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【摘要】本文探讨了建筑外形对风引起结构反应的影响，主要研究关于超高层建筑“涡旋脱落”的现象。 本文回顾了风对超高层建筑的动力影响理论并本文也提供了一些其他措施关于提出利用建筑外形来优化结构抵抗风动力作用，供结构工程师们参考和进一步研究。
【关键词】外形影响；超高层建筑；抗风性
1、引言
超高层建筑设计时主要受到风对其作用的影响，柔性的超高层建筑是风作用的敏感建筑，为了克服风荷载以及保持建筑上部居住者舒适的位移限值，传统上来讲，结构工程师主要会选择优化结构体系或者增加模态质量来减少风振运动。从而获得一个足够稳定的结构。然而位移和荷载的增加将会导致建筑物的成本增加。超高层建筑的荷载和位移常常也会受到顺风和侧风方向的动力作用放大的影响，这些影响主要的依赖于建筑的外形。本文主要介绍超高层建筑方案阶段中如何考虑建筑外形对其所受到的风的作用的影响，并结合迪拜塔外形对其抗风设计影响的实例进行说明，从而给设计师们提供一个新的角度来考虑抗风设计。
2、“涡旋脱落”现象与建筑物外形的关系：
对于超高层建筑，在设计的方案阶段，我们都可以假定其为一个固定在地面的悬臂结构，对于这样一个柔性细长的结构，自振周期通常为6s以上，那么其位于地震反应谱中地震反应的地震力较低的部分，即超高层建筑物的地震反应较低，在满足抗震设计的相关要求的大前提下基本为风控设计。然而风对超高层建筑的一个关键影响是涡旋效应，涡旋效应可以产生一个强烈的侧风向的流体力（图1），这也是区分高层建筑和超高层建筑的主要表现。
流体在物体产生大范围的，分离并形成宽阔的尾流，这样的物体我们称之为钝体。对于细长的柔性建筑物，即柔性钝体，漩涡脱落是在其两侧交替形成的（图1），漩涡脱落是导致建筑物出现横风向振动的主要原因。钝体的斯脱拉哈数是一个主要介于0.1～0.3的连续值。对于一个正方形截面，斯脱拉哈数为0.14左右，对于圆形为0.2。当fv达到建筑的固有频率fr时，则会发生共振现象，导致横向风振影响成倍的被放大。[1] 如果建筑物的固有频率增加，则会增加相应“涡旋脱落”的风速。當建筑物的固有频率增加，“涡旋脱落”的顶点也会向随之增大。如果可以将图2中“涡旋脱落”向右移动到足够远以至于发生“涡旋脱落”的风速足够大时，产生“涡旋脱落”影响会被相应的风速而控制。然而传统的方法主要是通过增加结构的刚度，来减小“涡旋脱落”的影响，但是该方法的会极大的增加建筑物的造价。特别是对于超高层建筑，如果要想使“涡旋脱落”的顶点向图形的右边移动，需要很多的材料用量来增加结构的刚度。如果考虑到图2中“涡旋脱落”的顶点对建筑物的形状很敏感，那么在优化的“建筑物形状的空气动力特性”下，“涡旋脱落”的影响可以实质性的被降低甚至是被消除。
3、增加建筑物的空气动力特性措施
因此，利用上述特性，我们可以依靠控制建筑的外形来控制风对建筑物的作用。我们可以采用以下方法通过优化建筑物形状来改善建筑物的气体动力特性。
使建筑的转角圆滑：矩形和正方形是建筑物的普遍外形，然而它们也是抵抗风的动力作用时最不利的外形，因为其会产生相对较强的“涡旋脱出力”，如果建筑物的转角可以变的圆滑，那么将可以极大的改善其受风时“涡旋脱出”的影响。台北101大厦便采用了该方法，通过阶梯式的切除10%建筑宽度的转角来获得减小侧风反应和阻力，最后获得了约25%底部弯矩的减小。
改变建筑截面形状：漩涡脱落频率主要依赖于斯脱拉哈数S和建筑物的宽度B，如果建筑宽度B可以随着建筑高度的变化而改变，例如锥形化或者逐渐减少建筑物的宽度，那么风对建筑产生的涡旋则会在不同的高度脱落成不同的频率，那么这些漩涡则会逐渐的被“混乱”和变得不连续，这样可以有效地减小相关的流体力。此外对于不同的高度采用不同的逐步减小截面，例如从正方形渐变成圆形或者其他形状。由于斯脱拉哈数会随着截面的改变而有所变化，会产生不同的“涡旋脱落”频率，由于“涡旋频率”随着高度的变化而变化，仍然会产生同样使风“混乱”的效果。
设置“敞开层”：该方法也是通过允许空气从建筑物的开孔来使一部分的流体自由流出，这样吹过建筑物的涡旋则会被减弱或者打断。
结语：
一个建筑物从方案到完成是建筑工程师和结构工程师最大程度上妥协的结果，其不仅要给人带来视觉上的美观，同时在形状上也应该力求达到较优的空气动力特性。本文的目的主要集中在讨论形状对建筑物受到风力作用时的影响，然而更进一步的研究应该包括探索如何结合结构动力性能（质量， 刚度以及阻尼等）通过优化结构的形状来提高其的抗风性能。此外，一些特定的形状，例如L形，T形以及Y形等，或者其他关于建筑物的外形因素，如圆角，长宽比等对建筑物动力特性的影响结合也需要今后进一步的研究，从而提高设计师们在概念设计时候的效率。
参考文献：
[1]结构抗风分析原理及应用[M].上海：同济大学出版社，2008.
[2]Ryan Merrick and Girma Bitsuamlak. SHAPE EFFECTS ON THE WIND-INDUCED RESPONSE OF HIGH-RISE BUILDINGS[J]. Journal of Wind and Engineering， Vol. 6， No. 2， July 2009， pp. 1-18.
【关键词】外形影响；超高层建筑；抗风性
1、引言
超高层建筑设计时主要受到风对其作用的影响，柔性的超高层建筑是风作用的敏感建筑，为了克服风荷载以及保持建筑上部居住者舒适的位移限值，传统上来讲，结构工程师主要会选择优化结构体系或者增加模态质量来减少风振运动。从而获得一个足够稳定的结构。然而位移和荷载的增加将会导致建筑物的成本增加。超高层建筑的荷载和位移常常也会受到顺风和侧风方向的动力作用放大的影响，这些影响主要的依赖于建筑的外形。本文主要介绍超高层建筑方案阶段中如何考虑建筑外形对其所受到的风的作用的影响，并结合迪拜塔外形对其抗风设计影响的实例进行说明，从而给设计师们提供一个新的角度来考虑抗风设计。
2、“涡旋脱落”现象与建筑物外形的关系：
对于超高层建筑，在设计的方案阶段，我们都可以假定其为一个固定在地面的悬臂结构，对于这样一个柔性细长的结构，自振周期通常为6s以上，那么其位于地震反应谱中地震反应的地震力较低的部分，即超高层建筑物的地震反应较低，在满足抗震设计的相关要求的大前提下基本为风控设计。然而风对超高层建筑的一个关键影响是涡旋效应，涡旋效应可以产生一个强烈的侧风向的流体力（图1），这也是区分高层建筑和超高层建筑的主要表现。
流体在物体产生大范围的，分离并形成宽阔的尾流，这样的物体我们称之为钝体。对于细长的柔性建筑物，即柔性钝体，漩涡脱落是在其两侧交替形成的（图1），漩涡脱落是导致建筑物出现横风向振动的主要原因。钝体的斯脱拉哈数是一个主要介于0.1～0.3的连续值。对于一个正方形截面，斯脱拉哈数为0.14左右，对于圆形为0.2。当fv达到建筑的固有频率fr时，则会发生共振现象，导致横向风振影响成倍的被放大。[1] 如果建筑物的固有频率增加，则会增加相应“涡旋脱落”的风速。當建筑物的固有频率增加，“涡旋脱落”的顶点也会向随之增大。如果可以将图2中“涡旋脱落”向右移动到足够远以至于发生“涡旋脱落”的风速足够大时，产生“涡旋脱落”影响会被相应的风速而控制。然而传统的方法主要是通过增加结构的刚度，来减小“涡旋脱落”的影响，但是该方法的会极大的增加建筑物的造价。特别是对于超高层建筑，如果要想使“涡旋脱落”的顶点向图形的右边移动，需要很多的材料用量来增加结构的刚度。如果考虑到图2中“涡旋脱落”的顶点对建筑物的形状很敏感，那么在优化的“建筑物形状的空气动力特性”下，“涡旋脱落”的影响可以实质性的被降低甚至是被消除。
3、增加建筑物的空气动力特性措施
因此，利用上述特性，我们可以依靠控制建筑的外形来控制风对建筑物的作用。我们可以采用以下方法通过优化建筑物形状来改善建筑物的气体动力特性。
使建筑的转角圆滑：矩形和正方形是建筑物的普遍外形，然而它们也是抵抗风的动力作用时最不利的外形，因为其会产生相对较强的“涡旋脱出力”，如果建筑物的转角可以变的圆滑，那么将可以极大的改善其受风时“涡旋脱出”的影响。台北101大厦便采用了该方法，通过阶梯式的切除10%建筑宽度的转角来获得减小侧风反应和阻力，最后获得了约25%底部弯矩的减小。
改变建筑截面形状：漩涡脱落频率主要依赖于斯脱拉哈数S和建筑物的宽度B，如果建筑宽度B可以随着建筑高度的变化而改变，例如锥形化或者逐渐减少建筑物的宽度，那么风对建筑产生的涡旋则会在不同的高度脱落成不同的频率，那么这些漩涡则会逐渐的被“混乱”和变得不连续，这样可以有效地减小相关的流体力。此外对于不同的高度采用不同的逐步减小截面，例如从正方形渐变成圆形或者其他形状。由于斯脱拉哈数会随着截面的改变而有所变化，会产生不同的“涡旋脱落”频率，由于“涡旋频率”随着高度的变化而变化，仍然会产生同样使风“混乱”的效果。
设置“敞开层”：该方法也是通过允许空气从建筑物的开孔来使一部分的流体自由流出，这样吹过建筑物的涡旋则会被减弱或者打断。
结语：
一个建筑物从方案到完成是建筑工程师和结构工程师最大程度上妥协的结果，其不仅要给人带来视觉上的美观，同时在形状上也应该力求达到较优的空气动力特性。本文的目的主要集中在讨论形状对建筑物受到风力作用时的影响，然而更进一步的研究应该包括探索如何结合结构动力性能（质量， 刚度以及阻尼等）通过优化结构的形状来提高其的抗风性能。此外，一些特定的形状，例如L形，T形以及Y形等，或者其他关于建筑物的外形因素，如圆角，长宽比等对建筑物动力特性的影响结合也需要今后进一步的研究，从而提高设计师们在概念设计时候的效率。
参考文献：
[1]结构抗风分析原理及应用[M].上海：同济大学出版社，2008.
[2]Ryan Merrick and Girma Bitsuamlak. SHAPE EFFECTS ON THE WIND-INDUCED RESPONSE OF HIGH-RISE BUILDINGS[J]. Journal of Wind and Engineering， Vol. 6， No. 2， July 2009， pp. 1-18.