🌬️ 介绍
随着可持续和多功能建筑设计的趋势不断增长，屋顶已成为活跃的空间，容纳了从 HVAC 系统和太阳能电池板到绿色屋顶、天线，甚至轻型娱乐结构的各种装置。虽然这些元素提高了建筑的功能性和美观性，但它们也带来了新的空气动力学挑战。理解和准确模拟屋顶设备周围的风行为对于防止结构故障、优化性能以及确保安全和舒适至关重要。
⚙️ 为什么屋顶设备对风效应高度敏感？
屋顶结构通常安装在高风暴露区，局部流动加速、湍流和涡流形成可能显著放大风压。与根据标准风荷载规范设计的主要建筑构件不同，屋顶系统通常具有复杂的几何形状、不规则的布置和不同的刚度水平。
常见的空气动力学问题包括：
- 作用于轻型元素（例如太阳能电池板、HVAC 单元）上的抬升和倾覆力。
- 作用于天线杆或细长支撑上的涡流脱落和动态振动。
- 在女儿墙和机械设备周围造成压力波动的流动分离区。
- 影响用户舒适度和设备性能的风引起的噪声或振动。
📌注意：RWIND 实施气动弹性不稳定性和涡流引起的振动（VIV）分析计划作为关键的未来增强功能。此开发旨在扩展软件的功能，进行全面的动态风结构相互作用研究，从而实现对柔性和细长结构的风响应的更准确预测和评估。
🧭 基于规范方法的局限性
如 EN 1991-1-4（Eurocode 1）、ASCE 7-22 或 WTG-Merkblatt M3 等建筑规范提供了关于建筑围护结构风荷载的一般指南。然而，其对小规模不规则屋顶部件的适用性有限。标准化的压力系数常常无法准确捕捉多个屋顶单元之间复杂的局部流动相互作用：
- 多个屋顶单元
- 不同的屋顶坡度或女儿墙高度
- 周围的城市地形或附近的建筑
这正是基于 CFD 的风模拟成为不可或缺的工程工具的地方。
💻 CFD 风模拟的好处
现代计算流体动力学（CFD）方法，如在 RWIND 中实施的方法，通过在三维空间求解 Navier-Stokes 方程，为屋顶风现象提供了高级洞察。通过大型涡流模拟（LES）、延迟分离涡流模拟（DDES）和雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）湍流模型，工程师可以可视化和量化关键流动特性，例如：
- 所有表面的压力分布（用于准确的载荷传递到结构模型，如 RFEM 6）。
- 显示再循环区或停滞点的流动流线。
- 用于结构锚固设计的升力、阻力和力矩系数。
- 在现实入流条件下的瞬态风行为（阵风、涡流脱落）。
此类分析允许对锚固系统、屏蔽效应和安全系数进行精确优化，在提高可靠性的同时降低材料成本。
🏗️ 实际应用
1. HVAC 系统： 风可能在大型机械单元下方和周围产生抬升或吸力。CFD 帮助确定最佳位置、外壳形状或挡板以最小化湍流和噪声。
2. 太阳能电池板阵列： 倾斜的光伏模块可以发挥空气动力学作用。模拟识别最关键的风向，并评估压重要求或框架稳定性。
3. 通信天线： 对于细长的天线杆或卫星天线，动态风作用可能加剧结构响应。时间相关的 CFD 结果支持详细分析。
4. 屋顶花园和轻型结构： 顶篷、凉亭或绿色屋顶需要风舒适性和载荷验证以保障结构元素和用户的安全。CFD 为优化防风墙或植被布局提供了基础。
🧩 与结构分析的集成
通过 RWIND 和 RFEM 接口，从 CFD 计算的表面压力可以自动作为载荷情况传输到结构模型。这使得：
- 直接与其他载荷类型（恒载、雪载、热载）组合
- 根据欧码或 ASCE 标准进行结构设计
- 尤其适用于复杂组件或改造系统的迭代设计优化
🔍 案例研究：安装高度对屋顶膜结构风载的影响
本案例研究调查了安装高度如何关键地影响作为屋顶设备使用的膜结构上的风载。相同的膜结构在两个位置进行了分析：靠近地面和高楼屋顶。尽管几何形状和边界条件相同，屋顶安装相比于地面情况体验到约 33% 的更高的结果风力。
增加主要由大气边界层引起的较高高度风速驱动，结合局部流动加速、分离和屋顶边缘的强吸力效应。屋顶暴露还引入了更高的湍流强度和峰值压力波动，这对轻型和柔性膜系统尤为关键。
结果强调，基于地面假设设计的膜结构在安装在屋顶时可能显著过低设计。因此，包含建筑几何、高度依赖的风剖面和屋顶边缘效应的准确 CFD 风模拟对于确保屋顶膜设备的结构安全性和适用性至关重要。
✅ 结论
准确的风模拟不仅仅是一个学术练习，它在现代建筑设计中是一个实际的必要性。随着屋顶利用率的不断扩展，基于 CFD 的风分析为工程师、建筑师和建筑业主提供了确保：
- 结构安全性
- 操作可靠性
- 在实际风况下屋顶装置的长期性能
通过在设计工作流程中早期集成模拟结果，工程师可以做出平衡美观、功能和安全的明智决策，创造表现与外观同样出色的屋顶。
