[发明专利]建成建筑环境下大气边界层风场特性的反演方法和系统

说明书

本发明公开了一种建成建筑环境下大气边界层风场特性的反演方法和系统，所述方法包括：根据激光雷达实测风场，获得建成建筑上游的实测粗糙度指数α_A；根据规范分析场地特征，设定场地粗糙度指数初值为α_B，基于α_B确定计算流体动力学数值风洞模型中入口边界条件并进行数值模拟仿真，得到实测位置处的粗糙度指数α_C；根据α_A和α_C的差异，调整α_B的值进行迭代计算，直至α_A和α_C之间的差异值小于精度控制指标，最终得到的场地粗糙度指数α_B及其对应的风剖面即为反演得到的建成建筑位置处的风场特性。该方法结合多普勒激光测风雷达现场实测和计算流体动力学数值模拟仿真，能够准确获得建成高层建筑处实际的自然风场特性，从而为高层建筑抗风的精细化评估提供科学依据。

技术领域

本发明涉及气象科学与建筑技术科学领域，特别是涉及一种建成建筑环境下大气边界层风场特性的反演方法和系统。

背景技术

大气边界层指受到地面摩阻影响的近地大气层，是人们从事生产、生活的主要领域，地面上建筑物的风荷载直接受到大气边界层内空气流动的影响。在大气边界层内，平均风速随高度增加而增加，至大气边界层顶部达到最大，描述这种变化的曲线称为平均风速剖面。大气边界层风场特性包括平均风速剖面和湍流强度剖面，如平均风速剖面是进行超高层建筑抗风设计的重要依据和前提，因此，准确描述高层建筑所处的大气边界层风场特性，具有重要的科学意义和工程价值。

获取大气边界层风场特性的方法有现场实测和数值模拟等手段。其中最可靠的方法是现场实测，多普勒激光测风雷达由于具有高时空分辨率、高精度、便携可移动观测和能适应复杂地形等优点，可以满足大气边界层千米高度范围内的大气三维风场高精度、精细化的实测需求，已有很多学者借助其开展大气边界层风场特性的研究。此外，随着计算机技术及理论研究的不断突破，越来越多研究者基于计算流体动力学(CFD)数值仿真手段开展大气边界层风场特性及其对建筑结构作用的研究，大气边界层风场的精细化数值模拟是计算风工程的研究热点之一。

我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)采用指数律来描述大气边界层平均风速剖面和湍流强度剖面，如式(1)和式(2)所示：

其中：

z——离地高度，单位m；

u_z——离地高度z处的平均水平风速，单位m/s；

u₁₀——离地高度10m处的平均水平风速，单位m/s；

I_z——离地高度z处的湍流强度；

I₁₀——离地高度10m处的湍流强度；

α——地面粗糙度指数，其数值与地面粗糙度类别有关，我国荷载规范将地面粗糙度分为A，B，C，D四类，各种地面粗糙度类别对应的指数分别为0.12，0.15，0.22，0.30。

随着城市的发展和地貌的变迁，使得高层建筑密集的城市地貌环境下地面真实粗糙度偏离规范理论风场模型，导致风荷载及风致响应结果估算与实际不符。

在城市中心建成区，高层建筑密集，一方面无法采用常规的测风塔开展边界层风场测量；另一方面，即使可以对建成的超高层建筑周围区域进行边界层风场实测，但由于建成的建筑占据空间，建筑本身也将影响临近区域的边界层风场特性，因此通过实测获得的建筑周边的风场特性，不能准确反映建筑位置处的边界层风场特性，也不能准确评估该建筑的真实风荷载及效应。

发明内容