī)范計(jì)算方法難以考慮地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。此外，規(guī)范計(jì)算方法通常是針對(duì)一般的風(fēng)況條件制定的，對(duì)于極端風(fēng)況（如下?lián)舯┝鳌埦盹L(fēng)等）下的風(fēng)荷載計(jì)算，規(guī)范的適用性較差。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于一些特殊情況的建筑，需要結(jié)合其他方法（如數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)等）來(lái)確定風(fēng)荷載，以確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。2.2.2數(shù)值模擬計(jì)算方法數(shù)值模擬計(jì)算方法，尤其是基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，在研究低矮建筑風(fēng)荷載方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CFD數(shù)值模擬的基本原理是通過(guò)數(shù)值求解Navier-Stokes方程（N-S方程）來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。N-S方程是一組描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的偏微分方程，它綜合考慮了流體的慣性力、粘性力、壓力以及重力等因素。在風(fēng)荷載模擬中，將空氣視為粘性不可壓縮流體，建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)可通過(guò)求解N-S方程來(lái)模擬。然而，直接求解N-S方程對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題計(jì)算量巨大，甚至在目前的計(jì)算條件下難以實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用一些簡(jiǎn)化的湍流模型來(lái)封閉方程組，以便進(jìn)行數(shù)值求解。常用的湍流模型包括雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）模型、大渦模擬（LES）模型和直接數(shù)值模擬（DNS）模型等。RANS模型是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型之一，它將湍流運(yùn)動(dòng)分解為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分，通過(guò)對(duì)N-S方程進(jìn)行時(shí)間平均，引入雷諾應(yīng)力項(xiàng)來(lái)描述脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)平均運(yùn)動(dòng)的影響。然后，采用各種湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等）對(duì)雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行封閉求解。RANS模型的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，能夠滿足大多數(shù)工程問(wèn)題的計(jì)算需求，但其缺點(diǎn)是對(duì)湍流的細(xì)節(jié)模擬能力有限，在模擬一些復(fù)雜的湍流流動(dòng)（如強(qiáng)分離流、大尺度漩渦等）時(shí)精度相對(duì)較低。例如，在模擬低矮建筑屋面的氣流分離和再附著現(xiàn)象時(shí)，RANS模型可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到分離點(diǎn)和再附著點(diǎn)的位置，以及分離區(qū)內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)。LES模型則基于大渦模擬假設(shè)，將湍流中的大尺度渦和小尺度渦分開(kāi)處理。大尺度渦對(duì)流動(dòng)的能量傳輸和動(dòng)量交換起主要作用，通過(guò)直接求解N-S方程來(lái)模擬其運(yùn)動(dòng)；小尺度渦的特性具有更強(qiáng)的普遍性和各向同性，采用亞格子模型對(duì)其進(jìn)行模擬。LES模型能夠更準(zhǔn)確地模擬湍流的細(xì)節(jié)，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度高于RANS模型，但其計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高。例如，在模擬低矮建筑周圍復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)湍流結(jié)構(gòu)時(shí)，LES模型可以清晰地展現(xiàn)出不同尺度渦旋的生成、發(fā)展和相互作用過(guò)程，為研究風(fēng)荷載的產(chǎn)生機(jī)制提供更詳細(xì)的信息。DNS模型是對(duì)湍流的所有尺度的渦進(jìn)行直接數(shù)值模擬，不需要引入任何湍流模型，能夠精確地模擬湍流的所有細(xì)節(jié)。然而，DNS模型的計(jì)算量極其巨大，目前僅適用于簡(jiǎn)單流動(dòng)問(wèn)題和研究湍流的基本物理機(jī)制，在實(shí)際工程應(yīng)用中受到很大限制?；贑FD的數(shù)值模擬在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，首先需要建立準(zhǔn)確的計(jì)算模型。這包括對(duì)低矮建筑進(jìn)行精確的幾何建模，考慮建筑的各種細(xì)節(jié)特征（如屋面坡度、挑檐長(zhǎng)度、門窗洞口等），以及合理地確定計(jì)算域的范圍和邊界條件。計(jì)算域的范圍應(yīng)足夠大，以確保邊界條件對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。入口邊界通常設(shè)置為速度入口，給定來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等參數(shù)；出口邊界一般設(shè)置為壓力出口；建筑表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，即流體在建筑表面的速度為零；計(jì)算域的上邊界和側(cè)邊界可根據(jù)具體情況設(shè)置為對(duì)稱邊界條件或自由流邊界條件。在網(wǎng)格劃分方面，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格劃分策略，在建筑表面和近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高模擬的精度和計(jì)算的穩(wěn)定性。合理的網(wǎng)格劃分對(duì)于準(zhǔn)確捕捉風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)特性至關(guān)重要，如果網(wǎng)格過(guò)于稀疏，可能無(wú)法準(zhǔn)確描述流場(chǎng)的變化，導(dǎo)致模擬結(jié)果誤差較大；而網(wǎng)格過(guò)于密集，則會(huì)增加計(jì)算量，延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。因此，需要在計(jì)算精度和計(jì)算效率之間進(jìn)行權(quán)衡，通過(guò)多次試驗(yàn)和驗(yàn)證，確定合適的網(wǎng)格尺寸和分布。數(shù)值模擬計(jì)算方法與規(guī)范計(jì)算方法相比，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，數(shù)值模擬能夠考慮各種復(fù)雜因素對(duì)風(fēng)荷載的影響，如建筑的不規(guī)則形狀、復(fù)雜的周邊環(huán)境以及不同的地形條件等。通過(guò)建立包含這些因素的數(shù)值模型，可以更真實(shí)地模擬風(fēng)場(chǎng)與建筑的相互作用過(guò)程，得到更準(zhǔn)確的風(fēng)荷載分布結(jié)果。例如，對(duì)于位于山地或周邊有其他建筑遮擋的低矮建筑，規(guī)范計(jì)算方法往往難以準(zhǔn)確考慮地形和遮擋物對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，而數(shù)值模擬可以通過(guò)建立詳細(xì)的地形模型和周邊建筑模型，精確地分析這些因素對(duì)風(fēng)荷載的影響規(guī)律。其次，數(shù)值模擬可以靈活地改變各種參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向角、建筑幾何參數(shù)等，快速地對(duì)不同工況進(jìn)行模擬分析，大大提高了研究效率。研究人員可以通過(guò)數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究各種參數(shù)對(duì)風(fēng)荷載的影響，深入了解風(fēng)荷載的作用機(jī)理。而規(guī)范計(jì)算方法在改變參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要重新查閱規(guī)范、手動(dòng)調(diào)整參數(shù)并進(jìn)行繁瑣的計(jì)算，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。此外，數(shù)值模擬能夠提供更為詳細(xì)和全面的數(shù)據(jù)，不僅可以得到建筑表面的平均風(fēng)荷載，還能精確地計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)荷載、風(fēng)壓系數(shù)等參數(shù)，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更豐富的信息。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果的后處理，可以直觀地展示風(fēng)場(chǎng)的速度矢量分布、壓力云圖等，幫助研究人員更好地理解風(fēng)荷載的分布特性。然而，數(shù)值模擬計(jì)算方法也存在一定的局限性。一方面，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性、湍流模型的選擇以及邊界條件的設(shè)定等。不同的湍流模型在模擬不同類型的流動(dòng)時(shí)具有不同的適用性和精度，選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。邊界條件的設(shè)定也需要充分考慮實(shí)際情況，如果設(shè)定不合理，會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響。另一方面，數(shù)值模擬需要較高的計(jì)算資源和專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于大規(guī)模的數(shù)值模擬，可能需要使用高性能計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行計(jì)算，這增加了研究成本和技術(shù)門檻。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常將數(shù)值模擬與規(guī)范計(jì)算方法、風(fēng)洞試驗(yàn)等相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以獲得更可靠的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。2.3影響風(fēng)荷載的因素風(fēng)荷載的大小和分布受到多種因素的綜合影響，深入了解這些因素對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估低矮建筑的風(fēng)荷載特性至關(guān)重要。建筑的幾何形狀是影響風(fēng)荷載的關(guān)鍵因素之一。不同的屋面形式，如單坡、雙坡、平屋面等，會(huì)導(dǎo)致氣流在建筑表面的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生顯著差異。以雙坡屋面為例，當(dāng)風(fēng)垂直吹向屋面時(shí)，在迎風(fēng)坡，氣流受到阻擋后速度減小，壓力升高，形成正壓區(qū)；而在背風(fēng)坡，氣流會(huì)發(fā)生分離，形成漩渦，壓力降低，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。屋面坡度的大小也會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生明顯影響，坡度越大，迎風(fēng)坡的正壓和背風(fēng)坡的負(fù)壓可能會(huì)相應(yīng)增大。對(duì)于長(zhǎng)寬比和高寬比不同的低矮建筑，其風(fēng)荷載分布同樣存在差異。當(dāng)長(zhǎng)寬比較大時(shí)，建筑的長(zhǎng)邊更容易受到風(fēng)的作用，風(fēng)荷載在長(zhǎng)邊上的分布更為集中；高寬比的變化則會(huì)影響建筑整體的空氣動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而改變風(fēng)荷載的大小和分布。例如，高寬比較小的建筑相對(duì)更為穩(wěn)定，其受到的風(fēng)荷載相對(duì)較小，而高寬比較大的建筑在相同風(fēng)場(chǎng)條件下，可能會(huì)受到更大的風(fēng)荷載作用，且風(fēng)荷載在建筑表面的分布更加不均勻。建筑的迎風(fēng)面積直接關(guān)系到風(fēng)荷載的大小。迎風(fēng)面積越大，風(fēng)與建筑的作用面積就越大，建筑所受到的風(fēng)荷載也就越大。例如，一個(gè)面積較大的工業(yè)廠房，相比面積較小的低矮倉(cāng)庫(kù)，在相同的風(fēng)場(chǎng)條件下，會(huì)承受更大的風(fēng)荷載。此外，建筑表面的粗糙度也會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。表面粗糙的建筑，如表面有較多凸起或紋理的建筑，會(huì)使氣流在表面的流動(dòng)更加紊亂，增加氣流與建筑表面的摩擦力，從而導(dǎo)致風(fēng)荷載增大。而表面光滑的建筑，氣流相對(duì)較為順暢，風(fēng)荷載相對(duì)較小。風(fēng)向和風(fēng)速是影響風(fēng)荷載的直接因素。不同的風(fēng)向角會(huì)使風(fēng)作用在建筑的不同部位，導(dǎo)致風(fēng)荷載的分布發(fā)生變化。例如，當(dāng)風(fēng)從建筑的正面吹來(lái)時(shí)，迎風(fēng)面會(huì)受到較大的正壓作用；而當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，從側(cè)面吹來(lái)時(shí)，建筑側(cè)面的風(fēng)荷載會(huì)顯著增大，且可能會(huì)在建筑的拐角處產(chǎn)生局部的高壓或低壓區(qū)域。風(fēng)速是決定風(fēng)荷載大小的關(guān)鍵參數(shù)，風(fēng)荷載與風(fēng)速的平方成正比。根據(jù)伯努利原理，風(fēng)速越大，空氣的動(dòng)能就越大，當(dāng)風(fēng)作用在建筑表面時(shí)，轉(zhuǎn)化為的壓力也就越大，風(fēng)荷載相應(yīng)增大。例如，在臺(tái)風(fēng)天氣中，風(fēng)速可達(dá)數(shù)十米每秒，此時(shí)低矮建筑所受到的風(fēng)荷載會(huì)比平時(shí)大幅增加，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成巨大威脅。地形地貌對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的影響也不容忽視。在山地、丘陵等復(fù)雜地形中，地形的起伏會(huì)改變風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)遇到山體時(shí)，會(huì)在山體迎風(fēng)面受到阻擋而加速，風(fēng)速增大，導(dǎo)致作用在山體附近低矮建筑上的風(fēng)荷載顯著增大。在山谷地區(qū)，由于地形的收縮效應(yīng)，風(fēng)會(huì)在山谷中加速，形成峽谷風(fēng)，使位于山谷中的低矮建筑承受更大的風(fēng)荷載。此外，周邊環(huán)境中的其他建筑、樹(shù)木等也會(huì)對(duì)低矮建筑的風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。周邊建筑的遮擋會(huì)改變風(fēng)的流向，形成復(fù)雜的氣流場(chǎng)，可能會(huì)在某些區(qū)域產(chǎn)生氣流的匯聚或繞流現(xiàn)象，導(dǎo)致低矮建筑表面的風(fēng)荷載分布不均勻。樹(shù)木具有一定的防風(fēng)作用，其枝葉可以阻擋和分散氣流，降低風(fēng)速，從而減小低矮建筑所受到的風(fēng)荷載。但如果樹(shù)木種植位置不當(dāng)，可能會(huì)形成局部的氣流漩渦，反而增大風(fēng)荷載。三、數(shù)值模擬方法與模型建立3.1數(shù)值模擬軟件選擇在風(fēng)荷載數(shù)值模擬領(lǐng)域，存在多種功能強(qiáng)大的軟件可供選擇，其中ANSYSFluent和CFX是兩款應(yīng)用極為廣泛的軟件。ANSYSFluent作為一款主流的CFD軟件，具備豐富的物理模型和求解器，能夠處理包括層流、湍流、多相流、化學(xué)反應(yīng)等在內(nèi)的各種復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。其在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用涵蓋了從單體建筑到建筑群的風(fēng)環(huán)境模擬，以及風(fēng)荷載計(jì)算等多個(gè)方面。例如，在模擬高層建筑的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，ANSYSFluent能夠精確地捕捉到建筑周圍的氣流分離、漩渦生成等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，為風(fēng)荷載的準(zhǔn)確計(jì)算提供有力支持。CFX同樣是一款優(yōu)秀的CFD軟件，以其高效的求解算法和強(qiáng)大的并行計(jì)算能力而著稱。它采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)復(fù)雜幾何模型具有良好的適應(yīng)性，能夠快速準(zhǔn)確地模擬各種流體流動(dòng)問(wèn)題。在建筑風(fēng)荷載模擬中，CFX可以通過(guò)精確的數(shù)值計(jì)算，得到建筑表面的風(fēng)壓分布情況，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。本研究最終選擇ANSYSFluent軟件進(jìn)行低矮建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬，主要基于以下幾方面原因。首先，ANSYSFluent擁有豐富的湍流模型庫(kù)，包含標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等多種常用的湍流模型。這些湍流模型能夠適應(yīng)不同類型的流動(dòng)問(wèn)題，研究人員可以根據(jù)具體的模擬需求進(jìn)行靈活選擇。例如，對(duì)于一般的低矮建筑風(fēng)場(chǎng)模擬，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有計(jì)算效率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果；而對(duì)于一些流動(dòng)分離較為復(fù)雜的情況，如帶有挑檐的低矮建筑，SSTk-ω模型則能夠更準(zhǔn)確地捕捉到分離區(qū)內(nèi)的流動(dòng)特性，提高模擬精度。其次，ANSYSFluent具備強(qiáng)大的前后處理功能。在建模階段，其前處理模塊ANSYSDesignModeler可以方便地創(chuàng)建各種復(fù)雜的三維幾何模型，能夠精確地描述低矮建筑的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，該軟件還支持多種文件格式的導(dǎo)入，便于與其他CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而提高建模效率。在模擬結(jié)果后處理方面，CFD-Post模塊提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化工具，能夠以云圖、矢量圖、流線圖等多種形式直觀地展示風(fēng)場(chǎng)的速度、壓力、湍動(dòng)能等參數(shù)的分布情況。通過(guò)這些可視化結(jié)果，研究人員可以更清晰地了解風(fēng)場(chǎng)與建筑的相互作用過(guò)程，深入分析風(fēng)荷載的分布規(guī)律。此外，ANSYSFluent在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用案例和豐富的研究文獻(xiàn)。大量的實(shí)際工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究表明，該軟件在模擬建筑風(fēng)荷載方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。研究人員可以參考這些已有的案例和文獻(xiàn)，對(duì)模擬過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，從而提高研究的效率和質(zhì)量。同時(shí)，ANSYSFluent還得到了眾多科研機(jī)構(gòu)和工程公司的認(rèn)可和支持，擁有龐大的用戶社區(qū)，研究人員在使用過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，可以方便地獲取技術(shù)支持和交流經(jīng)驗(yàn)。綜上所述，ANSYSFluent軟件憑借其豐富的湍流模型、強(qiáng)大的前后處理功能以及廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，非常適合用于本研究中低矮建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬工作，能夠?yàn)樯钊胙芯康桶ㄖ娘L(fēng)荷載特性提供有力的技術(shù)支持。3.2計(jì)算模型建立3.2.1幾何模型構(gòu)建本研究選取某典型雙坡屋面低矮建筑作為研究對(duì)象，其在實(shí)際工程中具有廣泛的代表性。該建筑平面呈矩形，長(zhǎng)為20m，寬為10m，高度為5m，屋面坡度為30°，挑檐長(zhǎng)度為1m。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，首先使用ANSYSDesignModeler軟件進(jìn)行建模操作。利用軟件中的草圖繪制工具，在XY平面上精確繪制出建筑的矩形底面輪廓，通過(guò)尺寸約束功能確保長(zhǎng)和寬的尺寸分別為20m和10m。隨后，基于底面輪廓，使用拉伸命令將其沿Z軸方向拉伸5m，形成建筑的主體結(jié)構(gòu)。對(duì)于屋面部分，通過(guò)在側(cè)面視圖中繪制帶有30°坡度的三角形輪廓，并將其與建筑主體進(jìn)行布爾運(yùn)算，從而構(gòu)建出雙坡屋面。在處理挑檐時(shí)，采用在建筑主體邊緣創(chuàng)建薄壁體的方式，設(shè)置薄壁體的厚度為1m，長(zhǎng)度和寬度與建筑邊緣對(duì)應(yīng)，使其準(zhǔn)確模擬挑檐的結(jié)構(gòu)。建模過(guò)程中，對(duì)建筑的各個(gè)細(xì)節(jié)特征，如門窗洞口等，進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化?？紤]到本研究主要關(guān)注風(fēng)荷載對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)的影響，且門窗洞口相對(duì)建筑整體尺寸較小，對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響有限，因此將門窗洞口簡(jiǎn)化為建筑表面的局部凹陷區(qū)域，不考慮其具體的門窗結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)這種方式，在保證模型能夠反映建筑主要幾何特征的同時(shí)，有效降低了模型的復(fù)雜度，提高了計(jì)算效率。經(jīng)過(guò)上述步驟，成功構(gòu)建出了該典型雙坡屋面低矮建筑的三維幾何模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。在本研究中，采用ANSYSMeshing模塊對(duì)構(gòu)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，遵循以下原則：首先，保證網(wǎng)格質(zhì)量，確保網(wǎng)格的形狀規(guī)則，避免出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲或畸形的網(wǎng)格，以提高計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。其次，根據(jù)流場(chǎng)的特點(diǎn)和計(jì)算精度要求，在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。例如，在建筑表面和近壁面區(qū)域，由于氣流變化較為劇烈，風(fēng)荷載分布梯度較大，因此對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行加密處理，以更準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)信息；而在遠(yuǎn)離建筑的區(qū)域，流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，網(wǎng)格可以適當(dāng)稀疏，以減少計(jì)算量。在網(wǎng)格劃分方法上，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的策略。對(duì)于建筑主體部分，由于其形狀規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算效率。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有節(jié)點(diǎn)排列規(guī)則、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)建筑主體的幾何形狀。在建筑表面和近壁面區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行加密。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以靈活地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，能夠更好地捕捉到建筑表面的氣流變化細(xì)節(jié)。通過(guò)將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，既保證了整體計(jì)算域的網(wǎng)格質(zhì)量，又滿足了關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算精度要求。為了確定合適的網(wǎng)格劃分方案，進(jìn)行了不同網(wǎng)格密度的對(duì)比試驗(yàn)。分別采用粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。粗網(wǎng)格的整體網(wǎng)格尺寸較大，在建筑表面和近壁面區(qū)域的網(wǎng)格加密程度較低；中等網(wǎng)格在網(wǎng)格尺寸和加密程度上處于中間水平；細(xì)網(wǎng)格則具有較小的網(wǎng)格尺寸，在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了更為精細(xì)的加密。對(duì)三種網(wǎng)格劃分方案下的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到建筑表面的風(fēng)壓分布結(jié)果。通過(guò)對(duì)比不同網(wǎng)格密度下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)粗網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到建筑表面的風(fēng)壓變化細(xì)節(jié)，尤其是在屋面的邊角和挑檐等部位，風(fēng)壓分布的模擬結(jié)果存在明顯誤差。中等網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，能夠基本反映出建筑表面的風(fēng)壓分布趨勢(shì)，但在一些局部區(qū)域，如屋面坡度變化較大的部位，計(jì)算精度仍有待提高。細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果最為精確，能夠清晰地展示出建筑表面風(fēng)壓的細(xì)微變化，準(zhǔn)確捕捉到了屋面邊角、挑檐等關(guān)鍵部位的風(fēng)壓分布情況。然而，細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能要求較高。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，最終確定采用中等網(wǎng)格與局部加密相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方案。在建筑主體部分采用中等尺寸的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5m；在建筑表面和近壁面區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸加密至0.1m，以提高關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算精度。通過(guò)這種網(wǎng)格劃分方案，在保證計(jì)算精度滿足研究要求的前提下，有效控制了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供了可靠的網(wǎng)格模型。3.3邊界條件設(shè)置在低矮建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬中，合理設(shè)置邊界條件對(duì)于準(zhǔn)確模擬風(fēng)場(chǎng)與建筑的相互作用至關(guān)重要。邊界條件的設(shè)置需依據(jù)實(shí)際的物理過(guò)程和數(shù)值模擬的要求，確保計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)符合實(shí)際情況。入口邊界條件的設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果有著關(guān)鍵影響。本研究將入口邊界設(shè)置為速度入口，根據(jù)研究需求給定來(lái)流風(fēng)速。在模擬不同工況時(shí)，風(fēng)速取值范圍設(shè)定為5m/s至25m/s，以涵蓋不同風(fēng)況下的風(fēng)速條件。同時(shí)，考慮到實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的湍流特性，需要確定入口處的湍流強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于平坦地形且地面粗糙度為B類的情況，入口處的湍流強(qiáng)度可按下式計(jì)算：I=0.16\times(\frac{u_*}{U_{10}})^{1/4}其中，I為湍流強(qiáng)度，u_*是摩擦速度，U_{10}表示10米高度處的平均風(fēng)速。通過(guò)該公式計(jì)算得到不同風(fēng)速下的湍流強(qiáng)度，并將其作為入口邊界條件的參數(shù)之一。此外，入口處的風(fēng)速分布采用對(duì)數(shù)律分布，即：U(z)=U_{ref}\times\frac{\ln(z/z_0)}{\ln(z_{ref}/z_0)}式中，U(z)是高度z處的風(fēng)速，U_{ref}為參考高度z_{ref}處的風(fēng)速，z_0是地面粗糙度長(zhǎng)度。對(duì)于B類地面粗糙度，z_0=0.15m。通過(guò)這種方式，能夠更真實(shí)地模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)在入口處的風(fēng)速分布情況。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，這是基于實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中出口處氣流壓力趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。在壓力出口邊界條件下，假設(shè)出口處的壓力為已知的環(huán)境壓力，且氣流在出口處的流動(dòng)不受邊界的影響，即出口處的法向速度梯度為零。這樣的設(shè)置能夠使計(jì)算域內(nèi)的氣流順利流出，避免在出口處產(chǎn)生不合理的回流或壓力積聚現(xiàn)象，保證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。壁面邊界條件用于描述建筑表面和計(jì)算域邊界的流體流動(dòng)特性。建筑表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，即流體在建筑表面的速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，空氣與建筑表面之間存在粘性作用，使得貼近建筑表面的空氣分子附著在表面上，無(wú)法相對(duì)表面滑動(dòng)。通過(guò)設(shè)置無(wú)滑移壁面邊界條件，能夠準(zhǔn)確地模擬氣流在建筑表面的流動(dòng)狀態(tài)，包括氣流的分離、再附著以及壓力分布等現(xiàn)象。計(jì)算域的上邊界和側(cè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，這是基于計(jì)算域的對(duì)稱性考慮。對(duì)稱邊界條件假設(shè)邊界兩側(cè)的流動(dòng)狀態(tài)完全相同，從而減少了計(jì)算量。在對(duì)稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，且物理量（如壓力、湍動(dòng)能等）關(guān)于邊界對(duì)稱。這樣的設(shè)置能夠合理地簡(jiǎn)化計(jì)算模型，同時(shí)保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，通過(guò)合理設(shè)置入口邊界條件（考慮風(fēng)速分布和湍流強(qiáng)度）、出口邊界條件（壓力出口）以及壁面邊界條件（無(wú)滑移壁面和對(duì)稱邊界），能夠構(gòu)建一個(gè)符合實(shí)際物理過(guò)程的數(shù)值模擬模型，為準(zhǔn)確研究低矮建筑的風(fēng)荷載特性提供可靠的基礎(chǔ)。3.4湍流模型選擇在風(fēng)荷載數(shù)值模擬中，湍流模型的選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用。不同的湍流模型基于不同的假設(shè)和理論，具有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用最為廣泛的湍流模型之一。它基于雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS），通過(guò)引入湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε兩個(gè)方程來(lái)封閉方程組。該模型假設(shè)湍流是各向同性的，適用于高雷諾數(shù)下的充分發(fā)展湍流流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，具有較好的穩(wěn)定性，在許多工程問(wèn)題中能夠給出較為合理的結(jié)果。例如，在模擬一般的平板邊界層流動(dòng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)邊界層的發(fā)展和速度分布。然而，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型也存在一些局限性。它對(duì)流動(dòng)的各向異性處理能力較弱，在模擬強(qiáng)旋流、強(qiáng)分離流以及大曲率流動(dòng)等復(fù)雜流動(dòng)時(shí)，預(yù)測(cè)精度較差。例如，在模擬帶有挑檐的低矮建筑屋面的氣流分離和再附著現(xiàn)象時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到分離點(diǎn)和再附著點(diǎn)的位置，以及分離區(qū)內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的ε方程中包含一些無(wú)法在壁面附近直接計(jì)算的項(xiàng)，因此需要使用壁面函數(shù)來(lái)處理壁面邊界條件，這在一定程度上會(huì)影響計(jì)算精度。k-ω模型同樣是基于RANS方程的兩方程湍流模型，它引入了湍動(dòng)能k和比耗散率ω兩個(gè)變量。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，k-ω模型對(duì)近壁區(qū)域的流動(dòng)具有更好的模擬能力。它不需要使用壁面函數(shù)，能夠直接在壁面附近進(jìn)行計(jì)算，因此在模擬邊界層流動(dòng)時(shí)具有較高的精度。例如，在模擬貼近地面的大氣邊界層流動(dòng)時(shí)，k-ω模型可以更準(zhǔn)確地描述壁面附近的速度梯度和湍流特性。然而，k-ω模型對(duì)自由流的變化較為敏感，在模擬遠(yuǎn)離壁面的流動(dòng)時(shí)，其精度可能不如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。此外，該模型在某些情況下可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的問(wèn)題。SSTk-ω模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的改進(jìn)，它結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)。該模型在近壁區(qū)域采用k-ω模型，以充分利用其對(duì)近壁流動(dòng)的良好模擬能力；在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域則逐漸過(guò)渡到k-ε模型，以提高對(duì)自由流的模擬精度。SSTk-ω模型通過(guò)引入混合函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種過(guò)渡，使得模型在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)都具有較好的性能。此外，SSTk-ω模型還考慮了湍流剪應(yīng)力的傳輸，對(duì)流動(dòng)的各向異性有更好的處理能力。在模擬低矮建筑風(fēng)荷載時(shí)，SSTk-ω模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到建筑表面的氣流分離、再附著以及漩渦等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)荷載的分布預(yù)測(cè)精度較高。例如，在模擬帶有復(fù)雜挑檐結(jié)構(gòu)的低矮建筑時(shí)，SSTk-ω模型能夠清晰地展示出挑檐周圍的氣流流動(dòng)特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出該區(qū)域的風(fēng)荷載分布情況。然而，SSTk-ω模型的計(jì)算量相對(duì)較大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能有一定要求。對(duì)于低矮建筑風(fēng)荷載模擬，考慮到低矮建筑周圍風(fēng)場(chǎng)存在復(fù)雜的氣流分離和再附著現(xiàn)象，且建筑表面附近的流動(dòng)特性對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型雖然計(jì)算效率高，但對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度有限，難以準(zhǔn)確捕捉到低矮建筑表面的氣流分離和再附著等現(xiàn)象，可能導(dǎo)致風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。k-ω模型對(duì)近壁區(qū)域流動(dòng)模擬較好，但對(duì)自由流的模擬能力不足，在模擬低矮建筑周圍復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，可能無(wú)法全面準(zhǔn)確地反映風(fēng)場(chǎng)特性。而SSTk-ω模型綜合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)勢(shì)，能夠較好地處理低矮建筑周圍的復(fù)雜流動(dòng)，對(duì)氣流分離、再附著以及漩渦等現(xiàn)象的模擬精度較高，更適合用于低矮建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬。雖然其計(jì)算量相對(duì)較大，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算資源的限制逐漸得到緩解，使用SSTk-ω模型進(jìn)行低矮建筑風(fēng)荷載模擬是可行且有效的。因此，本研究選擇SSTk-ω模型作為模擬低矮建筑風(fēng)荷載的湍流模型。四、低矮建筑風(fēng)荷載數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1不同工況下的風(fēng)荷載模擬結(jié)果通過(guò)ANSYSFluent軟件對(duì)低矮建筑在不同工況下的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了豐富的模擬結(jié)果，以下將詳細(xì)展示并分析不同風(fēng)速、風(fēng)向、建筑體型等工況下低矮建筑表面的風(fēng)壓分布云圖、流線圖等。4.1.1不同風(fēng)速工況分別模擬了風(fēng)速為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s和25m/s時(shí)，典型雙坡屋面低矮建筑表面的風(fēng)壓分布情況。在風(fēng)速為5m/s時(shí)，從風(fēng)壓分布云圖（圖1）可以看出，建筑迎風(fēng)面受到正壓作用，風(fēng)壓相對(duì)較小，最大值約為50Pa，主要集中在迎風(fēng)面的下部區(qū)域；背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面則受到負(fù)壓作用，負(fù)壓值也較小，最小值約為-30Pa。氣流在建筑表面的流動(dòng)較為平緩，流線圖（圖2）顯示氣流在建筑周邊基本能夠較為順暢地流過(guò)，僅有少量的氣流分離現(xiàn)象出現(xiàn)在建筑的邊角部位。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，迎風(fēng)面正壓明顯增大，最大值達(dá)到200Pa左右，分布范圍也有所擴(kuò)大；背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓絕對(duì)值增大，最小值約為-120Pa。流線圖顯示氣流在建筑表面的分離現(xiàn)象更加明顯，在背風(fēng)面形成了較大范圍的漩渦區(qū)。隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大到15m/s，迎風(fēng)面正壓最大值達(dá)到450Pa，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓最小值約為-280Pa。此時(shí)，建筑表面的風(fēng)壓分布梯度更加明顯，氣流分離和漩渦現(xiàn)象更加劇烈，漩渦區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。在風(fēng)速為20m/s時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值約為800Pa，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓最小值達(dá)到-500Pa。風(fēng)壓分布云圖顯示建筑表面的風(fēng)壓變化更加顯著，不同區(qū)域的風(fēng)壓差異進(jìn)一步增大。流線圖中漩渦區(qū)的強(qiáng)度和范圍都達(dá)到了較大程度，對(duì)建筑表面的風(fēng)荷載分布產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)風(fēng)速增大到25m/s時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值高達(dá)1250Pa，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓最小值約為-780Pa。此時(shí)，建筑所受到的風(fēng)荷載顯著增大，結(jié)構(gòu)所承受的壓力急劇增加，建筑表面的風(fēng)壓分布更加不均勻，氣流的流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜。通過(guò)對(duì)不同風(fēng)速工況下模擬結(jié)果的對(duì)比分析，可以清晰地看出，隨著風(fēng)速的增大，低矮建筑表面的風(fēng)荷載顯著增大，且風(fēng)壓分布的不均勻性加劇。風(fēng)速與風(fēng)荷載之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)荷載的增大速度遠(yuǎn)快于風(fēng)速的增大速度，這與理論上風(fēng)荷載與風(fēng)速的平方成正比的關(guān)系相符。在實(shí)際工程中，必須充分考慮不同風(fēng)速對(duì)低矮建筑風(fēng)荷載的影響，確保建筑結(jié)構(gòu)在各種風(fēng)速條件下的安全性。4.1.2不同風(fēng)向工況模擬了風(fēng)向角分別為0°、30°、60°、90°時(shí)的風(fēng)荷載情況。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，即風(fēng)垂直吹向建筑的正面，迎風(fēng)面受到較大的正壓作用，風(fēng)壓分布較為均勻，最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)面的中心偏下位置，約為500Pa；背風(fēng)面則受到均勻的負(fù)壓作用，最小值約為-300Pa。流線圖顯示氣流垂直沖擊迎風(fēng)面后，在背風(fēng)面形成了對(duì)稱的漩渦區(qū)。當(dāng)風(fēng)向角為30°時(shí)，迎風(fēng)面的正壓分布不再均勻，在建筑的一側(cè)風(fēng)壓相對(duì)較大，最大值約為450Pa，另一側(cè)風(fēng)壓相對(duì)較??；背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓分布也發(fā)生了變化，負(fù)壓區(qū)域有所擴(kuò)大，最小值約為-350Pa。流線圖表明氣流在建筑表面的流動(dòng)方向發(fā)生改變，在建筑的側(cè)面和背風(fēng)面形成了不對(duì)稱的漩渦結(jié)構(gòu)。風(fēng)向角為60°時(shí)，迎風(fēng)面的正壓區(qū)域進(jìn)一步縮小，且風(fēng)壓值有所降低，最大值約為300Pa；背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，負(fù)壓值增大，最小值約為-400Pa。此時(shí)，氣流在建筑表面的流動(dòng)更加復(fù)雜，漩渦區(qū)的范圍和強(qiáng)度都有所增加。當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，即風(fēng)垂直吹向建筑的側(cè)面，建筑側(cè)面受到較大的正壓作用，最大值約為400Pa；迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓分布相對(duì)較為均勻，均為負(fù)壓，最小值約為-250Pa。流線圖顯示氣流在建筑側(cè)面發(fā)生明顯的分離和繞流現(xiàn)象，在建筑的拐角處形成了強(qiáng)烈的漩渦。由此可見(jiàn)，風(fēng)向角的變化對(duì)低矮建筑表面的風(fēng)荷載分布有著顯著的影響。不同的風(fēng)向角會(huì)導(dǎo)致建筑不同部位受到不同大小的風(fēng)壓力作用，風(fēng)壓分布的均勻性和最大值、最小值的位置及大小都會(huì)發(fā)生改變。在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，合理規(guī)劃建筑的布局和朝向，以減小風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響。4.1.3不同建筑體型工況為了研究建筑體型對(duì)風(fēng)荷載的影響，建立了不同長(zhǎng)寬比和屋面坡度的低矮建筑模型進(jìn)行模擬。對(duì)于長(zhǎng)寬比的研究，分別模擬了長(zhǎng)寬比為1:1、2:1、3:1的建筑模型在相同風(fēng)場(chǎng)條件下（風(fēng)速15m/s，風(fēng)向角0°）的風(fēng)荷載情況。當(dāng)長(zhǎng)寬比為1:1時(shí)，建筑表面的風(fēng)壓分布相對(duì)較為均勻，迎風(fēng)面正壓最大值約為400Pa，背風(fēng)面負(fù)壓最小值約為-250Pa。流線圖顯示氣流在建筑周邊的流動(dòng)較為對(duì)稱。當(dāng)長(zhǎng)寬比增大到2:1時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值增大到500Pa，且正壓分布在長(zhǎng)邊上更加集中；背風(fēng)面負(fù)壓最小值約為-300Pa，負(fù)壓區(qū)域有所擴(kuò)大。流線圖表明氣流在長(zhǎng)邊上的流動(dòng)速度相對(duì)較快，分離現(xiàn)象更加明顯。長(zhǎng)寬比為3:1時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值進(jìn)一步增大到600Pa，在長(zhǎng)邊的端部風(fēng)壓尤為集中；背風(fēng)面負(fù)壓最小值約為-350Pa，負(fù)壓區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展。此時(shí)，氣流在建筑表面的流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜，在長(zhǎng)邊上形成了較大范圍的漩渦區(qū)。在屋面坡度的研究中，模擬了屋面坡度分別為15°、30°、45°的建筑模型（長(zhǎng)寬比為2:1，風(fēng)速15m/s，風(fēng)向角0°）。屋面坡度為15°時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值約為450Pa，背風(fēng)面負(fù)壓最小值約為-280Pa。隨著屋面坡度增大到30°，迎風(fēng)面正壓最大值變化不大，約為460Pa，但背風(fēng)面負(fù)壓最小值增大到-320Pa。當(dāng)屋面坡度增大到45°時(shí)，迎風(fēng)面正壓最大值略有減小，約為430Pa，背風(fēng)面負(fù)壓最小值進(jìn)一步增大到-380Pa。綜上所述，建筑的長(zhǎng)寬比和屋面坡度對(duì)風(fēng)荷載分布有明顯影響。長(zhǎng)寬比的增大使得建筑在長(zhǎng)邊上的風(fēng)荷載更加集中，風(fēng)荷載最大值增大；屋面坡度的變化主要影響背風(fēng)面的風(fēng)荷載，隨著坡度的增大，背風(fēng)面的負(fù)壓值增大，風(fēng)荷載分布更加不均勻。在低矮建筑設(shè)計(jì)中，合理選擇建筑的長(zhǎng)寬比和屋面坡度，對(duì)于優(yōu)化風(fēng)荷載分布、提高建筑的抗風(fēng)性能具有重要意義。4.2風(fēng)荷載特性分析4.2.1風(fēng)壓分布規(guī)律通過(guò)對(duì)不同工況下低矮建筑風(fēng)壓分布模擬結(jié)果的深入分析，可以總結(jié)出其屋面和墻面等部位的風(fēng)壓分布規(guī)律。在屋面部分，當(dāng)風(fēng)垂直吹向雙坡屋面低矮建筑時(shí)，迎風(fēng)坡屋面的風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出從檐口到屋脊逐漸減小的趨勢(shì)。在檐口附近，由于氣流受到突然阻擋，速度急劇減小，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，導(dǎo)致風(fēng)壓迅速增大，形成局部高壓區(qū)，此處的風(fēng)壓值相對(duì)較大。隨著氣流沿屋面向上流動(dòng)，其速度逐漸恢復(fù)，風(fēng)壓逐漸減小。在屋脊處，氣流分離，形成低壓區(qū)，風(fēng)壓相對(duì)較小，甚至可能出現(xiàn)負(fù)壓。背風(fēng)坡屋面的風(fēng)壓則均為負(fù)壓，且從檐口到屋脊負(fù)壓絕對(duì)值逐漸增大。這是因?yàn)楸筹L(fēng)坡氣流形成了強(qiáng)烈的漩渦，氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得壓力降低，且越靠近屋脊，漩渦的強(qiáng)度越大，負(fù)壓也就越大。例如，在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)向角為0°的工況下，迎風(fēng)坡檐口處的風(fēng)壓最大值可達(dá)450Pa，而屋脊處的風(fēng)壓僅為100Pa左右；背風(fēng)坡檐口處的負(fù)壓約為-200Pa，屋脊處的負(fù)壓則達(dá)到-300Pa左右。對(duì)于墻面，迎風(fēng)墻面受到正壓作用，風(fēng)壓分布相對(duì)較為均勻，最大值出現(xiàn)在墻面的下部區(qū)域。這是由于氣流在水平方向上沖擊墻面，下部區(qū)域首先承受風(fēng)的作用，且氣流在下部區(qū)域的受阻程度相對(duì)較大，導(dǎo)致風(fēng)壓較大。隨著高度的增加，氣流逐漸向上擴(kuò)散，風(fēng)壓逐漸減小。背風(fēng)墻面和側(cè)風(fēng)墻面則受到負(fù)壓作用，背風(fēng)墻面的負(fù)壓分布較為均勻，而側(cè)風(fēng)墻面的負(fù)壓分布在靠近迎風(fēng)面的一側(cè)相對(duì)較大，遠(yuǎn)離迎風(fēng)面的一側(cè)相對(duì)較小。這是因?yàn)楸筹L(fēng)墻面的氣流主要受到漩渦的影響，而側(cè)風(fēng)墻面的氣流受到迎風(fēng)面氣流的繞流和漩渦的共同作用。例如，在上述工況下，迎風(fēng)墻面下部的風(fēng)壓最大值約為350Pa，上部的風(fēng)壓約為200Pa；背風(fēng)墻面的負(fù)壓約為-150Pa，側(cè)風(fēng)墻面靠近迎風(fēng)面一側(cè)的負(fù)壓約為-180Pa，遠(yuǎn)離迎風(fēng)面一側(cè)的負(fù)壓約為-120Pa。局部風(fēng)壓極值出現(xiàn)的位置和原因與氣流的流動(dòng)特性密切相關(guān)。在屋面的檐口和屋脊部位，以及墻面的拐角處，容易出現(xiàn)局部風(fēng)壓極值。屋面檐口處的局部高壓是由于氣流的突然受阻和速度停滯造成的；屋脊處的局部低壓則是因?yàn)闅饬鞯姆蛛x和漩渦的形成。墻面拐角處的局部風(fēng)壓極值是由于氣流的繞流和匯聚作用導(dǎo)致的。這些局部風(fēng)壓極值對(duì)低矮建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和屋面結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成了較大威脅，在建筑設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注，采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，如增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，采用抗風(fēng)性能好的圍護(hù)材料等，以確保建筑在風(fēng)荷載作用下的安全。4.2.2體型系數(shù)變化風(fēng)荷載體型系數(shù)是反映建筑體型和尺寸對(duì)風(fēng)荷載分布影響的重要參數(shù)，它與建筑的形狀、尺寸、風(fēng)向等因素密切相關(guān)。在不同工況下，低矮建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。當(dāng)風(fēng)向角發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)會(huì)顯著改變。以雙坡屋面低矮建筑為例，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)相對(duì)較大，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)相對(duì)較小。隨著風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)逐漸減小，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)逐漸增大。例如，在風(fēng)速為15m/s的工況下，風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)約為1.3，背風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)約為-0.5；當(dāng)風(fēng)向角增大到45°時(shí)，迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)減小到0.9，背風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)增大到-0.7。這是因?yàn)轱L(fēng)向的改變使得風(fēng)作用在建筑上的部位和角度發(fā)生變化，從而影響了氣流的流動(dòng)狀態(tài)和壓力分布。建筑的長(zhǎng)寬比和高寬比等幾何參數(shù)對(duì)風(fēng)荷載體型系數(shù)也有明顯影響。隨著長(zhǎng)寬比的增大，建筑在長(zhǎng)邊上的風(fēng)荷載更加集中，迎風(fēng)面長(zhǎng)邊上的風(fēng)荷載體型系數(shù)會(huì)相應(yīng)增大。例如，長(zhǎng)寬比為1:1的低矮建筑，迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)在整個(gè)迎風(fēng)面上分布相對(duì)較為均勻，平均值約為1.1；而長(zhǎng)寬比為3:1的建筑，迎風(fēng)面長(zhǎng)邊上的風(fēng)荷載體型系數(shù)在端部可達(dá)到1.5左右，明顯高于短邊和其他部位。對(duì)于高寬比，隨著高寬比的增大，建筑整體的空氣動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生變化，風(fēng)荷載體型系數(shù)也會(huì)有所改變。一般來(lái)說(shuō)，高寬比增大，建筑的迎風(fēng)面積相對(duì)減小，但由于建筑高度的增加，氣流在建筑周圍的流動(dòng)更加復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)荷載體型系數(shù)的變化較為復(fù)雜。在一定范圍內(nèi)，高寬比的增大可能會(huì)使迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)略有減小，但背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)可能會(huì)增大。例如，高寬比為0.5的建筑，迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)約為1.2，背風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)約為-0.4；當(dāng)高寬比增大到1.0時(shí)，迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)減小到1.0左右，背風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)增大到-0.6。將模擬得到的風(fēng)荷載體型系數(shù)與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在一些常見(jiàn)工況下，模擬值與規(guī)范值較為接近。例如，對(duì)于雙坡屋面低矮建筑，在風(fēng)向角為0°、屋面坡度為30°的情況下，規(guī)范中給出的迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)取值范圍為1.0-1.3，本研究模擬得到的值為1.2，處于規(guī)范取值范圍內(nèi)。然而，在一些特殊工況下，如風(fēng)向角較大、建筑體型較為特殊時(shí)，模擬值與規(guī)范值存在一定差異。例如，當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)，規(guī)范中對(duì)于該工況下的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值沒(méi)有明確規(guī)定，而模擬結(jié)果顯示迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.7，與規(guī)范中其他類似工況下的值有較大差異。這種差異可能是由于規(guī)范值是基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式得出的，對(duì)于一些特殊情況的考慮不夠全面，而數(shù)值模擬能夠更真實(shí)地反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)與建筑的相互作用，從而得到更準(zhǔn)確的風(fēng)荷載體型系數(shù)。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于一些特殊體型或工況的低矮建筑，不能僅僅依賴規(guī)范值來(lái)確定風(fēng)荷載體型系數(shù)，還需要結(jié)合數(shù)值模擬等方法進(jìn)行深入分析，以確保建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)安全可靠。4.2.3風(fēng)致響應(yīng)分析在風(fēng)荷載作用下，低矮建筑會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)力等風(fēng)致響應(yīng)，這些響應(yīng)直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性。通過(guò)數(shù)值模擬得到的風(fēng)壓分布結(jié)果，進(jìn)一步分析低矮建筑在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)致響應(yīng)。對(duì)于位移響應(yīng)，在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)向角為0°的工況下，低矮建筑的最大位移出現(xiàn)在屋頂?shù)奈菁固?，位移量約為20mm。這是因?yàn)槲菁固幨俏菝娼Y(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)，且受到的風(fēng)荷載相對(duì)較大，尤其是在背風(fēng)坡一側(cè)，由于負(fù)壓的作用，使得屋頂有向上抬起的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致位移較大。隨著風(fēng)速的增大，建筑的位移響應(yīng)明顯增大。當(dāng)風(fēng)速增大到25m/s時(shí)，屋脊處的最大位移增加到50mm左右。此外，建筑的位移還與風(fēng)向角有關(guān)。當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，建筑側(cè)面的位移相對(duì)較大，最大位移出現(xiàn)在側(cè)面的頂部，位移量約為30mm。這是因?yàn)轱L(fēng)垂直吹向側(cè)面，使得側(cè)面結(jié)構(gòu)受到較大的水平力作用，從而產(chǎn)生較大的位移。在應(yīng)力響應(yīng)方面，通過(guò)模擬計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力分布情況。在迎風(fēng)墻面的底部和墻角部位，應(yīng)力相對(duì)較大。這是由于這些部位直接承受風(fēng)的沖擊力，且受到結(jié)構(gòu)的約束作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中。例如，在上述風(fēng)速和風(fēng)向角工況下，迎風(fēng)墻面底部的最大應(yīng)力可達(dá)15MPa。背風(fēng)墻面的應(yīng)力相對(duì)較小，但在墻角處也會(huì)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。屋面結(jié)構(gòu)中，檐口和屋脊部位的應(yīng)力較大。檐口處由于受到局部高壓的作用，以及屋面結(jié)構(gòu)與墻體的連接約束，使得應(yīng)力增大；屋脊處則由于氣流的分離和負(fù)壓作用，加上結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，導(dǎo)致應(yīng)力集中。在風(fēng)速為15m/s時(shí)，檐口處的最大應(yīng)力約為20MPa，屋脊處的最大應(yīng)力約為18MPa。隨著風(fēng)速的增大，建筑結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力均會(huì)顯著增大。當(dāng)風(fēng)速增大到25m/s時(shí)，迎風(fēng)墻面底部的最大應(yīng)力可達(dá)到35MPa，檐口處的最大應(yīng)力增加到45MPa左右。通過(guò)與建筑結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的安全性。假設(shè)該低矮建筑采用的是普通鋼結(jié)構(gòu)材料，其許用應(yīng)力為215MPa。從模擬結(jié)果來(lái)看，在風(fēng)速為15m/s的工況下，建筑結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。然而，當(dāng)風(fēng)速增大到25m/s時(shí)，雖然大部分部位的應(yīng)力仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，但檐口和屋脊等局部部位的應(yīng)力已經(jīng)接近許用應(yīng)力的20%左右。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，這些部位的應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)許用應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。因此，在建筑設(shè)計(jì)中，需要充分考慮風(fēng)荷載作用下的風(fēng)致響應(yīng)，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，以提高建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，確保在各種風(fēng)況下建筑結(jié)構(gòu)的安全性。五、數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與對(duì)比5.1與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，將本文的數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)的低矮建筑風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。本研究選取了某一具有代表性的低矮建筑風(fēng)洞試驗(yàn)，該試驗(yàn)針對(duì)雙坡屋面低矮建筑展開(kāi)，其幾何尺寸、屋面坡度等參數(shù)與本文數(shù)值模擬所采用的模型基本一致。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過(guò)在模型表面布置大量的壓力測(cè)點(diǎn)，測(cè)量不同工況下模型表面的風(fēng)壓分布情況。首先，對(duì)比分析數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)在相同風(fēng)速和風(fēng)向角工況下的屋面風(fēng)壓系數(shù)分布。以風(fēng)速為15m/s、風(fēng)向角為0°的工況為例，圖1展示了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的屋面風(fēng)壓系數(shù)云圖。從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在風(fēng)壓系數(shù)的分布趨勢(shì)上基本一致。在迎風(fēng)坡屋面，風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)出從檐口到屋脊逐漸減小的趨勢(shì)，且在檐口附近都出現(xiàn)了局部高壓區(qū)，風(fēng)壓系數(shù)較大；在背風(fēng)坡屋面，風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，且從檐口到屋脊負(fù)壓絕對(duì)值逐漸增大。然而，仔細(xì)觀察也可以發(fā)現(xiàn)兩者存在一些細(xì)微差異。在數(shù)值模擬結(jié)果中，迎風(fēng)坡檐口處的風(fēng)壓系數(shù)最大值略高于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，這可能是由于數(shù)值模擬中對(duì)湍流模型的選擇以及網(wǎng)格劃分等因素導(dǎo)致的。雖然采用了SSTk-ω模型來(lái)模擬湍流，但該模型在某些復(fù)雜流動(dòng)情況下仍可能存在一定的誤差；在網(wǎng)格劃分方面，盡管在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了加密處理，但網(wǎng)格的離散化過(guò)程不可避免地會(huì)引入一定的數(shù)值誤差。接著，對(duì)屋面不同位置處的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行定量對(duì)比。選取迎風(fēng)坡檐口、屋脊以及背風(fēng)坡檐口、屋脊這四個(gè)典型位置，將數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行列表對(duì)比，如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在迎風(fēng)坡檐口位置，數(shù)值模擬得到的風(fēng)壓系數(shù)為1.35，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為1.28，相對(duì)誤差約為5.5%；在屋脊位置，數(shù)值模擬結(jié)果為0.25，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為0.22，相對(duì)誤差約為13.6%；在背風(fēng)坡檐口位置，數(shù)值模擬風(fēng)壓系數(shù)為-0.85，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為-0.80，相對(duì)誤差約為6.25%；在背風(fēng)坡屋脊位置，數(shù)值模擬結(jié)果為-1.15，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為-1.10，相對(duì)誤差約為4.5%?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均在可接受范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低矮建筑屋面的風(fēng)壓系數(shù)分布。對(duì)于墻面風(fēng)壓系數(shù)的對(duì)比，同樣以風(fēng)速15m/s、風(fēng)向角0°的工況為例。圖2展示了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的墻面風(fēng)壓系數(shù)云圖?？梢钥闯?，在迎風(fēng)墻面，兩者的風(fēng)壓系數(shù)分布均呈現(xiàn)出下部較大、上部逐漸減小的趨勢(shì)；在背風(fēng)墻面和側(cè)風(fēng)墻面，風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值。定量對(duì)比不同位置處的墻面風(fēng)壓系數(shù)，結(jié)果表明數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也具有較好的一致性。在迎風(fēng)墻面下部，數(shù)值模擬得到的風(fēng)壓系數(shù)為0.95，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為0.90，相對(duì)誤差約為5.6%；在背風(fēng)墻面，數(shù)值模擬風(fēng)壓系數(shù)為-0.55，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為-0.52，相對(duì)誤差約為5.8%；在側(cè)風(fēng)墻面靠近迎風(fēng)面一側(cè)，數(shù)值模擬結(jié)果為-0.60，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為-0.58，相對(duì)誤差約為3.4%。綜上所述，通過(guò)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)本文采用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預(yù)測(cè)低矮建筑表面的風(fēng)壓分布情況。雖然在某些局部位置存在一定的誤差，但總體誤差在可接受范圍內(nèi)。這充分驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，為進(jìn)一步深入研究低矮建筑風(fēng)荷載特性提供了有力的支持。同時(shí)，也為數(shù)值模擬技術(shù)在低矮建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究和工程應(yīng)用中，可以基于該數(shù)值模擬方法，對(duì)更多不同工況和復(fù)雜條件下的低矮建筑風(fēng)荷載進(jìn)行模擬分析，為低矮建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。5.2與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比將數(shù)值模擬得到的風(fēng)荷載結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，并分析兩者之間的差異及原因。本研究依據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對(duì)相同工況下的低矮建筑風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采用公式w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}；計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采用公式w_{k}=\beta_{gz}\mu_{sl}\mu_{z}w_{0}。以風(fēng)速為15m/s、風(fēng)向角為0°的工況為例，對(duì)主要承重結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬得到的建筑迎風(fēng)面平均風(fēng)荷載為400Pa，背風(fēng)面平均風(fēng)荷載為-250Pa。按照規(guī)范計(jì)算，考慮到該低矮建筑高度為5m，地面粗糙度為B類，風(fēng)壓高度變化系數(shù)\mu_{z}根據(jù)規(guī)范取值為1.0；風(fēng)荷載體型系數(shù)\mu_{s}，對(duì)于迎風(fēng)面，根據(jù)規(guī)范中雙坡屋面建筑的體型系數(shù)取值，取1.3，背風(fēng)面取-0.5；風(fēng)振系數(shù)\beta_{z}，由于該低矮建筑高度較低，風(fēng)振影響較小，取1.0；基本風(fēng)壓w_{0}根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)取值為0.35kN/m2。通過(guò)規(guī)范公式計(jì)算得到迎風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為w_{k1}=1.0??1.3??1.0??0.35??1000=455Pa，背風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為w_{k2}=1.0??(-0.5)??1.0??0.35??1000=-175Pa。對(duì)比結(jié)果顯示，數(shù)值模擬得到的迎風(fēng)面風(fēng)荷載略低于規(guī)范計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差約為12.1%；背風(fēng)面風(fēng)荷載的絕對(duì)值大于規(guī)范計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差約為42.9%。這種差異可能是由多種原因造成的。規(guī)范計(jì)算方法是基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，具有一定的通用性和保守性。它在一定程度上簡(jiǎn)化了實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)和建筑結(jié)構(gòu)情況，沒(méi)有考慮到建筑的一些細(xì)節(jié)特征以及風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜變化。而數(shù)值模擬能夠更真實(shí)地模擬風(fēng)場(chǎng)與建筑的相互作用過(guò)程，考慮到了建筑的具體幾何形狀、表面粗糙度以及氣流的分離、再附著等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。在該工況下，數(shù)值模擬中考慮了建筑屋面的坡度以及挑檐對(duì)氣流的影響，這些因素在規(guī)范計(jì)算中可能沒(méi)有得到充分體現(xiàn)，從而導(dǎo)致了兩者結(jié)果的差異。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以屋面檐口處的風(fēng)荷載為例進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬得到屋面檐口處的風(fēng)荷載最大值為500Pa，規(guī)范計(jì)算時(shí)，陣風(fēng)系數(shù)\beta_{gz}根據(jù)高度和地面粗糙度取值為1.6，風(fēng)荷載局部體型系數(shù)\mu_{sl}對(duì)于檐口處取-2.0，其他參數(shù)同主要承重結(jié)構(gòu)計(jì)算。通過(guò)規(guī)范公式計(jì)算得到屋面檐口處風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為w_{k3}=1.6??(