📝 引言
在当代结构与风工程领域，精确确定风荷载对保障建筑及土木基础设施的安全性、适用性与经济性具有决定性作用。传统上，工程师主要依赖欧标 Eurocode 1991-1-4 或美标 ASCE 7-22 等规范提供的静力风荷载计算方法来确定设计荷载。这些方法使用从风洞试验和经验数据推导出的简化解析公式，提供标准化的荷载工况，通常能够满足常规结构的需求。
然而，随着计算流体力学在工程实践中的兴起，一种能够提供更深刻洞察与更高精度的强大替代方案已然出现。CFD风场模拟不仅在科研领域，更在工程设计应用（尤其针对复杂及风敏感结构）中获得日益广泛的认可。
需要着重说明的是，RWIND中CFD模拟的应用并非旨在取代规范化的静态风荷载计算，而是对其形成补充与增强。这一理念完全符合欧洲规范EN 1991-1-4第1.5条款的规定，该条款明确允许使用"经过验证且/或适当确认的数值方法以获取荷载与响应信息，前提是需采用恰当的结构模型与自然风场模型"。同样，ASCE 7-22通过引用ASCE 49指出：尽管CFD在风工程中的应用日益广泛，但其使用必须审慎控制。鉴于目前尚无专门标准详细规定CFD在此领域的完整流程，ASCE强调任何将CFD应用于确定主体抗风体系、围护构件及其他结构风荷载时，都必须经过同行评审及验证与确认研究，以确保结果的准确性与可靠性。
⚠️ 基于规范的静态风荷载计算的局限性
虽然标准提供了稳健性和可靠性，但它们本质上是保守和广义的。其局限性包括：
- 简化的假设： 规范假设理想的建筑形状（例如，矩形形式、人字形屋顶），不能完全捕捉现代建筑设计的复杂性。
- 有限的方向分辨率： 风方向通常被简化为几个离散的情况（0°、90°等），忽略了可能主导荷载响应的关键角度。
- 局部细节不足： 仅提供全局系数，可能无法代表局部效应，如角涡流、建筑墙面吸力或在结构之间的引导效应。
- 通用风剖面： 标准使用简化的地形类别和对数或幂律剖面，可能无法充分反映特定地点的气象条件。
对于典型的低层、规则结构，这些局限性可能不会对安全产生显著影响。但对于高、细长、不规则或空气动力学敏感的结构来说，它们可能导致过于保守或不安全的设计。
🚀 CFD风模拟的优势
CFD风模拟通过直接解决结构周围气流的Navier–Stokes方程，克服了上述许多限制。其优势包括：
1) 复杂几何形状的准确表示
与基于规范的方法不同，CFD可以处理任何建筑或结构形状，从自由形式的立面到细长的塔、缆索支撑的屋顶和太阳能电池板阵列。这允许捕捉真实几何形状的空气动力学效应，而不进行过度简化。
2) 详细的表面压力分布
CFD提供空间分辨的压力场覆盖每个表面，使工程师能够识别标准无法解决的吸力或停滞的热点。这能够进行更高效的结构设计，并有可能优化建筑墙面的覆层、锚固和连接。
3) 捕捉局部风现象
动态效应，如涡泄、流动分离、建筑物之间的引导效应和下冲作用都可以建模。这些效应对于高楼、行人舒适性研究和容易受到空气动力学影响的结构至关重要。
4) 风向灵活性
CFD模拟可以针对任意的风向进行，提供荷载响应的连续理解，而不是受限于规范中的离散方向。这导致更可靠的主体荷载情况识别。
5) 特定地点的风剖面
通过整合测量的气象数据或中尺度模拟结果，CFD可以生成反映项目地点独特地形、粗糙度和大气稳定性的定制进口边界条件。
6) 与结构分析工具的集成
现代工作流程允许CFD导出的表面压力无缝传递到有限元法（FEM）程序如RFEM中。一个主要优势在于能够将这些荷载集成到标准化的荷载组合格式中，如ASCE荷载与抗力因子设计（LRFD）或欧盟标准组合。这确保了CFD导出的风效应与其他荷载行为（例如，自重荷载、构造荷载、积雪、地震）在同一框架中考虑，同时保持全面的法规合规性。
7) 提高安全性和优化
CFD不仅提高了准确性，还减少了过度保守。通过确定真正的主体荷载，工程师可以设计出更轻、更高效和更可持续的结构，而不影响安全。
8) 使用CFD捕捉压缩和吸力
CFD清楚地显示了压缩和吸力荷载，给用户对整个结构的风效应有完整的理解。
💡 实用考虑
尽管CFD有其优点，其也面临挑战：
- 计算需求： 高保真模拟，特别是使用大涡模拟（LES），需要大量计算资源。
- 专业知识： 可靠的CFD需要正确的模型设置、湍流建模和与实验或现场数据的验证。
- 验证要求： 为了获得监管批准，CFD结果通常需要与风洞测试或既定标准相比较。
尽管如此，计算能力、数值方法和基于云的求解器的进步正使CFD变得越来越实际和可访问。
🏗️ CFD增加价值的应用场景
CFD特别有价值于：
🏢 高层建筑和细长塔楼
🪞 立面和覆层系统
🏟️ 大跨度屋顶、体育场和桥梁
🌊 海上和沿海结构
☀️ 太阳能跟踪器、风力涡轮机和天线系统
🌆 城市风环境和行人舒适性研究
🚠 缆车和索道塔架
🏭 工业设施、烟囱和冷却塔（烟囱效应、排放）
🎢 轻型和特殊结构如张力膜、过山车或木结构网格壳
⚡ 输电线路系统和塔架
🏛️ 需特定地点保护的遗产结构和文化地标
🏗️ 临时和施工阶段的结构
在以下案例研究中，CFD提供了对全球结构荷载和局部效应的见解，从而支持更可靠的工程决策。
🔍 结论
虽然基于规范的静态风荷载计算在许多标准应用中仍然是不可或缺的，但它们在反映复杂几何形状、局部效应和动态现象方面具有内在的局限性。相比之下，CFD风模拟提供了一种基于物理的、特定地点的和几何解析的解决方案，与现代建筑和结构工程的日益复杂性保持一致。随着监管机构愈加认可CFD在适当验证时的可靠性，其在工程实践中的角色将继续扩大。最终，将基于规范的保守性与基于CFD的精确性结合起来，代表了通向安全、高效和创新设计的最有效道路。
