孪生异形建筑风致干扰效应的多维度剖析与精准防控策略

孪生异形建筑风致干扰效应的多维度剖析与精准防控策略一、引言1.1研究背景与意义在当今城市化进程不断加速的背景下，城市建设蓬勃发展，建筑风格日益多样化。其中，孪生异形建筑作为一种独特的建筑形式，逐渐在城市中崭露头角。这类建筑以其独特的造型、创新的设计理念和强烈的视觉冲击力，不仅成为城市景观的重要组成部分，更代表了当代建筑技术与艺术的融合。例如，北京的中国尊与旁边的中信大厦，二者在外形上相互呼应又各具特色，共同构成了极具现代感的城市天际线；还有苏州的东方之门，独特的“秋裤”造型不仅成为城市的标志性建筑，也展示了孪生异形建筑在地域文化表达方面的潜力。这些建筑不仅满足了人们对建筑功能的需求，更在美学和文化层面上为城市增添了独特的魅力。然而，随着孪生异形建筑数量的增加和布局的密集化，风致干扰效应逐渐成为影响建筑安全和性能的重要因素。风致干扰效应是指当多栋建筑相邻时，由于气流在建筑物之间的相互作用，导致建筑物所承受的风荷载发生变化，进而影响建筑的结构安全和正常使用。这种效应在孪生异形建筑中尤为显著，因为其独特的外形和复杂的空间布局，使得气流在建筑物周围的流动更加复杂，增加了风致干扰的可能性和强度。风致干扰效应可能导致建筑物表面风压分布不均匀，局部风压增大，从而对建筑围护结构的强度和稳定性提出更高要求。在强风作用下，风致干扰还可能引发建筑物的振动响应加剧，影响建筑内部人员的舒适度，甚至威胁到建筑的结构安全。例如，在一些沿海地区，台风季节的强风常常对相邻建筑造成严重影响，风致干扰效应使得建筑所承受的风荷载远远超过设计预期，导致建筑外墙脱落、门窗损坏等事故发生。此外，风致干扰效应还可能影响建筑的能耗，增加建筑的运营成本。因此，深入研究孪生异形建筑的风致干扰效应具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，风致干扰效应涉及到空气动力学、结构动力学等多个学科领域，研究这一问题有助于深化对复杂流固耦合现象的理解，推动相关学科的发展。通过对孪生异形建筑风致干扰效应的研究，可以揭示气流在复杂建筑外形周围的流动规律，以及风荷载在建筑物之间的传递和分布机制，为风工程理论的完善提供重要的实验和理论依据。从实际应用角度出发，准确评估风致干扰效应对建筑设计和施工具有重要的指导意义。在建筑设计阶段，考虑风致干扰效应可以优化建筑的外形和布局，合理设置建筑间距和朝向，从而减少风致干扰的影响，降低建筑的风荷载设计值，提高建筑的经济性和安全性。在施工过程中，了解风致干扰效应可以为施工方案的制定提供依据，采取相应的防护措施，确保施工安全。此外，对于既有建筑，研究风致干扰效应可以评估其在风荷载作用下的安全性，为建筑的维护和改造提供参考。综上所述，孪生异形建筑风致干扰效应的研究不仅是保障建筑安全和性能的必要手段，也是推动建筑设计创新和城市可持续发展的重要支撑。通过深入研究这一问题，可以为建筑行业的发展提供更加科学、合理的理论指导和技术支持，使孪生异形建筑在城市建设中发挥更大的作用。1.2国内外研究现状风致干扰效应作为风工程领域的重要研究内容，长期以来受到国内外学者的广泛关注。国外在该领域的研究起步较早，取得了一系列具有重要影响力的成果。Reinhold和Sykes通过对矩形高层建筑干扰效应的模型风洞试验研究，指出上游施扰建筑漩涡脱落引起的气动力是导致下游受扰建筑振动放大的主要原因，为后续研究奠定了理论基础。Sakamoto等对串列布置的两个同等大小的方形截面建筑在均匀和湍流流场中的干扰效应进行研究，发现Strouhal数的分布随着间距比的变化可分为不同区域，揭示了干扰效应与建筑间距之间的关系。Taniike在低湍流度风场中研究小宽度施扰建筑对下游建筑的干扰效应时发现，当折算风速为特定值时，下游建筑会发生横风向共振响应，进一步深化了对风致干扰共振现象的认识。国内学者在风致干扰效应研究方面也取得了丰硕成果。谢壮宁等基于高频底座力天平技术和脉动测压方法，详细研究了不同地貌下不同宽度比和高度比的两个建筑物间在不同间距下的干扰效应，并系统开展了对三个高层建筑间整体的静力、动力干扰效应和结构典型位置处的风压系数在受扰后的变化规律的研究，为群体高层建筑风致干扰效应的研究提供了重要参考。葛建斌等采用高频底座力天平方法，研究了4种不同断面形状的上游和下游施扰建筑对受扰建筑的静力和动力干扰效应，分析比较了正方形断面施扰建筑和非正方形断面施扰建筑的干扰效应的差异，拓展了风致干扰效应在不同建筑断面形状方面的研究。在孪生建筑风致干扰效应研究方面，也有不少学者开展了相关工作。例如，有研究针对超高层双塔建筑，采用数值模拟方法对其风荷载分布及风致干扰效应进行研究，分析了双塔之间的相互干扰效应，包括串列布置时的遮挡效应和并列时的狭道效应，发现狭道两侧的建筑壁面局部负压显著增加。然而，当前对于孪生异形建筑风致干扰效应的研究仍存在不足。一方面，现有研究大多集中在规则形状建筑的风致干扰问题上，对于具有复杂外形的孪生异形建筑，其独特的几何形状和空间布局所导致的复杂气流流动特性及风致干扰机制尚未得到深入揭示。另一方面，在研究方法上，虽然风洞试验和数值模拟是常用手段，但对于孪生异形建筑这种复杂结构，如何更准确地模拟其周围的流场，提高试验和模拟结果的精度，仍是亟待解决的问题。此外，目前的研究成果在实际工程应用中的转化还存在一定困难，缺乏系统的设计方法和规范指导，难以满足日益增长的孪生异形建筑设计需求。1.3研究方法与创新点为深入探究孪生异形建筑的风致干扰效应，本研究将综合运用多种研究方法，从不同角度揭示其内在机制和规律。风洞试验是研究建筑风致干扰效应的重要手段之一。通过在风洞中模拟不同的风场条件，对孪生异形建筑模型进行测试，可以获得建筑物表面的风压分布、风荷载以及结构的响应等数据。在本研究中，将根据相似性原理制作高精度的孪生异形建筑模型，确保模型能够准确反映实际建筑的几何形状和尺寸比例。利用先进的测量设备，如压力传感器、风速仪等，对模型表面的风压和周围的风速进行精确测量。同时，采用高频底座力天平技术，测量模型所受到的风荷载，获取风荷载的时程曲线和频谱特性。通过对不同工况下的试验数据进行分析，研究风致干扰效应与建筑间距、风向角、地貌类型等因素之间的关系，为后续的数值模拟和理论分析提供实验依据。数值模拟方法具有成本低、效率高、可重复性强等优点，能够对复杂的流场进行详细的分析。本研究将基于计算流体力学（CFD）理论，采用合适的湍流模型和数值算法，对孪生异形建筑周围的流场进行数值模拟。在建模过程中，充分考虑建筑的复杂外形和空间布局，对模型进行精细的网格划分，以提高模拟结果的准确性。通过数值模拟，可以得到建筑物周围的风速、压力、湍流强度等流场参数的分布情况，直观地展示气流在建筑物之间的流动特性和干扰效应。同时，将数值模拟结果与风洞试验数据进行对比验证，确保数值模拟方法的可靠性和有效性。在此基础上，进一步开展参数化研究，分析不同参数对风致干扰效应的影响规律，为建筑设计提供优化建议。理论分析是从本质上理解风致干扰效应的重要途径。本研究将结合空气动力学、结构动力学等相关理论，对孪生异形建筑的风致干扰效应进行深入分析。基于边界层理论，研究气流在建筑物表面的边界层特性，分析边界层分离、再附等现象对风荷载的影响。运用结构动力学理论，建立建筑结构的动力学模型，考虑风荷载的随机性和相关性，求解结构在风致干扰作用下的动力响应，包括位移、加速度、应力等。通过理论分析，揭示风致干扰效应的内在机制，建立风荷载与结构响应之间的数学关系，为建筑结构的抗风设计提供理论支持。本研究在多个方面具有创新点。在研究视角上，突破了传统对规则形状建筑风致干扰效应的研究局限，聚焦于具有复杂外形的孪生异形建筑，填补了该领域在这一特定建筑形式研究上的空白，从独特的建筑造型和空间布局出发，深入剖析其风致干扰的特殊规律和机制，为建筑风工程领域提供了新的研究方向和思路。在研究方法融合上，将风洞试验、数值模拟和理论分析有机结合，充分发挥各方法的优势，弥补单一方法的不足。风洞试验提供真实可靠的实验数据，数值模拟实现对复杂流场的精细分析，理论分析从本质上揭示风致干扰的物理机制，三者相互验证、相互补充，形成一套完整的研究体系，提高了研究结果的准确性和可靠性。在研究成果应用上，致力于将研究成果转化为实际工程应用，提出针对孪生异形建筑的抗风设计优化策略和建议。通过对风致干扰效应的深入研究，为建筑设计师提供科学合理的设计依据，指导他们在建筑设计阶段合理优化建筑外形、布局和结构形式，有效降低风致干扰的影响，提高建筑的抗风性能和安全性。同时，研究成果也可为相关建筑规范和标准的修订提供参考，推动建筑行业的技术进步和发展。二、风致干扰效应的基础理论2.1基本概念阐释2.1.1风致干扰效应的定义风致干扰效应是指当多栋建筑相邻时，由于气流在建筑物之间的相互作用，导致建筑物周围的风环境发生显著改变，进而使每栋建筑所承受的风荷载与它们处于孤立状态时截然不同的现象。当强风遇到相邻建筑时，气流会在建筑物的阻挡下发生复杂的流动变化。气流可能会在建筑物的迎风面受阻，形成高压区域；而在建筑物的背风面，气流则会形成漩涡，产生低压区域。这些压力的变化会直接影响建筑物所承受的风荷载大小和分布。在城市中，当两栋高层建筑相邻时，气流在它们之间的狭缝中加速流动，形成所谓的“狭道效应”，导致狭道两侧建筑表面的风压显著增大。这种风致干扰效应不仅会对建筑的围护结构产生更大的压力，增加结构设计的难度和成本，还可能引发建筑物的振动响应加剧，影响建筑内部人员的舒适度和设备的正常运行。在台风等极端天气条件下，风致干扰效应可能导致建筑结构的破坏，威胁到人们的生命财产安全。因此，深入理解风致干扰效应的定义和机制，对于保障建筑的安全性和可靠性具有至关重要的意义。2.1.2干扰因子的界定与计算干扰因子是评估风致干扰效应的关键指标，它被定义为结构受扰后风荷载与孤立状态下风荷载的比值。在实际研究中，干扰因子通常通过风洞试验或数值模拟的方法来获取。在风洞试验中，首先需要制作精确的建筑模型，模拟真实的风场条件，测量孤立建筑和受扰建筑在相同风速和风向条件下的风荷载。然后，通过计算两者风荷载的比值，即可得到干扰因子。在数值模拟中，则是利用计算流体力学（CFD）软件，对建筑周围的流场进行数值模拟，得到风荷载数据，进而计算干扰因子。干扰因子在评估风致干扰效应中发挥着不可或缺的作用。它能够直观地反映出相邻建筑对目标建筑风荷载的影响程度。当干扰因子大于1时，表明受扰建筑所承受的风荷载大于孤立状态下的风荷载，风致干扰效应呈现增强趋势；反之，当干扰因子小于1时，则意味着风致干扰效应使受扰建筑的风荷载有所减小。通过对干扰因子的分析，研究人员可以深入了解风致干扰效应的规律和特点，为建筑的抗风设计提供重要的参考依据。例如，在建筑设计阶段，设计师可以根据干扰因子的大小，合理调整建筑的布局、外形和结构形式，以减小风致干扰效应的影响，提高建筑的抗风性能。同时，干扰因子也可以作为评估既有建筑在风荷载作用下安全性的重要指标，为建筑的维护和改造提供科学依据。2.2相关理论基础2.2.1空气动力学基础空气动力学是研究空气与物体相对运动时，空气的运动规律以及空气与物体之间相互作用力的学科。在孪生异形建筑风致干扰效应的研究中，空气动力学的相关原理起着至关重要的作用。伯努利方程是空气动力学中的重要方程，它基于机械能守恒定律，描述了理想流体在同一流管中流动时，单位体积流体的动能、势能和压力势能之和保持不变。在实际应用中，对于低速、不可压缩且粘性可忽略的空气流动，伯努利方程可简化为p+\frac{1}{2}\rhov^{2}+\rhogh=常量，其中p为压力，\rho为空气密度，v为流速，h为高度。当气流流经孪生异形建筑时，由于建筑外形的复杂变化，气流的速度和压力会发生相应改变。在建筑的迎风面，气流受阻速度减小，根据伯努利方程，压力会升高；而在建筑的背风面或侧面，气流速度加快，压力降低，形成负压区。这种压力的分布变化直接影响着建筑所承受的风荷载大小和分布，进而对风致干扰效应产生重要影响。例如，在两栋相邻的孪生异形建筑之间的狭缝区域，气流加速，压力降低，形成狭道效应，导致狭缝两侧建筑表面的风压显著增大。边界层理论则研究流体在固体表面附近的流动特性。当气流流过建筑表面时，由于空气的粘性作用，在建筑表面会形成一层流速逐渐变化的边界层。边界层的厚度和特性与气流的速度、建筑表面的粗糙度等因素密切相关。在边界层内，气流速度从建筑表面的零值逐渐增加到外部主流速度。边界层的存在对建筑的风荷载和气流绕流特性有着重要影响。边界层的分离现象会导致建筑背风面形成较大的漩涡区，增加建筑的阻力和尾流效应，从而影响相邻建筑的风环境。而边界层的再附现象则会改变建筑表面的压力分布，对风致干扰效应产生复杂的影响。例如，在建筑的拐角处，边界层容易发生分离，形成强烈的漩涡，这些漩涡不仅会增加建筑自身的风荷载，还可能对周围建筑产生干扰，引发风致振动等问题。此外，边界层的厚度和稳定性还会影响气流对建筑表面的侵蚀作用，进而影响建筑的耐久性。2.2.2结构动力学原理结构动力学主要研究结构在动荷载作用下的响应和动力特性。在风荷载作用下，孪生异形建筑会产生振动响应，这些响应与建筑的结构特性密切相关。振动方程是描述结构在动力荷载作用下运动的基本方程。对于线性弹性结构，在风荷载作用下的振动方程通常可以表示为M\ddot{u}+C\dot{u}+Ku=F(t)，其中M为结构的质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，u为位移向量，\dot{u}为速度向量，\ddot{u}为加速度向量，F(t)为风荷载向量。风荷载具有随机性和脉动性，其作用下结构的振动响应也呈现出复杂的特性。风荷载的脉动成分会引起结构的共振响应，当风荷载的频率与结构的固有频率接近时，共振现象会导致结构的振动幅度显著增大，对结构的安全性构成严重威胁。例如，在一些超高层孪生异形建筑中，由于结构的柔性较大，固有频率较低，在强风作用下容易发生共振，导致结构的位移和加速度响应超出设计允许范围，从而影响建筑的正常使用和结构安全。模态分析是结构动力学中的重要分析方法，它通过求解结构振动方程的特征值和特征向量，得到结构的固有频率和振型。固有频率是结构的固有属性，反映了结构在自由振动时的振动特性；振型则描述了结构在不同振动模态下的变形形状。了解结构的固有频率和振型对于分析风致干扰效应至关重要。在孪生异形建筑中，由于结构的复杂性，其固有频率和振型分布较为复杂。不同的固有频率对应着不同的振动模态，而风荷载的频谱成分也较为复杂，当风荷载的某些频率成分与结构的固有频率相匹配时，会激发结构的特定振型，导致结构的振动响应加剧。例如，当风荷载的频率与结构的一阶固有频率接近时，会主要激发结构的一阶振型，使结构在该振型下的振动响应显著增大。通过模态分析，可以确定结构的主要振动模态和对应的固有频率，为评估风致干扰效应和进行结构抗风设计提供重要依据。在设计过程中，可以通过调整结构的刚度和质量分布，改变结构的固有频率，避免与风荷载的频率成分发生共振，从而提高结构的抗风性能。三、孪生异形建筑风致干扰效应的影响因素3.1建筑几何形态3.1.1平面形状的影响建筑的平面形状是影响风致干扰效应的重要因素之一。不同的平面形状会导致气流在建筑物周围的流动特性发生显著变化，从而对风致干扰效应产生不同程度的影响。以圆形截面建筑为例，由于其形状较为圆润，气流在绕流过程中相对较为顺畅，不易产生明显的气流分离和漩涡。当两栋圆形截面的孪生建筑相邻时，它们之间的气流相互作用相对较弱，风致干扰效应也相对较小。这是因为圆形截面能够有效地引导气流绕过建筑，减少气流在建筑表面的停滞和压力集中，使得建筑所承受的风荷载分布相对均匀。在一些实际工程中，如某些大型冷却塔，其圆形的平面形状使其在风荷载作用下具有较好的稳定性，相邻冷却塔之间的风致干扰效应也不明显。相比之下，方形截面建筑的棱角较为突出，气流在流经建筑时容易在棱角处发生分离，形成较大的漩涡。当两栋方形截面的孪生建筑相邻时，这些漩涡会在两建筑之间相互作用，导致风致干扰效应增强。在串列布置的方形截面孪生建筑中，上游建筑的尾流会对下游建筑产生较大的影响，使得下游建筑所承受的风荷载增大，尤其是在横风向的作用力明显增强。同时，由于方形建筑的迎风面和背风面压力差较大，也会增加建筑所承受的整体风荷载。例如，在城市中的一些方形高层建筑群中，常常可以观察到相邻建筑之间的风致干扰现象较为明显，导致建筑表面的风压分布不均匀，局部区域的风压值显著增大。三角形截面建筑的平面形状具有独特的空气动力学特性。由于其尖角的存在，气流在流经建筑时会产生强烈的气流分离和漩涡脱落现象。当两栋三角形截面的孪生建筑相邻时，这种气流分离和漩涡脱落现象会在两建筑之间相互叠加，使得风致干扰效应更加复杂。在并列布置的三角形截面孪生建筑中，两建筑之间的狭缝区域会形成高速气流，导致狭缝两侧建筑表面的风压急剧增大，形成所谓的“狭道效应”。同时，三角形建筑的非对称形状还会导致气流在建筑周围的流动产生不对称性，进一步增加了风致干扰效应的复杂性。例如，在某些具有三角形平面形状的标志性建筑中，由于其独特的外形和周围建筑的相互干扰，风致干扰效应成为影响建筑结构安全和舒适度的重要因素。为了更直观地了解不同平面形状建筑的风致干扰效应差异，研究人员通过风洞试验和数值模拟等方法进行了大量的研究。在一项针对圆形、方形和三角形截面建筑的风洞试验中，分别测量了孤立建筑和相邻建筑状态下的风荷载。结果表明，方形截面建筑在相邻状态下的干扰因子明显高于圆形截面建筑，而三角形截面建筑的干扰因子则更为复杂，在不同的风向角和间距条件下呈现出较大的变化。数值模拟结果也进一步验证了试验结论，通过对建筑周围流场的可视化分析，可以清晰地看到不同平面形状建筑周围气流的流动特性和干扰效应的差异。综上所述，建筑的平面形状对风致干扰效应有着显著的影响。在孪生异形建筑的设计过程中，应充分考虑平面形状的选择，通过优化平面形状来减小风致干扰效应，提高建筑的抗风性能和安全性。同时，对于不同平面形状建筑的风致干扰效应，还需要进一步深入研究，以揭示其内在的物理机制和规律，为建筑设计提供更加科学的依据。3.1.2立面造型的作用建筑的立面造型是影响风致干扰效应的另一个重要因素。立面造型的多样性，如建筑的凹凸、退台等设计，会显著改变建筑周围的气流流动模式，进而对风致干扰效应产生重要作用。当建筑立面存在凹凸设计时，气流在流经这些凹凸部位时会发生复杂的变化。在凸起部位，气流会被压缩加速，导致局部风速增大，压力降低，形成负压区；而在凹陷部位，气流则容易形成漩涡，使得压力分布不均匀。当两栋存在凹凸立面造型的孪生建筑相邻时，这些气流变化会在两建筑之间相互作用，加剧风致干扰效应。例如，在某对具有凹凸立面的孪生高层建筑中，由于建筑外立面的凹凸设计，在强风作用下，气流在两建筑之间的凹凸部位形成了强烈的漩涡和气流分离现象，导致建筑表面的风压分布极不均匀，局部风压值大幅增加，对建筑的围护结构造成了较大的压力。这种情况下，建筑的抗风设计需要充分考虑这些局部风压的影响，加强围护结构的强度和稳定性。退台设计也是常见的建筑立面造型方式之一，它对风致干扰效应同样有着显著影响。退台使得建筑的竖向轮廓发生变化，气流在流经退台处时会发生气流的跳跃和分离。在有退台的孪生建筑中，这种气流变化会在两建筑之间产生相互作用，影响风致干扰效应。当两栋退台建筑并列布置时，退台处的气流跳跃会导致两建筑之间的气流速度和压力分布发生改变，可能在某些区域形成较强的气流冲击和压力集中。同时，退台还会改变建筑的整体空气动力学外形，使得建筑的尾流特性发生变化，进而影响相邻建筑的风环境。例如，在一些采用退台设计的商业综合体建筑中，相邻的退台建筑之间的风致干扰效应较为明显，不仅影响了建筑的风荷载分布，还对周围的行人风环境产生了不利影响，需要通过合理的设计措施来改善。为了研究立面造型对风致干扰效应的具体影响，研究人员进行了相关的实验和模拟分析。通过风洞试验，对具有不同凹凸和退台设计的孪生建筑模型进行测试，测量其表面风压和周围流场参数。结果表明，凹凸和退台设计会使建筑的风致干扰效应在不同程度上增强，且干扰效应的大小和分布与凹凸和退台的位置、尺寸以及建筑之间的相对位置密切相关。数值模拟则进一步从流场的角度揭示了气流在建筑立面造型影响下的复杂流动特性，为深入理解风致干扰效应提供了有力的支持。在实际建筑设计中，考虑立面造型对风致干扰效应的影响具有重要意义。设计师可以通过合理的立面造型设计，如优化凹凸和退台的位置与尺寸，来调整建筑周围的气流流动，减小风致干扰效应。同时，还可以结合其他抗风设计措施，如设置导流板、优化建筑间距等，进一步提高建筑的抗风性能，确保建筑在风荷载作用下的安全和稳定。3.2相对位置关系3.2.1间距变化的影响孪生异形建筑之间的间距变化对风致干扰效应有着显著的影响。随着间距的改变，气流在建筑物之间的流动特性发生变化，从而导致风致干扰效应呈现出不同的规律。当孪生异形建筑间距较小时，气流在两建筑之间的通道中受到强烈的约束，流速显著增加，形成明显的狭道效应。这种狭道效应使得两建筑相对面的风压急剧增大，尤其是在建筑的拐角和边缘部位，风压值可能会达到孤立建筑时的数倍。在两栋间距较小的孪生高层建筑中，由于狭道效应，建筑相对面的窗户承受了巨大的风压，导致多扇窗户玻璃破裂。同时，较小的间距还会使得上游建筑的尾流对下游建筑的影响加剧，下游建筑处于上游建筑的强尾流区，其表面的风压分布变得更加不均匀，风荷载显著增大。研究表明，当间距比（两建筑中心线间距与建筑特征宽度之比）小于一定值时，下游建筑的顺风向平均风荷载可增加20%-50%，横风向风荷载的增幅可能更大。随着间距逐渐增大，狭道效应逐渐减弱，气流在两建筑之间的流动变得相对顺畅。当间距达到一定程度时，两建筑之间的相互干扰作用明显减小，风致干扰效应逐渐趋近于孤立建筑的情况。此时，建筑表面的风压分布逐渐恢复到相对均匀的状态，风荷载也逐渐减小至孤立建筑时的水平。通过风洞试验和数值模拟研究发现，当间距比大于5-8时，孪生异形建筑之间的风致干扰效应可以忽略不计，建筑的风荷载主要由自身的几何形状和来流风特性决定。为了更准确地研究间距变化对风致干扰效应的影响，研究人员通常采用风洞试验和数值模拟相结合的方法。在风洞试验中，通过改变模型之间的间距，测量不同工况下建筑表面的风压分布和风荷载大小。在数值模拟中，利用计算流体力学软件，对不同间距条件下的流场进行精确模拟，分析气流的速度、压力和湍流强度等参数的变化规律。通过对试验和模拟结果的对比分析，可以深入揭示间距变化对风致干扰效应的影响机制，为建筑设计提供科学的依据。在实际建筑设计中，合理确定孪生异形建筑之间的间距是减小风致干扰效应的关键措施之一。设计师应根据建筑的功能需求、场地条件和抗风要求等因素，综合考虑确定合适的间距。在城市中心等土地资源紧张的区域，虽然难以实现较大的间距，但可以通过优化建筑布局和外形，如采用错位布置、设置导流板等措施，来缓解风致干扰效应。而在土地资源相对宽松的地区，则应尽量增大建筑间距，以确保建筑在风荷载作用下的安全性和稳定性。3.2.2角度差异的作用孪生异形建筑之间的相对角度差异也是影响风致干扰效应的重要因素之一。不同的相对角度会导致气流在建筑物之间的流动路径和相互作用方式发生变化，进而对风致干扰效应产生显著影响。当孪生异形建筑呈平行布置时，气流在两建筑之间的流动相对较为规则，主要表现为狭道效应和尾流效应。在这种情况下，狭道效应使得两建筑相对面的风压增大，而尾流效应则对下游建筑的风荷载产生影响。两栋平行布置的孪生高层建筑，在强风作用下，两建筑之间的狭道区域风速明显增大，相对面的风压升高，同时下游建筑由于处于上游建筑的尾流区，其表面风压分布不均匀，风荷载有所增加。随着相对角度的逐渐改变，气流在建筑物之间的流动变得更加复杂。当建筑呈一定角度布置时，气流在绕过建筑时会发生偏转和分离，形成复杂的漩涡和气流相互作用区域。在这个过程中，建筑表面的风压分布会发生显著变化，风致干扰效应也会相应改变。例如，当两栋建筑呈45°夹角布置时，气流在两建筑之间的流动不再规则，会形成多个漩涡中心，导致建筑表面的风压分布极不均匀，局部区域的风压值可能会出现异常增大或减小的情况。这种复杂的气流流动和压力分布变化会对建筑的围护结构和结构安全产生较大影响，增加了建筑抗风设计的难度。相对角度的变化还会影响风致干扰效应的方向性。在不同的风向角下，建筑之间的相对角度对风致干扰效应的影响也不同。在某些风向角下，特定的相对角度可能会导致风致干扰效应增强，而在其他风向角下则可能减弱。因此，在研究风致干扰效应时，需要综合考虑风向角和相对角度的共同作用。通过风洞试验和数值模拟研究发现，当风向与建筑相对角度形成特定夹角时，可能会引发共振现象，使得建筑的振动响应急剧增大，对建筑的安全性构成严重威胁。为了深入了解相对角度差异对风致干扰效应的作用机制，研究人员采用了多种研究方法。风洞试验中，通过调整模型之间的相对角度，测量不同工况下建筑表面的风压、风荷载以及结构的振动响应等参数。数值模拟则利用先进的计算流体力学算法，对不同相对角度下的流场进行精细模拟，分析气流的流动特性和压力分布规律。通过对试验和模拟结果的深入分析，可以揭示相对角度差异对风致干扰效应的影响规律，为建筑设计提供更全面的参考。在实际建筑设计中，考虑孪生异形建筑之间的相对角度差异对于优化建筑布局和抗风设计具有重要意义。设计师可以通过合理调整建筑的相对角度，利用气流的自然流动特性，减小风致干扰效应。在设计过程中，可以通过多方案的对比分析，选择风致干扰效应最小的建筑相对角度，同时结合其他抗风措施，如设置防风屏障、优化结构形式等，提高建筑的抗风性能，确保建筑在各种风况下的安全和稳定。3.3环境因素3.3.1地貌类型的影响地貌类型是影响孪生异形建筑风致干扰效应的重要环境因素之一。不同的地貌类型，如B类地貌（指有密集建筑群的城市市区）和D类地貌（指有密集建筑群且房屋较高的城市市区），具有不同的地形特征和地表粗糙度，这会导致风场特性发生显著变化，进而对风致干扰效应产生不同程度的影响。在B类地貌中，由于建筑群相对较为稀疏，地表粗糙度相对较小，风在传播过程中受到的阻碍相对较小，气流较为顺畅。当孪生异形建筑处于B类地貌时，风致干扰效应相对较弱。在这种地貌条件下，气流能够较为自由地绕过建筑，建筑之间的气流相互作用相对较小，风荷载的分布相对较为均匀。在一些城市的新区，建筑布局相对较为宽松，B类地貌特征明显，相邻的孪生异形建筑之间的风致干扰效应并不明显，建筑所承受的风荷载与孤立状态下的差异较小。然而，在D类地貌中，情况则截然不同。D类地貌中建筑群高度密集且房屋较高，地表粗糙度大，风在传播过程中会受到强烈的阻碍，导致风场变得复杂。当孪生异形建筑处于D类地貌时，风致干扰效应会显著增强。在这类地貌中，气流在建筑物之间频繁受阻、转向和分离，形成复杂的漩涡和湍流。这些漩涡和湍流会加剧建筑之间的气流相互作用，使得风荷载分布更加不均匀，局部风压显著增大。在城市的中心商务区，高楼林立，D类地貌特征显著，相邻的孪生异形建筑之间的风致干扰效应十分明显，建筑表面的风压分布呈现出复杂的变化，一些局部区域的风压甚至可能超过设计值的数倍，对建筑的结构安全构成严重威胁。地貌类型还会影响风场的湍流强度和边界层厚度。在D类地貌中，由于建筑物的阻挡和摩擦作用，风场的湍流强度明显增大，边界层厚度也会增加。这些变化会进一步影响气流在建筑物周围的流动特性，增强风致干扰效应。较高的湍流强度会导致气流的脉动加剧，使得建筑所承受的风荷载的脉动成分增加，从而增加结构的动力响应。而增厚的边界层会使气流在建筑表面的分离点提前，增大建筑的阻力系数，进一步增大风荷载。为了研究地貌类型对风致干扰效应的影响，研究人员通常采用风洞试验和数值模拟相结合的方法。在风洞试验中，通过模拟不同地貌类型的风场，对孪生异形建筑模型进行测试，获取风荷载和表面风压数据。在数值模拟中，利用计算流体力学软件，建立不同地貌条件下的风场模型，分析气流的流动特性和干扰效应。通过对试验和模拟结果的对比分析，可以深入了解地貌类型对风致干扰效应的影响机制，为建筑设计提供科学依据。在实际建筑设计中，考虑地貌类型对风致干扰效应的影响至关重要。对于处于D类地貌的孪生异形建筑，设计师应采取更加严格的抗风设计措施，如增加结构的强度和刚度、优化建筑外形和布局等，以提高建筑的抗风性能。同时，还可以通过设置防风屏障、增加建筑间距等措施，减小风致干扰效应的影响，确保建筑在强风作用下的安全和稳定。3.3.2风速风向的作用风速和风向是影响孪生异形建筑风致干扰效应的关键因素，它们的变化会导致风致干扰效应呈现出复杂的变化规律。风速的大小直接影响风荷载的大小。随着风速的增加，作用在建筑上的风荷载也会相应增大。在孪生异形建筑中，风速的变化不仅会影响单体建筑的风荷载，还会改变建筑之间的气流相互作用，从而影响风致干扰效应。当风速较低时，气流在建筑之间的流动相对较为平稳，风致干扰效应相对较弱。随着风速的逐渐增大，气流的动能增加，建筑之间的气流相互作用加剧，风致干扰效应也会增强。在强风条件下，如台风、飓风等，风速极高，建筑所承受的风荷载大幅增加，风致干扰效应可能会导致建筑结构的破坏。在一些沿海地区，台风来袭时，相邻的孪生异形建筑由于风致干扰效应，出现了外墙脱落、门窗损坏等情况，严重影响了建筑的正常使用和安全。风向的改变会导致气流在建筑周围的流动路径发生变化，进而影响风致干扰效应。不同的风向角下，建筑之间的相对位置关系对风致干扰效应的影响也不同。在某些风向角下，建筑之间可能会形成狭道效应，使得两建筑相对面的风压急剧增大；而在其他风向角下，可能会出现遮挡效应，导致下游建筑的风荷载减小。当风向垂直于两栋孪生异形建筑的连线时，狭道效应最为明显，两建筑相对面的风压显著增大，对建筑的围护结构造成较大压力。而当风向与建筑连线平行时，遮挡效应较为突出，下游建筑处于上游建筑的尾流区，风荷载相对较小，但尾流的不稳定性可能会引发建筑的振动。风速和风向的组合变化会使风致干扰效应更加复杂。在不同的风速和风向组合下，建筑周围的流场特性会发生显著变化，导致风致干扰效应呈现出多样化的特征。在高风速且风向与建筑夹角较大的情况下，气流在建筑之间的流动更加紊乱，风致干扰效应可能会达到最大值。这种情况下，建筑表面的风压分布极不均匀，局部区域的风压值可能会远超设计值，对建筑的结构安全构成极大威胁。为了深入研究风速和风向对风致干扰效应的作用，研究人员通常采用风洞试验、数值模拟和现场实测等方法。在风洞试验中，通过改变风速和风向，对孪生异形建筑模型进行测试，获取不同工况下的风荷载和表面风压数据。数值模拟则利用先进的计算流体力学算法，对不同风速和风向条件下的流场进行精确模拟，分析气流的速度、压力和湍流强度等参数的变化规律。现场实测则是在实际建筑周围设置风速仪、风压传感器等设备，实时监测风速和风向的变化以及建筑所承受的风荷载，为研究提供真实可靠的数据支持。在实际建筑设计中，充分考虑风速和风向对风致干扰效应的影响是保障建筑安全的重要措施。设计师应根据当地的气象资料，分析不同风速和风向出现的频率和强度，结合建筑的功能需求和场地条件，合理设计建筑的外形、布局和结构形式，以减小风致干扰效应的影响。在建筑布局时，可以根据当地主导风向，合理调整建筑的朝向和间距，避免在强风方向上形成狭道效应或遮挡效应。同时，还可以通过设置导流板、防风墙等措施，引导气流的流动，降低风致干扰效应，确保建筑在各种风况下的安全和稳定。四、风致干扰效应的研究方法4.1风洞试验4.1.1试验原理与流程风洞试验是研究孪生异形建筑风致干扰效应的重要手段之一，其基本原理基于运动的相对性原理和相似性原理。根据运动的相对性原理，当建筑模型固定在风洞中，让气流以一定速度流过模型时，所产生的空气动力与建筑在实际风中运动时所受到的空气动力是等效的。这就使得我们能够在实验室环境中，通过模拟气流对建筑模型的作用，来研究建筑在真实风环境下的风致干扰效应。相似性原理则要求模型与实际建筑在几何形状、运动状态、受力情况等方面满足相似条件。在几何相似方面，模型的形状应与实际建筑完全相似，且各部分尺寸按照一定的比例缩小，这个比例称为几何缩尺比。通常情况下，建筑结构风洞试验的几何缩尺比选择在1:50到1:200左右，既能充分反映原型建筑物的结构特征和流场特性，又能满足风洞试验的空间限制。在运动相似方面，模型周围气流的速度分布应与实际建筑周围的气流速度分布相似，这就需要根据相似准则，精确控制风洞中的风速。在受力相似方面，作用在模型上的各种力，如风力、惯性力、粘性力等，应与实际建筑上的相应力成比例。通过满足这些相似条件，风洞试验的结果可以有效地推算到实际建筑中，为建筑设计和分析提供可靠依据。风洞试验的具体流程涵盖多个关键环节，每个环节都对试验结果的准确性和可靠性有着重要影响。模型制作是风洞试验的首要步骤，也是至关重要的环节。模型的质量直接关系到试验结果的精度，因此必须严格按照实际建筑的比例和细节进行制作。首先，根据实际建筑的设计图纸，确定模型的几何缩尺比。然后，选用合适的材料进行制作，常见的模型材料包括木材、塑料、金属等，需根据不同的试验目的和要求进行选择。例如，对于一些对模型刚度要求较高的试验，可能会选择金属材料；而对于一些对模型制作工艺要求较高、需要精细加工的试验，则可能会选择塑料或木材。在制作过程中，要确保模型的形状、尺寸与实际建筑完全一致，模型表面应光滑无缝，不能有影响气流的凹凸不平。同时，模型还应具有良好的稳定性，能够经受强风作用而不发生移位或变形。对于孪生异形建筑模型，由于其外形复杂，制作难度较大，需要采用先进的制造技术和工艺，如3D打印技术等，以确保模型能够准确地再现实际建筑的复杂外形和结构细节。风场模拟是风洞试验的核心环节之一，其目的是在风洞中营造出与实际风环境相似的气流条件。不同的地貌类型具有不同的风场特性，如风速剖面、湍流强度等，因此在进行风场模拟时，需要根据实际建筑所处的地貌类型，如B类地貌（指有密集建筑群的城市市区）、D类地貌（指有密集建筑群且房屋较高的城市市区）等，来调整风洞的参数。通过在风洞前段设置尖塔、立方体粗糙元和锯齿带等扰流装置，以及调整风机的转速和叶片角度等，可以使试验段的风剖面在风速、湍流度等方面与理论风剖面相吻合。在模拟B类地貌风场时，需要根据B类地貌的风速剖面和湍流强度特点，合理设置扰流装置和风机参数，使风洞中的风场能够准确地模拟实际的B类地貌风环境。同时，还需要对风场的均匀性和稳定性进行检测，确保风场满足试验要求。数据测量是风洞试验获取关键信息的重要环节，通过在模型表面布设各种传感器，能够精确测量模型在风荷载作用下的各项参数。压力传感器是常用的测量设备之一，通过在模型表面按照一定的布局方式布置压力传感器，可以测量模型表面不同位置的静压分布。这些静压数据对于分析建筑表面的风压分布、确定风荷载的大小和分布规律具有重要意义。风速仪则用于测量风洞中的风速，通过在不同位置和高度设置风速仪，可以获取风场的速度分布信息，了解气流在模型周围的流动特性。在测量过程中，需要对传感器进行校准，确保测量数据的准确性。同时，还需要对测量数据进行实时采集和记录，以便后续的分析和处理。为了提高数据测量的精度和效率，还可以采用先进的数据采集系统和自动化测量设备，实现对大量数据的快速、准确采集。4.1.2案例分析：[具体项目]风洞试验以某城市的一对孪生异形超高层建筑风洞试验为例，该项目位于城市中心的D类地貌区域，两栋建筑高度均为300米，平面形状为不规则多边形，立面造型具有独特的凹凸和退台设计。由于其特殊的地理位置和复杂的建筑外形，风致干扰效应可能对建筑的结构安全和正常使用产生显著影响，因此开展风洞试验具有重要的现实意义。在模型制作环节，严格按照1:200的几何缩尺比，选用高强度铝合金材料制作模型。利用先进的数控加工技术，确保模型的形状和尺寸与实际建筑高度吻合，模型表面经过精细打磨处理，粗糙度符合试验要求。同时，在模型内部设置了加强结构，以保证模型在风洞试验中的稳定性，防止因风力作用而发生变形或损坏。风场模拟过程中，针对D类地貌的特点，在风洞前段精心布置了尖塔、立方体粗糙元和锯齿带等扰流装置，并通过多次调试风机的转速和叶片角度，成功模拟出了与实际D类地貌风场相似的风速剖面和湍流强度分布。经检测，风洞试验段的平均风速和湍流度分布与理论值的偏差均控制在允许范围内，满足试验要求，为后续的数据测量提供了可靠的风场条件。在数据测量阶段，在模型表面均匀布置了500个高精度压力传感器，覆盖了建筑的各个关键部位，包括迎风面、背风面、侧面以及凹凸和退台部位等。同时，在风洞的不同位置和高度安装了10个风速仪，用于测量风场的速度分布。在不同风速和风向条件下进行试验，通过数据采集系统实时记录模型表面的静压和风速数据。在风速为20m/s、风向角为0°（垂直于两建筑连线）的工况下，采集到了模型表面的静压数据，并绘制出了风压系数分布图。通过对试验数据的深入分析，获得了一系列有价值的结果。在风压分布方面，发现两建筑相对面在狭道效应的影响下，风压显著增大，局部风压系数最大值达到了3.5，远高于孤立建筑时的风压系数。这表明在风致干扰效应的作用下，建筑的围护结构承受着更大的压力，对其强度和稳定性提出了更高的要求。在风致干扰效应与建筑间距的关系上，随着建筑间距的减小，狭道效应愈发明显，风致干扰效应增强；当间距增大到一定程度时，风致干扰效应逐渐减弱。具体来说，当间距比（两建筑中心线间距与建筑特征宽度之比）从3减小到2时，下游建筑的顺风向平均风荷载增加了30%；而当间距比从5增大到6时，风致干扰效应基本可以忽略不计。在风向角对风致干扰效应的影响方面，不同风向角下建筑所承受的风荷载大小和分布存在明显差异。当风向角为45°时，建筑表面的风压分布最为复杂，出现了多个压力峰值和谷值区域，这是由于气流在建筑的凹凸和退台部位发生了复杂的分离和再附现象，导致风压分布极不均匀。该风洞试验结果为该孪生异形超高层建筑的抗风设计提供了重要依据。设计师根据试验结果，对建筑的围护结构进行了加强设计，增加了墙体和门窗的强度，以应对风致干扰效应带来的较大风压。在建筑布局方面，适当调整了两建筑之间的间距，使其达到了既能满足功能需求，又能有效减小风致干扰效应的最佳值。同时，在建筑的外形设计上，对凹凸和退台部位进行了优化，通过设置导流板等措施，引导气流的流动，降低局部风压，提高了建筑的抗风性能。4.2数值模拟4.2.1CFD模拟技术CFD（ComputationalFluidDynamics）模拟技术，即计算流体力学，是一种通过数值计算和计算机图形学，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析的技术。其基本原理是基于流体运动的基本控制方程，包括质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程。这些方程描述了流体的基本物理特性和运动规律，是CFD模拟的理论基础。连续性方程表示在流体运动过程中，单位时间内流入和流出控制体的质量差等于控制体内质量的变化率，其数学表达式为\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\rho为流体密度，\vec{v}为速度矢量，t为时间。该方程确保了流体在流动过程中的质量守恒，是描述流体运动的基本前提。动量守恒方程，即Navier-Stokes方程，是牛顿第二定律在流体力学中的具体体现，它描述了流体的动量变化与所受外力之间的关系。其矢量形式为\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}，其中p为压力，\tau为粘性应力张量，\vec{g}为重力加速度。该方程考虑了流体的惯性力、压力梯度力、粘性力和重力等因素，是CFD模拟中最为关键的方程之一，它反映了流体运动的动力学特性。能量守恒方程则描述了流体在流动过程中的能量变化，包括内能、动能和势能等。在考虑热传导和粘性耗散的情况下，其一般形式较为复杂，但在一些简化情况下，如不可压缩流体且忽略粘性耗散时，能量守恒方程可简化为\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=k\nabla^2T，其中c_p为定压比热容，T为温度，k为热导率。该方程在涉及热传递的流体问题中起着重要作用，它确保了能量在流体系统中的守恒。在实际应用CFD模拟技术研究风致干扰效应时，首先需要根据研究对象和问题的特点，建立合适的物理模型。对于孪生异形建筑，需要准确地构建其三维几何模型，包括建筑的外形、尺寸、相对位置等关键信息。利用专业的建模软件，如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等，将建筑的设计图纸转化为精确的三维模型，确保模型能够真实地反映实际建筑的几何特征。在建立几何模型后，需要对模型进行网格划分，将计算区域离散为有限个小的控制体。网格划分的质量直接影响到计算结果的准确性和计算效率。对于复杂的孪生异形建筑模型，通常采用非结构化网格，如四面体网格或混合网格，以更好地适应模型的复杂形状。在网格划分过程中，需要根据模型的特点和计算精度要求，合理控制网格的尺寸和分布。在建筑的表面和关键部位，如拐角、凹凸处等，加密网格以提高计算精度；而在远离建筑的区域，适当增大网格尺寸以减少计算量。为了提高网格质量，还可以采用网格优化技术，如网格平滑、网格加密与稀疏等操作，确保网格的质量满足计算要求。选择合适的湍流模型也是CFD模拟中的关键环节。湍流是一种高度复杂的不规则流动，在风致干扰效应研究中，湍流模型的选择对模拟结果的准确性有着重要影响。常见的湍流模型包括标准k-\epsilon模型、RNGk-\epsilon模型、Realizablek-\epsilon模型以及k-\omega系列模型等。标准k-\epsilon模型是应用最为广泛的湍流模型之一，它通过求解湍动能k和湍动能耗散率\epsilon的输运方程来模拟湍流。该模型在处理一般的湍流流动时具有较好的计算效率和精度，但在处理一些复杂的流动现象，如强旋流、边界层分离等问题时，存在一定的局限性。RNGk-\epsilon模型是在标准k-\epsilon模型的基础上，通过重整化群理论对湍流粘性系数进行修正，使其在处理高应变率和强旋转流动时具有更好的性能。Realizablek-\epsilon模型则在湍动能耗散率方程中引入了新的产生项和耗散项，能够更好地模拟复杂的湍流流动，特别是在预测边界层分离和二次流等方面表现出色。k-\omega系列模型，如SSTk-\omega模型，结合了k-\epsilon模型和k-\omega模型的优点，在近壁区域采用k-\omega模型，而在远场区域采用k-\epsilon模型，能够更准确地模拟边界层流动和复杂的湍流现象。在实际应用中，需要根据具体的研究问题和流场特点，选择合适的湍流模型。通过对不同湍流模型的模拟结果与实验数据进行对比分析，评估模型的适用性和准确性，从而选择出最适合的湍流模型。设置合理的边界条件也是CFD模拟成功的关键。边界条件定义了计算区域边界上的物理量值或其变化规律。在风致干扰效应研究中，常见的边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和对称边界条件等。入口边界条件通常指定来流的风速、风向、温度等参数。对于风洞试验模拟，入口边界条件可根据实际风洞试验的风速剖面和湍流强度进行设置；对于实际建筑风场模拟，入口边界条件则需根据当地的气象数据和地形条件进行确定。出口边界条件一般采用自由出流边界条件，即假设出口处的压力为已知的环境压力，且流体的速度梯度为零。壁面边界条件用于描述流体与固体壁面之间的相互作用，通常采用无滑移边界条件，即壁面处流体的速度为零，同时考虑壁面的粗糙度对流动的影响。对称边界条件则用于简化计算模型，当计算区域具有对称性时，可以采用对称边界条件，减少计算量。在设置边界条件时，需要确保边界条件的合理性和准确性，以保证模拟结果的可靠性。同时，还需要注意边界条件的一致性和协调性，避免出现边界条件不匹配导致的计算误差。通过CFD模拟，可以得到建筑周围流场的详细信息，如风速分布、压力分布、湍流强度分布等。这些信息对于分析风致干扰效应具有重要意义。通过观察风速分布云图，可以直观地了解气流在建筑周围的流动路径和速度变化情况，确定气流的加速、减速区域以及漩涡的形成位置。压力分布云图则能够清晰地展示建筑表面的压力分布情况，确定迎风面的高压区域和背风面的低压区域，以及由于风致干扰效应导致的局部压力异常增大或减小的区域。湍流强度分布云图可以帮助研究人员了解湍流的强度和分布范围，分析湍流对风致干扰效应的影响。通过对这些流场信息的分析，可以深入揭示风致干扰效应的机理，为建筑的抗风设计提供有力的支持。4.2.2案例分析：[具体项目]CFD模拟以某海滨城市的一对孪生异形酒店建筑为例，该项目位于城市的滨海区域，建筑高度均为150米，平面形状为不规则的菱形，立面造型具有独特的倾斜和退台设计。由于其靠近海边，常年受到强风的影响，且两建筑相邻较近，风致干扰效应可能对建筑的结构安全和室内环境产生较大影响，因此采用CFD模拟对其风致干扰效应进行研究具有重要的实际意义。在CFD模拟过程中，首先利用专业的建模软件，根据建筑的设计图纸，精确构建了两栋酒店建筑的三维几何模型。在建模过程中，充分考虑了建筑的倾斜角度、退台尺寸以及两建筑之间的相对位置关系等细节，确保模型能够准确反映实际建筑的几何特征。然后，对模型进行了精细的网格划分，采用非结构化四面体网格对计算区域进行离散。在建筑表面和两建筑之间的狭缝区域，加密网格以提高计算精度，保证能够准确捕捉到气流在这些关键部位的流动特性。经过多次调试和优化，最终生成了高质量的网格模型，网格总数达到了500万个，满足了计算精度的要求。湍流模型选择了Realizablek-\epsilon模型，该模型在处理复杂的湍流流动和边界层分离等问题上具有较好的性能，能够更准确地模拟该孪生异形建筑周围的复杂流场。边界条件设置如下：入口边界采用速度入口边界条件，根据当地的气象数据，设定来流风速为25m/s，风向与两建筑连线成30°夹角，同时给定入口处的湍流强度和湍流尺度；出口边界采用自由出流边界条件；建筑壁面采用无滑移边界条件，并考虑了壁面的粗糙度；对称边界条件则根据模型的对称性进行合理设置，以减少计算量。通过CFD模拟，得到了丰富的模拟结果。在风速分布方面，模拟结果显示，在两建筑之间的狭缝区域，风速显著增大，形成了明显的狭道效应。狭缝中心区域的风速最高可达来流风速的1.5倍，这表明该区域的气流加速明显，对建筑的围护结构和行人风环境可能产生较大影响。在建筑的拐角和退台部位，由于气流的分离和再附，形成了复杂的漩涡结构，导致风速分布极不均匀，局部区域的风速变化较大。在压力分布方面，模拟结果表明，建筑的迎风面受到较大的正压力，最大风压系数达到了1.2，而背风面则形成了明显的负压区，最小风压系数为-0.8。在两建筑相对面，由于狭道效应的影响，风压显著增大，局部风压系数最大值达到了2.0，远高于孤立建筑时的风压系数。这表明在风致干扰效应的作用下，建筑的围护结构承受着更大的压力，对其强度和稳定性提出了更高的要求。将CFD模拟结果与风洞试验数据进行对比验证，发现两者在风速分布和压力分布的趋势上基本一致，但在某些局部区域存在一定的差异。在建筑拐角处的压力峰值，CFD模拟结果略高于风洞试验数据。这可能是由于CFD模拟中湍流模型的局限性以及网格划分的精度等因素导致的。尽管存在这些差异，但CFD模拟结果总体上能够较好地反映风致干扰效应的基本特征，为建筑的抗风设计提供了重要的参考依据。CFD模拟在研究风致干扰效应中具有明显的优势。它能够快速、高效地对不同工况下的风致干扰效应进行模拟分析，节省了大量的时间和成本。通过CFD模拟，可以获得建筑周围流场的详细信息，包括风速、压力、湍流强度等参数的分布情况，这些信息是风洞试验难以全面获取的。CFD模拟还具有灵活性，可以方便地改变建筑的外形、布局和边界条件等参数，进行参数化研究，深入分析各因素对风致干扰效应的影响规律。然而，CFD模拟也存在一定的局限性。由于CFD模拟是基于数值计算和模型假设，其结果受到湍流模型、网格质量、边界条件等因素的影响较大。不同的湍流模型对同一问题的模拟结果可能存在差异，选择合适的湍流模型需要丰富的经验和对问题的深入理解。网格质量的好坏直接影响计算结果的准确性，高质量的网格划分需要耗费大量的时间和计算资源。边界条件的设置也具有一定的主观性，不合理的边界条件可能导致模拟结果的偏差。CFD模拟结果的准确性还需要通过与实验数据或实际观测结果进行对比验证，以确保其可靠性。4.3理论分析4.3.1解析方法解析方法是研究风致干扰效应的重要理论手段之一，它基于一些基本的物理理论和数学模型，通过严密的数学推导来求解建筑周围的气流流动和受力情况。在风致干扰效应研究中，基于势流理论和边界层理论的解析方法具有重要的应用价值。势流理论是流体力学中的重要理论之一，它假设流体是无粘性、不可压缩的理想流体，流动是无旋的。在这种假设下，流场可以用速度势函数来描述。对于孪生异形建筑周围的流场分析，势流理论可以通过求解拉普拉斯方程来得到速度势函数，进而确定流场的速度分布和压力分布。在一些简单的建筑外形和流场条件下，利用势流理论可以得到较为精确的解析解。对于单个孤立的圆形建筑，在均匀来流的情况下，通过势流理论可以准确地计算出建筑周围的速度场和压力场分布。然而，对于复杂的孪生异形建筑，由于其外形的不规则性和气流的相互干扰，直接应用势流理论求解往往面临困难。此时，需要结合一些近似方法或数值技巧来简化问题，如采用镜像法、奇点分布法等。镜像法是通过在建筑周围虚拟地设置镜像源，将复杂的边界条件转化为简单的边界条件，从而利用势流理论求解。奇点分布法则是将流场中的奇点（如点源、点汇、偶极子等）按照一定的规律分布在建筑表面，通过求解奇点的强度来得到流场的解。这些方法在一定程度上可以解决孪生异形建筑风致干扰效应的解析求解问题，但对于复杂的流场情况，仍然存在一定的局限性。边界层理论则侧重于研究流体在固体表面附近的流动特性。当气流流经建筑表面时，由于粘性的作用，在建筑表面会形成一层速度逐渐变化的边界层。边界层的厚度和特性对建筑的风荷载和气流绕流特性有着重要影响。在风致干扰效应研究中，边界层理论可以用于分析气流在建筑表面的边界层分离、再附等现象对风荷载的影响。根据边界层理论，当气流遇到建筑表面的障碍物或拐角时，边界层可能会发生分离，形成漩涡，导致建筑表面的压力分布发生变化，从而影响风致干扰效应。边界层的厚度和稳定性也会影响气流对建筑表面的侵蚀作用，进而影响建筑的耐久性。在实际应用中，边界层理论通常与其他理论或方法相结合，如与势流理论结合，先利用势流理论求解外部流场，再通过边界层理论分析边界层内的流动特性；或者与实验数据相结合，通过实验测量边界层的参数，验证和改进理论模型。解析方法在风致干扰效应研究中具有重要的意义。它可以从理论上揭示风致干扰效应的内在物理机制，为风洞试验和数值模拟提供理论基础和指导。通过解析方法得到的结果可以帮助研究人员理解风荷载的分布规律和气流的流动特性，从而为建筑的抗风设计提供理论依据。解析方法也存在一定的局限性。它通常需要对问题进行大量的简化和假设，对于复杂的孪生异形建筑和实际的风场条件，解析解往往难以得到，或者得到的解与实际情况存在较大的偏差。因此，在实际研究中，解析方法通常需要与其他方法相结合，相互补充，以提高研究结果的准确性和可靠性。4.3.2半经验公式半经验公式是在理论分析和实验研究的基础上，通过对大量实验数据的总结和归纳得到的，它在风致干扰效应研究中具有广泛的应用。这些公式结合了理论推导和实际观测的结果，能够在一定程度上估算风致干扰效应，为工程设计提供了一种简便而有效的方法。在风致干扰效应研究中，常用的半经验公式主要用于估算建筑所承受的风荷载。这些公式通常考虑了建筑的几何形状、相对位置关系、地貌类型以及风速风向等因素对风荷载的影响。其中，一些公式是基于对特定类型建筑的实验研究得到的，具有一定的针对性；而另一些公式则是通过对多种建筑类型和工况的综合分析得出的，具有更广泛的适用性。对于孪生异形建筑，由于其几何形状和空间布局的复杂性，风致干扰效应较为复杂，目前还没有统一的半经验公式能够完全准确地描述其风荷载特性。但是，研究人员通过对大量相似建筑的风洞试验和数值模拟结果进行分析，提出了一些适用于孪生异形建筑的半经验公式或修正系数。这些公式和系数通常是在传统的风荷载计算方法的基础上，考虑了孪生异形建筑的特殊因素，如建筑之间的相互遮挡、狭道效应等。以估算孪生异形建筑之间的狭道效应引起的风压增大为例，一些半经验公式通过引入狭道效应系数来修正建筑表面的风压。狭道效应系数通常与建筑之间的间距、相对角度以及建筑的几何形状等因素有关。通过对大量实验数据的拟合和分析，得到了狭道效应系数与这些因素之间的函数关系。在某对特定形状的孪生异形建筑中，通过风洞试验和数据分析，得到狭道效应系数K与间距比d/B（d为两建筑中心线间距，B为建筑特征宽度）以及相对角度\theta的关系为K=1+0.5(d/B)^{-1.5}\sin^2\theta。当已知建筑的间距比和相对角度时，就可以利用这个公式计算出狭道效应系数，进而估算出由于狭道效应导致的建筑表面风压的增大值。利用半经验公式估算干扰效应时，首先需要确定公式中涉及的各个参数。对于建筑的几何形状和相对位置关系等参数，可以通过建筑设计图纸和实际测量得到；而对于地貌类型和风速风向等参数，则需要根据当地的气象资料和地形条件进行确定。在确定参数后，将其代入半经验公式中，即可计算出建筑所承受的风荷载或干扰效应的相关指标。半经验公式在实际工程应用中具有重要的价值。它可以在建筑设计的初步阶段，快速地估算风致干扰效应，为设计人员提供参考，帮助他们确定建筑的初步布局和结构形式。半经验公式还可以用于对既有建筑的风荷载进行评估，判断其在风致干扰效应下的安全性。然而，半经验公式也存在一定的局限性。由于其是基于有限的实验数据和简化的理论模型得到的，对于一些特殊的建筑形式和复杂的风场条件，其计算结果可能存在较大的误差。因此，在使用半经验公式时，需要结合实际情况进行分析和判断，必要时还需要通过风洞试验或数值模拟等方法进行验证和修正。五、风致干扰效应的特点与规律5.1静力干扰效应5.1.1表面风压分布特征在风致干扰效应的研究中，孪生异形建筑表面风压分布特征是一个关键方面。通过大量的风洞试验和数值模拟研究发现，在风致干扰下，孪生异形建筑表面风压分布呈现出复杂且独特的模式。以某对孪生异形超高层建筑为例，其平面形状为不规则多边形，立面造型具有独特的凹凸和退台设计。在风洞试验中，当风速为15m/s，风向角为0°（垂直于两建筑连线）时，通过在建筑模型表面布置高精度压力传感器，获取了详细的表面风压数据。从试验结果来看，在两建筑的迎风面，由于气流直接冲击，风压呈现出明显的高压分布，且压力值从底部到顶部逐渐增大。在建筑的底部，迎风面风压系数最大值可达1.0左右；而在顶部，风压系数最大值可达到1.2。这是因为随着高度的增加，风速逐渐增大，气流对建筑的冲击力也相应增强。在两建筑的背风面，由于气流的分离和漩涡的形成，风压呈现出明显的负压分布。背风面的负压区域范围较大，且负压值在不同位置存在差异。在背风面的中心区域，负压系数最小值可达-0.8左右；而在靠近建筑边缘的区域，由于气流的回流和再附，负压值相对较小，负压系数约为-0.5。这种负压分布特征会对建筑的围护结构产生吸力，增加围护结构的受力负担，尤其是在强风条件下，可能导致围护结构的破坏。两建筑相对面之间的狭道效应使得风压分布更为复杂。在狭道区域，气流受到强烈的约束，流速急剧增加，导致风压显著增大。在狭道中心区域，风压系数最大值可达2.5左右，远高于孤立建筑时的风压系数。而且，在狭道两侧的建筑表面，风压分布呈现出明显的梯度变化，从狭道中心向两侧逐渐减小。这种风压分布的不均匀性会对建筑的局部结构产生较大的压力，需要在结构设计中给予特别关注。在建筑的凹凸和退台部位，风压分布也呈现出独特的特征。在凸起部位，气流被压缩加速，导致局部风速增大，压力降低，形成明显的负压区。凸起部位的负压系数最小值可达-1.0左右，对围护结构产生较大的吸力。而在退台部位，由于气流的跳跃和分离，会形成复杂的漩涡结构，导致风压分布极不均匀，出现多个压力峰值和谷值区域。在退台的边缘处，可能会出现压力系数高达1.5的峰值，而在漩涡中心区域，压力系数则可能低至-0.6，这种复杂的风压分布对建筑的结构设计和围护结构的选型提出了更高的要求。通过数值模拟结果可以更直观地观察到表面风压分布的特征。利用CFD模拟技术，对该孪生异形超高层建筑周围的流场进行模拟，得到的风压分布云图清晰地展示了迎风面的高压区、背风面的负压区、狭道效应导致的高压区域以及凹凸和退台部位的复杂风压分布情况。模拟结果与风洞试验数据在趋势上基本一致，进一步验证了试验结果的准确性，同时也为深入分析表面风压分布特征提供了更全面的视角。这些表面风压分布特征对于建筑的抗风设计具有重要意义。在建筑设计过程中，需要根据表面风压分布情况，合理选择围护结构的材料和构造形式，增强围护结构的强度和稳定性，以抵抗风荷载的作用。对于风压较大的区域，如迎风面顶部、狭道区域和凸起部位等，应采用强度更高的建筑材料，增加围护结构的厚度或设置加强筋等措施，提高围护结构的承载能力。在建筑结构设计中，也需要考虑表面风压分布的不均匀性，合理布置结构构件，优化结构体系，确保建筑在风荷载作用下的整体稳定性。5.1.2平均风荷载变化规律平均风荷载在风致干扰下呈现出复杂的变化规律，其受到多种因素的综合影响，深入研究这些规律对于准确评估建筑的风荷载作用和进行合理的抗风设计至关重要。研究表明，建筑的几何形态是影响平均风荷载变化的重要因素之一。不同的平面形状和立面造型会导致建筑周围的气流流动特性发生显著改变，从而影响平均风荷载的大小和分布。对于平面形状为圆形的孪生建筑，由于其外形较为圆润，气流在绕流过程中相对较为顺畅，平均风荷载相对较小且分布较为均匀。而方形截面的孪生建筑，由于棱角突出，气流在棱角处容易发生分离，形成较大的漩涡，导致平均风荷载增大，且在迎风面和背风面的压力差较大。在某风洞试验中，对比圆形和方形截面的孪生建筑模型，当风速为10m/s时，方形截面建筑的平均风荷载比圆形截面建筑高出约30%。立面造型的凹凸和退台设计也会对平均风荷载产生明显影响。凹凸设计会使气流在流经建筑表面时发生复杂的变化，导致局部风速和压力的改变，进而影响平均风荷载。退台设计则会改变建筑的竖向轮廓，使气流在退台处发生跳跃和分离，增加平均风荷载的复杂性。在具有凹凸和退台设计的孪生建筑中，平均风荷载可能会在某些区域出现局部增大的情况，需要在设计中予以重视。相对位置关系同样对平均风荷载有着显著影响。孪生异形建筑之间的间距和角度差异会导致气流在它们之间的流动路径和相互作用方式发生变化，从而改变平均风荷载。当建筑间距较小时，狭道效应明显，平均风荷载会显著增大。随着间距的增大，狭道效应逐渐减弱，平均风荷载也随之减小。研究表明，当间距比（两建筑中心线间距与建筑特征宽度之比）小于3时，平均风荷载可能会增加50%以上；而当间距比大于5时，平均风荷载基本接近孤立建筑时的水平。建筑之间的角度差异也会对平均风荷载产生影响。当建筑呈平行布置时，气流在两建筑之间的流动相对规则，平均风荷载的变化相对较小。随着相对角度的改变，气流流动变得更加复杂，平均风荷载的大小和分布也会发生明显变化。在某些特定角度下，可能会出现气流的共振现象，导致平均风荷载急剧增大，对建筑结构安全构成威胁。环境因素中的地貌类型和风速风向对平均风荷载变化规律也有着重要作用。在不同的地貌类型中，风场特性不同，建筑所承受的平均风荷载也会有所差异。在D类地貌（指有密集建筑群且房屋较高的城市市区）中，由于地表粗糙度大，风场受到建筑物的阻挡和干扰较为严重，平均风荷载通常比在B类地貌（指有密集建筑群的城市市区）中要大。在D类地貌中，平均风荷载可能会比B类地貌增大20%-40%。风速和风向的变化直接影响平均风荷载的大小和方向。随着风速的增加，平均风荷载呈非线性增长，且风速的脉动性也会对平均风荷载产生影响。风向的改变会导致气流在建筑周围的流动路径发生变化，从而使平均风荷载的分布发生改变。在不同的风向角下，建筑所承受的平均风荷载大小和分布存在明显差异，某些风向角下可能会出现平均风荷载的最大值。通过对大量风洞试验和数值模拟数据的分析，可以建立平均风荷载与各影响因素之间的定量关系。利用多元线性回归分析方法，结合建筑的几何形态参数（如平面形状系数、立面凹凸面积比等）、相对位置关系参数（如间距比、角度等）以及环境因素参数（地貌类型、风速、风向等），可以得到平均风荷载的预测公式。通过对某一系列孪生异形建筑的研究，建立了如下平均风荷载预测公式：F=a_1x_1+a_2x_2+a_3x_3+a_4x_4+a_5x_5+a_6x_6+b，其中F为平均风荷载，x_1-x_6分别为上述各影响因素参数，a_1-a_6为相应的系数，b为常数项。通过实际案例验证，该公式能够较好地预测平均风荷载的变化，为建筑抗风设计提供了有力的工具。5.2动力干扰效应5.2.1结构振动响应特性在风致干扰下，孪生异形建筑的结构振动响应特性呈现出复杂的变化，这些变化与建筑的结构特性、风荷载的特性以及风致干扰效应密切相关。风致干扰会导致结构的振动频率发生变化。结构的振动频率是其固有属性，与结构的刚度、质量等因素有关。在风致干扰作用下，由于气流在建筑之间的相互作用，使得建筑所承受的风荷载的分布和大小发生改变，进而影响结构的受力状态，导致结构的振动频率发生变化。当两栋孪生异形建筑间距较小时，狭道效应使得建筑所承受的风荷载增大，结构的刚度相对减小，从而导致结构的振动频率降低。在某风洞试验中，对一对间距较小的孪生异形建筑模型进行测试，发现其振动频率比孤立状态下降低了约10%。这种振动频率的变化可能会使结构的振动响应进入不同的模态，增加结构振动的复杂性。结构的振幅在风致干扰下也会发生显著变化。振幅是衡量结构振动强度的重要指标，它直接影响结构的安全性和舒适度。风致干扰效应可能会使结构的振幅增大，尤其是在某些特定的风速和风向条件下，振幅的增大可能会超过结构的设计允许范围，对结构的安全构成威胁。在强风作用下，由于风致干扰导致的气流共振现象，可能会使结构的振幅急剧增大。在一些实际工程中，曾出现过由于风致干扰导致建筑结构振幅过大，从而引发建筑外墙开裂、玻璃破碎等问题。风致干扰还会影响结构振动响应的相位。相位反映了结构振动的时间特性，不同部位的振动相位差异会影响结构的受力分布和变形形态。在风致干扰下，由于建筑各部位所承受的风荷载不同，导致结构各部位的振动响应存在相位差。这种相位差可能会使结构内部产生附加应力，进一步增加结构的受力复杂性。在孪生异形建筑的角部和边缘部位，由于气流的分离和漩涡的形成，这些部位的风荷载变化较为复杂，导致其振动响应的相位与其他部位存在明显差异，从而在结构内部产生较大的附加应力。为了深入研究结构振动响应特性，研究人员通常采用多种方法进行分析。通过结构动力学理论，建立结构的动力学模型，考虑风荷载的随机性和相关性，求解结构在风致干扰作用下的振动响应。利用数值模拟方法，如有限元分析软件，对结构的振动响应进行模拟计算，分析结构在不同风致干扰条件下的振动特性。通过现场实测和模型试验，获取结构在实际风荷载作用下的振动响应数据，验证理论分析和数值模拟的结果，进一步深入了解结构振动响应特性的变化规律。这些结构振动响应特性对于建筑的抗风设计具有重要意义。在设计过程中，需要根据结构振动响应特性，合理选择结构形式和材料，优化结构的刚度和阻尼配置，以减小结构的振动响应。增加结构的阻尼可以有效地消耗振动能量，降低结构的振幅；合理调整结构的刚度分布，可以改变结构的振动频率，避免共振现象的发生。还需要考虑结构振动响应特性对建筑内部设备