北京市建筑设计研究院专家谈数值风洞在工程实际中的应用
数值风洞：更快速、灵活、精确的追求
--------------------------------------------------------------------------------
发表日期：2006年5月25日
数值风洞：更快速、灵活、精确的追求
——北京市建筑设计研究院专家谈数值风洞在工程实际中的应用
近年来，我国工程建设中大量体形各异的超高层、大体量建筑的出现，为国内工程设计行业提出了新的难题，非常规的建筑形式使得设计难度加大，设计周期不断缩短，但同时，这种状况也为新技术、新手段的应用提供了条件。
在进行超高层、大体量建筑的设计中，风对于建筑结构的荷载具有重要影响。传统做法是将建筑模型放入专门的风洞试验台中进行模拟试验，得出风荷载相关数据，作为设计依据，用于工程设计。这种方法成本高、周期长、灵活性较差，无法完全胜任当前工程设计的实际需求。能否有一种更新的技术，来代替或者补充以往传统的设计手段呢？随着电子计算技术的发展，一种新型的确定结构体形系数的CFD方法应运而生，即人们常说的数值风洞方法，这是国内工程设计者和研究人员通过不懈努力，为解决这一难题做出的有益尝试。记者日前采访了有关专家，对该方法进行了深入细致的解读。
复杂结构体形催生数值风洞方法
采访时，北京市建筑设计研究院空间结构设计研究专家甘明博士告诉记者，风荷载是大跨度结构和高层建筑的一个重要荷载工况，在设计中，风荷载由基本风压、高度系数、体形系数以及风振系数四个参数确定，其中基本风压和高度系数可以从荷载规范中查出，风振系数可以通过随机振动计算得到，体形不复杂的体形系数可以从荷载规范中查出。对于体形比较复杂的结构，过去多依靠风洞试验获得结构的体形系数。
甘明说，通过风洞试验确定体形系数存在一些困难：一是风洞试验所需时间较长，因为它包括商务谈判、模型制作和试验时间等，这往往使得结构工程师无法在设计初始阶段获得可靠的信息，支持结构的确定。二是风洞试验费用较贵，不能进行多种方案比较，有些甲方甚至连一个模型费用也不愿出。三是风洞试验由于模型缩比比较大，地面粗糙度的模型也较真实情况差别较大，因此模型的尺寸误差效应往往偏大。
随着电子计算技术的发展，一种新型的确定结构体形系数的CFD方法应运而生，即通常所说的数值风洞方法，这种方法可以在较短时间内完成计算，使结构工程师在设计前期就可获得结构风荷载信息。同时，由于所需费用甚少，可以进行多方案比较，利于结构设计的优化，同时由于尺寸和地面粗糙度都使用原值，避免了试验尺寸误差效应。
北京市建筑设计研究院从事建筑环境研究的高级工程师马晓钧进一步解释说：“数值风洞”就是在计算机上做风洞试验。它基于计算流体动力学（CFD）原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，就能够将“风洞”结果形象、直观地显示出来。相比于传统的模型试验方法，数值风洞计算周期较短、价格低廉、数据信息丰富、并且可以很方便地模拟各种不同情况。
国内数值风洞技术应用前景广阔
据悉，数值风洞计算在国外发达国家应用较成熟，在国内，数值风洞的研究也有开展，其研究水平也并不低，但是此类研究多在高等院校和专业科研院所进行，因而与实际工程应用有不小的差距。可以说，真正用于工程设计之中的数值风洞计算的实例少之又少。
马晓钧分析说，造成这种状况有有多方面的原因，但其主要原因是由于科学研究与工程应用的目标差异所造成的。在计算中，精度的提高、数据信息量的增加，势必会造成计算时间和数据处理工作量的增加。单纯地追求高精度的思想是不能完全适应实际工程设计的计算需求和进度要求。工程应用往往需要风洞计算在不失一定工程精度的基础上，尽量做到简便、快速。因而如何在计算精度与计算速度之间寻找一个能够让实际工程设计所满意的平衡点，则是将我国数值风洞技术的先进研究成果转化为实际工程设计的强有力的工具、并实现大范围推广应用的关键所在。
据他介绍，早在2001年，北京市建筑设计研究院的科研人员和工程设计师就在国内工程设计行业内较早开展了数值风洞技术的应用性探索，并在新疆体育馆工程设计中进行了工程应用尝试，积累了一定的经验。此后，他们在控制合适的工程精度、建立方便的设计接口，以及数据处理的方式等方面，均进行了一定的探索性研究工作，在全国工程设计单位中，处于较为领先的水平。同时，他们与清华大学等一些著名高校和科研单位进行了广泛的交流合作，取长补短，目前已经初步形成了一套数值风洞计算的工程应用模式。
马晓钧还给记者介绍了数值风洞计算建筑结构的风荷载体形系数最近在青岛万邦大厦工程中的应用，他说，通过这种方式获得了多个设计工况的数据信息，完全做到了与工程设计进度同步进行，相对于传统的风洞试验方法，大大节省了计算周期和成本。
为了更深入地了解该项目中CFD方法的应用，记者采访了青岛万邦大厦的设计师北京市建筑设计研究院1S1工作室主任、国家一级注册结构工程师陈彬磊。他介绍说，青岛万邦中心工程整个工程用地面积约20212.3平方米，工程总建筑面积211930平方米，工程由1号，2号塔楼及四层地下室和四层裙房组成，其中1号楼房屋高度224.60米（51层），主要用于办公，2号楼为公寓楼，房屋高度100.0米（30层）。这样的形体结构风荷载比较复杂，必须做风洞试验。
陈彬磊告诉记者，由北京市建筑设计研究院研究所做的数值风洞计算建筑结构的风荷载体形有关数据，与工程甲方出资做的传统风洞试验结果相差无几。前者所用时间为两周，后者用了40多天，而且前者所需费用约为后者的三分之一。
作为设计人员，陈彬磊对这两个方法进行了比较。他说，首先，从费用方面看，CFD方法所需费用比传统方法少得多，而且在需调整模型的状况下，资金优势更明显。其次，CFD方法在需调整结构形式时更有优势。在计算机上设计不同的结构形式，进行多方案的比较较之传统方法便捷得多。第三，在当前情况下，CFD方法所用的时间已有明显优势，而随着计算机技术的发展，其速度还将得到提升。陈彬磊认为，CFD方法具有广阔的前景，在未来或许可以取代传统的试验方法。
采访结束时，甘明、马晓钧两位专家表示，从发展趋势来看，更快速、更灵活、更精确是所有设计手段所追求的方向。因此，在今后的工作中，不断提高精度与提高计算速度将是进一步努力实现的目标。作为先进的工程设计辅助手段之一，他们希望通过这项技术在国内设计单位中的推广应用，进一步丰富工程设计的设计手段，从而提高我国设计行业的整体水平。
