浅议低矮建筑物抗风性能及风灾评估

【摘要】本文主要分为两个部分，第一部分介绍了有关低矮建筑物抗风问题国内外的研究成果、现状以及存在的问题；第二部分阐述了包括低矮建筑物在内的风灾评估系统的建立需要做的工作，指明了发展方向。

【关键词】低矮建筑物；风工程；风灾评估

1 前言

风灾是自然灾害的主要灾种之一。风灾损失最严重的为台风、风暴潮和龙卷风所引起。

2 低矮建筑物抗风性能研究现状

研究低矮建筑风荷载作用和破坏机理的难度在于[1]：近地高紊流模拟困难；低矮建筑一般较为密集，因而干扰效应严重；雷诺数模拟也很困难；强风作用下门窗突然破坏，引起内压突增，其机理复杂。

在进行低矮建筑风洞试验时，需要注意：（1）不需要模拟完全边界层，但近地的高紊流必须尽量准确模拟；（2）模拟Re 数效应；（3）模拟Je数。

利用模型现场测量和风洞试验，已初步认识到低矮建筑的风荷载作用机理和破坏机理：（1）来流紊流及上游建筑的尾流；（2）拐角处的局部分离和漩涡脱落；（3）考虑相关性的有效峰值荷载；（4）门窗的突然破坏而导致建筑物内压的急剧变化。

从调查结果可以发现如何改善建筑外形以减小所受的风荷载,特别是屋面体系所受的风荷载是解决低层房屋抗风问题的关键。

2.1 低矮建筑物建筑体型的影响

建筑物的外观尺寸对其各个表面的平均风压系数有着明显的影响。虽然学者们对此早有定论，但是一些新的看法也逐渐提出。

国外学者采用风洞实验方法分析比较了低层房屋不同屋面形式，在不同风向角下其屋面平均风压系数的空间分布特征。并发现将平屋面的边缘由直角改为斜角，可减小屋面局部面积的平均吸力。

2.2 低矮建筑物屋檐构造的影响

2.2.1 挑檐影响

低层房屋的屋檐构造和屋面材料对屋面的风压分布有着特殊的影响。由于挑檐在迎风面上下表面均有较大风载作用，因此该部位的风载较屋面其它部位更加不利。

我国学者对我国东南沿海地区广泛采用的带挑檐的低层双坡屋面房屋进行了深入广泛的研究。近来顾明等在风洞试验基础上，采用Fluent610软件平台和雷诺应力模型，对一类带挑檐的低层双坡房屋屋面风压影响因素进行了数值模拟研究。 [2][3]

2.2.2 女儿墙影响

国外学者Kopp对局部不等高女儿墙已经做了很多试验，试验表明设置扰流板或多孔女儿墙能有效地减小屋顶角部、屋顶边缘和屋顶内部的风吸力，转角处局部加高的女儿墙或在转角处设置沟槽的女儿墙都能有效降低屋顶的风吸力。

国内学者张松等利用CFD 软件CFX10，采用SST k- X模型和结构化网格对一平屋顶低矮房屋表面平均风压进行了数值模拟结果表明，4 种女儿墙都能较好地减小屋顶角部的峰值负压。[4]

2.3 屋面材料的影响

屋面覆面材料在遭遇强风时会脱落和损害，导致整个屋盖的破坏。

研究认为在屋面覆盖层与屋面结构层之间设置一定的间隔物以使覆盖层上下保持一定的通透性，可以大大降低覆盖层表面所受的负风压，使之避免破坏。

2.4 数据库辅助设计

美国国家标准工程技术协会和德克萨斯科技大学合作进行了减轻风灾的研究，低矮建筑空气动力学数据库成为这项研究的内容之一，其目的是为抗风设计提供建筑物表面的风压时程数据。

由于低矮建筑的体型千差万别，数据库很难为设计工作提供全部体型建筑物精确的风压数据，所以采用神经网络来解决这个问题。其原理就是根据数据库中已有可供的参考建筑物表面风压时程来推算未知建筑物的表面风压时程。

3 城市风灾评估

在城市公共安全研究中，无论是各种主要的自然灾害，还是人为的工业灾害，对其监测、预报、评估以及防灾、救灾、恢复、教育、保险与综合管理的每一过程和环节都与空间的地理要素密切相关。

根据系统需求分析和开发目标, 城市公共安全应急决策支持系统主要包括以下几个系统：[6]

3.1 基础信息子系统。它具有维护和管理基础信息所需的基本功能。所谓基础信息包括城市概况、政府机构、重要公共场所、房屋建筑、基础设施等。基础设施主要包括生命线( 供水、供电、排水、通信、燃气、道路等) 、堤坝和废弃物系统。

3.2 灾害信息子系统。它具有维护和管理灾害信息所需的基本功能。灾害信息主要包括应急指挥中心、消防机构、环境机构、公安机构、医疗机构，避难场所、物资场所等。

3.3 危险源管理子系统。它对城市内的重大危险源进行管理，在地图显示出各个重大危险源的地理位置，实现对危险源信息的录入、检查及查询，并以文字、图片、视频等多媒体手段详细生动地展示单个危险源。

3.4 风灾分析子系统。通过输入台风的路径和相应风级，得到台风的影响范围，再与建筑物和种植用地图层进行叠加分析，从而可以大致预测风灾的损失。

3.5 地震、火灾、洪灾等分析子系统

3.6 公共安全规划子系统。对各类抗灾力量和重大危险源进行公共安全规划， 从而得到各抗灾力量的有效服务范围和资源设置，以及重大危险源的死亡区、重伤区和轻伤区。

3.7 应急决策子系统。为提高紧急救援反应速度和协调水平，以知识库的形式向决策者提供历史灾情库、法律法规库和突发性事故及灾害的应急预案等。

3.8 系统总控模块。以数据库、模型库和知识库作为基本信息支撑，通过总控模块构筑系统的运行环境，辅以友好的用户界面和人机对话过程，有效地实现各子系统相互之间的数据共享、互通和协调工作。

我们的任务是根据不同结构风灾的不同特点，研究风灾风险源的识别方法和灵敏度分析方法；根据风灾发生的随机性和分析评估的模糊性，考虑包括低矮建筑在内的结构风灾总风险、风险空间分布转换，工程投入、风险损失与可承受风险水平的关系，研究风灾风险分析和评估的概率方法和模糊方法及其它新方法；研究结构风险管理决策系统。

4 结论

通过上文关于低矮建筑物抗风研究现状的分析与发展风灾评估系统所需完成的任务阐述，使我们看清了我国在低矮建筑物抗风性能研究方面的成果，也看出了与国外学者及科学本质的差距，还有很多空间等待我们去研究。

参考文献：

[1]顾明.土木结构抗风研究进展及基础科学问题[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 382 - 403.

[2]王辉, 陈水福, 唐锦春. 低层房屋风压分布特性的模拟与分析[ J]. 计算力学学报, 2004, 21( 3): 272-276.

[3]顾明等.低层双坡房屋屋面平均风压影响因素的数值模拟研究.建筑结构学报,2009,30（5）:205-211.

[4]张松等. 几种实体女儿墙对低矮房屋平屋顶风荷载的影响.福州大学学报（自然科学版）,2006,34（3）:405-408.

[5]李正农等.低矮建筑物的抗风研究现状.自然灾害学报,2007,16（6）:115-121.

[6]申晓明,谢慧才,王英姿.结构风灾经济损失模型在GIS中的应用.灾害学.2002,17（3）: 1-4.

作者简介：

窦波，男，36岁，助理工程师