(1)构造设计的风荷重
建築物的风荷重的理論基础
概要
老师，建筑物周围的风分析是求什么呢？
主要有三大目的。(1)结构设计的风荷重计算，(2)行人级别的风环境评估（行人舒适性），(3)自然通风规划。
对于超高层建筑，风荷重成为结构设计的主要因素。建筑基准法使用风力系数计算设计风压，但对于复杂的建筑形状或周边建筑干扰较大的情况，需要进行CFD分析。
采用CFD代替风洞试验的情况越来越多是吗？
完全正确。但建筑领域的CFD并不是风洞试验的完全替代，而是相互补充的关系。日本建筑学会的《建筑物荷重指南》中也规范了CFD分析的指导原则。
支配方程式
描述建筑物周围风流的方程式是什么？
基本上使用不可压缩的Navier-Stokes方程。建筑物周围风速M < 0.3，所以可以忽略压缩性。
风压系数定义如下。
其中$p$是局部压力，$p_\infty$是参考压力，$V_H$是建筑物高度处的参考风速。
大气边界层的风速分布常用幂律表示。
其中$\alpha$是地表面粗糙度相关的幂次指数。城市地区$\alpha \approx 0.25$--$0.35$，海上$\alpha \approx 0.10$--$0.15$左右。
明白了。作为入口边界条件，给定大气边界层风速分布就可以了。
乱流模型
让我们整理一下建筑CFD中使用的湍流模型。
| 模型 | 特性 | 在建筑风分析中的适用性 |
|---|---|---|
| 标准k-epsilon | 各向同性湍流。计算成本低 | 钝头物体的分离预测有偏低倾向 |
| RNG k-epsilon | 漩涡度依赖粘性。分离改善 | 对角柱周围流有改善效果 |
| SST k-omega | 壁面附近精度良好 | 推荐用于建筑表面风压分布 |
| LES (Smagorinsky) | 直接求解大尺度漩涡 | 峰值风压、变动风压必需 |
| DES/DDES | RANS+LES混合 | 以实务成本预测变动风压 |
用k-epsilon模型无法正确预测建筑物的分离流吗？
标准k-epsilon对钝头物体（角柱、长方体）的后方漩涡有预测不足的倾向。屋顶角部的再附着长度与实验不相符的情况很多。虽然RNG k-epsilon或可实现（Realizable）k-epsilon可以改善，但对峰值风压的预测则需要LES。
行人级别风环境
建筑物周围风（风）的评估标准是什么？
日本建筑学会规定了风环境评价标度。评估对象是行人高度（地面1.5m）的风速。
| 等级 | 年超过频率 | 环境目标 |
|---|---|---|
| 1（良好） | 10m/s超过不足1% | 住宅地、公园 |
| 2（可接受） | 10m/s超过不足5% | 一般市街地 |
| 3（略差） | 10m/s超过不足10% | 商业地区 |
| 4（差） | 10m/s超过达10%以上 | 需要对策 |
风环境评估还需要考虑全年的风向频率分布吗？
完全正确。标准做法是进行16个风向的CFD分析（22.5度间隔），结合当地气象数据（如自动气象数据）的风向频度，计算目标点的年超过频率。
东京天树为何采用"三角形随高度旋转"的空力设计
东京天树的断面在下部是正三角形，但随着高度逐渐旋转，上部接近圆形。这不仅仅是设计考虑，更是为了防止卡门漩涡引起的共振（建筑物周围风的摇晃）。圆柱形或单纯的三角形断面在特定风速下会产生同步卡门漩涡，导致大幅摇晃。而通过改变随高度变化的断面，使得漩涡难以在全高上同步。经过CFD和风洞实验验证，这一巧妙设计支撑了世界最高自立电波塔的安全。
建築物的风荷重的数値计算方法
计算区域和网格
建筑物周围CFD的计算区域应该设定多大？
日本建筑学会(AIJ)指南中有推荐值。
| 参数 | 推荐值 | 说明 |
|---|---|---|
| 入口到建筑的距离 | 5H以上 | H为建筑高度 |
| 建筑到出口的距离 | 15H以上 | 考虑后流发展 |
| 侧面距离 | 5H以上 | 遮挡率5%以下 |
| 上面距离 | 5H以上 | 遮挡率5%以下 |
| 遮挡率 | 推荐3%以下 | 建筑断面/计算域断面 |
需要把遮挡率设得这么低吗？
是的。遮挡率过高会产生人工加速效应，导致风压过高评估。理想是3%以下，最多不能超过5%。
入口边界条件
大气边界层的入口条件怎样设定？
给定幂律或对数律的风速分布。同时需要指定湍流物理量。
速度分布（对数律）：
湍流动能：
散逸率：
其中$u_*$是摩擦速度，$\kappa = 0.41$是卡门常数，$z_0$是粗糙度长度，$C_\mu = 0.09$。
$z_0$（粗糙度长）怎样确定？
根据地表面粗糙度分类使用对应的数值。
| 地表分类 | $z_0$ [m] | 幂次指数$\alpha$ | 例子 |
|---|---|---|---|
| I（海上） | 0.0002--0.005 | 0.10 | 海岸、机场 |
| II（田园） | 0.01--0.05 | 0.15 | 田地、低层住宅 |
| III（郊区） | 0.1--0.5 | 0.20 | 中层市街地 |
| IV（市街地） | 0.5--2.0 | 0.27 | 高层建筑群 |
网格策略
整理一下建筑物周围网格生成的要点。
- 建筑表面：每条边最低分10份（角部细分化）
- 地面附近：$y^+ < 1$（确保壁面剪应力精度）
- 建筑周边细化：建筑高度2倍范围内细化
- 后流域：建筑后方10H范围内不过度粗化
- 网格增长率：1.2以下
用SnappyHexMesh生成建筑周围网格是常见做法吗？
OpenFOAM的snappyHexMesh在建筑CFD中被广泛使用。可以读入STL格式的建筑形状，自动进行局部细化和棱晶层添加。STAR-CCM+的三角剖分网格采用相同方法，也很高效。
定常RANS和LES的使用区分
什么情况下需要用LES？
使用区分的目标如下。
| 目的 | 推荐方法 | 理由 |
|---|---|---|
| 平均风压分布 | 定常RANS | 实务中精度充分 |
| 峰值风压 | LES/DES | 需要预测变动成分 |
| 行人风环境（平均） | 定常RANS | 16风向高效计算 |
| 漩涡激励评估 | LES | 需要预测漩涡释放频率 |
| 自然通风 | 非定常RANS/LES | 开口部的变动风压很重要 |
仅平均风压分布的话RANS就够了吗？
是的。不过RANS对峰值风压的预测有偏低倾向。外装材的设计需要峰值风压，所以那种情况推荐用LES或DES。计算成本会是RANS的50--100倍，但能正确预测局部峰值压力，收益很大。
建筑CFD的"入口湍流分布"从何而来
建筑物周围CFD中最平凡但关键的是"入口大气边界层分布设置"。现实的风会随高度增加而产生摩擦诱导的分布，设置不当会在计算途中崩溃（非齐次性问题）。需要使用Richards-Hoxey相容条件，推导与k-ε模型壁函数假设不矛盾的分布。这种"湍流入口条件的设置方法"在AIJ和国际指南（如COST Action C14）中有详细说明，是建筑CFD特有的重要知识。
建築物的风荷重的实务適用
分析流程
请说明建筑CFD的实务步骤。
以行人风环境评估为例说明。
1. 目标建筑和周边建筑建模：从GIS数据中提取半径500m范围内的周边建筑3D模型
2. 计算域设置：符合AIJ指南（遮挡率3%以下）
3. 网格生成：500万--2000万单元（RANS）。建筑周边2--5m，行人高度1.5m处最少3层
4. 边界条件：入口给定幂律分布，出口固定0Pa，上面和侧面设为滑移壁
5. 16风向计算：22.5度间隔覆盖全部风向
6. 风环境评估：与气象数据的风向频度相结合，计算目标点年超过频率
7. 报告编制：绘制风速分布图、超过频率分布图
16个风向全部算的话工作量很大吧？
定常RANS每个风向可以在数小时内完成。16个风向2--3天即可。LES的话每个风向需要数天，16个风向不现实。所以通常只对主风向的几个方向做LES。
周边建筑的建模
周边建筑应该建模到多详细？
建模范围和详细度有标准。
| 距离 | 建模方针 | 理由 |
|---|---|---|
| 0--100m | 详细模型（含外壁凹凸） | 对目标建筑的直接影响 |
| 100--300m | 简化模型（直方体近似） | 建筑物周围风的增速效应 |
| 300--500m | 进一步简化 | 大气边界层形成 |
| 500m以上 | 用地表粗糙度代替 | 直接影响较小 |
"建筑物周围风的增速效应"具体是什么现象？
两座高层建筑间的缝隙中风速增强的"建筑物周围风效应"是代表性的。自由流风速的1.5--2.0倍都可能达到。如果目标建筑的风上方有高层建筑，其下降气流（下洗）也会对行人级别造成很大影响。
验证和合理性确认
建筑CFD的结果怎样验证？
用AIJ公开的基准工况验证是标准做法。
- 单个角柱：2:1:1角柱周围风压分布（AIJ数据库）
- 两栋并列：两栋间增速效应的验证
- 4:4:1角柱：高层建筑想定的基准工况
- 新宿副都心模型：实际市街地的风洞实验数据
用这些基准工况验证CFD设置后，再进行本体建筑分析是最佳实践。
常见失败和对策
| 症状 | 原因 | 对策 |
|---|---|---|
| 入口风速分布无法维持 | 壁函数与入口条件不协调 | 使用Richards-Hoxey型协调条件 |
| 风压系数过高 | 遮挡率过高 | 扩大计算域（遮挡率3%以下） |
| 后流非对称解 | 网格非对称、收敛不充分 | 网格对称化、强化收敛条件 |
| 地面附近风速过小 | 棱晶层不足 | 在地面上也配置$y^+=1$相当的棱晶层 |
"入口风速分布无法维持"这个问题经常听说。
k-epsilon模型中，入口湍流分布在到达建筑前会崩溃。原因是没有满足Richards-Hoxey相容条件。入口的k和ε分布需要与壁函数假设相协调。
风环境基准如何通过CFD成为建筑确认的内容
日本在2000年代开始，超高层建筑的建筑确认申请实质上需要CFD风环境评估。背景是"建筑物角部突风导致行人摔倒"的问题。日本建筑学会制定了风环境评价标准，将16个风向×多个风速的CFD分析与气象统计相结合的"年超过频率"评估法得以普及。现在"没有CFD无法通过超高层建筑确认"，建筑确认行政中融入了CFD，成为这个领域的特殊情况。
建築物的风荷重的比较
主要工具的比较
建筑风分析可用的CFD软件有哪些？
| 工具 | 开发商 | 特征 | 在建筑风分析中的优势 |
|---|---|---|---|
| Ansys Fluent | Ansys | 通用CFD | RANS/LES双对应，湍流模型丰富 |
| STAR-CCM+ | Siemens | 自动网格 | 三角剖分网格适合大规模城市模型 |
| OpenFOAM | OSS | 免费、可定制 | 在研究和中小事务所中普及 |
| WindPerfectDX | 环境仿真 | 建筑专用 | 符合日本标准、GUI操作 |
| STREAM | Cradle (MSC) | 热流体统合 | 与建筑设备设计联动 |
| Autodesk CFD | Autodesk | BIM联动 | 从Revit直接导入 |
WindPerfectDX在日本建筑行业使用很广泛吧？
是的。WindPerfectDX预置了符合AIJ指南的大气边界层入口条件，使得建筑工程师即使没有深厚的CFD专业知识也能使用。但定制性不如通用求解器。
OpenFOAM的应用
用OpenFOAM做建筑风分析的情况多吗？
在大学、研究机构中非常普遍。最大优点是无许可证成本。
建筑CFD中常用的OpenFOAM求解器：
- simpleFoam：定常RANS（行人风环境）
- pimpleFoam：非定常RANS/LES
- buoyantSimpleFoam：含浮力效应（温热环境）
标准库中已提供atmBoundaryLayerInletVelocity和atmBoundaryLayerInletEpsilon用于大气边界层入口条件。
BIM联动
BIM模型怎样连接到CFD分析？
BIM（Revit等）与CFD的连接仍在发展中。现有主要工作流程如下。
| 工作流程 | 特点 | 课题 |
|---|---|---|
| Revit → STL → CFD | 最常见 | 形状简化需手动处理 |
| Revit → Autodesk CFD | 直接连接 | 大规模城市模型不适合 |
| GIS → STL → CFD | 周边建筑的高效建模 | 需要调整LOD |
| CityGML → CFD | 城市规模 | 取决于数据整备状况 |
判断建筑形状简化到什么程度比较难。
阳台和檐口会影响行人级别的风环境，应该保留。而窗框和栏杆等翼弦1/100以下的微小形状可以省略，影响不大。不确定时进行敏感性分析最为稳妥。
工具选择指南
| 用途 | 推荐工具 | 理由 |
|---|---|---|
| 行人风环境（实务） | WindPerfectDX, Fluent | 标准符合、实绩丰富 |
| 大规模城市CFD | STAR-CCM+ | 自动网格、大规模适配 |
| 研究教育 | OpenFOAM | 免费、定制性高 |
| 设备设计联动 | STREAM | 温热·通风的统合分析 |
| BIM联动 | Autodesk CFD | 与Revit直接连接 |
BIM联动让建筑CFD进入"设计循环内"
过去建筑风环境CFD是"设计基本确定后委外给专家"的工作。但最近能从Revit的BIM模型直接生成CFD模型的Autodesk CFD和SimScale普及，建筑师本身可在设计初期运行CFD。打合中可实时确认"改变5度风向后风环境如何变化"。原本需要数周才能完成的专家分析被压缩到数小时，设计决策流程根本改变。
建築物的风荷重的前沿研究
城市规模CFD
整个城市规模的CFD分析能实现吗？
随着计算机发展，数km见方的城市规模CFD已成为可能。数亿单元的LES也能实现。
主要研究课题：
- 微气候预测：热岛现象分析。对建筑表面温度和大气热交换建模
- 污染物扩散：交通尾气、工厂排烟的城市内扩散预测
- 疫情防控：建筑通风口的气溶胶扩散仿真
- 可再生能源：城市内小型风力发电潜力评估
城市规模的话网格数量会很庞大。
1km见方的城市要分析建筑需要最低1000万单元，LES需1亿单元以上。基于GPU求解器（ProLB、XFlow等格子Boltzmann法）因计算效率而备受关注。
格子法
格子Boltzmann法（LBM）在建筑领域怎样使用？
LBM不直接求解N-S方程，而是在中观尺度模拟分子碰撞和移流。建筑风分析有大优点。
代表性的LBM求解器：
- XFlow (Dassault)：商业软件。建筑风分析实绩丰富
- ProLB：商业软件。GPU原生超高速
- Palabos：开源。研究用途
风力-构造联成
超高层建筑的风应答分析怎样做？
把CFD算出的变动风力输入结构模型，预测风应答（摇晃）。
有两种方法。
1. 单向联成：CFD的变动风力→FEM的动力分析。建筑变形对风力无影响
2. 双向FSI：CFD和FEM在每个时间步联成。涡激励等变形反馈的情况
什么样的建筑会出现涡激励问题？
建築物的风荷重的故障対応
常见问题和对策
建筑风CFD常见的问题有哪些？
1. 入口风速分布无法维持
症状：入口设定的风速分布在到达建筑前改变
原因：k-epsilon模型的壁函数与入口条件不协调，或地面粗糙度设置不当
对策：
- 使用Richards-Hoxey协调条件：$k$、$\varepsilon$分布满足平衡状态
- 将粗糙度长$z_0$转换为等效砂粗度$K_s$：$K_s = \frac{9.793 z_0}{C_s}$（$C_s$为Fluent粗度常数，默认0.5）
- 确保入口到建筑的距离充足（5H以上）
粗糙度长到Ks的转换很容易出错。
Fluent和OpenFOAM对粗度参数的定义不同，要注意。OpenFOAM用atmBoundaryLayer系列边界条件可直接指定$z_0$。
2. 行人级风速与实测不符
症状：地面1.5m处的风速CFD高于或低于实测
对策：
- 地面和建筑墙面的棱晶层设置得当（$y^+ \approx 30$--300用壁函数，或$y^+ < 1$分析壁面）
- 行人高度处至少保留3层单元
- 考虑街道树木和低层结构的建模（可用多孔体模型代替）
- 风向微小变化可能导致结果差异大，确认前后风向的敏感性
3. 建筑后方漩涡非对称
对称的建筑后流却非对称的情况有过。
症状：定常RANS中对称建筑的后方漩涡偏向一侧
原因：网格微小非对称性作为触发因素，双稳态解收敛到单侧
对策：
- 利用对称面做半模型计算（但无法捕捉非对称漩涡释放）
- 改用非定常分析并取时间平均
- 严格对称化网格
4. LES出现非物理结果
症状：LES在壁面附近出现尖刺状速度/压力
对策：
- 确认壁面附近网格满足LES分析要求（$\Delta x^+ < 50$、$\Delta z^+ < 20$）
- 重新审视亚网格尺度模型选择（推荐动态Smagorinsky）
- 确认时间步满足CFL < 1
- 确认入口湍流生成方法（涡方法、数字滤波法等）
质量保证检查清单
报告提交前应检查什么内容？
建筑CFD的质量保证检查清单：
- 计算域的遮挡率是否3%以下
- 入口分布是否在建筑位置得到维持（进行空载测试）
- 网格收敛性是否用3水平确认
- 是否用AIJ基准工况（单体角柱等）验证
- 结果是否物理合理（建筑谷间增速率1.5--2.0倍左右）
- 16风向计算是否完成
- 气象数据统计期间是否10年以上
"空载测试"是什么？
不放置建筑，只算空的计算域，确认从入口到出口大气边界层分布是否保持。分布变化在5%以内则入口条件设置恰当。这是建筑CFD的必需验证步骤。
"角地的风"比预想强的原因——走廊效应的陷阱
在密集市街地，两座大楼缝隙间的强风（走廊效应或Venturi效应）经常被CFD低估。原因有二。一是相邻建筑的高度和形状简化导致流道断面积过大。二是定常RANS无法预测非定常突风峰值。竣工后因"意外强风"而招致投诉的案例中，相当部分是这种走廊效应预测不足。用LES和现场风速计的组合做事后对策的情况屡见不鲜。
细节
错误