厲同昌，吳蕙蕙，樓文娟

（1.浙江萬科南都房地產(chǎn)有限公司，浙江 杭州310006；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州310058）

中庭是連接建筑內(nèi)部與外界環(huán)境的空間，可用于改善建筑采光、通風(fēng)，滿足人與環(huán)境的交互等［1］。隨著建筑體型在高度方向迅猛發(fā)展，帶中庭的高層建筑不斷涌現(xiàn)。當(dāng)中庭頂部不封閉時(shí)，中庭四周即建筑內(nèi)環(huán)表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接承受外部風(fēng)荷載影響，而風(fēng)荷載是高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要荷載。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高層建筑風(fēng)壓分布特性進(jìn)行過大量的試驗(yàn)與研究，包括復(fù)雜體型［2］、干擾效應(yīng)［3］等問題。而針對(duì)帶中庭的高層建筑，學(xué)者們多著眼于中庭的自然通風(fēng)效果［4-5］、防火排煙特性［6-7］等，鮮少關(guān)注中庭內(nèi)建筑外表面風(fēng)壓分布特性規(guī)律。李永貴等［8-9］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同開洞率下中庭內(nèi)立面風(fēng)壓分布情況，并給出了中庭內(nèi)立面抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議公式。

我國(guó)規(guī)范［10］對(duì)于這種體型復(fù)雜、中庭空間開放的高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)缺乏相應(yīng)的體型系數(shù)規(guī)定。因此，本文對(duì)杭州“未來之光”二期工程4#塔樓進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算分析了該塔樓內(nèi)環(huán)及外環(huán)表面風(fēng)荷載體型系數(shù)，得出帶高聳中庭的高層建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)分布規(guī)律。

1 工程概況

杭州“未來之光”二期工程位于杭州市余杭區(qū)良渚組團(tuán)萬科未來城二期東側(cè)，緊臨地鐵2號(hào)線杜甫站，4#塔樓東側(cè)為商業(yè)永旺夢(mèng)樂城，東北側(cè)與南側(cè)均為商業(yè)等復(fù)合業(yè)態(tài)，北側(cè)、西側(cè)為住宅小區(qū)。見圖1。其中4#綜合樓高149.6 m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻（多筒）結(jié)構(gòu)體系，利用建筑隔墻及樓梯、電梯位置設(shè)置剪力墻（筒體），按建筑軸網(wǎng)布置框架柱；底部大空間處采用桁架式轉(zhuǎn)換。該塔樓設(shè)計(jì)基于新的生活方式以及工作方式，透過橫條形的布局，降低了高度的建筑與地面公共空間較近的設(shè)計(jì)手法，讓建筑物內(nèi)的使用者更容易走出室外，利用公共空間，達(dá)到人與人、人與空間的自然互動(dòng)，提升生活以及工作品質(zhì)。而塔樓則是將這樣一個(gè)橫條形與地面的水平關(guān)系分成好幾個(gè)體塊堆疊起來，每一個(gè)架空層都是一個(gè)地面，集合成一個(gè)垂直的巨大體量。該建筑的效果見圖2。

圖1 “未來之光”地塊總平面

塔樓平面呈“回”字形，內(nèi)部是從地面到樓頂通透的高聳中庭，平面為44.2 m×37.2 m，底層中庭平面較上層略大。見圖3。塔樓底部四面開敞，其中南北向開口寬21.6 m，東面開口寬12 m，西面開口寬6 m，高均為8.4 m。此外，5層和14層為設(shè)備層，四面透風(fēng)；10層和18層為避難層，東西向透風(fēng)，南北向不透風(fēng)。

圖3 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

2.1 模型制作

本次風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS工程塑料制成，選取幾何縮尺比為1∶180，模型總高度為0.831 m。

4#塔樓模型共布置447個(gè)測(cè)點(diǎn)，分為16個(gè)測(cè)區(qū)，其中A、B、C、D、E、F、G、H測(cè)區(qū)位于建筑外環(huán)表面，AN、BN、CN、DN、EN、FN、GN、HN位于建筑內(nèi)環(huán)表面。各測(cè)層模型高度及對(duì)應(yīng)實(shí)物高度見表1，以D層為例，測(cè)點(diǎn)布置圖見圖4。每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)外徑為1.2 mm的退火銅管或不銹鋼管，測(cè)壓管垂直建筑物表面，并使測(cè)壓管表面與模型表面齊平無凹凸。

表1 模型測(cè)點(diǎn)高度及對(duì)應(yīng)的實(shí)物高度

圖4 D/DN層測(cè)點(diǎn)布置

2.2 風(fēng)場(chǎng)模擬

本次試驗(yàn)在浙江大學(xué)的ZD-1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。ZD-1邊界層風(fēng)洞為單回流閉口立式鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)型式。試驗(yàn)段為閉口式，長(zhǎng)18 m，截面尺寸為寬4 m，高3 m；風(fēng)洞的最高風(fēng)速55 m/s。模型在風(fēng)洞中最大阻塞比小于8%，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求，因此試驗(yàn)所得的無量綱參數(shù)，可直接應(yīng)用于建筑物實(shí)體。

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》規(guī)定，風(fēng)壓采用杭州市的50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.45 kN/m2。根據(jù)荷載規(guī)范判別依據(jù)，確定試驗(yàn)建筑處于B類地貌，風(fēng)洞流場(chǎng)統(tǒng)一按B類地貌模擬，地貌粗糙度指數(shù)α=0.15。

試驗(yàn)風(fēng)速參考點(diǎn)選在風(fēng)洞高度0.85 m處，該高度在縮尺比1∶180的情況下對(duì)應(yīng)于實(shí)際高度153 m。試驗(yàn)直接測(cè)得的各點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)均是以153 m高度處的風(fēng)壓為參考風(fēng)壓。風(fēng)洞試驗(yàn)中參考點(diǎn)的風(fēng)速為12.60 m/s，對(duì)應(yīng)于實(shí)際高度153 m處，50年重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速為40.40 m/s，因此本次風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速比為1∶3.21。

2.3 試驗(yàn)工況

風(fēng)洞試驗(yàn)中每個(gè)風(fēng)向角為一個(gè)工況，測(cè)壓風(fēng)向角從0°到345°，間隔為15°，風(fēng)向角示意見圖5。

圖5 風(fēng)向角示意

為比較建筑內(nèi)環(huán)空間頂部是否開敞對(duì)建筑所受風(fēng)荷載的影響，試驗(yàn)分兩次完成：建筑內(nèi)環(huán)空間頂部開敞和建筑內(nèi)環(huán)空間頂部封閉。試驗(yàn)首先針對(duì)內(nèi)環(huán)空間頂部開敞工況進(jìn)行，結(jié)束后封閉建筑內(nèi)環(huán)頂部空間，進(jìn)行第二次試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)圖見圖6。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)

3 風(fēng)荷載體型系數(shù)分析

3.1 0°風(fēng)向角

0°風(fēng)向角對(duì)應(yīng)建筑正南面來風(fēng)。建筑正南面無遮擋建筑，所得的風(fēng)荷載體型系數(shù)具有代表性。

根據(jù)圖3平面圖作建筑1-1斷面圖，并進(jìn)行風(fēng)流場(chǎng)分析，見圖7。在內(nèi)環(huán)頂部開敞的情況下，建筑南北向在底層、5層與14層透風(fēng)。

圖7 1-1斷面及0°風(fēng)向角風(fēng)場(chǎng)

將建筑內(nèi)環(huán)表面自西南角起逆時(shí)針展開，即按測(cè)點(diǎn)號(hào)順序展開，分別為南側(cè)、東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)內(nèi)環(huán)立面，如圖8所示為0°風(fēng)向角下建筑開敞內(nèi)環(huán)表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。

由圖8可得，內(nèi)環(huán)表面體型系數(shù)均為負(fù)值。相同高度下，體型系數(shù)值相近。由于底部透風(fēng)，北面底層AN層測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)稍大于另外三面。不同高度處，體型系數(shù)有所差異，高度越低，體型系數(shù)越小，AN18測(cè)點(diǎn)處為體型系數(shù)最小值-1.07，HN11測(cè)點(diǎn)處為體型系數(shù)最大值-0.52。且隨著高度上升，體型系數(shù)隨高度增加速率放緩。

圖8 0°風(fēng)向角開敞內(nèi)環(huán)體型系數(shù)分布

同樣的，將建筑外環(huán)表面自西南角起逆時(shí)針展開，即按測(cè)點(diǎn)號(hào)順序展開為南側(cè)、東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)外立面，如圖9所示為0°風(fēng)向角下內(nèi)環(huán)開敞情況建筑外表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。建筑外環(huán)外表面風(fēng)壓分布符合一般長(zhǎng)方體外形高層建筑分布規(guī)律。南面迎風(fēng)面體型系數(shù)為正，最大值出現(xiàn)在底層中間A12測(cè)點(diǎn)處，為1.29，這與該處建筑外形內(nèi)凹有關(guān)。隨著高度升高，體型系數(shù)緩慢減小，中部測(cè)層接近1，頂層降低至0.7以下。同一高度處，立面中央體型系數(shù)顯著大于兩邊。東、西、北三處立面均分布為負(fù)壓，低層處的負(fù)壓大于高層，東西兩側(cè)的負(fù)壓大于北側(cè)。西側(cè)B測(cè)層的負(fù)壓極值可能是西面建筑干擾及建筑外形改變?cè)斐傻摹?/p>

圖9 0°風(fēng)向角開敞外環(huán)體型系數(shù)分布

在內(nèi)環(huán)頂部封閉的情況下，建筑僅在底部透風(fēng)。圖10為0°風(fēng)向角下建筑內(nèi)環(huán)頂部封閉表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。對(duì)比圖8內(nèi)環(huán)頂部開敞的情況，兩者的內(nèi)環(huán)負(fù)壓分布規(guī)律幾乎一致，但封閉時(shí)的負(fù)壓整體大于開敞情況。AN17測(cè)點(diǎn)測(cè)得體型系數(shù)極小值為-1.18，比開敞情況下極小值小0.1。C層及以上測(cè)層，頂部封閉情況下體型系數(shù)平均比開敞情況小0.03。

圖10 0°風(fēng)向角封閉內(nèi)環(huán)體型系數(shù)分布

圖11為0°風(fēng)向角內(nèi)環(huán)頂部封閉情況建筑外表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。對(duì)比圖9可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)是否開敞對(duì)外表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布情況沒有影響。這是因?yàn)橥革L(fēng)層層高不高，建筑外環(huán)外表面風(fēng)壓主要還是受外部氣流影響。

圖11 0°風(fēng)向角開敞外環(huán)體型系數(shù)分布

3.2 270°風(fēng)向角

270°風(fēng)向角對(duì)應(yīng)建筑正東面來風(fēng)。建筑東面約200 m處有一樓高30 m以下的商場(chǎng)，其余無迎風(fēng)面干擾。根據(jù)圖3平面圖作建筑2-2斷面圖，并進(jìn)行風(fēng)流場(chǎng)分析，見圖12。在內(nèi)環(huán)頂部開敞的情況下，建筑東西向在底層、5層、10層、14層與18層透風(fēng)。

圖12 2-2斷面及270°風(fēng)向角風(fēng)場(chǎng)

圖13為270°風(fēng)向角下建筑內(nèi)環(huán)頂部開敞時(shí)內(nèi)環(huán)表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。建筑內(nèi)環(huán)表面均為負(fù)壓，這與0°風(fēng)向角相同，但體型系數(shù)分布情況不同。270°風(fēng)向角下，同一高度處的體型系數(shù)不盡相同。東面作為進(jìn)風(fēng)口，體型系數(shù)整體小于另外三面，西面受東面透風(fēng)來流影響，體型系數(shù)整體較高，而南北兩面呈現(xiàn)過渡趨勢(shì)。此外，270°風(fēng)向角下，內(nèi)環(huán)表面體型系數(shù)均大于0°風(fēng)向角情況，體型系數(shù)最小值出現(xiàn)在AN17測(cè)點(diǎn)，為-0.76，最大值出現(xiàn)在HN14測(cè)點(diǎn)，為-0.38，負(fù)風(fēng)壓比0°風(fēng)向角小25%以上。

圖13 270°風(fēng)向角開敞內(nèi)環(huán)體型系數(shù)分布

在內(nèi)環(huán)頂部封閉的情況下，建筑僅在底部透風(fēng)。圖14為270°風(fēng)向角下建筑內(nèi)環(huán)頂部封閉表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布圖。封閉情況下，270°風(fēng)向角的內(nèi)環(huán)體型系數(shù)分布與0°風(fēng)向角類似，同一高度的體型系數(shù)幾乎相同。對(duì)比圖13可以發(fā)現(xiàn)，封閉時(shí)的負(fù)壓同樣整體大于開敞情況。AN17測(cè)點(diǎn)測(cè)得體型系數(shù)最小值為-0.95，比開敞情況下最小值小0.19。E層及以上測(cè)層，封閉情況下體型系數(shù)平均比開敞情況小0.03。

圖14 270°風(fēng)向角封閉內(nèi)環(huán)體型系數(shù)分布

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選取“未來之光”二期項(xiàng)目4#塔樓作為研究對(duì)象，對(duì)帶高聳中庭的高層建筑內(nèi)環(huán)與外環(huán)的風(fēng)荷載體型系數(shù)分布進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）帶有高聳中庭且少數(shù)樓層透風(fēng)的高層建筑，外環(huán)表面風(fēng)壓分布并不受中庭影響，分布規(guī)律符合一般性認(rèn)知。

2）建筑中庭表面整體受負(fù)風(fēng)壓，且中庭封閉程度越高，負(fù)風(fēng)壓越大，即體型系數(shù)越小。當(dāng)建筑頂部不透風(fēng)或透風(fēng)較少時(shí)，中庭表面風(fēng)壓在同一高度處幾乎相等；當(dāng)建筑中部透風(fēng)較多時(shí)，同一高度處，進(jìn)風(fēng)側(cè)負(fù)風(fēng)壓較大，與其相對(duì)的出風(fēng)側(cè)負(fù)風(fēng)壓較小，四面呈現(xiàn)不同的風(fēng)壓分布。