高层建筑结构抗风设计中多尺度耦合风荷载模型研究

高层建筑高度和结构形式的不断创新对工程抗风设计提出更高要求。受风荷载作用时，高层建筑表现出明显的柔性特征与动力响应，直接关系到结构安全性与使用性能。传统单一尺度风荷载模型难以同时兼顾建筑整体与局部、多层次风荷载特性，无法满足现代高层建筑抗风设计需求。风荷载具有显著的空间非均匀性和随机性，不同尺度间作用效果既独立又关联。随着数值模拟技术的发展，多尺度耦合风荷载模型应运而生，通过整合宏观、中观与微观分析，更真实反映建筑在风场中的综合响应，推动抗风设计向精细化发展。

一、多尺度耦合风荷载模型的理论基础

（一）高层建筑风荷载特性

高层建筑因其高度、柔度和形态特征，表现出与中低层建筑显著不同的风荷载特性。首先，风荷载具有显著的随机性，受风速、风向、湍流强度和建筑物体型等多因素影响，其水平分布和时间变化规律难以用单一函数形式描述。其次，风荷载在空间上呈现非均匀性，顶部和角部区域的风压通常高于中部和内凹区域，尤其在超高层建筑中更加明显[1]。此外，高层建筑结构风致效应包括静力效应和动力效应，静力效应主要体现为水平推力和弯矩，而动力效应则表现为风振响应，如涡激振动和脉动风引起的加速度响应。根据标准，高层建筑风荷载基本风压取值一般在 0.3～0.8 kN/m² 范围内，但具体数值需结合地形类别、风振系数等因素修正。

（二）风荷载多尺度特性解析

风荷载在不同尺度下的特性和作用效果呈现出明显差异。宏观尺度主要关注建筑整体形态与周边环境对风流场的影响。例如，建筑物高度、宽高比、平面形状（矩形、圆形、多边形）及群体布置形式直接决定风场扰动模式。流体力学研究表明，高宽比大于 5：1 的高层建筑容易形成大规模尾涡区，显著影响后方建筑风压分布。中观尺度分析则聚焦于立面构造与主要受风构件，如玻璃幕墙、阳台、挑檐等。幕墙系统作为高层建筑外围护体系的重要组成部分，其抗风设计需考虑面板最大允许变形（通常取 1/500 H）及面板背压效应。微观尺度涉及表面细节及局部流场特性，例如门窗缝隙、幕墙接缝、装饰条等位置的风荷载集中现象。小尺度扰动虽不显著影响整体风力平衡，但对局部破坏和防水性能具有决定性作用。

（三）多尺度耦合建模基本原理

多尺度耦合风荷载模型的核心在于同时兼顾宏观、中观与微观尺度特性，通过统一数学框架实现各尺度间的信息传递和相互反馈。其基本原理包括以下三方面：第一，采用嵌套式模型结构。以宏观尺度建筑物 CFD（计算流体动力学）模型为基础，使用 RANS（雷诺平均 Navier-Stokes）方程求解主风场；在中观尺度引入 LES（大涡模拟）方法，解析主要构件附近流场细节；微观尺度采用壁面函数法对贴壁流及局部压力波动进行修正。第二，设置合理的耦合边界条件。例如，将宏观 CFD模型求解得到的体积分布风压场，作为中观与微观模型的输入边界；中观模型求解得到的局部流动特性参数，如涡脱频率（Strouhal 数取值一般为 0.05～0.2），反过来修正宏观模型中的动荷载系数。第三，参数敏感性分析。利用响应面法或拉丁超立方抽样（LHS）对关键参数（如风速剖面指数 α 值、湍流强度 I、边界层厚度 δ）进行敏感性分析，确保模型在不同设计条件下具备良好的适应性。

二、多尺度耦合风荷载模型的构建方法

（一）尺度划分与系统整合

在实际工程应用中，尺度划分需依据建筑规模、结构复杂程度以及设计目标的具体要求进行合理界定。通常以建筑整体高度 H 为基础参考指标，宏观尺度定义为覆盖建筑全高范围 ，以整体风场与主结构响应为核心分析对象 [2]。中观尺度通常选取 H×10% 左右的重点区域，主要包括裙楼、设备层、结构关键连接节点等影响建筑局部响应的敏感部位。微观尺度则聚焦在尺寸为建筑整体高度 1% 以下的构件单元，例如单块幕墙板块、百叶窗片、玻璃面板固定节点等。为了实现各尺度模型间的有效耦合，需采用统一网格体系和数据接口平台。推荐使用ANSYS Fluent 等具备多重网格嵌套与子模型集成功能的CFD 软件平台。这类软件支持区域加密与主—从模型耦合，使各尺度模型既能独立求解，又能保持边界条件与流场信息的一致性。为保证模型求解结果的稳定性和可靠性，所有子系统建议统一采用 k-ε 湍流模型或 k-ω SST 模型，尤其在中观与微观尺度下，后者在近壁面流动模拟中表现更优。此外，应严格执行网格无关性检验，通常通过三组不同网格密度方案比对，确保关键响应参数变化不超过5%，以确定最优网格划分策略。

（二）数值模拟与理论分析

数值模拟作为多尺度耦合模型构建的重要技术基础，其实施步骤和标准要求必须严谨规范。首先，依据中国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）与美国ASCE 7-16 标准，设定建筑所在地区的基本风速值、地形类别与粗糙度系数。一般情况下，城市市区建筑取地形类别 B，粗糙度指数 α 值约为 0.16～0.22。建立 CFD 模型时，流场域应设置至少10H 长、5H 宽、3H 高的外边界，以防止边界条件对内部风场形成干扰。

在网格划分过程中，推荐采用非结构化网格与局部加密相结合的策略。建筑主体采用1.0 m 左右尺度的网格划分，关键区域如顶部边缘、转角、凹凸部位网格尺寸应细化至 0.1 m 以内，以提高局部流动特性模拟精度。模拟过程中，需施加合理的稳态与非稳态边界条件：稳态求解用于获取建筑表面的平均风压分布，非稳态求解则用于分析瞬态涡脱现象、风振响应及相关频率特性。结果分析阶段，需结合理论公式与规范标准对模拟结果进行合理性校核。例如风振系数 μ 计算公式： + gR·σD/DM 其中，gR 为峰值因子（通常取 3.5～4.0），σD 为风荷载标准差，DM 为平均风荷载。该参数直接影响结构设计中的荷载放大系数和安全裕度。通过将 CFD 模拟结果与规范中推荐值对比，进一步验证模型可靠性。

（三）模型适用性分析

多尺度耦合风荷载模型主要适用于高度 60 米以上、结构体型复杂或带有特殊外露构件的高层建筑 [3]。例如，高度超过 150 米的超限高层建筑、设有大悬挑结构或特殊幕墙系统的商业综合体建筑均属于推荐适用范围。该模型相较传统单一尺度简化模型，在荷载分布预测方面具有明显优势。根据实际工程应用经验，多尺度模型在顶端风压、角部局部风压等指标上的预测误差相比传统方法可降低 15%～25%，对于提高结构设计精度、降低安全冗余具有积极意义。但其应用仍存在一定限制，主要体现在高性能计算资源的需求量大。通常一次完整的多尺度 CFD 分析需使用 64 核以上并行计算平台，单次求解时间在 72 小时以上。此外，工程人员需具备 CFD 操作技能、结构力学分析能力以及相关软件应用背景，这对团队专业水平提出更高要求。因此，建议将该模型优先应用于技术复杂、经济价值较高或存在风荷载敏感性的项目，如城市地标建筑、超高层办公楼、大型公共建筑等场景。对于普通中小型项目，则可根据具体情况权衡采用简化模型或多尺度模型。

三、多尺度耦合模型在高层建筑抗风设计中的工程应用

（一）高层建筑抗风设计流程优化

传统高层建筑抗风设计流程以结构整体受力分析为主线，主要采用等效静风荷载简化方法进行计算。这种方法通常依据规范推荐的风荷载体型系数和风振系数，忽略局部构件如幕墙、雨篷、百叶窗等附属结构的具体受力情况。在高度不超过 100 米、体型规则的普通办公楼中，这一方法能够满足基本安全需求。但对于高度超过 150 米、采用异形体或异形幕墙系统的超高层建筑，其局部受风荷载与整体响应存在明显差异，仅依赖简化方法往往导致设计偏保守或局部失效风险。

采用多尺度耦合模型后，抗风设计流程被细化为三步：第一步，宏观尺度整体结构分析，通过 CFD 模拟结合结构有限元分析，确定主结构的抗风水平推力、弯矩与剪力。例如在 300 米以上的塔楼设计中，需特别关注结构下部核心筒与外框架间的力学协作关系以及整体刚度控制[4]。第二步，中观尺度局部受力分析，明确幕墙龙骨、连接件等关键部位的设计荷载。例如超高层酒店中，裙楼屋面玻璃天窗或钢结构桁架系统需专门进行局部受力计算，以保证结构合理性和使用安全。第三步，微观尺度节点分析，计算玻璃板块固定点、幕墙挂件及连接节点的局部应力及位移。以玻璃幕墙系统为例，固定件连接处的最大允许位移应控制在 5 mm 以内，同时应满足设计规范中规定的安全系数，通常取值为1.5～2.0，以确保幕墙系统长期稳定运行。

（二）典型案例分析

以某高度 260 米的不规则截面超高层办公楼为例，采用多尺度耦合模型进行抗风设计。该办公楼整体建筑呈“Z”字形平面，采用双层呼吸式幕墙系统，外立面具有复杂的转角、凹凸部位以及悬挑构造。CFD 三维风场模拟分析显示，建筑顶部及转角处局部风压峰值系数 Cp值可达 -3.2，而依据规范采用体型系数计算的传统方法仅得 -2.4，两者存在约33% 的偏差。这表明，传统单一尺度方法在应对异形体建筑时，无法准确反映关键部位的实际受风状况，可能导致幕墙系统或节点部位设计不合理。

进一步开展中观尺度分析，重点针对幕墙龙骨及连接支座区域受力情况进行计算。模拟结果显示，龙骨支座最大轴力达 42 kN，明显超过常规设计值 28% ，其中转角区龙骨最为突出。为解决这一问题，设计团队采用了 300×150×10 mm 的矩形钢管作为主要龙骨截面，并在连接部位增加高强螺栓和辅助拉杆系统，使龙骨整体刚度和承载力提升 20% 以上。此外，在龙骨连接支座间距上，由原设计 1.8 m 缩短至 1.2 m，进一步降低了单个连接点的受力集中风险。

在微观尺度分析方面，重点分析玻璃面板固定件的受力与变形情况。模拟显示，固定件处产生的瞬态风荷载脉动值约为基础风压的 1.8倍，且最大瞬态位移达到8 mm，已超过结构设计规范中允许的5 mm 限值。考虑到安全性与耐久性，设计团队选用厚度不小于 12 mm 的高强度钢制固定件，采用 Q355B 材质，并在固定件与玻璃面板之间增加 5 mm 厚的三元乙丙橡胶垫层，有效吸收脉动荷载带来的瞬时应力波动 [5]。此外，还优化了固定件安装工艺，采用柔性连接系统减少刚性约束，提高幕墙整体适应风荷载变化的能力。这一系列优化措施最终确保了建筑在强风环境下具备良好的安全性与使用性能。

（三）推广应用与发展趋势

随着高性能计算平台和仿真软件技术的快速发展，多尺度耦合风荷载模型已不再局限于学术研究，而逐步被应用于实际工程设计领域。未来，模型构建和分析流程将趋向自动化、模块化与智能化。尤其是在引入人工智能和机器学习算法后，可以通过历史案例和大量仿真数据训练支持向量机（SVM）或随机森林模型，实现模型参数的快速优化与预测功能。例如，某些设计院已尝试利用 AI 预测 20 层 ～80 层建筑不同楼层高度处的局部风压分布，极大缩短了前期设计周期。

与此同时，行业标准也在不断完善。国内外已有相关规范草案建议增加多尺度分析条文，例如讨论将高度超过 200 米的建筑纳入强制多尺度分析范围，以提高设计合理性与安全性。此外，多尺度耦合风荷载模型的应用还不局限于抗风设计领域，近年来在抗震、防火、通风与舒适性分析中也开始推广。例如，在超高层住宅项目中，利用该模型优化通风塔楼设计，通过模拟分析风压分布改善自然通风效果，从而实现节能减排目标，提升建筑运行性能。

总结：

高层建筑结构抗风设计中，多尺度耦合风荷载模型相较于传统单一尺度方法，能够更全面、精确地反映建筑整体与局部在风荷载作用下的受力特性。通过合理划分宏观、中观与微观尺度，结合 CFD 数值模拟与理论分析，能够有效提升结构安全性和设计合理性。实践案例表明，多尺度耦合模型在复杂建筑形态和特殊构件抗风设计中具有显著优势，有助于优化结构受力分布、提高材料利用效率，并进一步降低设计冗余与施工成本。随着高性能计算与人工智能技术的进步，该模型未来将在行业标准化应用中得到更广泛推广，对推动高层建筑抗风设计技术发展具有重要参考价值与实际意义。

参考文献

[1] 杜琳 . 基于 WR F/DES 中小尺度耦合下大型航站楼风荷载特性研究 [D]. 南京航空航天大学，2022.000679.

[2] 朱容宽 . 基于中 / 小尺度耦合大跨度航站楼屋盖台风致风荷载及风振响应分析 [D]. 南京航空航天大学 ，2020.001664.

[3] 苏 威 . 高 层 建 筑 抗 拔 桩 设 计 优 化 研 究 [J]. 建 筑 施工 ，2024，46（12）：2105- 2109.

[4] 李志聪 . 某高层建筑抗倾覆结构设计探析 [J]. 福建建设科技 ，2024，（04）：33- 35.

[5] 包洁玮 . 性能化设计在超高层建筑结构设计中的应用 [J]. 四川水泥 ，2024，（02）：91- 93.