建筑设计技术的进步使得建筑外立面设计更加复杂化和多样化，其中一种形式为在建筑外立面与屋顶上设置大量装饰构件，比如阳台、遮阳板、女儿墙、扶手与百叶等，如图1所示。这些立面小构件的功能主要为遮阳、节能与实现建筑造型。由于风荷载一般为围护结构设计的控制性荷载，且很多商业建筑外立面幕墙结构的造价已与主体结构相当^[1,2]，达到建筑总造价的25%。研究结果表明，建筑立面外部小构件承受的风荷载会影响围护结构在风荷载下的安全性与经济性。高层建筑角区装饰构件一般会受到很大的风荷载，而小构件间的相互遮挡作用可能会减小风荷载。考虑到商业建筑周边一般有大量干扰建筑，将会使立面小构件的风荷载更为复杂。若小构件结构较柔，可能会导致风致振动与风致噪音问题。怎样确定建筑立面小构件的设计风荷载，是一个紧迫的工程与技术问题。

　　 为了确保外立面装饰构件的安全性与经济性，需要对高层建筑外立面装饰构件风荷载取值的合理性进行探讨。首先查阅相关研究资料，发现了当前试验方法中存在的问题，并比较了主要国内外规范有关外立面装饰构件荷载的取值，对我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)(简称中国荷载规范)中小构件体型系数取值的安全性与经济性进行探讨，指出国内外规范存在的不足。然后，基于荷载规范、空气动力学知识与ARUP已有项目经验，给出了立面小构件的风荷载估算方法。结合ARUP典型项目的风洞试验，对外立面构件试验方法的合理性与幕墙构件荷载取值进行探讨，指出了当前存在的问题，并给出了相应的对策建议。

　　 由于外部小构件尺寸相对整体建筑太小，且不同位置的小构件所处的风流场是不同的，从而导致很难通过常规风洞试验直接测量得到该类小构件的设计风荷载。图2给出了典型建筑不同位置的风流场^[3,4]，从图中可以看出建筑角区、迎风面、侧风面的风流场是不同的，从而导致这些区域的小构件所受的风荷载也应是不同的。在实际设计中应针对不同位置的小构件采用不同的设计风荷载。

　　 由于建筑周边不同位置风偏角是不同的，小构件所受的风荷载特别复杂。图3以典型高层建筑设置水平遮阳构件来说明遮阳板不同区域受到风荷载的复杂性^[4]。从图3可以看出，由于不同风偏角的作用，水平遮阳板在迎风面、侧面与背风面所受到的风荷载是不同的。水平遮阳板可受到与来流风向一致的压力(垂直与幕墙立面)，也可受到平行于幕墙立面的压力或吸力。另外，不同位置遮阳板的干扰效应也应考虑。为了得到建筑外立面小构件的设计风荷载，目前学者已经进行了如下研究工作，并在相关规范中得以体现。

　　 当前关于建筑外立面装饰构件风荷载的研究主要包括立面小构件对幕墙风压的影响与立面小构件自身风荷载的测试两个方面。关于小构件对幕墙风压的影响研究，主要是通过测压试验来得到。Stathopoulos和Zhu^[5]进行了建筑局部小构件对幕墙风压的试验研究，分析了均匀粗糙度(如阳台和竖框)对幕墙风压的影响，指出宽度高达4m的无墙阳台略微降低了建筑表面的压力系数值，而竖框会在墙体边缘产生不利的风效应。Maruta等^[6]研究了不同阳台宽度对局部风压的影响，试验结果表明，当阳台宽度为迎风面宽度的1/10时，峰值风压降速率为0.67。全涌等^[7,8]对某带外附网架高层建筑进行了高频测力天平试验与覆面测压试验，指出外附网架对主体结构风荷载与围护风压都有减缓作用。由于常规风洞尺寸的限制，Ke等^[9]将外附小构件简化为表面粗糙度，并通过风洞试验研究不同建筑表面粗糙度，采用水平贴附在立面上的薄板模拟了不同附加结构，分析讨论了不同水平间隔、垂直间隔和深度比的水平薄板对幕墙表面局部风荷载的影响规律。Chand等^[10]与Letchford等^[11]对表面粗糙度效应进行了更细致的试验研究，并指出在建筑设计中对表面粗糙度的处理是必要的，主要是由于建筑表面粗糙度对幕墙局部风压有很大的抑制作用，若采用光滑表面将会导致幕墙风荷载偏保守。

　　 关于小构件自身风荷载的测试，目前主要有大比例模型测压试验直接测量和测量阵风风速试验与经验阻力系数相结合两种方法。对于大比例模型测压试验方法，为了保持建模精度和雷诺数效应影响，非常规大型风洞试验测试是首选，但是存在湍流积分尺度偏小与不能完全模拟湍流谱的低频端这两个问题。若涉及到周边干扰建筑，怎样正确模拟不同小构件位置的来流风场又变得至关重要。Maryam等^[12]提出了大比例模型试验风场模拟与修正方法，并与足尺风场测试进行了比较，并指出该方法可适用于常规边界层风洞中大比例模型试验风场的修正。对于测量阵风风速试验与经验阻力系数相组合的研究方法，目前实际工程实例较少。Minson等^[13]利用二维光纤激光多普勒风速仪(LDA)测量了模型建筑物附近的阵风风速，并指出由于大多数建筑小构件与湍流尺度相比较小，可根据附加小构件的形状将设计风荷载定义为局部的极端阵风速度与阻力系数的乘积，同时应考虑阵风风向的影响。Man等^[14]指出在常规风洞中直接建模和测量附件上的压力存在困难，并通过典型的案例研究说明了通过风洞试验得到阵风风速的解决方案，这些案例包括对女儿墙和复杂遮阳板荷载的估算。

　　 基于上述分析讨论，由于外立面附件的尺寸相对于建筑物的尺寸而言较小，在常规风洞中直接建模和测量其风荷载极其困难。由于风洞试验断面高度与正确模拟大气边界层所需的最小稳定来流发展距离的限制，高层建筑的模型几何缩尺比一般被限制在1∶200～1∶500之间。对于低层建筑，通常不可能有大于1∶25的模型。即使在这种规模中，外附小构件设计风荷载的准确测试依然是非常困难的。但是，从工程应用上来说，风洞试验依然是用于预测小构件设计风荷载的主要工具。考虑到当前计算机能力与湍流模型的发展，能否借助计算流体动力学(CFD)技术与风洞试验混合技术来得到外立面装饰构件的设计风荷载，是一个值得研究的工程问题，比如通过风洞试验测试或大涡模拟得到外立面小构件位置的阵风风速，再结合大比例模型试验或数值模拟得到小构件的阻力系数。关于CFD技术的应用，当前工业界的计算机能力还不足以完全模拟建筑立面小构件与周边干扰建筑，但是可尝试通过大涡模拟建筑外立面小构件位置的阵风风速与局部风压，再基于不同位置的风场信息结合节段模型来模拟构件的阻力系数或升力系数。但是该方法的可靠性需要通过大比例足尺模型试验的验证比较。

　　 为了估算建筑外立面构件的风荷载，当前国内外大多数荷载规范^{[15,16,17,18,19,20,21,22,23]}一般都推荐如下公式来进行估算:

　　 式中:F_z为小构件上受到的风力;μ_s为阻力系数、升力系数或局部风压系数，将基于图4所示的不同区域来选取;β_gz为阵风系数;μ_z为风压高度系数;w₀为某一设计基准期内的基本风压;A为参考面积;W_gz(ref)为参考阵风风压。

　　 主要国际风荷载规范，如ISO 4354^[16]、BS 6399-2∶1997^[17]、AIJ 2004^[18]、EN 1991-1-4^[20]、NBC2005^[19]、ASCE/SEI 7-10^[21]、AS/NZS 1170.2∶2011^[22]都认识到建筑边缘角区附近的风荷载更大，并建议基于常规低矮建筑角区与非角区的局部风压系数来近似估算对应区域立面小构件的风荷载，且强调最大负压应采用建筑顶部的参考风压来计算。同时建议在角区采用局部放大系数来考虑周边干扰建筑的影响、不同位置流场的复杂性以及小构件可能承受的扭转风荷载，以确保角区小构件在风荷载下的安全性，但是无法对上述参数给出量化影响参数。另外，AS/NZS 2011给出了高层建筑不同位置阳台栏板的设计风荷载，对角区的栏板风压系数取1.8、放大系数取1.2;对非角区的栏板风压系数取1.5、折减系数取0.7，如图5所示^[22]，图中C_p,n为雨篷风压，h_c为雨篷平均高度，h为房屋平均高度，W_c为开敞雨篷的悬挑长度或者带墙体雨篷。

　　 中国荷载规范指出，“檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，其体型系数统一取-2.0”。规范中只明确给出了边棱处的装饰条等突出构件的设计风荷载，但是没有给出非边棱处的装饰条等突出构件的设计风荷载，从而导致在实际设计时工程师都统一采用边棱处的突出构件的设计风荷载来进行突出小构件的设计，导致非边棱处的构件设计风荷载过于保守。中国荷载规范没有考虑周边干扰建筑的影响，且参考风压为构件位置的参考风压，该假定可能会导致角区装饰构件风荷载设计不安全而非角区风荷载设计过保守。另外，中国荷载规范中计算非直接承受风荷载的围护构件及其连接强度设计是基于从属面积折减系数，即对应于相同面积的非直接承受风荷载的围护构件，无论其为何种形状(正方形与条带矩形)，其折减系数是相同的。基于空气动力学理论，规范采用折减系数的目的是考虑风压空间不均匀性的影响，空间相隔越远，折减系数应越小。由于立面外附构件都是条带细长构件，若基于中国荷载规范中面积折减的相关条文，相当于没有对外附构件的连接件进行面积折减，从而影响设计的经济性。建议参考国外其他规范，采用构件的对角线长度作为面积折减系数的影响参数，以消除当前规范中的保守性。

　　 新修订的广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ-15-101-2014)^[23]参考澳大利亚/新西兰规范AS/NZS 1170.2∶2011^[22]，增加了高层建筑外侧宽度小于1m的竖向或横向非镂空百叶条，局部体型系数取值分为角区与非角区来考虑，并在角区与非角区采用了不同的修正系数k来调整百叶附近的局部风压系数^[23]，详见图6和表1。同时建议“对于采用较为复杂外部型材、百叶等横向或竖向遮阳系统的建筑幕墙，宜通过节段模型试验确定”。需要强调的是竖向百叶会受到周边百叶的干扰影响，但是规范没有给出百叶相互干扰对百叶风荷载的影响。另外，由于建筑外立面不同区域小构件的风流场是不同的，实际工程应用中的节段模型试验很难准确模拟小构件周边的真实流场，比如产生较大负压的角区与顶部分离流区域，因此很难通过该方法得到准确的设计风荷载。

　　 基于上述分析，当前主要国际规范的相关规定并不能满足实际工程中建筑外立面小构件的抗风设计，主要是没有考虑小构件间的相互干扰效应与周边建筑的干扰效应，没有细分小构件与连接件的竖向、水平与扭转设计风荷载以及较长小构件连接件的面积折减系数等。另外，由于准确模拟小构件周边的真实流场在常规风洞中很难实现，当前工程设计中的节段模型试验方法是否合理需要进行进一步的研究。

　　 基于现有荷载规范与ARUP工程项目经验，建议采用如下公式估算高层建筑立面小构件的设计风荷载。

　　 (1)基于阻力系数估算:

　　 (2)基于局部体型系数进行估算:

　　 式中:F_D,F_L分别为立面小构件的阻力与升力;A_D,A_L分别为立面小构件的阻力迎风面面积与升力迎风面面积;C_D与C_L分别为小构件的阻力系数与升力系数，可参考规范中构件阻力系数或升力系数(最大值建议不超过2)，也可通过节段模型试验或CFD模拟得到;μ_sl为小构件的局部风压系数，可参考小构件附近墙面的局部体型系数(中国荷载规范角部区域取1.4，非角部区域取1.0)，若有风洞试验结果时，建议采用风洞试验中小构件附近的局部风压系数;C_amp为不同区域调整系数，其中非角部区域建议取0.7，角区建议取1.4，并建议C_DC_amp,C_LC_amp与μ_slC_amp的值不应超过2.2;C_shelter为小构件的遮挡系数，若小构件间的间距小于构件宽度的4倍，遮挡系数可取0.6，但是端部小构件的风荷载的遮挡系数取1;q_ref为参考风压，建议取高层建筑顶部的参考阵风风压。将产生的荷载设置25%偏置(即偏离小构件中心线)以考虑风压力分布的不均匀性，以及校核小构件连接件抗扭能力。

　　 上述经验公式主要针对单体高层建筑立面小构件，没有考虑周边干扰建筑的影响。该公式的适用范围为:1)独立的水平或垂直小构件连接到或靠近建筑立面;2)小构件宽度不超过建筑迎风面宽度的10%;3)小构件为钝体或流线型的遮阳板与百叶窗;4)小构件的自振频率超过5Hz。若小构件的宽度超过3m或小构件的自振频率低于5Hz或者建筑周边干扰建筑影响复杂等，应通过风洞试验或其他方法预估立面装饰小构件的设计风荷载。

　　 上述计算参数的选定主要是基于荷载规范、空气动力学理论与以往项目经验，主要是满足立面小构件设计的安全性，但是上述参数需要进一步的风洞试验与现场实测来实现安全性与经济性间的平衡。当前ARUP风工程团队已与同济大学合作，尝试通过不同风洞试验手段来找到实际工程中最经济合理的测试方法。通过三维打印技术对外部装饰构件进行准确模拟，通过测压试验得到建筑立面不同位置典型构件的设计风荷载。同时，进行立面不同区域风速测量试验与整体模型测压试验(小构件两侧布置测点)，以校核上述两种方法的合理性。后期，将进行小构件的整体测力试验与应变测量试验、现场实测来对上述参数进行进一步验证与优化。

　　 考虑到立面装饰构件风荷载的确定取决于许多参数，即建筑立面与平面形式、地面粗糙度类别、周边干扰建筑、百叶形状和支撑系统、百叶在立面上的位置，以及立面细节等等^[3]。同时，常规风洞试验手段都存在一定的不足，比如由于风洞断面阻塞比的限制而导致很难模拟周边干扰建筑;大比例节段模型试验由于很难准确模拟来流风场(湍流强度与湍流积分尺寸)以及干扰建筑的影响，该方法是否有效，需要进一步来复核。为了得到更合理的建筑外立面小构件的设计风荷载与连接件的设计风荷载，ARUP风工程团队一直尝试寻找最合理的试验方法。下面给出当前项目中已采用的试验方法，希望为类似项目立面小构件设计风荷载的确定提供参考。

　　 (1)整体模型试验与大比例模型试验

　　 某212m超高层建筑位于台风区，建筑外形见图1(a)。顶部塔冠设置通风百叶，为了得到塔楼百叶的设计风荷载，进行了1/300整体模型试验与塔冠的1/50大比例节段模型试验，其试验图片如图7所示。其中，整体模型试验的风场为中国荷载规范A类与B类地貌，并考虑有周边干扰建筑与没有周边干扰建筑两种工况。塔楼1/50大比例节段模型试验采用均匀湍流风场，试验时模拟风场主要是根据中国荷载规范，可计算得到其所在高度范围的平均风速剖面和湍流度剖面。为了减缓风洞壁面效应对风荷载的影响，在风洞下部设置了导流板。

　　 表2给出了顶部塔冠部分最大正压与最大负压的比较。从表2中可以看出，1/300整体模型试验得到顶部塔冠的最不利负压接近，但是1/50大比例节段模型的最不利负压比整体模型都大。究其原因主要是1/50大比例节段模型试验模拟了均匀来流风场，湍流积分尺度比整体模型要小，且塔冠节段模型的流场形式与整体模型有很大差别。在塔楼整体模型试验中，塔冠位于顶部三维绕流中，而塔冠节段模型很难在风洞中再现三维绕流。另外，由于塔冠的百叶有30%的镂空率，整体模型与大比例节段模型的空气运动形式也是不同的。上述可能是导致塔冠大比例节段模型试验结果比整体模型试验结果要大的原因。

　　 (2)整体模型试验(小构件两侧布置测压点估算风荷载)

　　 由于大比例节段模型试验很难准确模拟小构件所处位置的来流风场以及周边建筑的影响，导致试验结果与整体模型试验结果存在较大偏差。另外，由于在高层建筑整体模型中立面小构件的尺寸较小，不能在构件上布置测点。为了得到小构件上的设计风荷载，风洞试验单位尝试在小构件两侧布置测点来确定小构件上的设计风荷载。图8给出了深圳泰伦广场项目高层建筑外立面百叶的整体试验结果，该项目的外立面见图1(b)。该项目规划两栋超高层建筑与裙楼建筑，其中塔楼T1高度约210m，塔楼T2高度为160m。图8显示通过在竖向百叶两侧设置测点得到的风荷载比中国荷载规范的估算偏小，且角区与非角区的风荷载是不同的。从工程上来说，该方法比较方便且经济，但是小构件上的风荷载毕竟与邻近幕墙的风荷载是不同的，该方法的试验结果是否合理需要通过大比例整体模型试验来验证。

　　 (3)大比例整体模型试验(构件两侧布置测点+构件整体风荷载测试)

　　 为了得到图1(c)中200m高层建筑外立面的竖向遮阳板的风荷载，进行1/70大比例模型试验，在幕墙立面设置测压点，且在典型遮阳板两侧设置测压点及应变片测量得到整片遮阳板的风荷载，用于指导遮阳板与幕墙之间构件抗风设计。风洞试验照片如图9所示。风洞试验结果表明，竖向百叶的存在减小了建筑外立面的设计风荷载。遮阳板整体变形试验结果表明，在实际设计中应考虑遮阳板不同位置的相关性，并建议采用对角线长度作为荷载折减的评估指标。

　　 建筑外立面小构件设计风荷载的确定方法与设计准则是工程设计中亟待解决的问题，当前荷载规范并不能很好地给出安全经济的设计风荷载。

　　 (1)当前研究没有给出适合于工程的建筑立面小构件设计风荷载的确定性方法。文献调查与已有工程项目案例表明基于大比例整体试验模型，通过在小构件两侧布置、对小构件整体进行测力，以针对小构件进行变形测试，以上方法均为确定小构件设计风荷载的有效手段。但是从实际工程应用来说，采用小构件两侧布置测点的测压试验与建筑外表面小构件位置测速试验更为方便。也可考虑基于大涡模拟技术得到建筑外立面小构件位置的阵风风速或者节段模型，通过CFD模拟得到小构件的阻力系数，再结合规范或风洞试验的其他参数来得到小构件的设计风荷载。

　　 (2)《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)针对外立面小构件只给出了边棱处的装饰构件的体型系数，但是没有给出非边棱处的体型系数取值建议，从而导致工程师在实际设计时都偏保守地采用统一体型系数进行设计，建议参考国际规范分别给出外立面小构件角区与非角区的体型系数，并考虑小构件之间干扰效应的影响。

　　 (3)已有工程项目案例风洞试验结果分析表明，大比例节段模型试验由于很难模拟准确的来流风场与周边干扰建筑的影响，需要对该方法得到设计风荷载的安全性与经济性进行评估。

　　 (4)当前国内外荷载规范没能给出准确的小构件连接件的设计风荷载。项目案例风洞试验结果表明，关于立面构件连接点的设计风荷载的面积折减问题，以对角线长度作为特征长度更为合理。

　　 (5)文中经验公式计算参数的选择是基于荷载规范、空气动力学理论与ARUP项目经验，满足立面小构件抗风设计的安全性，可作为设计参考。但是需要进一步的风洞试验研究与现场实测来实现安全性与经济性间的平衡。