高层建筑风环境及其影响研究报告

高层建筑风环境及其影响研究

江清源

概述

随着经济特区的发展，一座座标志性的高层建筑拔地而起，人们自然关心风这个自然因素对这些高层建筑有什么影响？反过来这些高层建筑围又会形成一个什么样的风环境？它对城市规划建筑设计、施工和人们的生活有什么影响？近年来风工程研究工作者都在对高层建筑的风环境进行研究。

所谓“高层建筑”，联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会在1972年召开的年会上曾建议将高层建筑分为四类：即9～16层最高50米者为第一类；17～25层最高75米者为第二类；26～40层最高100米者为第三类；40层以上高于100米者为第四类高层建筑（超高层建筑）。

我国在上世纪80年代以前，10层以上就称为高层建筑。但目前的标准已定为：20层左右为中高层建筑；30层，高100米左右为高层建筑；50层，高200米以上为超高层建筑。

国外高层建筑及其群体所造成负面影响——不良风环境问题，甚至风灾，事故频发，不得不引起我们的关注和重视。国近几年来建筑物的玻璃幕墙、屋顶搭盖物被大风吹毁的事例也不少。如上世纪末回族自治区某宾馆在偶发阵风作用下，一片幕墙玻璃飞落，当场把在宾馆门口迎宾的新娘子砸死。还有大学逸夫楼在一夜大风劲吹下，所有的幕墙玻璃几乎都被吹毁。至于台风季节建筑物、结构物、幕墙玻璃及覆盖物等被风吹毁的事例，在沿海城市更是屡见不鲜的事实。如9914#台风登陆吹倒了会展中心施工塔吊，太古飞机工程公司机库钢板屋面被风掀翻，也是人所共知。

除上述建筑物及其群体在大风中其覆面材料或构件被毁坏的事例外，由于建筑物的体型及其群体布局不当而给行人及地面交通、生活环境等带来的不良风环境影响的事例也更多。

在大风季节时，高层建筑及其群体的布局，可能造成对自身及其围不良风环境，甚至风灾的课题，已责无旁贷地展现在今日城市规划、建筑设计部门、施工单位的面前。如同城市气污染、噪声污染、光污染、采光权纠纷等环境问题一样，能否在高层建筑的规划与布局伊始，事先就密地考虑到优化风环境，防不测风灾，而进行认真的论证和试验，这已成为评估城市建设规划优劣的一个重要衡量指标。显然，良好的风环境指的是，在气象工作者给出的某一大区域里风特性的条件下，为了使人们工作、居住生活与活动有一个舒适的环境，城市规划与设计部门能否力求以最小的代价去营造一个安全而舒适的风环境，来满足广大人民群众安居乐业之需。本文笔者尽所能地收集国外带有普遍性的高层建筑风环境问题的详实资料

和风洞试验数据，进行分析研究。

高层建筑在风力作用下的绕流特性

风场实测表明，对建筑物绕流特性影响最显著的是近地面风，而近地面风是有着显著的紊乱性和随机性。在一定的时间间隔，各个高度的平均风速几乎是不变的，但实际绕流风速平均值是脉动的，且风速的平均值随高度的增加按指数律增大，故通常认为风速是由不变的平均风速和变化的脉动风速两部分组成的。作用在建筑物上的风压也可归结为由静态的平均风压和动态的脉动风压两部分组成。

在风力作用下，高层建筑表面风压分布的测定，目前多在模拟大气边界层风场的风洞中对模型进行动态测量试验获得。但也有些对已建成的建筑物进行实测，以收集可贵的风荷载资料，供日后设计时参考或改造原设计之用。为阐明风力对高层建筑及其边环境的影响，下面对一座较为典型的高层建筑模型在风洞试验中观测到的典型绕流状况作简单介绍。

图1 矩形板式高层建筑典型模型绕流示意图

由图1可见，在迎风墙面上气流受阻，动压降低，静压增高，约在对称中心线上3/4高处，存在一点风速为零，即驻点O，其压强最大。由于迎面风速随高度增加而增大，相应其阻滞的静压也相应增大。故在驻点O下存在一个递降的静压梯度，迫使一股风向下流动。若建筑物下部有拱廊（过道），则有些风就加速穿过拱廊流向背风面的负压区，在拱廊里形成一股强劲的穿堂风；若建筑物整个是密封的，则在下部形成一个类似于二次流的固定旋涡，而后分两股成马蹄形流向建筑物两侧，并向背风面的负压区流去，增强背风面的吸力。由驻点O向两侧和屋顶向，由于三维效应，静压也逐渐降低，至拐角棱边处风速急剧增大，气流沿棱边分离，伴生旋涡，造成侧壁及屋顶形成较为均匀的负压区。一般而言，近侧负压绝对值稍大些，远侧则稍小些。顺流而下在建筑物背风面形成尾流区，尾流区的负压绝对值，一般边缘处略大，中心区略小。这种绕流特性对建筑物本身的搭盖物、覆盖饰物、幕墙玻璃……等的影响在后面阐述，而对近地面2米高度行人处环境风速的影响程度，经实测，一般实际情况大致如表1所示（设高层建筑物的高度为其边建筑物高度的4～8倍情况）。

表1 板式高层建筑围环境的近似风速比

高层建筑、外风环境不舒适性测评准则

高层建筑及其群体的外形、布局，随设计者的构思而异。在风力作用下，其绕流特性各异。当布局不当时，在建筑物外部往往造成局部不良的风环境：如卷起灰尘、纸屑及杂物并堆积于背风区；掀起屋顶覆盖物、破坏围护结构、幕墙玻璃、门窗等等，对广场、街道上的行人及交通安全构成威胁。此外，目前很多高层建筑采用钢结构框架，设计重量越来越轻，高度越来越高，而本身机械阻尼却越来越低，对风力作用越来越敏感，且往往是高柔性结构。尽管结构工程师能保证结构承受风荷载是安全可靠的，但风致振动，使大楼产生摆动，造成室家具碰撞产生噪声，吊灯摇晃等现象，也会使居住者心理上备感不适。这里提出一个建筑物部的风环境舒适性的问题。

1、外部风环境问题

长期以来，人们通过试验，观察制定了一个在人行街道、广场对人类活动感到不舒适的指标-“不舒适参数”Ψ，来测评近地面风环境的优劣。当Ψ≥1时，人们步行开始感到不适，伞难撑，眼难睁。步行者受风影响情况判别如表2所示。可见，仅当风速u∞≤5 m/s（或Ψ＜1）是舒适的，4～7级是不舒适的，8级以上则认为是危险的。

根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对向，可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值是不同的。常见几种高层建筑群体，布局间相互干扰而引发的不舒适风环境的试验值Ψ如下。

（1）压力连通效应如图2（1）、（2）所示，当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成