使用風洞測試來指導易受颱風影響的地區的高層設計。
全球城鎮化趨勢導致近年來建設越來越高的高層建築,特別是在中國深圳等不斷增長的商業中心。 深圳的商業發展位於香港以北,僅在二十世紀九十年代開始。 此後,發展步伐繼續快速發展,現包括世界第四高樓,平安國際金融中心,計劃於2016年底開放。
圖片
挑戰
其位置和高度使風力裝載成為平安國際金融中心設計的主要因素。近600米高,是位於颱風偏僻地區的世界最高的建築物。這意味著建築物將經常暴露在伴隨著這些激烈的熱帶風暴的大風中。
交叉風影響。
風力對超高層建築的影響很大,主要是由於側風效應。隨著風通過建築物,它通過渦流脫落的現像在建築物的兩側產生週期性的壓力變化。所產生的強力從建築物的一側來回移動到另一側,由於共振效應而引起顯著的橫向動態響應。這些力量可能導致大的結構載荷和潛在的重大運動,特別是在高大的細長建築物中。
雖然這個項目的抵禦極度風荷載顯然是主要的挑戰,但還有一個相關的工程挑戰需要首先解決:確定在沒有固體歷史天氣數據的情況下用於設計的合適的風荷載。
設計風速。
因為建築規範通常不能提供設計超高層建築所需的所有風荷載,所以我們通常對建築物及其周圍環境進行建模,以測試其在多種風荷載條件下的性能。我們通常使用統計模型來轉換在各地區機場的風速計上收集的歷史天氣數據,以確定設計的預期風速,但由於幾個原因在這種情況下不能這樣做。
深圳的歷史天氣資料缺乏細節,沒有足夠長的時間來可靠地代表該地區長期的天氣模式。多年來天氣數據收集的幾個方面也有問題,其中包括由於深圳城市化進程迅速,氣象站的曝光量在記錄期間有顯著變化。因此,根據當地天氣記錄,不可能為該地區建立可靠的基線氣象數據。此外,在歷史颱風期間將測量的風速記錄與設計的預期風速相關聯存在不確定性。
我們的方法
由於建築設計師KPF受到世界各地極端氣候的影響,因此迫切希望使用防風設計理念來開發高效,高性能的建築。在結構設計的概念階段,我們的專家會見了KPF,討論了相關概念和結構空氣動力優化計劃。
建築外觀空氣動力學優化的這一概念已被廣泛研究,已被RWDI成功應用於眾多超高層建築。一種具體的技術包括橫截面高度變化,用於世界上最高的建築物哈吉法塔和上海中心。另一種有效的技術是通過倒角,步進等來改變建築物的角落。我們在Tapei 101大樓上採用了這種方法。
這兩種方法都在平安國際金融中心在建築示意圖設計階段使用。建築的斷面面積隨著高度的增加而逐漸縮小,並且在建築物的每一個角落都應用了減少渦流脫落的細節,優化了建築物的空氣動力特性,並有效控制了側風效應。
風力氣候模式。
準確的風力氣候模式和適當的風力負荷是良好的風力工程設計的基礎。為了替代這個項目的足夠的歷史天氣數據,我們轉向了我們的合作夥伴應用研究協會(ARA),以獲得最合理的預期的本地風速數據和不同回報期颱風的風向數據。基於受人尊敬的模型,ARA颱風模擬使用蒙特卡洛技術模擬10萬年的颱風,並提供方向和返回期間風速的可靠預測。將颱風模擬結果與我們確定的氣象數據結合起來,產生了科學合理的風速和風向結果。
通過這些裝載數據,我們進行了全面,先進的風洞測試,以驗證設計和建築性能。這些包括高頻力平衡(HFFB),氣動彈性模型,包層壓力,行人級風(PLW)等方法。然後利用最先進的統計分析技術和交叉方法結合風洞試驗結果,優化後的最終結果應用於設計中。
結果
平安國際金融中心項目取得成功的最重要因素之一就是風電工程,為結構和包層設計提供依據。 我們包括了這個項目的行人風研究,以驗證建築物附近的風力環境是否滿足要求。 除了支持這一特定項目外,深圳平安國際金融中心的風力發電研究還提供了一個全面,徹底,實用的工程參考,可以為未來超高層建築項目的設計提供參考。