高层建筑抗风设计的几个问题

近期，厦门市建设局巡视员、副局长、教授级高工林树枝博士，结合高层建筑抗风设计特点及多年的研究心得，详细分析了2016年“莫兰蒂”强台风对厦门市高层建筑的影响，总结了高层建筑的抗台风经验，并对高层建筑抗风设计中存在的几个问题提出了对策建议。内容丰富，分析到位。现将经整理后的专题报告《高层建筑抗风设计的几个问题》分享如下：

    2016年9月15日，厦门遭遇建国最强台风--“莫兰蒂”台风，台风登陆时最大阵风17级，中心最大风力15级，风速48米/秒。整个厦门大面积断电停水，65万株行道树倒伏，566家企业受灾，17907间房屋倒塌，经济损失超过100亿元。台风在厦门境内持续3个小时。风荷载超出国家标准较多，造成幕墙抗风压性能、水密性能、气密性能、耐撞击性能等各项性能大大超出限值。高层钢结构建筑、幕墙支撑钢结构经受了严峻考验。

    厦门海峡明珠广场地上50层，总高度232m，钢结构建筑。受“莫兰蒂”台风袭击，石材幕墙角部区破损脱落，部分为撞击物撞击破损，有少数玻璃面板破损脱落。

厦门五缘湾某写字楼玻璃面板从上到下全部损坏。属于玻璃面板强度超限，未能抵抗本次台风。

    强台风过后，厦门市建设局组织对全市房屋建筑受损情况进行调查，掌握第一手资料。全市幕墙多数表现良好，经受住强台风的考验。但有约有5万m2的幕墙破损，发生破损的幕墙，其幕墙的支撑钢结构基本完好，主要为石材、铝板、或玻璃破损，个别开启扇掉落和五金件失效等。外维护结构损坏主要由下列原因造成：（1）由于风力太大，高层建筑，特别是高层钢结构建筑层间侧移过大；（2）群楼的狭管效应引起；（3）风致效应引起；（4）面板强度不够引起；（4）设计不合理引起（包括：造型奇特、迎风面太大、玻璃没有夹胶等）。

▲ 提升高层建筑抗风能力的措施

    1、控制建筑物的造型：最好的建筑平面就是最没有特色的圆柱体或者正多棱柱。若是正方形，角部宜切掉了一小部分，使平面形状没有直角或者锐角。建筑外表面也要尽量的光滑，各种装饰性的突起要尽量避免。仔细观察一下全球400米以上的超高层建筑，绝大多数也都是这个造型。

    2、优化结构构件：高层建筑一般是结构柔度大，自振频率比较低，如果与风振频率接近，在风的作用下振幅就会很大（共振）。改变自振频率有很多办法，最直接的办法就是通过优化结构构件（梁、柱、剪力墙、支撑）的尺寸和布置，把结构的自振频率控制在合理的范围内，使得建筑在风的作用下保持较好的舒适性。

    3、增加减振装置：超高层建筑，因为高宽比太大，结构太柔，仅通过结构设计调节，难于有效改变结构的自振频率。特别是钢结构建筑，阻尼比较小，需要在一些特殊的部位设置风阻尼器（TMD、质量调节阻尼器），或设置阻尼墙、偏心支撑、屈曲约束支撑等耗能构件，达到减少风致效应、提高舒适度的目的。

一、控制建筑物的造型

    风是紊乱和随机的，风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定，适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。对风敏感的高层钢结构建筑，及高层钢结构建筑群，其体型宜做专项设计：

    单体建筑的体型系数应尽量小。其体型应有利于建筑物减少受风面积，从而减少风荷载对建筑物的影响。单体建筑要有合理的流线，使风产生不了风旋涡，避免建筑物产生风振，即使产生涡流，也要能减少建筑物的摇摆振动。

    建筑群应综合考虑群体内建筑物的体型。建筑群中的建筑单体造型，对群体效应、狭管效应、风场流向等均有较大影响。复杂的建筑体型，会对相邻建筑产生不利影响，还会影响风的流向，加上建筑密度大，鳞次栉比，易引发狭管效应，使城市街道风速加大，危及行人和行车安全。特别是当强台风来袭时，峡管效应会使高层建筑的部分外墙表面因风速过大而产生巨大负压，玻璃幕墙或大块墙板像雪崩一样脱落，高档门窗等也会突然崩塌、坠落伤人。

避免设计迎风面偏大的超高层建筑

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避免设计立面造型复杂的高层建筑

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 厦门特房波特曼大厦：216米，钢-混凝土组合结构。玻璃幕墙设计成外凸的直角三角形，通过三角形长短边方向变化形成立面线条，其玻璃外墙形状和防浪堤类似，狂风撞到玻璃外墙时，力量瞬间分散，不易形成集中压力和吸力。

 ▲避免出现狭管效应

    城市高楼间的狭窄地带风力特强，易造成灾害，城市“峡谷风”是各大城市面临的新问题。风洞试验经过数值模拟后发现，平地上3—4级的风，在城市高楼之间，经过“狭管效应”放大后，可达10级以上，刮起六七级大风时，狭管效应能使通过高楼之间的瞬间风力达到12级。“狭管效应”的威力大小，与一个城市高层建筑的数量、间距、建筑物的位置有着密切关联。高层建筑物越多、体积越大、间距越近，出现“狭谷效应”的机会越大。

 ▲2016“莫兰蒂”台风--狭管效应

    厦门中航紫金广场。塔楼A、塔楼B均为写字楼，地面以上总层数41层，屋面高度为180.7m，采用钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构体系。A、B两幢楼距离较近，周边建筑群密集，建筑风环境极其复杂。 

▲2016“莫兰蒂”台风--狭管效应 

    对于密集区域高层建筑，其建筑体型系数放大较明显。台风风眼或近中心附近移动路径经过建筑结构所在位置时，风速和风向都发生剧烈变化，若未充分考虑群体风干扰系数，则会大大降低建筑物的安全性。

 

▲狭管效应造成幕墙局部破坏严重。

 

▲《建筑结构荷载规范》50009-2012 

    密集高层建筑群造成的狭管效应、风致干扰效应等原因均会造成局部瞬时风压增大。此种状况下玻璃破坏表现为中空玻璃内、外二层同时破坏；如厦门两岸金融中心旁边的二幢高层，由于二幢高层间距较近，从东北向吹过来的台风经过第一幢时，风从角部经过造成的脱落旋涡直接作用在第二幢高层幕墙上，局部风压增大，造成玻璃内、外片同时破坏。

▲这种造型，狭管效应明显：

    群体风相互干扰，风荷载增大较多。计算时，风荷载取值应按风洞实验。

    幕墙的支撑钢结构的刚度要足够大，以抵抗巨大风压。

    每块玻璃在大风下均不能破坏，否则，局部玻璃破碎后产生的碎片在建筑间复杂风环境的作用下，四处飞射并撞击到其他玻璃，造成原本不会破坏的其他玻璃破碎。

    推荐采用夹胶玻璃。胶片可以增加玻璃抗穿透性能，同时还可以有效控制玻璃碎片飞散，防止碎片被台风卷起对玻璃造成二次打击。 

▲“莫兰蒂”台风的教训

    处于“狭管效应”位置的玻璃，若反向安装，台风时损失严重。单片玻璃位于外侧，夹胶层在内侧，外侧玻璃面板易发生碰撞损坏，破损的玻璃碎片，还会击破其他玻璃。应采用夹胶中空玻璃，且夹胶玻璃位于外侧。 

 

▲复杂体型，应做风洞试验

（外型极其复杂，体型系数和风振系数难于确定）

    复杂的建筑表皮，风荷载难于确定，数值计算、加工制作、施工安装难度也大。

厦门天语舟雷达工程

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 ▲有特殊要求的建筑，抗风设计应专门研究  

（厦门气象雷达科普观景塔） 

    建筑物坐落在海拔120米的山上，风力较大。地上20层，建筑顶部高度77.6米，塔楼结构采用带部分钢支撑的钢框架一钢砼组合筒体结构，外框柱采用12根φ450x15曲线钢管柱。

    气象雷达用于对台风、龙卷风、冰雹、雷暴、暴雨等灾害性天气的观测和监视。建筑物的侧移不能太大，还要确保台风等灾害来临时，监测仪器能正常工作，因此，风荷载取值需做专门研究。

二、减小高层建筑在风荷载下的水平侧移

 ▲减小高层建筑在风荷载下的水平侧移

     增设加强层，对解决高层建筑抗风问题十分有效。设置水平加强层后，将引起结构主要内力重分布，使结构构件更能发挥抗侧潜能，从而减少层间侧移。

加强层设置要综合考虑数量、位置、伸臂结构形式、伸臂结构刚度等因素。宜在适当的楼层设置适宜刚度的水平伸臂构件。太柔作用不明显，太刚又会刚度突变，不利于抗震。必要时，也可同时设置周边水平环带构件。

 

    厦门世茂海峡大厦，两栋超高层钢结构建筑（总高度300米）。“莫兰蒂”台风后，主体结构及幕墙完好无损。

 

 

三、重视幕墙支撑钢结构的设计

 ▲幕墙的支撑钢结构

     进入二十一世纪，钢结构大量应用于幕墙骨架。十多年来，我国已建成的采用焊接钢结构支承的玻璃、铝板和石材幕墙，这类工程甚至经历了多次12级到14级强台风的吹袭而完好无损。但应重视以下问题：

    幕墙的大型支承钢结构是钢结构的一部分，应按钢结构规范执行，其结构设计使用年限宜按主体结构考虑。

    焊接是钢结构最可靠的连接方式之一。国外也有许多幕墙的钢横梁、钢立柱采用焊接，并非全用螺栓。但高空焊接，如何检测，质量如何保证，是个大问题。（钢结构专业施工队伍？焊工持证上岗？）

    支承钢结构同样存在温度应力，存在防火、防锈蚀等问题，应高度重视。

 ▲幕墙的支撑钢结构（全明框架式幕墙大样图）

     

系统说明：

钢框架外包铝型材，竖向装饰扣盖60mm宽，出玻璃面20mm高  

玻璃最大尺寸：

1800*4500（W*H） 

玻璃配置：

8+1.52PVB+8+12A+10mm

蓝灰色钢化LOW-E玻璃

四、提高幕墙的抗台风能力

 ▲厦门国际中心超高幕墙应对超强台风的措施

    厦门国际中心总建筑面积18.56万平方米，建筑高度339.88米，地下4层，地上61层，是福建省最高的超高层钢结构大楼。建筑幕墙总面积约62000平方米，采用了竖明横隐的单元式结构幕墙体系。“莫兰蒂”台风来袭时，结构已经封顶，幕墙已施工4/5。

    厦门国际中心幕墙工程在前期设计、后续施工以及台风肆虐期间均进行了周密考虑和预案应对，施工期间强台风来袭，幕墙完好无损。这是典型的超高层钢结构建筑幕墙工程预防强台风的成功案例。

 

    1、安全等级。本工程幕墙的结构安全等级按1级进行设计。埋件系统、转接件和单元挂件系统、龙骨系统、横竖框连接、上下单元插芯、结构胶以及竖向装饰框的连接系统等在结构计算时均提高了安全系数。

    2、风荷载取值。除了基本风压、场地粗糙度、抗震设防烈度、设计地震基本加速度均按规范给定的参数进行选取外，还严格按照工程的风洞试验报告进行标准风荷载取值，最大设计风荷载WK=6.6kN/m2。

    3、玻璃：在提高安全系数的前提下，经过严格计算，幕墙透视部位采用HS10+1.52PVB+HS10+12A+HS10夹胶中空玻璃，层间玻璃采用HS10+1.52PVB+HS10夹胶玻璃。不但中空玻璃的内外片进行了等强度设计，而且夹胶玻璃的采用，大幅度提高了玻璃的安全性。

    4、结构胶。采用超高性能硅酮结构密封胶。

 

     “莫兰蒂”台风来袭时，幕墙正在施工。台风对未封闭建筑有很不利的影响，未上墙的材料众多，现场机具、设施很多，情况复杂，提前做好防范措施很关键。强台风过境，厦门国际中心工地没有发生任何人员和财产损失，是一个奇迹。

    台风来之前，现场清理场地，不再进行施工。

    对堆放在楼内和风口的材料，集中转移到避风处，保证楼内及风口处无散落材料。

    对于已经安装的开启窗逐个检查，并全部关闭锁死，保证开启不被风吹落。

    对最上层单元板块的防跳动装置逐个检查，并全部安装且紧固，保证顶层单元不被掀起掉落。

    台风到来之前，将所有吊蓝的钢丝绳每隔10米与装饰框捆绑一次，吊篮副绳和生命绳通过地面的打地锚固定。　

 

        2016年，超强台风“莫兰蒂”袭击袭击厦门，厦门中心大厦还处于施工阶段，由于施工垂直运输的需要，玻璃幕墙的周圈没有闭合，台风来袭，强风穿膛而过，玻璃需要承受巨大的正风压和负风压作用，相当于两面受风。这时候，幕墙处于最危险的状态，受力是最为不利的，在这种情况下，玻璃幕墙很容易遭受重创，历史上，这样的例子很多。但台风过境后，出乎意料，玻璃幕墙几乎完好无损。这是个奇迹，非常值得骄傲！

       施工中的玻璃幕墙，能经受考验，关键是幕墙设计与施工的精细化。为什么这个项目的玻璃幕墙能承受这么大的风力？一是它的幕墙骨架做得非常牢靠；二是选用的玻璃比较厚，外侧2层玻璃夹胶，内侧1层玻璃，双层镀银Low-E中空；三是它的流线型设计也减少了风的阻力；四是采用BIM技术，幕墙设计、施工一体化集成。应该说，这个项目舍得投资，在设计的时候，风荷载也考虑得比较足。

 ▲提高幕墙的抗台风能力

    玻璃幕墙高度大于200m或体型、风荷载环境复杂时，宜进行风洞试验确定风荷载。建议超高层、临海密集区高层建筑、异型建筑应进行风洞试验。

    控制隐框玻璃幕墙的使用高度。建议高度超过100m的玻璃幕墙采用明框、半隐框的做法。

    控制板块的尺寸。建议隐框幕墙板块的面积不宜超过4m2，开启扇板块面积不大于1.5m2。现在许多工程的隐框板块，尺寸非常大，甚至超过6m2，这些板块承受的风力使得胶缝宽度达到无法接受的程度，只能使用超高强度结构胶才能过关。

    玻璃品种。有脱落风险部位应采用夹层玻璃，明确玻璃材料选用要求。高层玻璃幕墙优先选用超白玻璃和均质钢化玻璃，降低玻璃内部缺陷率。

五、增加减震装置

 ▲风阻尼器（TMD、质量调节阻尼器） 

    减小风力对超高层建筑的影响，最新的技术是在超高层建筑设置一种风阻尼器（TMD、质量调节阻尼器）的装置，能有效地减小强风力对超高层建筑产生的摇晃。

    上海环球金融中心，安装了两台用来抑制建筑物由于强风引起摇晃的风阻尼器。当遭遇6级以上强风时，建筑内的人会有轻微摇晃感。考虑到上海时常遭遇台风袭击，设计时，特别安装了这样的风阻尼器。

 ▲台北101

    建筑高度508米。采用新式的“巨型结构”，在大楼的四个外侧分别各有两根巨柱，共八根巨柱，每根截面长3米、宽2.4米，自地下5层贯通至地上90层，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。大楼的外形设计成锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%由风所产生的摇晃。为减少风荷载下的侧移，每隔8层设一道刚桁架加强层。

    为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃，大楼内设置了风阻尼器（质量调节阻尼器），即在88至92楼挂置一个重达680吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。 

▲风阻尼器（TMD、质量调节阻尼器）

    2015年第13号超强台风“苏迪罗”，08月08日凌晨，以中心附近最大风力15级（48m/s），在台湾省花莲登陆，台北101大楼内的风阻尼器摆动幅度达100cm，摆动幅度创历史最大。风阻尼器设计的最大摆幅可达正负150cm，用来平衡大楼左右摇晃，可减少大楼约40%的晃动幅度。

 

 

▲厦门国际中心

    厦门国际中心总建筑面积18.56万平方米，建筑高度339.88米，地下4层，地上61层，集超甲级写字楼、单元式办公、高档会所、观光等为一体，是福建省最高的钢结构大楼。

    消能减振方案采用粘滞阻尼墙进行风振控制。X向和Y向共布置68个170T粘滞阻尼墙。有效满足结构舒适度要求。

▲厦门帝景苑

    厦门首个超高层住宅项目，5幢62层，258米高，（Ⅰ期+Ⅱ期）50万平方米，全钢结构精品住宅。

 

为减小风荷载作用下的层间侧移，全楼设置了约束屈曲支撑。

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▲结束语

    高层建筑的风荷载包括三部分：平均风压产生的平均风力（静态荷载）；脉动风压产生的随机脉动风力（动态荷载）；由于风致建筑物振动产生的惯性力（动态荷载）。高层建筑的动态荷载不容忽视，但要准确地确定风荷载，必须依靠风洞试验。

    厦门市风荷载大，许多高宽比较大的高层建筑，层间侧移由风控制，抗风设计尤其重要。建筑方案应尽量采用体型系数较小的建筑平面（如近似正方形、圆形等），避免采用迎风面较大的建筑平面。

    高层建筑的外维护结构在历次强台风袭击中，均遭受较大的损坏。地处台风风口、或出现狭管效应的建筑群内、以及风致效应明显的区域，外维护结构的破坏特别严重。外墙、外窗、幕墙应进行专门的抗风设计。外立面应尽量光滑平顺、简约简洁，避免采用外型复杂或造型奇异的建筑立面。