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8月22日中午12時50分前后，今年第13號臺風“天鴿”在廣東珠海南部沿海登陸，登陸時風力14級(45米每秒)。中央氣象臺發布今年首個臺風紅色預警，并發布暴雨橙色預警。中國氣象局專家稱，這是今年以來登陸我國的最強臺風。
短短兩天，肆虐的臺風就已造成諸多事故，就連行人甚至車輛都被掀翻的時候，你是否想過，高樓大廈為何安然無恙?
晴朗的天空，當你走在大城市CBD（詞條“CBD”由行業大百科提供）街頭，看到林立的高樓，她們是如此地挺拔和纖細。你有沒有想過，這些細長的“竹竿”為什么不會被狂風所吹倒?如何確定它們的設計風荷載（詞條“風荷載”由行業大百科提供）?建筑的體型和立面開洞有什么"玄機"?
左：武漢綠地中心(636m) 右：蘇州中南中心(729m)
左：廣州“小蠻腰”(600m) 右：香港環球貿易廣場(484m)
什么是結構風工程?
通俗來講，結構風工程是研究結構在風荷載作用下的位移、加速度等響應，以及對建筑周圍風環境進行分析和評估，以確保建筑安全性和舒適性的一門學科。研究方法主要有4種：理論研究、現場實測、風洞試驗和數值模擬。前面三種大家比較熟悉，不過多介紹了。
數值模擬，是近年隨著計算機技術發展，運用計算流體動力學原理，模擬建筑周圍流場，從而得到建筑表面的風荷載。它的作用跟物理風洞實驗類似，也稱為“數值風洞”。
數值風洞模擬 ©華東建筑設計總院
建筑的設計風荷載
抗風設計是一個很大的范疇。它包括結構結構抗風設計、風環境、污染擴散和煙囪效應等多個方面。這里僅討結構抗風。結構抗風，又分為建筑表皮圍護結構和主體結構兩個方面。
對于超高層建筑來說，最主要的圍護結構就是玻璃幕墻。通常是通過風洞試驗，測試表面風壓系數和陣風系數，得到設計圍護結構的風荷載。
看到這里，小編激動啦，忍不住插幾句話……在臺風肆虐的情況下，我們的超高層建筑（詞條“高層建筑”由行業大百科提供）不論是按照物理風洞，還是“數值風洞”來考慮風荷載效應，都比我們通常情況下在內陸地區的超高層建筑承受的風荷載超出數倍。因此安全性的設計，不僅僅要體現在我們對建筑結構本身的考量，也要體現在我們對建筑材料應用的甄選中。
中國幕墻網Alwindoor.com總結了超高層幕墻建筑材料應用的六點建議，供廣大設計師，甲方業主單位參考：
1、 超高層幕墻最好能選用鋁板裝飾柱內側設置內開門（自然通風），代替傳統的上懸外開啟窗，不僅大大美化建筑的外立面效果，更避免臺風天氣時，上懸外開窗被強風吹落的可能，提高幕墻的整體安全性能。
2、超高層幕墻單元體幕墻玻璃選樣時，應用中空（鋼化或半鋼化）夾膠玻璃，且其夾膠面設置在室外面，這樣大大提高玻璃的耐沖擊性能，即使在外力作用下玻璃破碎，也不會發生玻璃墜落的情況，這對建筑使用者及人民群眾的生命安全做到最大化的保護。
3、超高層幕墻單元體采用的掛接方式由原始的側掛方案，改為水平掛接，不僅使現場安裝難度降低，更重要的是安裝質量和精度更易于控制，保證幕墻的結構安全性能;同時，超高層幕墻嚴格按風洞實驗的風壓值進行幕墻設計，所用構配件均應大量采用牌號和狀態為6063-T6、6063-T5鋁型材，抗拉強度為235MPa、斷后伸長率達到9.0，其氟碳三涂漆膜的厚度為49μm;這樣能夠保證材料的強度（詞條“強度”由行業大百科提供）和撓度，以及日常的氧化（詞條“氧化”由行業大百科提供）腐蝕，增強玻璃幕墻安全性能。完美的承受住臺風沖擊。
4、拉索式玻璃幕墻的五金件建議采用球鉸夾，球鉸夾具（詞條“夾具”由行業大百科提供）獨特的球鉸結構設計使得玻璃幕墻在強大的風荷載情況下仍能滿足較大的角度偏差，拉索使用的是強度更強、耐腐蝕性更好的雙相不銹鋼CD3MN材質，充分保證了整個幕墻的縱橫向承載。
5、為保證超高層玻璃幕墻的安全穩定，結構膠全部采用高模量特性的雙組份中性硅酮膠，通過針對性的調節其混合比例和控制固化時間，形成耐用、高性能以及具彈性（詞條“彈性”由行業大百科提供）的結構膠，有效抵御沿海地區的臭氧、紫外線及雨水等侵蝕，穩定的保障了建筑幕墻安全。
6、超高層幕墻的設計及施工必須是有國家相關資質及工程案例的企業單位，在超高層幕墻的設計環節要考慮到幕墻安裝應用與建筑結構主體相關條件，設計經驗豐富的設計師團隊能夠最大限度的保證方案效果，且在施工環節中能夠給予施工單位很好的技術指導和現場協調，建造出完美的超高層幕墻建筑。
臺風來了!我們相信品牌的力量!
言歸正轉，接下來，我們繼續探討建筑的抗臺風設計。
臺風導致的玻璃幕墻破壞
主體結構的抗風設計，包括測試和分析風荷載取值，計算結構在風荷載作用下的響應，從而評價結構方案的安全性和舒適性。在結構不能滿足要求時，提出方案修正的建議。
當建筑超過一定高度后，風致響應可能比地震響應更大，成為控制主體結構設計的主要作用。這時應謹慎對待風荷載的取值，通常需要借助風洞試驗和數值模擬。
通過風洞實驗，不僅僅得到建筑表面的荷載，也要得到施加到動力模型上的風振響應。目前主要用頻域的方法，并用CQC或SRSS方法等進行振型組合。
超高層結構表面風壓分布 ©吳天河 羅興隆
在完成以上分析之后，得到結構的最大響應，并進一步得到“等效靜風荷載“。所謂的等效靜風荷載，是把風荷載的最大動力作用等效轉化為靜力荷載，方便設計計算。
主體結構的抗風設計流程
一般的方案修改建議和抗風措施包括，對建筑表面進行處理(如表面增加豎條以改變粗糙度)、調整整體或部分體型以改變所受氣動荷載（詞條“動荷載”由行業大百科提供）、設置阻尼器等。
值得一提的是，結構的氣動荷載與建筑體形密切相關。因此，通過對建筑外形的精心設計，以減少結構風荷載是一個高效的方法。超高層建筑體型比選和優化也是一個重要的研究課題。
減小風荷載的方法
武漢綠地中心：形體和風槽可顯著減小風荷載
結構風振響應
風振響應分析是一個比較復雜的過程，本節嘗試用通俗地語言簡單介紹一下。風振響應分析常用頻域分析方法。經過傅立葉變換，得到其功率譜--隨頻率分布的一條曲線。
這樣做的作用有兩個：第一，對功率譜在頻域上進行積分就得到均方差;第二，通過功率譜我們可以知道荷載在頻域上的分布。我們知道，與結構的固有頻率相等或相當接近的荷載成分將會和結構發生共振響應。
計算風振響應時，我們常常把它分為平均位移和脈動位移兩部分來計算，相應的把荷載分為平均風壓和脈動風壓。脈動響應是背景響應和共振響應功率譜的疊加。其中，背景響應是除了共振頻率以外其它頻率引起的響應，主要是低頻的部分組成。
上圖給出了典型的脈動響應的功率譜，那個尖峰就是屬于共振響應的。尖峰對應的頻率就是結構的固有頻率。對上面功率譜在頻域上積分便得到脈動響應的均方差。
最終，我們把平均響應和脈動響應按一定的規則疊加起來得到最大風振響應。其中，Xmax為最大響應，為[平均響應]+[峰值因子g乘以加脈動響應的均方根]。
風振響應一般分為3類，即抖振、渦激振動和自激振動。
1.抖振
抖振主要發生在順方向的，就是由順風向風荷載的脈動作用使結構產生的受迫振動。由于風荷載具有隨機性，所以抖振其實也是一種隨機振動。這種振動現象比較容易理解，與一般的荷載作用在結構上的受迫振動類似。
2.渦激振動
渦激振動一般發生在橫方向，也就是與風向垂直的方向。你一定覺得好奇怪，為什么風從X方向來，建筑物卻在Y方向上振動?
原理是這樣的。當風從順風向吹來，在建筑物后部會形成漩渦并脫落，其脫落現象與雷諾數大小、截面形狀有關。建筑后方兩側的漩渦以一定頻率交替脫落，引起空氣的環流。由伯努利方程我們知道，上下表面形成壓力差。隨著漩渦在建筑物后面兩側交替脫落，振動力的方向也以一定頻率改變，橫風向的振動就產生了。
當漩渦脫落頻率與結構的固有頻率相對接近時，結構就會產生共振，此振動稱為”渦激共振“。渦激共振對高層建筑、高聳結構以及橋梁等細長柔性結構具有強大的殺傷力!這里還有一個參數值得一提，斯托羅哈數，表達式如下。
上式中的fv就是漩渦脫落頻率，D是結構特征尺度，一般取橫風向的寬帶，U是風速。St是斯托羅哈數，它與結構平面（詞條“平面”由行業大百科提供）形狀和雷諾數有關，與建筑的尺寸無關，故風洞試驗的縮尺模型的斯托羅哈數與實際建筑相近，可以用來描述實際建筑。通過上面公式計算出漩渦脫落頻率，設計時記得避開它!
上圖是CAARC標模(高層建筑的一個標準模型)的橫方向底部彎矩功率譜，數據來自風洞試驗。從圖中可見中間那個峰就是漩渦的脫落頻率所對應的峰，圖中橫坐標和縱坐標都進行了無量綱化處理。
3.自激振動
所謂的自激振動，是在風荷載的作用下結構產生了較大的變形和振動，而振動反過來又影響到作用在結構上的氣動力，氣動力和結構振動相互作用，即氣動彈性效應。如果這種相互作用一直持續，并且使結構振動趨于發散，就會導致氣彈失穩。自激振動有馳振和顫振兩種自激振動典型形式。
馳振是細長物體因氣流自激作用產生的一種純彎曲大幅振動。最先被發現于結冰的輸電線上，振動以行波的形式在兩根電桿之間快速傳遞，振幅可達電線直徑的十余倍，好像快馬奔騰，因此稱為馳振。
顫振最先發現于機翼上，表現為扭轉發散振動或彎扭耦合的發散振動。著名的塔科馬大橋破壞就是一個典型的顫振災害例子。
另外，也有專家將塔科馬大橋破壞的原因歸結為“卡門渦街“。我理解，卡門渦街只是漩渦脫落的一種現象，不是振動的一種。顫振正是在卡門渦街誘導下發生的，兩者并不沖突。
從太空俯瞰智利海岸的"卡門渦街"
如今，建造大型橋梁時，通過修改橋身斷面形狀，或安裝空氣穩定裝置，來改善繞過斷面的氣流，也可以通過安裝阻尼器等方式減小橋梁的振動。
CFD數值模擬
由于風洞試驗條件有一定的局限性，且成本比較高，研究人員運用CFD數值模擬的方法來替代一部分風洞試驗。目前，數值模擬的精度和穩定性還沒發展到理想的程度，作為風荷載分析的一種輔助手段，尚不能完全取代風洞試驗。
數值模擬可以分為定常模擬和非定常模擬兩大類。定常的數值模只能得出來建筑的平均風壓結果，主要代表有雷諾平均RANS方法。非定常數值模擬可以得到物理量的時程，如風壓時程，基底彎矩時程或風速時程等，并用于結構風振響應的分析。
簡單來說，非定常的數值模擬就是對物理風洞試驗的模擬。主要方法有大渦模擬LES和直接模擬DNS。近年來，大渦模擬LES越來越廣泛地應用到各種工程分析實例中;而直接模擬DNS的計算量巨大，比較難實現。
CFD數值模擬是建立在計算流體動力學的理論基礎上的。想了解更詳細的講解可以看看有關書籍，如王福軍的《計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用》。
一個典型的湍流入口速度場
大渦模擬建筑附近的流場：某時刻的速度場
上圖，我們可以看到在建筑后方有漩渦脫落的想象，通過數值模擬能夠捕捉到這種流場現象。這也是數值模擬優于風洞試驗的地方。
雖然CFD數值模擬還不能對建筑結構抗風進行完全定量的分析，但已經有學者把它運用到一些定性的分析中，如不同建筑外形方案的比選，建筑外形優化等。這是CFD數值模擬一個重要的應用方向。
CFD數值模擬的終極目標是研究出一個高效率、高精度的“數值風洞”，并可以用它來取代物理風洞。想象一下，如果未來僅需要一臺普通的電腦，就可以在短時間內完成對建筑結構抗風的分析工作，將會節省多少人力物力，可以說將是一種技術的革命!
臺風來了!請玻璃幕墻保重，請屋面板挺住!
