超高層建筑的適風設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超高層建筑的適風設計方法，所述方法以降低風荷載和/或降低風荷載效應為目的，使所設計的建筑物具有可變化的空氣動力學外形，本發(fā)明能夠在強風情況下提高建筑物對風效應的自適應能力，從而減小抗風結構體系的設計荷載，同時降低建筑外形設計中對空氣動力學優(yōu)化的要求。
【專利說明】
超高層建筑的適風設計方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及超高層建筑與結構設計。
【背景技術】
[0002]超高層建筑設計中的一大挑戰(zhàn)是風效應問題。這里定義的超高層建筑系指高度超過200米或者高寬比大于6的高層建筑。這類建筑物對風效應比較敏感。
[0003]由于高層的風速較大、超高層結構的固有周期較長、結構阻尼比較低等原因，風荷載往往是控制結構抗側體系設計的主要荷載。研究表明，建筑外形的空氣動力學優(yōu)化能大大降低結構風荷載與風致結構振動，帶來可觀的經(jīng)濟效益。在不少超高層建筑設計中，空氣動力學優(yōu)化成為設計成敗的關鍵。目前在超高層建筑的空氣動力學優(yōu)化中采用的具體方法包括樓角的柔化處理、立面隨高度收縮或隨高度成階梯狀、立面扭轉(zhuǎn)、上部開孔等等。
[0004]雖然目前的建筑外形空氣動力學優(yōu)化方法存在諸多優(yōu)點而受到重視，但也存在著與其它設計要素之間的內(nèi)在沖突，使得空氣動力學優(yōu)化的實際效率與廣泛應用受到極大限制。這些內(nèi)在沖突主要表現(xiàn)在以下幾方面。
[0005](I)減低建筑效率。這方面最典型的例子是立面收縮的空氣動力學優(yōu)化方法。立面收縮將導致建筑物上部樓層的建筑面積大大減少。樓角柔化處理的空氣動力學優(yōu)化方法則使得最昂貴的樓角單元的使用性能受到一定程度的削弱。
[0006](2)增加設計和施工的難度與成本。典型的例子是外立面扭轉(zhuǎn)的空氣動力學優(yōu)化方法。該方法使得幕墻系統(tǒng)的設計難度與建造成本都大大提高。
[0007](3)與建筑設計理念發(fā)生沖突。滿足空氣動力學優(yōu)化要求的建筑外形可能與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)，可能影響建筑表現(xiàn)力，或者在美學上有悖建筑師的設計理念，等等。
[0008]因此建立一種既滿足空氣動力學優(yōu)化要求，對其它設計要素又不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生沖突的超高層建筑設計方法是一個亟待解決的技術難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種超高層建筑的適風設計方法，能夠在強風情況下提高建筑物對風效應的自適應能力，從而減小抗風結構體系的設計荷載，同時降低建筑外形設計中對空氣動力學優(yōu)化的要求。
[0010]本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是:超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述方法以降低風荷載和/或降低風荷載效應為目的，使所設計的建筑物具有可變化的空氣動力學外形，并包括以下步驟:
(1)設計建筑的基本外形；
(2)根據(jù)基本外形和抗風設計參數(shù)設計初步的結構系統(tǒng)，并按該結構系統(tǒng)確定結構將承受的風荷載；
(3)根據(jù)該結構風荷載驗算所設計的結構系統(tǒng)的抗風能力，以確定是否需要降低結構風荷載； (4)如果需要降低結構風載荷，則在建筑的基本外形基礎上設計能對氣流流動實施控制的裝置，并定義該流動控制裝置啟動后的建筑外形為受控外形；
(5)確定受控外形的空氣動力學參數(shù)；
(6)根據(jù)受控外形的空氣動力學參數(shù)、結構動力學參數(shù)以及抗風設計參數(shù)，確定受控外形結構在強風暴狀態(tài)時的結構風荷載；
(7)確定用于建筑物基本外形狀態(tài)的設計風速Un與相應的結構風荷載；
(8)按照基本外形的結構風荷載與受控外形的結構風荷載兩者之間最不利的情況設計各結構構件；
(9)根據(jù)基本外形狀態(tài)的設計風速Un確定建筑物由基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形的啟動風速Ut;
(10)設計流動控制裝置的啟動機構，以具體實現(xiàn)建筑物在基本外形和受控外形之間的轉(zhuǎn)換。
[0011]所述步驟(2)和(6)中的抗風設計參數(shù)是指滿足建筑設計規(guī)范要求的抗風設計參數(shù)，至少包括與抗風設計回歸期一致的設計風速Ud與場地資料。
[0012]所述適風設計方法還包括完善結構設計的步驟，所述完善結構設計的步驟具體包括:
(1)確定常態(tài)風狀態(tài)的設計風速UN;
(2)根據(jù)以下兩階段中最不利的荷載效應驗算結構構件:
a.基本外形建筑物在常態(tài)設計風速Un下的風荷載；
b.受控外形建筑物在抗風設計風速Ud下的風荷載。
[0013]所述基本外形是指根據(jù)設計意圖與目標完成的建筑外形，所述受控外形是指在基本外形基礎上為適應風荷載變化而轉(zhuǎn)換形成的具有更高抗風性能的建筑外形，所述基本外形和受控外形之間可以相互轉(zhuǎn)換。
[0014]所述適風設計方法分為包括基本外形設計和受控外形設計兩個階段，所述基本外形設計階段對應常態(tài)風，所述受控外形設計階段對應強風暴，在所述基本外形設計階段的重點考慮建筑物的功能與效率，在所述受控外形涉及階段重點考慮建筑物的結構抗風安全性。
[0015]所述基本外形設計階段的風荷載設計參數(shù)允許采用低于目前抗風設計回歸期的風速或風壓驗算結構風荷載，所述受控外形設計階段的風荷載設計參數(shù)采用與目前抗風設計回歸期相同的風速或風壓驗算結構風荷載。
[0016]所述流動控制裝置能在強風預警時啟動，將建筑物由基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形，并能在警報解除時使得建筑物由受控外形恢復為基本外形。
[0017]所述適風設計方法在所述步驟(10)后還包括根據(jù)上述步驟編制用戶手冊的步驟，所述用戶手冊的內(nèi)容包括:參考風速的規(guī)定、風暴預警的獲取方式以及流動控制裝置的操作與維護說明。
[0018]本發(fā)明是一種高層建筑抗風設計的新方法，該方法解決了建筑空氣動力學優(yōu)化設計與其它方面設計之間的內(nèi)在沖突。
[0019]本發(fā)明的適風設計方法，將建筑物設計成具有兩種不同的空氣動力學外形:基本外形(Basic Conf igurat1n)與受控外形(Controlled Configurat1n)，基本外形是指建筑物在絕大多數(shù)時間內(nèi)呈現(xiàn)的外形，即沒有對建筑外形進行特意的空氣動力學處理，受控外形則是在基本外形基礎上引入局部流動控制裝置后的建筑外形，是建筑物在強風到來前通過外形轉(zhuǎn)換系統(tǒng)形成的臨時建筑外形，受控外形使得建筑物在強風時受到的風荷載大大減低，適風設計方法的基本思路與工作原理如圖1所示。
[0020]本發(fā)明的適風設計方法與目前的抗風設計方法不同點之一:目前的抗風設計方法考慮的是固定的建筑外形，采用“以不變應萬變”的設計思路，將建筑物設計成在任何時刻都能抵抗罕遇的極端風(例如50年或100年回歸期風暴)。本發(fā)明的適風設計方法則基于強風可預報的事實，采用“隨機應變”的設計思路，將建筑物設計成能根據(jù)需要調(diào)整自身的空氣動力學外形。僅在罕遇的極端風情況下，才需要確保建筑物能抵抗罕遇的極端風。
[0021 ]本發(fā)明的適風設計方法與目前的抗風設計方法不同點之二:目前的抗風設計方法按抗風設計回歸期(50年或100年)設計抗風結構系統(tǒng)，考慮的是罕遇的極端風事件，所以在絕大部分使用年限內(nèi)存在過多的強度儲備。本發(fā)明的適風設計方法按低于抗風設計回歸期(10年或20年)設計基本外形下的抗風結構系統(tǒng)，使得結構在絕大部分使用年限內(nèi)具有合適的強度儲備。而在罕遇強風情況下，則啟動外形空氣動力學優(yōu)化來降低對結構強度的要求，然后按抗風設計回歸期(50年或100年)驗算受控外形下的抗風結構系統(tǒng)，使得結構在罕遇強風情況下具有足夠的強度儲備。圖2給出按目前的抗風設計方法所采用的設計風荷載與按適風設計方法采用的設計風荷載之比較示意，可見適風設計方法帶來的經(jīng)濟效益是顯然的。
[0022]本發(fā)明的適風設計方法與目前的抗風設計方法不同點之三:目前的抗風設計方法屬于一階段設計法，即在設計過程中需要同時考慮建筑外形對抗風性能的影響與對其它設計要素(例如建筑效率、美學等)的影響，并綜合平衡各方面的利弊，參見圖3。本發(fā)明的適風設計方法則屬于二階段設計法，即允許將建筑外形對抗風性能的影響與對其它設計要素的影響分在常態(tài)風階段與強風暴階段這兩個不同階段內(nèi)分別考慮，參見圖4。常態(tài)風階段內(nèi)建筑物為基本外形，抗風驗算時采用較低的回歸期風速(10年至20年左右)，從而允許將這階段設計的重點放在建筑效率、功能、美學等方面。強風暴時建筑物轉(zhuǎn)換為受控外形。建筑物處于受控外形的實際出現(xiàn)率很低(例如一年一次或多年一次，每次小于一周左右)，從而允許將這階段的設計重點放在結構抗風方面，而對其它設計要求(例如建筑美學等)可以適當放松。
[0023]本發(fā)明的適風設計方法與目前的抗風設計方法不同點之四:目前的抗風設計方法中的空氣動力學優(yōu)化是以一種凝固的形態(tài)成為建筑外形的一部分，本發(fā)明的適風設計方法中的空氣動力學優(yōu)化則是以一種可變的形態(tài)成為建筑外形的一種應需措施。這種措施包括在強風到來時啟動導流板、氣動穩(wěn)定板、或擾流裝置等等，也包括應需開啟的泄流通道等等。
[0024]本發(fā)明的適風設計方法與目前的抗風設計方法不同點之五:目前的抗風設計方法中需要考慮極端風情況下的結構可靠度。本發(fā)明的適風設計方法中不但需要考慮極端風情況下的結構可靠度，而且需要考慮常態(tài)風情況下的結構可靠度，以及由基本外形向強風暴時的受控外形轉(zhuǎn)換過程中的系統(tǒng)可靠度。
[0025]與目前的抗風設計方法相比，本發(fā)明適風設計方法的益處如下:
(I)建筑設計較少受制于對外形空氣動力學優(yōu)化的要求，擴大了建筑設計的自由空間，增加了設計的靈活性。使得建筑物的基本功能得以充分展現(xiàn)與優(yōu)化，從而能提高建筑設計的效率、改善建筑物的使用性能、并且優(yōu)化建筑物的經(jīng)濟指標。
[0026](2)建筑外形的空氣動力學優(yōu)化設計較少受制于對建筑其他方面設計的要求，擴大了空氣動力學優(yōu)化方法的選擇空間，使得更多樣化、更高效的空氣動力學優(yōu)化方法能夠得以實施，從而能更大程度地提高建筑外形空氣動力學優(yōu)化的效率，改善建筑物的安全指標與經(jīng)濟指標。
[0027](3)為未來的建筑工業(yè)化提供有力的技術支撐。目前抗風設計中的空氣動力學優(yōu)化方法不適合建筑工業(yè)化，而采用適風設計方法則可以將流動控制裝置及其啟動機構標準化、模塊化、和工廠化，有望為工業(yè)化的高層建筑提供商品化的抗風構配件。
[0028]針對高層建筑的抗風，本發(fā)明的適風設計方法給出了一種嶄新的設計思路和具體的概念設計。這一設計方法可以概括為以降低風荷載及其風荷載效應為目的，以強風預警時改變建筑物的空氣動力學外形為具體對策，所采用的建筑與結構設計方法。雖然具體的工程項目有各自的特殊性，例如項目所在地的風氣候，項目周圍的地形地貌、所設計建筑物的基本外形、等等，但本發(fā)明的適風設計方法則具有普遍適用性。對抗風要求比較高的工程項目，適風設計方法更顯示其優(yōu)越性。
[0029]本發(fā)明的適風設計方法可以作為目前抗風設計方法的補充，解決強風區(qū)超高層建筑設計中的問題。
[0030]
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明的適風設計方法的基本思路。
[0032]圖2是傳統(tǒng)的抗風設計方法和本發(fā)明的適風設計方法中設計風荷載的比較示意圖。
[0033]圖3是目前的抗風設計方法的流程框圖。
[0034]圖4是本發(fā)明的適風設計方法的流程框圖。
[0035]圖5是本發(fā)明的流動控制裝置與其控制方法的示意圖。
[0036]圖6是本發(fā)明的流動控制裝置啟動的基本方式示意圖。
[0037]圖7是本發(fā)明的實施例中的建筑基本外形及其坐標軸定義。
[0038]圖8是本發(fā)明的實施例中基本外形的基底傾覆力矩與參考風速的關系。
[0039]圖9是某些常用的空氣動力學外形優(yōu)化方案示意圖。
[0040]圖10是借助風洞試驗的流動控制裝置。
[0041]圖11是一種有效的流動控制方式。
[0042]圖12是本發(fā)明的實施例中受控外形的基底傾覆力矩與參考風速的關系。
[0043]圖13是本發(fā)明的實施例中建筑按適風設計方法的設計風荷載。
[0044]圖14是本發(fā)明的實施例中建筑物的橫風向功率譜。
【具體實施方式】
[0045]實施例1。
[0046]本發(fā)明的適風設計方法如圖4所示，各具體設計步驟分述如下: (I)確定抗風設計的基本參數(shù)。這主要包括抗風設計風速UD(—般取50至100年回歸期風速)、風向資料、場地資料等等與結構風效應有關的基本資料。
[0047](2)建筑外形設計資料。即根據(jù)設計意圖與目標完成的建筑外形概念設計或初步設計，該建筑外形為“基本外形”。
[0048](3)確定基本外形的空氣動力學參數(shù)。即根據(jù)步驟(2)所述建筑外形涉及資料并結合步驟(I)所得風資料和場地資料確定基本外形的空氣動力學參數(shù)。目前最可靠并被工程應用接受的方法是采用風洞模型試驗?？諝鈩恿W參數(shù)包括風壓風力系數(shù)及其統(tǒng)計值、風荷載功率譜、風荷載約化時程、等等。
[0049](4)結構初步設計資料。根據(jù)步驟(I)和步驟(2)所得資料估計初步的結構風荷載，并在此基礎上由結構工程師完成結構的初步設計，然后通過動力分析得到結構的各項動力特性參數(shù)。
[0050](5)基本外形狀態(tài)結構風荷載。根據(jù)步驟(3)所得空氣動力學參數(shù)并結合步驟(4)所得結構動力特性參數(shù)，確定基本外形情況下的實際結構總風荷載。
[0051](6)判斷是否需要降低結構風荷載。將步驟(5)所得實際結構總風荷載與步驟(4)初步估計的結構風荷載作比較后，決定是否需要考慮降低結構風荷載。
[0052]如果發(fā)現(xiàn)實際結構的風荷載不控制結構設計(例如抗側體系由地震荷載控制)，或者實際結構的風荷載小于初步設計中的估計值并且決定不修改設計，則選擇“否”。在這種情況下，適風設計與目前的抗風設計沒有區(qū)別。
[0053]如果發(fā)現(xiàn)實際結構的風荷載大于初步設計中的估計值并且該風荷載控制結構的設計，或者期望通過減低風荷載進一步優(yōu)化結構設計，則選擇“是”。設計由此進入第二階段。
[0054](7)設計受控外形及流動控制方法。在基本外形的基礎上，借助物理試驗、理論分析、數(shù)值模擬、以及結合工程經(jīng)驗等方法研發(fā)流動控制的具體措施以期改善空氣動力學性能。絕大多數(shù)超高層建筑的設計風荷載由橫風向響應控制。通過控制橫風向渦脫的氣動方法能有效降低風荷載。典型的流動控制方法如圖5所示。
[0055](8)確定受控外形及空氣動力學參數(shù)。即根據(jù)步驟(2)所述建筑外形并結合步驟
(I)所得風資料和場地資料，確定受控外形的空氣動力學參數(shù)。目前最可靠并被工程應用接受的方法是采用風洞模型試驗?？諝鈩恿W參數(shù)包括風壓風力系數(shù)及其統(tǒng)計值、風荷載功率譜、風荷載約化時程等等。
[0056](9)強風暴狀態(tài)結構風荷載。根據(jù)步驟(8)所述空氣動力學參數(shù)并結合步驟(4)所得結構動力特性參數(shù)，確定受控外形在強風暴狀態(tài)時的結構風荷載。
[0057](10)確定常態(tài)風狀態(tài)的設計風速UN。這一風速用于建筑物基本外形時的風荷載驗算。Un的取值原則是基本外形在Un風速下的風荷載不大于受控外形在抗風設計風速Ud下的風荷載。取較小的常態(tài)設計風速Un使得氣動特性較差的建筑物基本外形容易被設計接受，但將提高對受控外形的氣動優(yōu)化要求，同時外形轉(zhuǎn)換的出現(xiàn)率也會相對頻繁些。對每一項具體工程，需要根據(jù)實際情況具體確定這些設計風速。一般建議考慮Un取10年至20年回歸期風速。
[0058](11)完善結構設計。根據(jù)以下兩階段中最不利的荷載效應(例如應力應變)驗算結構構件: 基本外形建筑物在常態(tài)設計風速Un下的風荷載；
受控外形建筑物在抗風設計風速Ud下的風荷載。
[0059](12)確定流動控制啟動風速UT。當預警的強風暴達到這一風速時，建筑物需要從基本外形轉(zhuǎn)換至受控外形，從基本外形到受控外形的轉(zhuǎn)換可以通過啟動流動控制裝置來實現(xiàn)。流動控制裝置作用在建筑物上，使得建筑物部分地變換位置或形狀，從而實現(xiàn)外形的變化。啟動風速Ut的取值原則是必須小于常態(tài)設計風速UN，一般建議考慮啟動風速Ut的出現(xiàn)概率至少二倍于常態(tài)設計風速Un的出現(xiàn)概率，以便對外形轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性有一定的寬容度。
[0060](13)根據(jù)(7)與(12)所獲得的流動控制方式和啟動條件，設計流動控制裝置與啟動機構。典型的流動控制裝置的啟動方式如圖6所示。
[0061](14)編制用戶手冊。制定有關流動控制裝置的操作與維護說明，并將此作為物業(yè)管理部門的技術規(guī)程與操作指南。其內(nèi)容包括:
a.參考風速的規(guī)定。
[0062]參考風速的定義應與風暴預警中的風速定義一致，以避免換算錯誤。用戶手冊中的流控啟動風速以參考風速定義并取值。
[0063]b.風暴預警的獲取方式。
[0064]具體設定風暴預警的獲取方式，例如通過與氣象臺聯(lián)網(wǎng)方式、物業(yè)管理軟件自動上網(wǎng)搜索方式、以及其它獲知實時氣象預報的方式。
[0065]c.外形轉(zhuǎn)換機構的啟動方式。
[0066]啟動方式可以是全自動、半自動、和/或手動方式。啟動方式中還應包括應急啟動方式，即一旦啟動機構發(fā)生故障(包括斷電)時可采用的人工啟動方式。
[0067]d.外形轉(zhuǎn)換機構的復位，包括復位的條件與復位方式。
[0068]e.外形轉(zhuǎn)換機構的檢查與維護。為保證外形轉(zhuǎn)換機構的正常工作，需要進行定期檢查、維護、以及啟動/復位操作演練。這可以與常規(guī)的消防檢查演練一樣納入物業(yè)管理的基本內(nèi)容與條款。
[0069]f.外形轉(zhuǎn)換機構的操作培訓教程。
[0070]作為比較，圖3給出目前抗風設計的流程框圖。如果需要降低風荷載，適風設計方法是進行流動控制方法的研制，基本上不要求改變原設計。而抗風設計方法則要求修改建筑設計和/或修改結構設計，而且該修改一判據(jù)的過程可能需要多次重復。一般來說，最后的抗風設計是平衡各方面因素的結果，即風荷載的減低是在某種程度上建筑/結構設計方面的讓步達成的。
[0071]實施例2。
[0072]下面結合實例對本發(fā)明的適風設計方法作進一步的說明。
[0073]以圖7所示典型超高層建筑為例。設計基本資料如下:
a.正方形截面67層超高層，建筑高度270米，建筑寬度45米。
[0074]b.結構側移基本模態(tài)的固有周期為7秒，結構阻尼比為2%。
[0075]c.按100年回歸期設計，基本風壓0.75kPa。
[0076]d.周圍場地為規(guī)范C類地貌。
[0077]e.結構坐標系統(tǒng)與風向角定義參見圖7。
[0078]按初步設計的建筑基本外形與結構動力特性，通過風洞試驗與分析，得到表征總體風荷載大小的基底傾覆力矩與參考風速的關系，如圖8所示。其中參考風速Uo為相應開闊場地上10米高度的十分鐘平均風速。100年回歸期參考風速為34.6m/s(UD=34.6m/s)，與基本風壓0.75kPa—致。順風向傾覆力矩沿X方向，橫風向傾覆力矩沿Y方向。
[0079]圖8證實了該超高層建筑的設計風荷載是由橫風向荷載控制的。在本實施例中，橫風向傾覆力矩是順風向傾覆力矩的二倍以上。這樣大的橫向風荷載不但帶來結構設計方面的困難，而且一般來說由此設計的結構是不經(jīng)濟的。按目前國內(nèi)外通常的做法，風工程顧問會建議建筑師修改原設計。
[0080]圖9列出一些風工程顧問經(jīng)常建議的方案。顯然所有這些修改方案都極大改變了原設計，不但導致建筑設計必須幾乎從頭開始，而且可能帶來前述的建筑理念、建筑效率、設計與施工難度、建造成本等一系列問題。但采用本發(fā)明的適風設計方法，基本上不需要改變原設計。而是在原設計基礎上，考慮強風狀態(tài)時通過啟動流動控制裝置達到降低風荷載的目的。為此需要研發(fā)有針對性的流動控制裝置。風洞模型試驗是目前最為實用可靠的技術手段，如圖10所示。
[0081]由于建筑上部的流動控制效果較明顯，本實例中僅考慮在建筑上部1/3高度內(nèi)設置流動控制裝置。圖11為所選定的流動控制方法，其中導流板與建筑外立面的夾角為45°，這可以采用旋轉(zhuǎn)方式啟動該導流板。在未啟動前該導流板與建筑外立面持平，從而能保持原建筑設計的基本外形。
[0082]圖12為建筑物在受控外形下得到的基底傾覆力矩與參考風速的關系。
[0083]假設在風速達到20年回歸期風速前，建筑物由基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形，得到的設計傾覆力矩如圖13所示?？梢钥闯霭催m風設計方法，本實例中的設計風荷載可以降低30%ο 100年回歸期傾覆力矩由原來的1.69 X 1iqNii減低為1.18 X 101QN-m。當風荷載是抗側結構系統(tǒng)設計的控制荷載時，30%的荷載折減量所帶來的經(jīng)濟效益是非?？捎^的。
[0084]偏保守地假設外形轉(zhuǎn)換機構(流動控制裝置的啟動機構)的事故率不超過50%，則可取外形轉(zhuǎn)換啟動風速Ut為10年回歸期參考風速。這樣在每一年內(nèi)，需要將基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形的概率僅為10%。
[0085]本實施例充分證明:局部流動控制裝置對超高層建筑的橫風向荷載的控制尤為突出，本實例的流動控制裝置主要是減低了的橫風向荷載譜的峰值部分(圖14)，因此對控制強風地區(qū)超高層建筑的橫風向響應效果更佳。
[0086]上述流動控制裝置結構簡單、效率很高，在未啟動前該裝置可與建筑立面持平，對建筑物的基本外形幾乎沒有影響，但如果采用目前的建筑外形優(yōu)化設計方法，需要將該流動控制措施處于永久開啟狀態(tài)，這一般很難被建筑師接受，采用適風設計方法克服了目前建筑外形優(yōu)化方法中的這一局限性。
[0087]本實例僅為了說明本發(fā)明的具體應用思路。適風設計方法在實際工程項目中的應用需要比上述實例詳盡很多(詳見圖4)，其中需考慮不同風向角的響應分析、結合風氣候資料的統(tǒng)計分析、除傾覆力矩之外的其它荷載效應、以及根據(jù)實際需求對不同流動控制方法的比較與優(yōu)化等問題。但其基本原理和概念設計則與上述實例一致。
【主權項】
1.超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述方法以降低風荷載和/或降低風荷載效應為目的，使所設計的建筑物具有可變化的空氣動力學外形，并包括以下步驟: (1)設計建筑的基本外形； (2)根據(jù)基本外形和抗風設計參數(shù)設計初步的結構系統(tǒng)，并按該結構系統(tǒng)確定結構將承受的風荷載； (3)根據(jù)該結構風荷載驗算所設計的結構系統(tǒng)的抗風能力，以確定是否需要降低結構風荷載； (4)如果需要降低結構風載荷，則在建筑的基本外形基礎上設計能對氣流流動實施控制的裝置，并定義該流動控制裝置啟動后的建筑外形為受控外形； (5)確定受控外形的空氣動力學參數(shù)； (6)根據(jù)受控外形的空氣動力學參數(shù)、結構動力學參數(shù)以及抗風設計參數(shù)，確定受控外形結構在強風暴狀態(tài)時的結構風荷載； (7)確定用于建筑物基本外形狀態(tài)的設計風速Un與相應的結構風荷載； (8)按照基本外形的結構風荷載與受控外形的結構風荷載兩者之間最不利的情況設計各結構構件； (9)根據(jù)基本外形狀態(tài)的設計風速Un確定建筑物由基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形的啟動風速Ut; (10)設計流動控制裝置的啟動機構，以具體實現(xiàn)建筑物在基本外形和受控外形之間的轉(zhuǎn)換。2.如權利要求1所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述步驟(2)和(6)中的抗風設計參數(shù)是指滿足建筑設計規(guī)范要求的抗風設計參數(shù)，至少包括與抗風設計回歸期一致的設計風速Ud與場地資料。3.如權利要求1所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述適風設計方法還包括完善結構設計的步驟，所述完善結構設計的步驟具體包括: (1)確定常態(tài)風狀態(tài)的設計風速Un; (2)根據(jù)以下兩階段中最不利的荷載效應驗算結構構件: a.基本外形建筑物在常態(tài)設計風速Un下的風荷載； b.受控外形建筑物在抗風設計風速Ud下的風荷載。4.如權利要求1所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述基本外形是指根據(jù)設計意圖與目標完成的建筑外形，所述受控外形是指在基本外形基礎上為適應風荷載變化而轉(zhuǎn)換形成的具有更高抗風性能的建筑外形，所述基本外形和受控外形之間可以相互轉(zhuǎn)換。5.如權利要求4所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述適風設計方法分為包括基本外形設計和受控外形設計兩個階段，所述基本外形設計階段對應常態(tài)風，所述受控外形設計階段對應強風暴，在所述基本外形設計階段的重點考慮建筑物的功能與效率，在所述受控外形涉及階段重點考慮建筑物的結構抗風安全性。6.如權利要求5所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述基本外形設計階段的風荷載設計參數(shù)允許采用低于目前抗風設計回歸期的風速或風壓驗算結構風荷載，所述受控外形設計階段的風荷載設計參數(shù)采用與目前抗風設計回歸期相同的風速或風壓驗算結構風荷載。7.如權利要求1所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述流動控制裝置能在強風預警時啟動，將建筑物由基本外形轉(zhuǎn)換為受控外形，并能在警報解除時使得建筑物由受控外形恢復為基本外形。8.如權利要求1所述的超高層建筑的適風設計方法，其特征在于:所述適風設計方法在所述步驟(10)后還包括根據(jù)上述步驟編制用戶手冊的步驟，所述用戶手冊的內(nèi)容包括:參考風速的規(guī)定、風暴預警的獲取方式以及流動控制裝置的操作與維護說明。
【文檔編號】G06F17/50GK105844041SQ201610200345
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】謝霽明
【申請人】浙江大學