珠海华发艺术馆 (图1) 位于广东省珠海市南端, 东侧临海, 南侧紧邻澳门, 西侧为拱北口岸, 北侧隔昌盛路与海关大楼相望, 建筑用地面积约1.9万m²。艺术馆的建筑设计由哈佛大学建筑系主任Inaki Abalos主持, 以蓝天、大海为依托, 将大树、海浪、泡沫等绿色生态元素融入到设计中, 艺术馆内拟建6棵造型新颖的树状结构 (简称生态树) 。考虑到该类复杂树状结构属于对风荷载较为敏感的建筑物, 而我国现行的《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) ^[1] (简称荷载规范) 中仅给出了简单情况下的房屋体型系数的取值办法, 且此类结构在国内外也很少见, 并无实际工程提供参考, 因此需要借助风洞试验或者数值模拟等手段为该类结构的抗风设计提供相关的设计参数。

　　 与传统的风洞试验方法相比, CFD数值模拟方法可以满足不同的结构尺寸, 较为方便地改变结构的相关参数和风场信息。其高度可视化的特点, 有利于研究人员进行多层次全方位的分析研究, 且周期短、费用低、效率高。随着近年来计算机运行速度和存储能力的不断提高, 国内外学者利用CFD数值模拟方法对各类建筑物进行了仿真分析, 并与风洞试验结果进行了对比^{[2,3,4,5,6,7,8]}, 结果表明:CFD数值模拟方法能够较好地预测建筑物周围气流的流动情况。

　　 本文利用通用流体计算软件FLUENT 6.3对珠海华发艺术馆以及馆内6棵生态树的初始设计方案进行了数值模拟, 着重分析各生态树树冠部分的风压分布情况和馆内行人高度处的风环境情况, 并将生态树树冠部分风压分布情况与风洞试验所得的结果进行比较分析。

　　 生态树试验模型 (图2) 采用3D打印技术制作, 模型精度与实际结构高度相符。风洞试验在湖南大学建筑与环境教育部重点实验室中进行, 风速在0~20m/s范围内连续可调, 流场性能良好。

　　 考虑艺术馆周围的地形地貌特点为一面临海, 一面紧靠城市筑群, 参考荷载规范, 确定艺术馆临海一侧按A类地貌模拟, 紧靠城市建筑群一侧按B类地貌模拟, 分别取地面粗糙度指数α=0.12和α=0.15。按照各生态树与艺术馆主楼的相对位置将其分别定义为1~6号 (图3) , 风洞试验中风向角间隔取为10°, 共有36个试验工况。每棵生态树树冠部分的上、下表面同时布置了31个测点 (图4) , 共布置了372个测点。

　　 本次风洞试验中各测点的风压系数采用下式进行计算:

　　 式中:C_pi (t) 为生态树树冠部分测点i的平均风压系数;p_i (t) 为测点i的风压;p₀, p_∞分别为建筑物参考点处的平均总压和平均静压。

　　 由于生态树树冠部分的测点上下对称布置, 由下式可以得到对应测点的平均净风压系数:

　　 式中:ΔC_pi (t) 为生态树树冠部分测点i的平均净风压系数;p_i^u (t) , p_i^d (t) 分别为测点i处对应位置的上、下表面风压。

　　 考虑到生态树树冠上、下表面都会受到风荷载的影响, 本文主要对其平均净风压系数进行分析研究。

　　 为了尽可能地保持数值计算模型与风洞试验模型的一致性, 从各生态树的有限元模型中提取出树冠部分的节点坐标信息, 再将其导入到Auto CAD和GAMBIT中准确地构建出生态树的树冠部分, 建模过程中由于树枝部分纵横交错, 对部分树枝进行了简化处理, 忽略了部分交叉树枝的影响。数值计算模型与风洞试验模型尺寸一致, 几何缩尺比为1∶150。选择适用于复杂结构的四面体非结构化网格来划分流场域, 首先在GAMBIT中对流域边界及建筑物表面用三角形非结构网格进行划分, 为了使网格分布更加合理, 利用Size function使网格密度从建筑物到计算域表面由密到疏 (图5) ;再利用有限元软件ANSYS中的网格划分工具Tgrid进行体网格的划分, 从建筑物表面向整个流体域边界面生成四面体非结构化网格。最终, 生态树单体情况下的整个计算域体网格数量为1 592 812个, 生态树群体情况下的整个计算域体网格数量达到13 410 592个。

　　 入口边界条件通过UDF方式^[9]直接指定指数风剖面、湍流动能和湍流耗散率, 与风洞试验尽量保持一致, 以便数值模拟结果与风洞试验结果相对比;出口边界条件采用自由出流;建筑物的表面和地面采用无滑移壁面条件, 其他边界条件采用自由滑移的表面。数值计算采用三维单精度求解器, 控制方程的对流项采用一阶迎风格式, 待一阶迎风格式接近收敛后采用精度更高的二阶迎风格式继续迭代计算。数值计算中的速度-压力耦合求解采用SIMPLE算法, 计算残差设置为1×10^-4。

　　 在现阶段的CFD数值模拟中, 没有一种湍流模型是普遍适用的, 对于具体的模拟对象而言, 合理地选择合适的湍流模型, 对计算结果的准确性是十分关键的。本文选取标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和SST k-ω模型作为计算的湍流模型对生态树的单体情况进行数值模拟, 并将所得结果与风洞试验结果进行对比, 以此确定适于此类复杂树状结构的最优湍流模型。限于篇幅, 选择2号生态树进行分析研究。

　　 图6为不同湍流模型下部分测点平均净风压系数的分布情况。从图6可知, 4种湍流模型计算得到的数值模拟结果与风洞试验结果都比较接近, 其变化规律在大部分区域也都较为一致, 从这点可以看出, CFD数值模拟在平均净风压系数模拟方面是比较可靠的。4种湍流模型中, 数值模拟结果与风洞试验结果差别最大的是Realizable k-ε模型, 标准k-ε模型次之, RNG k-ε模型和SST k-ω模型在数值模拟方面的精度较好。同时考虑到湍流模型对数值计算时间长短的影响以及对网格质量的要求, 确定RNG k-ε模型是此类工程对象的最优湍流模型, 并选择采用RNG k-ε模型作为生态树群体情况下计算的湍流模型。

　　 利用上述分析中确定的RNG k-ε湍流模型对群体情况下的6棵生态树以及艺术馆进行数值模拟分析, 选取6棵生态树中高度和位置比较典型的2号和3号生态树为研究对象, 并将数值模拟所得树冠部分的平均净风压系数与风洞试验结果进行比较。图7和图8分别给出了0°和180°风向角下2号和3号生态树树冠部分平均净风压系数的分布云图。

　　 由图7, 8可知, 在0°和180°风向角下2号生态树树冠的平均净风压系数的极值比较接近, 平均净风压系数都大约在-0.40~0.05之间。而3号生态树在0°和180°风向角下的平均净风压系数的极值则相差比较大, 在0°风向角时平均净风压系数在-0.40~0.05之间, 则在180°风向角时平均净风压系数在-0.25~0.20之间。这可能是由于2号生态树较高, 在0°和180°风向角下生态树树冠部分受到附近生态树以及艺术馆主楼的干扰较小。此外, 在0°和180°风向角下, 2号生态树树冠的迎风处都出现了明显的气流分离, 这是因为在树冠迎风处主要由负压控制的 (图7) , 而在树冠背风处气流分离明显减小, 有些区域出现风压系数为正的情况。由图3可知, 3号生态树在0°风向角时处于背风面, 180°风向角时处于迎风面, 且3号生态树的高度低于附近的2, 5, 6号3棵生态树, 受其干扰的影响明显, 这点体现在3号生态树树冠的平均净风压系数的极小值在0°和180°风向角下分别为-0.36, -0.29, 两者相差24%, 说明3号生态树树冠的风压分布情况受附近生态树和艺术馆主楼的干扰影响较大。

　　 从图7, 8中还可以看出:2号和3号生态树在0°和180°风向角下平均净风压系数的数值模拟结果与风洞试验的结果大体相近, 风压分布情况也吻合较好, 只是在某些区域还存一些差异。引起这些差异的原因有很多:1) 数值模拟计算是一个无限逼近的过程;2) 对树枝部分和主楼做的简化处理也可能导致流体在建筑物附近产生漩涡和分离情况, 从而与试验中的实际情况存在一些差别, 对最终的计算结果产生一定程度的影响;3) 网格划分的质量好坏和计算机计算能力的限制也会对计算结果产生一定的误差。

　　 从结构安全性角度分析, 承受风荷载的结构应足够坚固以保证其使用性能。相关文献表明对于复杂的建筑结构还必须考虑与风有关的舒适度要求^[10]。数值模拟方法可较为方便地获得流动可视化图形、风速的分布图、街区漩涡图等, 数据全面且周期短, 有其独特的优势, 对建筑设计人员设计和规划人员了解风环境来说, 是一个强有力的工具^[10]。国内外很多学者利用风洞试验和数值模拟方法对行人风环境进行过研究^[11,12,13], 评定标准虽然都有所差异, 但是总体来说可以分为相对舒适度标准、风速比标准、风速频率与舒适度标准和超越风速概率评价标准^[14]。本文选择采用风速比标准作为评价周围行人风环境舒适度的指标, 该标准以一个风速比R_i反映建筑物对风速变化的干扰程度。风速比R_i定义为:

　　 式中:V_i为流场域中行人高度处测点i位置的平均风速;V₀为来流方向行人高度未受到建筑干扰的平均风速。

　　 行人高度取距离生态树底部的1.5m处。人在该处所受风荷载的大小可以用下式来计算:

　　 式中:μ为力系数;S为人的受风面积;ρ为空气的密度。

　　 由式 (3) , (4) 可以知道风荷载大小F_i与风速比R_i的平方成正比, 在此类评估方法中, 若行人高度处的风速比较大, 又在此类风向角下风向频率较高, 可认为在这一区域的风环境较为不舒适。将珠海市气候资料 (结合珠海气候资料和澳门气候资料, 1953~2009年) 作统计分析, 可以确定当地以北风向 (N) 和东南偏东风向 (ESE) 为主导风向角。限于篇幅, 主要对两个主导风向下的风环境情况进行模拟研究。

　　 图9为主导风向下行人区域风速比与风速矢量分布图, 从图9可以看出, 在北风向 (N) 和东南偏东风向 (ESE) 两种主导风向角下, 行人高度的风环境情况相差较大, 其中, 东南偏东风向 (ESE) 的风环境情况要优于北风向 (N) 。东南偏东风向 (ESE) 下的风速比大部分区域都在1.0以下, 仅在2号生态树与艺术馆主楼之间和3, 4号生态树之间的小部分区域存在风速比较大的情况, 其数值主要在1.0~1.3之间。而在北风向 (N) 下, 1~5号生态树之间包围的区域都存在风速比明显增大的情况, 有些区域的风速比甚至接近了1.5, 这可能是由于当风从北向吹来时, 1~5号生态树之间形成了一个天然的“行人长廊”, 由于狭管效应的影响^[15], 当气流流过时, 密度被压缩, 空气与生态树以及主楼之间产生分离, 速度会出现明显的增加。此外, 由图9分析行人区域的风速矢量图还可以看出, 在靠近生态树的部分区域, 风速矢量线较为密集甚至在一些区域还出现了较为明显的漩涡, 这也说明了在这些区域的流场比较复杂且风速变化较大, 这些都需要引起设计人员的注意。

　　 通过对珠海华发艺术馆项目的数值模拟研究, 并将其与风洞试验结果进行对比分析, 得出以下结论:

　　 (1) 通过对比生态树的风洞试验与CFD数值模拟, 结果显示数值模拟计算与风洞试验的结果大体上较为吻合, 能够满足实际工程的精度要求, 表明CFD数值模拟技术可以较为准确地模拟复杂建筑结构表面的平均风压分布。

　　 (2) 不同的湍流模型会对数值模拟计算的精度产生一定的影响, 根据本文的分析, 对于此类工程而言, RNG k-ε模型和SST k-ω模拟精度较Realizable k-ε模型和标准k-ε模型高, 考虑到计算时间和效率, 确定RNG k-ε模型为此类工程的最优湍流模型。

　　 (3) 在0°和180°风向角下, 2号生态树树冠部分受其附近生态树与艺术馆主楼的干扰较小, 两种风向角下平均净风压系数极值较为接近。3号生态树受其树高与所处位置影响, 受附近生态树与艺术馆主楼的干扰较大, 两种风向角下的平均净风压系数极值相差较大, 在实际设计过程对这种干扰影响应予以考虑。

　　 (4) 在北风向 (N) 和东南偏东风向 (ESE) 两种主导风向角下, 艺术馆行人高度处的风环境情况总体而言都较为良好, 其中, 东南偏东风向 (ESE) 的风环境情况要优于北风向 (N) 。在北风向 (N) 下由于各生态树之间的狭管效应, 导致靠近生态树的部分区域风速急剧增加, 风速比较大, 而在某些靠近生态树的区域甚至出现了漩涡, 这点需要设计人员引起注意。

　　 (5) 利用CFD数值模拟高度可视化的优点, 可以方便地得到各区域的速度场分布情况, 对建筑风环境的研究具有积极的意义。