劉文朋

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)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(shí)搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍隊(duì)野營住房和臨時(shí)活動性住房等使用，由于該類房屋總質(zhì)量較輕，在設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載往往起主導(dǎo)作用，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。然而，目前關(guān)于輕型四坡房屋的風(fēng)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(xiàn)［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(fēng)壓進(jìn)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(fēng)壓分布特征和體型優(yōu)化的研究并未進(jìn)行，在進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)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(fēng)荷載體型系數(shù)，因此急需對輕型四坡野營房屋進(jìn)行基于抗風(fēng)設(shè)計(jì)的體型優(yōu)化研究。

目前，越來越多的學(xué)者應(yīng)用基于計(jì)算流體動力學(xué)CFD的數(shù)值模擬技術(shù)研究建筑表面風(fēng)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(fēng)壓分布特征的影響，其數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)與試驗(yàn)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(jì)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(fēng)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(fēng)向角、不同屋面坡角及高寬比下風(fēng)壓分布特征，并基于風(fēng)壓分布規(guī)律和以風(fēng)荷載系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化指標(biāo)對其進(jìn)行體型優(yōu)化，采用合理的建筑外形，對減小房屋表面風(fēng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算流體動力學(xué)的逐步完善而得到推廣使用，相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)方法，數(shù)值模擬技術(shù)具有計(jì)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(yàn)干擾效應(yīng)影響等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 數(shù)值模擬技術(shù)的可行性

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性，在B類地貌、10 m∕s風(fēng)速和0°風(fēng)向角下對德克薩斯州理工大學(xué)提出的TTU標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬［7-9］，并對模型橫向中軸線上11個(gè)測點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)平均風(fēng)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(diǎn)平均風(fēng)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(yàn)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(jì)算機(jī)硬件的限制和軟件計(jì)算方式的影響，模擬結(jié)果的精度不在提高，圖中當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到160萬時(shí)已經(jīng)基本上滿足精度要求，因此，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，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(diǎn)是可以根據(jù)流場中不同區(qū)域特點(diǎn)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(shí)提高計(jì)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(jì)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(diǎn)，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(jì)算效率高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因此，在建模時(shí)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(yùn)輸模擬方法是基于Reynolds時(shí)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(biāo)準(zhǔn)κ-w模型、SSTκ-w模型、標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)洞試驗(yàn)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(xiàn)［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(shí)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(jì)房屋模型，選取風(fēng)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(jì)了12種房屋模型，共48種工況進(jìn)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(fēng)壓分布特性數(shù)值模擬分析

2.1 高寬比對房屋表面風(fēng)壓分布規(guī)律的影響

以高寬比為變量因子，選取0°風(fēng)向角下的Shape02∕05∕08∕11四種模型方案，各方案下的屋面風(fēng)壓分布等值線如圖5所示，房屋表面各區(qū)域平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓等值線分布較為接近，即房屋屋面風(fēng)壓系數(shù)在高寬比為1∕3和1∕4時(shí)較為接近。迎風(fēng)面（A1、A2）風(fēng)壓系數(shù)為正值，主要受到風(fēng)壓力的影響，其余各面風(fēng)壓系數(shù)都是負(fù)數(shù)，即承受風(fēng)吸力的影響，其中由于氣流的分離在迎風(fēng)屋面屋脊處形成較高的風(fēng)吸力區(qū)，最大平均風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-0.958。隨著高寬比的減小迎風(fēng)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)變化幅度較大，背風(fēng)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)變化幅度較小。房屋兩側(cè)面平均風(fēng)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(fēng)面到背風(fēng)面風(fēng)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(fēng)面屋脊處風(fēng)壓系數(shù)在高寬比為1∕5時(shí)有所增大。綜上可知，高寬比的減小有利于房屋的實(shí)際抗風(fēng)。

2.2 屋面坡角對房屋表面風(fēng)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(fēng)向角下Shape07∕08∕09三種模型方案，各方案下的屋面風(fēng)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(fēng)壓系數(shù)如圖7、圖8所示。

圖5 不同高寬比下屋面風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓系數(shù)也逐漸增大，且迎風(fēng)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)在屋面坡角達(dá)到45°時(shí)變?yōu)檎担串?dāng)屋面坡角增加到某個(gè)數(shù)值后迎風(fēng)屋面由風(fēng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)吸力，出現(xiàn)反向。由圖7可知，當(dāng)屋面坡角為15°時(shí)，由于屋面坡度較緩，氣流分離區(qū)出現(xiàn)在迎風(fēng)屋檐和屋脊交匯處，形成較強(qiáng)的風(fēng)吸力區(qū)域，此處風(fēng)壓系數(shù)也較大；當(dāng)屋面坡度為30°時(shí)，由于氣流分離在迎風(fēng)屋脊處形成高風(fēng)吸力區(qū)，且風(fēng)壓系數(shù)從迎風(fēng)屋脊底端到頂端逐漸增大；當(dāng)屋面坡度為45°時(shí)，由于屋面坡度較高，在迎風(fēng)屋面處風(fēng)壓系數(shù)變?yōu)檎?，且迎風(fēng)屋脊處風(fēng)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(fēng)屋脊處風(fēng)壓系數(shù)變化趨勢為：較高的風(fēng)吸力區(qū)從屋脊交匯處逐漸增大并向屋脊底部延伸，當(dāng)坡度達(dá)到一定數(shù)值，較高的風(fēng)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(fēng)屋面風(fēng)壓反向，不利于利房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

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

2.3 風(fēng)向角對房屋表面風(fēng)壓分布規(guī)律的影響

圖9 給出了Shape08在4種風(fēng)向角下的屋面風(fēng)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(fēng)壓系數(shù)Fig.8 Average wind pressure coefficient of different areas under different roof slope angles

由圖9可知，風(fēng)向角從0°到45°的變化過程中，風(fēng)壓分布越來越不均勻。0°風(fēng)向角下，氣流垂直于屋面，風(fēng)壓分布呈對稱分布，高風(fēng)壓區(qū)出現(xiàn)在氣流分離處的迎風(fēng)屋脊處，各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)最大相差0.5，最大部位風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到1.1，而當(dāng)風(fēng)向角變化到45°時(shí)，各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)最大相差0.7，最大部位風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到1.6，該部位在強(qiáng)風(fēng)作用下容易發(fā)生破壞，這是由于在45°風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)荷載對房屋結(jié)構(gòu)的風(fēng)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(fēng)壓的分布，達(dá)到建筑外形和風(fēng)環(huán)境相適應(yīng)的目的。文獻(xiàn)［8，15］通過對各分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)的對比，得到房屋表面風(fēng)壓分布越是均勻?qū)Ψ课莸目癸L(fēng)設(shè)計(jì)越是有利，而在各優(yōu)化指標(biāo)中各分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最小較好地描述了風(fēng)壓分布的均勻程度，因此本文以各分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化指標(biāo)對各方案下房屋體型進(jìn)行對比，從中得到較為合理的體型設(shè)計(jì)，各方案下體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

由表2可得，在四種風(fēng)向角下各分區(qū)體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)差均小于shape00原房屋模型，說明shape07房屋模型表面風(fēng)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(fēng)荷載體型系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差在0°風(fēng)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(fēng)性能，因此，當(dāng)H∕B=1∕4，屋面坡角α=15°時(shí)的模型是較為合理的體型。

圖9 不同風(fēng)向角下屋面風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算時(shí)，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(jì)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(fēng)性能的主要因素。屋面風(fēng)壓系數(shù)隨著房屋高寬比的減小而減小，適當(dāng)降低高寬比有利于抗風(fēng)設(shè)計(jì)；屋面坡角增大到一定數(shù)值，迎風(fēng)屋面風(fēng)壓反號，由風(fēng)吸力轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)壓力，不利于抗風(fēng)設(shè)計(jì)，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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)差最小的標(biāo)準(zhǔn)，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(fēng)壓分布較為均勻且風(fēng)荷載有顯著的降低，抗風(fēng)性能有了很大的提高。