[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

说明书

本发明公开了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，其主要分为两个部分，一是建筑区域不同重现期的大风模拟，二是CFD数值模拟。在利用极值分布模型模拟建筑区域的极端大风时，通过对不同的极值分布模型、参数估计方案的模拟结果进行检验，最终确定与实际值更接近的极值模型，这样比用单一的极值模型模拟的结果更可信。在CFD数值模拟中，将初始场的极端大风划分为16个风向，不同的风向对应不同的风速值，这样所得的模拟结果要比只有一个风向的极大风模拟更全面，在建筑设计中也比16个风向对应同样的风速值更节约成本。

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域，尤其涉及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。

背景技术

风是建筑物设计中需要慎重考虑的气象因子，而随着全球变暖，极端大风事件也越发频繁，风灾事故时有发生。如上世纪末宁夏某宾馆在偶发阵风下，一片幕墙玻璃飞落，当场砸死宾馆门口的行人；还有浙江大学逸夫楼在一夜大风的劲吹下，所有幕墙玻璃几乎都被吹毁；至于台风季节，建筑物、结构带、幕墙玻璃等背风吹毁的事例，在沿海城市更是屡见不鲜。因此，如何利用气候分析和数值模式，根据建筑所在地的风环境对建筑规划和布局进行指导，并精确计算建筑表面抗风等级，在防范不测风灾的同时也能节约建筑成本，已是摆在建筑设计部门、施工单位面前迫在眉睫的任务。

国外对于建筑风环境的研究始于20世纪60年代中期，1965年在伦敦举办的以“建筑构造物及其产生的风效应”为主题的会议上，Baines提出了其通过风洞实验和实地考察所得出的高层建筑的风环境影响特征，自此，风洞实验在城市建筑风环境的模拟中逐步得到应用。Stathopoulos and Wu（1995）通过风洞实验法从街道空间密度、周边建筑高度、相对位置、风向角讨论了对风速的影响情况。但是，在风洞实验中，无法同时满足所有的物理量，并且准备时间长，实验花费高，模型制造耗时费力，无法被广泛应用，随着计算机技术和模拟软件的不断发展，CFD（Computational Fluid Dynamics，可计算的流体动力学）数值模拟是现阶段应用较广泛的研究方法。相较于风洞实验，数值模拟更加方便与高效，其可行性和准确性也已经被很多学者证实，例如Blocken和Persoon在2009年采用风洞实验和CFD数值模拟对某体育场周围风环境进行平均，并对比实验结果和模拟结果，发现二者结果吻合度极高。

我国目前的建筑风载荷及抗风设计中，主要根据各台站重现期50年的最大风速来计算，但时常发生的风灾事故证明，目前建筑行业的抗风设计还存在以下几点问题。第一，随着全球变暖，极端大风灾害将变得更加频繁，重现期可以是100年甚至更长，因此应具体到各个建筑；第二，具有长时间观测资料的国家台站分布还较为稀疏，有些距离目标建筑较远，需要利用距离建筑最近的自动气象站资料进行订正；第三，很多建筑单位使用的风洞试验，忽略了周围地形和建筑对目标建筑的影响；第四，在之前的研究中，对重现期大风只考虑绝对的风速值，而没有考虑到风向，若能进行16方位大风的模拟，将对具体建筑的经济性、安全性都有很大的意义。因此，基于气候分析和数值模拟，更加精细化的计算建筑表面抗风等级，具有很大的必要性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种通过对不同的极值分布模型、参数估计方案的模拟结果进行检验，最终确定与实际值更接近的极值模型；以及在CFD数值模拟中，将初始场的极端大风划分为16个风向，模拟更全面、更节约成本、基于气候分析和数值模拟的建筑表面抗风等级设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：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；