[发明专利]基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法

权利要求书

1.一种基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：按以下流程进行，

一、建筑区域不同重现期的大风模拟，具体步骤为：

1）建立国家台站年最大风速和年极大风速序列；

2）用多种极值概率分布模型拟合国家台站年最大风速和年极大风速序列，找出拟合效果最佳的模型，利用该模型得出若干个风向的不同重现期的年最大风速，并基于阵风因子给出若干个风向的不同重现期的年极大风速；

3）利用地方气象站资料将其向建筑区域位置订正；

4）利用机值概率分布模型Gumbel、Frecht、Weibull、GEV或GPD模拟国家台站年最大风速和年极大风速拟合效果最优的极值分布模型；

二、CFD数值模拟：

1）在得出建筑区域不同高度、不同风向下的重现期风速后，对建筑表面风速进行模拟，将各个风向的模拟结果综合起来，最终得出建筑表面抗风等级；

2）模拟之前，先将目前建筑进行三维建模，并模拟前进行参数设置；

3）选用k-ε模型对建筑附近风场进行模拟，k-ε模型所有的控制微分方程包括连续性方程、动量方程、k方程和ε方程，具体计算公式为：

连续性方程：，

动量方程：，

K方程：，

ε方程：，

其中湍流粘性系数为，模型常量，，，，；

4）风场类型选择为WIND，入口边界层速度界面设置为高于地面的幂指数函数，幂指数为0.3，而出流面上假定风的流动已经恢复到了没有建筑物阻挡时的状态，出口压力设为大气压，设置模拟迭代次数，将各个风向和对应的风速作为初始风场，开始进行模拟；

最后，在得出了若干个情景的模拟结果后，建筑表面取若干个情景模拟结果的最大值，综合得出建筑表面的抗风等级，具体公式如下：

分别为16个情景模拟的风速，其中为直角坐标系中建筑位置。

2.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第一步的步骤4）中，使用分布模型Gumbel分布，其函数表达式为：

其中，为样本，为位置参数，为尺度参数。

3.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第二步中，利用英国帝国理工学院的CHAM研究所开发的PHOENICS软件对建筑表面风速进行模拟，并对PHOENICS进行模拟前的参数设置，PHOENICS内置多种湍流模型，包括雷诺应力模型、通量模型、多流体湍流模型和k-ε模型的各种变异，而建筑的风流动属于不可压缩、低速湍流，符合Boussinesq假设。

4.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第二步的步骤2）中，由于周围地形和建筑可能会对目标建筑的风速产生一定的影响，因此需将目标建筑附近的地形和周边建筑都实际体现。

5.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第二步的步骤4）中，在模拟时，计算区域长和宽分别为2.5 km 和2.3 km，高度为0.6 km，水平分辨率设为10 m，垂直分辨率为5 m，X、Y、Z方向分别有250、230、80个格点，模拟迭代次数设为500次。

6.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第一步中，年最大风速为10min平均年最大风速，年极大风速则为3s瞬时年极大风速，其中年最大风速细分为16风向，而年极大风速记录了对应的风向。

7.根据权利要求1所述的基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法，其特征在于：在第一步和第二步中，得用多种极值概率分布模型得出16个风向的不同重现期的年最大风速，并基于阵风因子给出16个风向的不同重现期的年极大风速。