高層建築物，受到高空氣流影響，會引起結構穩定性方面的問題。風荷載作用下高層建築產生振動，過大的振動加速度會使在高樓內居住的人們感覺不適，甚至不能忍受。不過，即使在百年一遇的大風作用下，位於432米高的廣州西塔塔樓內的人，也不會有不舒服的感覺。這是怎麼做到的？近日，南都記者在位於汕頭大學的風洞實驗室，找到了答案。
藍色全鋼結構
封閉回形「大管子」
厚重的鐵門打開，一個巨大的藍色全鋼結構封閉回形「大管子」橫架室內空中。這便是傳說中的風洞。汕頭大學風洞實驗室1994年開始籌建，1996年11月正式建成，年底通過驗收，是廣東高校中最早的建築工業風洞實驗室。「當時投 資200萬元，按目前的行情，現在要建一個風洞成本可能要翻10倍甚至更多。」汕頭大學風洞實驗室周奇教授說。
這是一座串置雙試驗段閉口回流型的大氣邊界層低速風洞。主試驗段寬3米、高2米、長20米，是當時最長的試驗段。「上世紀90年代中期，實驗室的硬體已達到國際先進水平，採用的測壓，測力儀器均與國外同步。」周奇介紹，實驗室是國內同類風洞中最早使用進口高速電子掃描閥和進口高頻底座天平等儀器的研究單位之一。
扇頁直徑長達2 .4米
可提供最高風速45米/秒的風
風洞由洞體、驅動系統和測量控制系統組成。洞體就是這個回形大管子。做成「回形」有兩個原因。一是循環風道利用效率高，風從一邊吹出，轉一個彎繞回來還能再利用，能耗低很多；二是密封性能好，受外界幹擾小，噪音低很多。但回流式也有弊端———空氣置換比較麻煩，風一直在裡面反覆摩擦，隨著時間推移，溫度也會改變。
巨型風扇的扇頁直徑長達2.4米，功力450千瓦，可提供最高風速45米/秒的風。
在密閉的巨型管道裡，我們找到風的源頭———巨型風扇。它便是驅動系統，即「心臟」。就像日常風扇的「巨大版本」，巨型風扇的扇頁直徑長達2.4米，功力450千瓦，可提供最高風速45米/秒的風。若根據風速基本換算方法，11級風時，風速約30米/秒。最高45米/秒的風速意味著，在這個藍色管道裡，最大可以製造出十四級的二級颶風。「這個風的功率，目前在業界處於中遊水平。」周奇坦言，隨著國內風工程的不斷發展，新興風洞實驗室的建成，如今汕大風洞實驗室的硬體優勢不再明顯。
關 注
百年一遇的風作用下
西塔塔樓內不會不舒服
在汕大風洞實驗室的展示廳內，廣州西塔、深圳京基金融中心、天津高銀117大樓、2010年上海世界博覽會中國館等建築模型一一陳列。1996年至今，汕大風洞實驗室已完成110餘項建築結構及橋梁的風洞試驗項目，在國內風工程界產生一定影響並受到建築工程界的普遍認可。其中，西塔的風洞試驗的成功，成為該實驗室的美談之一。
400米以上的建築
對風的作用更加敏感
廣州珠江新城西塔位於廣州新城市中軸線西側，是廣州市標誌性的新建築，也是超高層建築的代表。主塔樓地面以上103層，高432米，受到風力、日照、溫差等多種動態作用的影響，核心筒頂部會一直處於偏擺運動狀態，建築難度較大。
廣州珠江新城西塔位於廣州新城市中軸線西側，是廣州市標誌性的新建築，主塔樓地面以上103層，高432米。
周奇說，當建築處在低於200米時，結構對風還不很敏感，但隨著高度越高結構越柔，400米以上的建築對風的作用將更加敏感。「此時一般會需要建築的結構剛一點」。周奇介紹，首先風洞實驗室根據不同的設計方案和建築外形對西塔進行簡單選型試驗；確定基本外形進入深化設計後再通過測壓模型，測量結構表面的壓力分布，並針對具體結構設計施工圖計算建築準確的風荷載。「如果發現振動響應太大，會影響結構安全和舒適度，則需要改變結構設計，使得響應和變形在可控範圍。」
西塔結構顧問試驗證實
汕大風洞試驗數據可靠
高層建築在抵（di）抗風荷載上，要設計一些抗側向力的裝置。比如改變柱子尺寸，或增加柱子以增加結構的剛度等。在西塔的抗風試驗中，汕頭大學進行的風洞試驗，利用PW ISR採用不同的頻域和時域分析方法計算結構的風振響應。比如在廣州西塔在240°風向的各樓層在x和y兩個方向的等效靜風荷載分布，在y方向的等效靜風荷載和其平均值的方向相反，且其大小甚至小於平均風荷載，這往往很難為工程設計人員所理解。而由時域方法得到的結構頂部中心軌跡可以非常直觀地對這種現象進行解釋。
結果顯示在百年一遇的大風作用下，位於塔樓內的人都不會有不舒服的感覺。廣州珠江新城西塔工程的結構顧問奧亞納公司，對該項目在美國CPP公司，進行了另一次獨立的風洞試驗校核和計算。奧亞納公司在其「風工程—風洞試驗解釋報告」中如下評價，「風洞試驗結果以及原始數據取自汕頭大學風洞實驗室。我們使用A R U P公司內部軟體以相同的設計參數重新分析了兩套原始數據。我們的分析結果與風洞實驗室的分析結果完全一致，說明風洞試驗分析方法是可靠的。」而且「汕頭大學及C PP使用相同的設計參數，分析結果是相同的，這說明兩個不同風洞實驗室試驗結果的可靠性及分析結果的可重複性。」周奇說，這意味著汕大完成的試驗項目被認為經受得起國際同行的檢驗。
揭 秘
風洞是幹啥的？
讓建築的結構系統
被設計得安全抗風
風工程的快速發展，主要因為一座橋的坍塌。1940年11月7日，美國華盛頓州的一座懸索橋塔科馬大橋坍塌，為當時全球第四大懸索橋。當時風速並不大，不到20米每秒，僅約8級。塔科馬大橋在風中振顫了近兩個月後，橋面扭曲變形過大，最終破壞坍塌。這個被冠以「塔科馬大橋倒塌的困惑」，後引起包括航空、土木、空氣動力學等各界的關注並逐漸開展了風與建築的研究。「在我們的統計中，風災是全球最為常見的和最為嚴重的自然災害之一，也是帶來損失最多的自然災害。」周奇說。
風作用在建築上的大小
跟結構物的形狀密切相關
風洞(w indtunnel)，是以人工的方式產生並且控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備，是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。無影無蹤無所不在的風，在這裡被「馴服」成循規蹈矩、各種強度、各種「形狀」所需的氣流。我們常問，這個建築能抵(di)抗多大的風？這是風洞試驗研究的目的之一———確定建築的等效靜力風荷載。周奇介紹，風作用在建築結構上的大小，跟結構物的形狀密切相關。
風洞(windtunnel)，是以人工的方式產生並且控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備。
「一個看起來『弱不禁風』的建築，也許比你想像中要更抗風，形狀不同，抗風性能很不一樣。」高層建築物，受到高空氣流影響，會引起結構穩定性方面的問題，「質量越輕，結構越柔的建築，對風力越敏感，風的振動響應比較大」。周奇說。風荷載作用下高層建築產生振動，過大的振動加速度會使在高樓內居住的人們感覺不適，甚至不能忍受，直接影響工作和生活。「建築物的風振加速度越大，人的不舒適程度就大。」
摩天大樓、大跨度橋梁
通常需要進行風洞試驗
通過風洞試驗，向設計部門提供對於建築當地風的繞流模式、風荷載以及風致結構振動的預估。「使建築的結構系統能夠被設計得安全抗風，並且提供一個居住者行動敏感性不超越正常的舒適標準的環境，這些預估是必需的」。通常需要進行風洞試驗的包括摩天大樓、大跨度橋梁、大跨度屋蓋、具非尋常體型或非尋常柔度的輕質大型結構。
「比如高度超過200米以上的高層建築，或者高度沒有超過，但結構形狀比較特殊，或者幾個建築之間挨得較近，有幹擾效應的類似情況，都需要做風洞實驗，確定風荷載。」周奇說，對於橋梁結構，風洞實驗除了提供風荷載(靜力三分力係數)和風振響應(抖振)，還提供一系列風致振動穩定問題的評估以及其控制措施的技術。
風洞試驗怎麼做？
造好符合條件的風
測建築模型上的風壓數據
「風洞一響，黃金萬兩。」抗風研究怎麼做？簡單總結就是造風，像電風扇一樣。通俗地說：將大風扇打開，風扇吹出來的風，經過試驗段，通過利用轉角處設置的導流板改變風的運行軌跡。或通過風道的寬度變化，或通過蜂窩器之類的結構，或通過粗糙元和專門設計的布置在上遊的尖塔等裝置，使風的控制更加精準———從而完成風場的模擬，即模擬流向模型區的自然風的平均風速廓線和湍流度等參數。有了符合條件的風後，實驗人員就把要測試的建築模型固定在測試平臺上，測試作用在物體上的力、位移、加速度等數據。
不是簡單測
能不能被風吹倒
怎麼測？在數據測試上，主要用到多點壓力同步掃描系統，以及六分量力天平。它們是高頻壓力積分技術和高頻天平技術得以應用的基本儀器。應用這些技術和相關的計算理論可以確定平均風荷載和動態風荷載，將這些風荷載與原型結構的動力特性相結合可以確定風致響應。
「並不是簡單測它能不能被風吹倒」。周奇笑著說，建築模型按一定幾何縮尺比進行縮尺，模型上會設定數十個到幾百個不等的測壓點。每個測壓點上均貼有編號，編號與壓力傳感器連接並一一對應。「多點壓力同步掃描系統可同時測一組512個孔的壓力，最多可一套系統同時測1024個測點，而我們有兩套這樣的系統」。
通過傳感器採集
建築表面測壓點的風壓
試驗啟動後，通過傳感器採集到建築表面測壓點的風壓，以此收集數據進行分析計算，從而得出風荷載和風振響應等數據。實際上，模型所受的力與真實建築結構受力之間都有一定相似關係。「模型在風洞裡的響應直接測量出來，可以換算到實際結構中去。」
這裡的算法的計算工具正是風洞實驗室的靈魂———軟體。該實驗室目前擁有自主智慧財產權的風洞試驗和風振分析軟體包WTM，該系統在目前風工界有顯著先進性和尤為重要的可靠性。包括數據採集、流場調試、數據處理和複雜結構風致響應分析等多個功能。特別是擁有核心專利技術的P WISR模塊，是目前國內計算風振響應最快的軟體，可以在1天之內完成。包括從結構設計人員獲取修改後的結構動力模型———進行風振響應分析和等效靜力風荷載計算———提交給設計計算人員的全過程。這種過程最初在其他單位，至少需要半個月時間才能完成。
相 關
汕大為文昌鋪前大橋
提供施工抗風控制研究
海南文昌鋪前大橋上，上百臺大型機械往來穿梭，工人們正緊張施工。這座海南省迄今為止規模最大的獨立跨海橋梁工程，連接鋪前到海口，竣工後，往返兩地的車程將由原來的1個半小時縮短到20分鐘。由於地處海南島東北部強颱風多發的瓊州海峽沿岸，且靠近風力強勁的海峽東部入口，鋪前大橋的設計基本風速是國內最大的———49.5米/秒，橋面高度設計基準風速更是接近60m/s。2014年對海南島造成重創的「威馬遜」和「海鷗」超強颱風均從橋位處經過。大橋對抗風性能提出巨大挑戰。汕頭大學風洞實驗室，正是此次鋪前大橋施工抗風控制研究的承接單位。
海面上工期約兩年
要考慮施工中的抗風性能
鋪前大橋是國內第一座跨越活動斷層的特大型橋梁，橋梁抗震、抗風設防標準均為國內最高設計標準，大橋預計在2018年年底建成通車。2014年，對海南造成重創的超強颱風「威馬遜」和「海鷗」均從橋位處經過，鋪前鎮屬於強颱風多發區。因而，在橋梁的抗風性上，鋪前大橋設計及施工單位必須要做出正確處理。
周奇及團隊承接了文昌鋪前大橋的抗風試驗。他說，橋梁設計的基準風速是目前最高設計風速，橋面高度處達到近60米/秒。「設計基準風速越高，意味著風越大，需要考慮包括風荷載、穩定性、施工等多種問題。」加上橋梁的施工周期長，光是大橋海面上的工期要兩年左右，因此還要關心在施工中抗風性能如何，包括主橋、引橋、移動模架的設計等。
鋪前大橋能抵(di)御
類似亞馬遜強度的颱風
周奇說，按照國家規範規定，當風速超過25米/秒時，高速公路就要封閉。「但橋梁的高度更高，當橋梁上超過25米/秒了，地面還沒達到25米/秒，若按照規範要封路封橋，利用率就降低了。」通過風洞試驗，汕大團隊提出對橋梁施加風障的設計建議，以降低橋面風速，使得地面能通車時橋面上也能通車。
「比如增加一些格柵板立在兩側，改變橋梁的外形，反覆選型從而達到降低橋面風速的效果。」周奇說，為了儘量不對結構設計大的改動以及經濟效益方面考慮，通常建議使用氣動控制措施解決這些問題。比如鋪前橋使用了風障、改變風嘴和檢修軌道、施加抗風纜索等措施。經過多番探討、考察、驗證，鋪前大橋的設計方案逐漸成型，並確定大橋建設能抵(di)御類似「威馬遜」、「海鷗」等強度的颱風。
實驗室名片
汕頭大學風洞實驗室
為上海世博會中國館做了風洞試驗研究
汕頭大學風洞試驗室1994年開始籌建，1996年11月正式建成，當年年底通過驗收，是廣東省普通高等學校最早的建築工業風洞實驗室，驗收當時被評為達到國際先進水平。實驗室配備有當前先進水平的測試設備，是國內同類風洞中最早使用進口高速電子掃描閥和進口高頻底座天平等儀器的研究單位之一。風洞實驗室是國內第一批開展結構風工程研究的風洞實驗室單位，目前主要開展超高層建築結構、大跨度橋梁結構、大跨度空間結構和其他土木工程結構等的風洞試驗和數值模擬應用研究。至今，實驗室已完成110餘項建築結構、橋梁結構及其他結構的風洞試驗項目，業務水平得到國內外土木工程界尤其是風工程界的普遍認可並享有一定的聲譽。
實驗室完成了一系列重大工程項目，在超高層建築結構方面，承擔了廣州珠江新城西塔(432米)、深圳京基金融中心(高439米)等重大工程結構的風洞試驗研究；在大跨度橋梁結構方面，承擔了海南鋪前文昌大橋、西藏迫龍溝大橋等重大工程結構的抗風試驗研究；在大跨度空間結構方面，承擔了深圳蛇口郵輪中心、北京2008奧運摔跤館和2010年上海世界博覽會中國館、潮汕機場航站樓等重大工程結構的風洞試驗研究。
實驗室自行開發了多套風工程方面的高效專業分析軟體，包括建築結構或大跨度空間結構的風荷載和風振響應分析軟體，大跨度橋梁風致振動和風致失穩分析軟體。此外，實驗室還提出了一系列獨特的試驗技術和風致振動控制措施。基於上述科研成果，實驗室不僅優質地完成了上述重大工程項目的風洞試驗技術諮詢工作，也為這些工程的結構安全和舒適使用提供了保障，並大幅度節約了工程建造成本，產生了巨大的經濟效益。