🌬️ 引言
随着可持续和多功能建筑设计趋势的增长，屋顶已成为承载各种设施的活跃空间，包括加热通风与空气调节系统（HVAC）、太阳能板、绿色屋顶、天线，甚至是轻型休闲结构。虽然这些元素增强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。理解并准确模拟屋顶设备周围的风行为对于防止结构失效、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，在这些区域中，局部流动加速、湍流和涡旋形成可以显著放大风压。与依据标准化风荷载规范设计的主要建筑组件不同，屋顶系统通常具有复杂的几何形状、非规则排列和变化的刚度水平。
常见的空气动力学问题包括：
- 轻质元素上的抬升和倾覆力(例如太阳能板、HVAC单元)。
- 天线杆或细长支撑上的涡旋脱落和动态振荡。
- 流动分离区导致女儿墙和机械单元周围的压力波动。
- 风引起的噪音或振动影响用户的舒适度和设备性能。
📌注意： 计划在RWIND中实施空气弹性不稳定和涡激振动（VIV）分析，作为未来的关键增强之一。此开发旨在扩展软件功能，以进行全面的动态风-结构相互作用研究，从而能够更准确地预测和评估柔性和细长结构的风致响应。
🧭 基于规范方法的局限性
建筑规范如EN 1991-1-4（欧盟标准1）、ASCE 7-22或WTG-Merkblatt M3提供了建筑围护结构风荷载的一般指导。然而，它们对小规模、不规则屋顶组件的适用性有限。标准化的压力系数往往无法准确捕捉复杂的局部流动交互，例如：
- 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
这就是基于CFD的风模拟成为不可或缺的工程工具的地方。
💻 CFD风模拟的优势
现代计算流体力学（CFD）方法，例如在RWIND中实施的方法，通过在三维中求解纳维–斯托克斯方程，提供对屋顶风现象的先进见解。通过LES（大涡模拟）、DDES（延迟脱耦涡模拟）和RANS（雷诺平均纳维–斯托克斯）湍流模型，工程师可以可视化和量化关键的流动特性，例如：
- 所有表面上的压力分布（用于将准确负载转移到诸如RFEM 6之类的结构模型）。
- 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。
- 在真实入口条件下的瞬态风表现（阵风、涡旋脱落）。
这些分析允许对锚固系统、屏蔽效应和安全系数的精确优化，减少材料成本同时提高可靠性。
🏗️ 实际应用
1. HVAC系统: 风可以在大机械单元下和周围产生抬升或吸力。CFD有助于确定最佳位置、封闭物形状或导流板，以最小化湍流和噪音。
2. 太阳能电池板阵列: 倾斜的光伏模块可以作为空气动力表面。模拟确定最关键的风向，并评估压载需求或框架稳定性。
3. 通信天线: 对于细长的天线杆或卫星天线，动态风作用可以增强结构响应。时变CFD结果支持详细分析。
4. 屋顶花园和轻型结构: 天蓬、凉亭或绿色屋顶需要对结构元素和用户进行风舒适度和荷载验证。CFD提供优化风墙或植物布局的基础。
🧩 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传输为结构模型的荷载工况。这使得：
- 与其他荷载类型（静载、雪荷载、热荷载）的直接组合
- 根据欧盟标准或ASCE标准进行的结构设计
- 尤其对复杂组件或改装系统的迭代设计优化
🔍 案例分析: 高层建筑屋顶太阳能安装
本案例研究使用RWIND Pro分析带有复杂屋顶安装的多层建筑的风行为。模拟可视化了在屋顶边缘的高速度区和流动分离，突出显示了抬升和吸力增加的区域。这些见解支持更安全和更高效的锚固和屋顶结构设计，确保在真实城市风条件下的结构可靠性。
✅ 结论
准确的风模拟不仅仅是一个学术练习，而是现代建筑设计中的实际必要性。随着屋顶利用的不断扩展，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
- 在真实风条件下的屋顶设施长期性能
通过在设计流程早期整合模拟结果，工程师可以做出平衡美观、功能和安全的明智决策，创建性能和外观同样出色的屋顶。
