王靜，孫弦，夏冬，吳志棚，孫麗燁，李智麗

珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000

風(fēng)是建筑物設(shè)計(jì)中需要慎重考慮的氣象因子，而隨著全球變暖，極端大風(fēng)事件也越發(fā)頻繁（楊秋珍等，2015；Xia et al.，2022），風(fēng)災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。如上世紀(jì)末寧夏某賓館在偶發(fā)陣風(fēng)下，一片幕墻玻璃飛落，當(dāng)場(chǎng)砸死賓館門口的行人；還有浙江大學(xué)逸夫樓在一夜大風(fēng)的勁吹下，所有幕墻玻璃幾乎都被吹毀（江清源，2007）。至于臺(tái)風(fēng)季節(jié)，建筑物、結(jié)構(gòu)帶、幕墻玻璃等被風(fēng)吹毀的事例，在沿海城市更是屢見(jiàn)不鮮。因此，如何根據(jù)建筑所在地的極端大風(fēng)對(duì)建筑規(guī)劃和布局進(jìn)行指導(dǎo)，并精確計(jì)算建筑表面抗風(fēng)等級(jí)，在防范不測(cè)風(fēng)災(zāi)的同時(shí)也能節(jié)約建筑成本，已是擺在建筑設(shè)計(jì)部門、施工單位面前迫在眉睫的任務(wù)。

國(guó)外對(duì)于建筑風(fēng)環(huán)境的研究始于20 世紀(jì)60 年代中期，Baines et al.（1963）提出了其通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)地考察所得出的高層建筑的風(fēng)環(huán)境影響特征，自此，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在城市建筑風(fēng)環(huán)境的模擬中逐步得到應(yīng)用。Stathopoulos & Wu（1995）通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法從街道空間密度、周邊建筑高度、相對(duì)位置、風(fēng)向角討論了對(duì)風(fēng)速的影響情況。但是，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，無(wú)法同時(shí)滿足所有的物理量，并且準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)花費(fèi)高，模型制造耗時(shí)費(fèi)力，無(wú)法被廣泛應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬軟件的不斷發(fā)展，CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬是現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛的研究方法（王福軍，2004；王彬和楊慶山，2008；夏冬等，2019）。相較于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬更加方便與高效，其可行性和準(zhǔn)確性也已經(jīng)被很多學(xué)者證實(shí)，例如Blocken &Persoon（2009）采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬對(duì)某體育場(chǎng)周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果吻合度極高。

我國(guó)目前的建筑風(fēng)載荷及抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)各地國(guó)家氣象站重現(xiàn)期50 a 的最大風(fēng)速來(lái)計(jì)算，但時(shí)常發(fā)生的風(fēng)災(zāi)事故證明，目前建筑行業(yè)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)還存在以下問(wèn)題：① 隨著全球變暖，極端大風(fēng)災(zāi)害將變得更加頻繁，重現(xiàn)期可以是100 a 甚至更長(zhǎng)，因此應(yīng)具體到各個(gè)建筑；② 具有長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)資料的國(guó)家氣象站分布還較為稀疏，有些距離目標(biāo)建筑較遠(yuǎn)，需要利用距離建筑最近的自動(dòng)氣象站資料進(jìn)行訂正；③ 很多建筑單位使用的風(fēng)洞試驗(yàn)，忽略了周圍地形和建筑對(duì)目標(biāo)建筑的影響；④ 對(duì)重現(xiàn)期大風(fēng)僅考慮絕對(duì)的風(fēng)速值，通常忽略考慮風(fēng)向，若能進(jìn)行16方位大風(fēng)的模擬，將對(duì)具體建筑的經(jīng)濟(jì)性、安全性都有很大的意義。因此，基于氣候分析和數(shù)值模擬，更加精細(xì)化的計(jì)算建筑表面抗風(fēng)等級(jí)，具有很大的必要性。珠海素有“百島”之市之稱，隨著陸地資源不斷削減以及海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃的提出，海島建筑加速發(fā)展，但海島所受的自然災(zāi)害也較陸地更為嚴(yán)重（高山紅和吳增茂，1999；余日清等，1996），因此本文將以珠海東澳島上的建筑群（以下簡(jiǎn)稱研究區(qū)）為例，利用極值模型和CFD 數(shù)值模擬研究地形影響下的海島建筑群16方位抗風(fēng)等級(jí)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所使用的資料包括：研究區(qū)與地形相結(jié)合的三維立體模型、珠海國(guó)家氣象站（以下簡(jiǎn)稱珠海站）近40 a 的年最大風(fēng)速、年極大風(fēng)速，以及可以代表研究區(qū)附近氣象背景的自動(dòng)氣象站有觀測(cè)資料以來(lái)的最大風(fēng)速和極大風(fēng)速，最大風(fēng)速指10 min平均風(fēng)速，極大風(fēng)速指3 s最大陣風(fēng)風(fēng)速。

東澳島上地形復(fù)雜，建筑群較密集，本文選取東澳島西側(cè)的建筑群作為研究區(qū)。圖1a 為研究區(qū)、珠海站（海拔51.4 m）、相近海島站（桂山島站，海拔172.0 m）所在位置及附近的海拔高度。由于東澳島的自動(dòng)氣象站建站時(shí)間較晚，資料起始時(shí)間為2017 年12 月，不能用于基本的氣象要素分析，為此選取了同樣在海島上的、距離東澳島較近（約15 km）、且資料完整度和可靠性都較高的桂山島站（觀測(cè)始于2004 年）作分析，通過(guò)對(duì)比東澳島站和桂山島站自建站以來(lái)相同時(shí)間段內(nèi)的氣溫、風(fēng)速和降水日值，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.73和0.84，都通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，具有很好的相關(guān)性，因此桂山島站可作為研究區(qū)相近海島站，來(lái)代表研究區(qū)附近的氣象觀測(cè)。圖1b 為研究區(qū)建筑群三維模型的俯瞰圖（向上為北），研究區(qū)位于東澳島西側(cè)，很容易受地形影響，從北到南為D1～D4共4個(gè)區(qū)域，其中D1區(qū)和D4區(qū)的酒店造型獨(dú)特，風(fēng)向復(fù)雜，且正在設(shè)計(jì)階段，模擬結(jié)果可作為設(shè)計(jì)修改的參考，因此對(duì)D1～D4 區(qū)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，更有代表性和實(shí)際意義。

圖1 珠海附近海島建筑群背景（a）和建筑群三維模型俯瞰圖（b）Fig.1 The surroundings of the constructions on the island near Zhuhai (a), and its 3D model with an aerial view (b)

1.2 方法

為得出研究區(qū)建筑表面的16 方位抗風(fēng)等級(jí)，需分別進(jìn)行不同重現(xiàn)期的極端大風(fēng)模擬及CFD 數(shù)值模擬，圖2為設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 研究區(qū)建筑表面16方位抗風(fēng)等級(jí)的設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Design flow chart of wind resistance grade at 16 directions of building surface in the study area

重現(xiàn)期計(jì)算需要基于長(zhǎng)期的氣候統(tǒng)計(jì)資料，資料時(shí)間越長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果越精確。本文采用年最大值采樣方法，僅有珠海站的年最大風(fēng)速資料超過(guò)30 a，因此先用多種概率分布模型進(jìn)行擬合，選出最適合的模型后，再用陣風(fēng)系數(shù)和研究區(qū)的資料進(jìn)行訂正。本文采用的4種常見(jiàn)的極值模型分別為：Gumbel 分布，P-Ⅲ型分布，Weibull 分布和廣義極值分布（Fisher & Tippett，1928；Jenkinson，1955；Dargahi，1989；馬淑萍等，2019）。各分布模型具有相應(yīng)的參數(shù)，需要經(jīng)過(guò)一系列的算法，一般可以選擇：常規(guī)矩法、概率權(quán)重矩法、線性矩法、極大似然法、最小二乘法、權(quán)函數(shù)法等（Greenwood et al.，1979；段忠東和周道成，2004；馬開(kāi)玉，2004；屠其璞，1984）。模型和參數(shù)的選擇直接決定重現(xiàn)期結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合擬合優(yōu)度檢驗(yàn)及實(shí)際需求，以確定最佳的模型和參數(shù)。本文采用的檢驗(yàn)方法為柯?tīng)柲缏宸?斯米爾諾夫檢驗(yàn)（K-S檢驗(yàn)），檢驗(yàn)指標(biāo)

式中F(x)為理論分布函數(shù)，F(xiàn)n(x)為觀測(cè)樣本的累計(jì)分布函數(shù)，Dn為最大的絕對(duì)差。

基于CFD 技術(shù)的模擬軟件有很多種，主要包括Fluent、CFX、STAR-CD、NUMECA、PHOEN‐ICS 等（苑蕾，2013），本文利用英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院CHAM 研究所開(kāi)發(fā)的PHOENICS 軟件模擬研究，該軟件不僅應(yīng)用最為廣泛，而且操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大、模擬結(jié)果直觀形象，原理和結(jié)果科學(xué)可靠。

PHOENICS 內(nèi)置了多種湍流模型，建筑的風(fēng)流動(dòng)一般屬于不可壓縮、低速湍流，符合Boussin‐esq 假設(shè)，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行模擬（陶文銓，2001），模型的控制方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程，具體計(jì)算公式為：

式中μ為渦黏性系數(shù)，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能的耗散項(xiàng)，pk為湍流動(dòng)能生成項(xiàng)。u，v，w分別是流體速度在x，y，z上的分量，ρ是流體密度，p是壓力，F(xiàn)是質(zhì)量力，i= 1，2，3，j= 1，2，3 分別表示x，y，z三個(gè)空間坐標(biāo)，變量上方有“-”為時(shí)均值，變量上標(biāo)有“’”為脈動(dòng)量，C1=1.44，C2=1.92。

CFD 模擬區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)東澳島，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算區(qū)域高度設(shè)置到0.6 km，為建筑高度的3 倍（王菲和肖勇全，2005），長(zhǎng)為4.2 km，寬為3.0 km。由于該研究區(qū)建筑較為密集，因此將研究區(qū)域設(shè)置為較高的精度，水平方向和垂直方向上的分辨率均設(shè)為10 m，x、y方向分別有423 和297 個(gè)格點(diǎn)，y指向正北，z軸方向有60 個(gè)格點(diǎn)，整體計(jì)算區(qū)域內(nèi)約有7 537 860個(gè)格點(diǎn)。

2 不同重現(xiàn)期的極端大風(fēng)模擬

由于年最大風(fēng)速的樣本量較大，采用4種不同的概率分布函數(shù)，利用多種參數(shù)估計(jì)方式擬合年最大風(fēng)速，擬合曲線見(jiàn)圖3；根據(jù)K-S 檢驗(yàn)確定的最佳參數(shù)估計(jì)方法及檢驗(yàn)指標(biāo)Dn見(jiàn)表1?？傮w來(lái)說(shuō)，各種方法的擬合效果均良好，都通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。在4 種概率分布模型中，Weibull分布的Dn最小，擬合效果最好，但是擬合曲線較平緩，高重現(xiàn)期下，數(shù)值偏小，對(duì)極端值的反映較差；而Gumbel 分布則相反，曲線上翹更為明顯，在較高的重現(xiàn)期下，傾向于給出更大的數(shù)值；其他2種分布模型則處于兩者中間。從工程的角度來(lái)說(shuō)，Gumbel分布傾向于給出更安全的數(shù)值，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）也推薦使用本方法。根據(jù)K-S 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Dn可以確定最佳參數(shù)估計(jì)方法為最小二乘法。

表1 4種分布模型的最佳參數(shù)估計(jì)方法及檢驗(yàn)指標(biāo)DnTable 1 Best parameter estimation method and inspection index Dn for various models

圖3 珠海站年最大風(fēng)速的4種概率分布模型擬合曲線Fig.3 The fitting curves of annual maximum wind speed at Zhuhai station

利用Gumbel 分布模型和最小二乘法參數(shù)估計(jì)，分別對(duì)珠海站16 個(gè)風(fēng)向的年最大風(fēng)速進(jìn)行擬合計(jì)算，算得16方位不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速（如表2）。東南偏東風(fēng)的重現(xiàn)期風(fēng)速最大，其次為東風(fēng)和東北偏東風(fēng)，南風(fēng)的重現(xiàn)期風(fēng)速最小。

表2 珠海站16方位不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速Table 2 Maximum wind speed in different return periods in 16 directions at Zhuhai station m/s

由于很多風(fēng)災(zāi)是由短時(shí)但風(fēng)力更大的極大風(fēng)引起的，考慮到極大風(fēng)資料數(shù)量較少，無(wú)法用極值模型確定重現(xiàn)期值，因此根據(jù)《氣候可行性論證規(guī)范抗風(fēng)參數(shù)計(jì)算》（QX/T436—2018）引入陣風(fēng)系數(shù)，即由平均風(fēng)速推算陣風(fēng)風(fēng)速的比例系數(shù)，得出不同重現(xiàn)期的16 方位年極大風(fēng)速。根據(jù)規(guī)范中提出的方法，選取珠海站1980—2018 年共39 a 的日最大風(fēng)速>15 m/s 的樣本和對(duì)應(yīng)的日極大風(fēng)速資料，極大風(fēng)除以最大風(fēng)，算得陣風(fēng)系數(shù)為1.49。陣風(fēng)系數(shù)乘以相應(yīng)重現(xiàn)期年最大風(fēng)速，即可得出不同重現(xiàn)期的16 方位年極大風(fēng)速；再由珠海站日極大風(fēng)速與研究區(qū)對(duì)應(yīng)的極大風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.73，通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，研究區(qū)和珠海站極大風(fēng)速比值為1.46，該系數(shù)乘以珠海站不同重現(xiàn)期的極大風(fēng)速，即可得出研究區(qū)不同重現(xiàn)期的16方位極大風(fēng)速，見(jiàn)表3。

表3 研究區(qū)16方位不同重現(xiàn)期的極大風(fēng)速Table 3 Extreme wind speed in different return periods in 16 directions at the study area m/s

3 研究區(qū)的建筑抗風(fēng)等級(jí)模擬

研究區(qū)建在東澳島上，很容易受地形影響，且D1區(qū)和D4區(qū)的酒店造型獨(dú)特，風(fēng)向復(fù)雜，建筑物對(duì)風(fēng)的流動(dòng)具有阻礙作用，使得風(fēng)的流向發(fā)生顯著變化（陳燕等，2005；王詠薇等，2008），從而產(chǎn)生局部較高的風(fēng)速或者旋渦，存在一定的安全隱患，因此接下來(lái)需要對(duì)研究區(qū)建筑進(jìn)行16 方位極端大風(fēng)模擬。根據(jù)表3 中的16 方位重現(xiàn)期極大風(fēng)速，選擇重現(xiàn)期50 a的數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。風(fēng)環(huán)境模擬的結(jié)果包括風(fēng)壓和風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)遇到阻塞時(shí)，對(duì)阻塞物體產(chǎn)生的壓力即為風(fēng)壓，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）給出了根據(jù)貝努利公式的風(fēng)壓和風(fēng)速的轉(zhuǎn)換。考慮到實(shí)際氣象觀測(cè)及預(yù)報(bào)中，提及風(fēng)速更多，因此將建筑表面風(fēng)速作為抗風(fēng)等級(jí)劃分的依據(jù)。下面以風(fēng)速最大的東南偏東（ESE）方向大風(fēng)的模擬結(jié)果為例，圖4a-d分別為重現(xiàn)期50 a的ESE大風(fēng)環(huán)境下D1～D4區(qū)的建筑表面風(fēng)速情況。

圖4 重現(xiàn)期50 a的ESE大風(fēng)環(huán)境下D1-D4區(qū)建筑表面風(fēng)速情況Fig.4 Wind speed on D1-D4 building surface under ESE gale environment with return period of 50 years

D1區(qū)域東面為D1-A國(guó)際五星酒店及其配套客房建筑，D1-A的南面為酒店，北面為獨(dú)棟式客房。當(dāng)吹東南偏東方向的大風(fēng)時(shí)，D1-A 區(qū)域風(fēng)速最大的地方位于D1-A 國(guó)際五星酒店的西側(cè)圓弧形頂層，風(fēng)速約68 m/s，酒店偏北處立面風(fēng)速也較大，約62 m/s，而接近酒店中心位置的立面風(fēng)速則較小，約43 m/s。D1-A 的獨(dú)棟式客房從西北到東南分別為第1～4 排，從圖4a 可以看出，東南側(cè)的第3～4 排頂層風(fēng)速大值區(qū)較多，最高風(fēng)速達(dá)60 m/s，西北側(cè)的第1排獨(dú)棟式客房的最北端和最南端建筑頂層風(fēng)速也可達(dá)到此級(jí)別，第2排獨(dú)棟式客房的風(fēng)速則最小。

D1區(qū)域西面為D1-B客房區(qū)，最北端的客房頂層風(fēng)速可達(dá)65 m/s以上，剩下的獨(dú)棟式客房建筑從西到東同樣稱為第1～4 排。從圖4a 可以看出，第一排最南端的客房頂層?xùn)|北角風(fēng)速有超過(guò)65 m/s的地方，靠南的兩棟獨(dú)棟式客房風(fēng)速也較大；第2排的獨(dú)棟式客房是風(fēng)速最大的，最北端建筑頂層風(fēng)速基本為67 m/s；風(fēng)速最小的部分位于第4 排獨(dú)棟式客房的東南角，以及超頂級(jí)獨(dú)棟式客房的東南和西北部分，風(fēng)速最小在40 m/s以下。

D2 區(qū)有兩排獨(dú)棟式客房，呈西北-東南走向排列，東側(cè)的4 棟客房表面風(fēng)速為48～52 m/s，最大風(fēng)速位于最南側(cè)的建筑頂層?xùn)|北角，約54 m/s。由于東側(cè)的客房需要抬升高度來(lái)獲得無(wú)遮擋海景，因此整體要比西側(cè)客房的表面風(fēng)速大。

D3區(qū)也是兩排獨(dú)棟式客房，與D2區(qū)相比，呈東北-西南走向排列，分別是西面靠海的4 棟A 客房及其東側(cè)的4棟B客房。從圖4c可以看出，當(dāng)吹東南偏東方向的大風(fēng)時(shí)，風(fēng)速最大的地方在客房B最南側(cè)建筑的頂層，風(fēng)速可達(dá)61 m/s以上?？头緼的風(fēng)速整體來(lái)看小于客房B，同樣也是最南側(cè)建筑的風(fēng)速較大，最北側(cè)建筑風(fēng)速較小，其西北角和東南角是D3區(qū)風(fēng)速最小的部分，風(fēng)速約46 m/s。

D4 區(qū)位于東澳島最南端，當(dāng)吹東南偏東方向的大風(fēng)時(shí)，沒(méi)有明顯的山脈阻擋，因此D4 是4 個(gè)區(qū)域中風(fēng)速大值區(qū)最明顯的區(qū)域。D4 區(qū)西側(cè)為B區(qū)酒店，東側(cè)為A 區(qū)獨(dú)棟式客房。從圖4d 可以看出，D4-B 酒店頂層的風(fēng)速為65～70 m/s，其中西北側(cè)酒店的風(fēng)速大值區(qū)要比另一側(cè)的酒店大。位于酒店與客房中間的建筑頂層和立面風(fēng)速也較大，為60～70 m/s，位于D4-B 最南側(cè)的禮堂風(fēng)速略小一些，為56～65 m/s。在D4-A 區(qū)域，位于最北端的獨(dú)棟式客房風(fēng)速最大，頂層和立面風(fēng)速約68 m/s，北側(cè)立面風(fēng)速有達(dá)70 m/s 以上的地方。其南邊的3棟獨(dú)棟式客房風(fēng)速也較大，部分頂層風(fēng)速也達(dá)到了68 m/s。位于D4-A 區(qū)域西南側(cè)的兩棟客房則由于東側(cè)較高客房的阻擋，建筑立面風(fēng)速較小，最小約38 m/s。

此外，本文也做了東、東北偏東、西南等其他方向大風(fēng)的建筑表面風(fēng)速模擬，取這16 個(gè)風(fēng)向模擬的建筑表面風(fēng)速最大值，按照風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力等級(jí)（表4），綜合得出建筑表面的抗風(fēng)等級(jí)。由于研究區(qū)東南偏東方向風(fēng)速最大，因此建筑表面抗風(fēng)等級(jí)大值區(qū)與該風(fēng)向的模擬結(jié)果相似。

表4 風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)力等級(jí)表Table 4 wind levels corresponding to wind speeds

D1～D4 區(qū)建筑正面和背面的50 a 一遇的抗風(fēng)等級(jí)如圖5 和圖6 所示。在D1-A 區(qū)域，抗風(fēng)等級(jí)超過(guò)17 級(jí)的區(qū)域有D1-A 酒店的頂層和偏北處立面，以及酒店?yáng)|南側(cè)的餐廳頂層?xùn)|側(cè)；抗風(fēng)等級(jí)需達(dá)到16～17級(jí)的地方有酒店的餐廳部分、圓形酒店?yáng)|側(cè)部分頂層和立面；抗風(fēng)等級(jí)在14～15級(jí)的地方有D1-A 酒店中心和客房西半邊頂層和立面。在D1-B區(qū)域，從西到東記為第1排到第4排，抗風(fēng)等級(jí)超過(guò)17 級(jí)的區(qū)域有第1 排的最南和最北客房頂層、第2 排的北側(cè)3 棟客房頂層以及第4 排的頂層部分角落；除了超頂級(jí)獨(dú)棟式客房的東南和西北部分、第1 排最北側(cè)獨(dú)棟式客房的東北角、第3 排中間獨(dú)棟式客房的東南角以及第4排最南端獨(dú)棟式客房的東南角抗風(fēng)等級(jí)在16 級(jí)以下，其他區(qū)域抗風(fēng)等級(jí)都在16～17級(jí)。位于海島最北端的建筑抗風(fēng)等級(jí)也在16～17級(jí)。

圖5 D1-D4區(qū)建筑表面正面（向上為北）50 a一遇抗風(fēng)等級(jí)劃分情況Fig.5 Classification of wind resistance grade of 50 year return period on the front of D1-D4 building surface (North upward)

圖6 D1-D4區(qū)建筑表面背面（向下為北）50 a一遇抗風(fēng)等級(jí)劃分情況Fig.6 Classification of wind resistance grade of 50 year return period on the back of D1-D4 building surface (North downward)

D2區(qū)與D1區(qū)相比抗風(fēng)等級(jí)明顯較小，東北側(cè)那一排獨(dú)棟式客房的頂層和東南立面抗風(fēng)等級(jí)在16～17 級(jí)，其他區(qū)域抗風(fēng)等級(jí)基本在14～15 級(jí)。D3區(qū)抗風(fēng)等級(jí)最大的地方在東南側(cè)那一排獨(dú)棟式客房的最南端建筑頂層和東部立面，抗風(fēng)等級(jí)較小的地方在西北側(cè)那一排獨(dú)棟式客房的最北端建筑頂層和立面，以及東南一排獨(dú)棟式客房最北側(cè)建筑的西北角，抗風(fēng)等級(jí)在14～15級(jí)，其他區(qū)域的抗風(fēng)等級(jí)基本在16～17級(jí)。

由于D4 區(qū)在東澳島最南端，沒(méi)有山脈阻擋，因此抗風(fēng)等級(jí)是4 個(gè)區(qū)域中最大的。D4-B 酒店頂層和大部分立面，抗風(fēng)等級(jí)基本都要超過(guò)17 級(jí)，D4-A 區(qū)域的獨(dú)棟式客房部分除了最南端的四棟客房外，頂層和立面風(fēng)速基本也達(dá)到了17 級(jí)以上，抗風(fēng)等級(jí)較小的地方只有建筑連廊的東半部分和D4-A區(qū)域最西南側(cè)兩棟獨(dú)棟式客房的東南角立面。

4 結(jié) 論

隨著全球變暖，極端大風(fēng)事件越發(fā)頻繁，給海島建筑造成的災(zāi)害損失非常之大。本文基于氣候分析和數(shù)值模擬，首先利用極值模型得出了16方位極端大風(fēng)，然后利用CFD 數(shù)值模擬來(lái)研究地形影響下的海島建筑群16 方位抗風(fēng)等級(jí)，對(duì)建筑設(shè)計(jì)和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。結(jié)論如下：

1）重現(xiàn)期計(jì)算需要基于長(zhǎng)期的氣候統(tǒng)計(jì)資料，而海島觀測(cè)資料相對(duì)匱乏，因此先用資料年限較長(zhǎng)的珠海站進(jìn)行極值模擬，再訂正到海島上。本文采用年最大值采樣方法，利用多種概率分布模型對(duì)珠海站年最大風(fēng)速資料進(jìn)行擬合，選出最適合的模型后，再用陣風(fēng)系數(shù)和研究區(qū)的資料進(jìn)行訂正。從安全的角度出發(fā)，基于最小二乘法參數(shù)估計(jì)的Gumbel 分布曲線上翹更為明顯，在較高的重現(xiàn)期下，傾向于給出更大的數(shù)值，予以采用。珠海站50 a 和100 a 一遇的年最大風(fēng)速分別為35.1和38.5 m/s，訂正到研究區(qū)50 a 和100 a 一遇的年極大風(fēng)速分別為76.1和83.5 m/s。

2）東南偏東（ESE）、東（E）和東北偏東（ENE）是影響研究區(qū)的極端大風(fēng)中最大的前3 個(gè)風(fēng)向，50 a 一遇的極大風(fēng)速分別為70.0、68.1 和55.5 m/s；將16 個(gè)方向的極大風(fēng)作為初始場(chǎng)進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬，以風(fēng)速最大的ESE 為例，發(fā)現(xiàn)建筑排列、建筑形狀、高低等都會(huì)對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生影響，例如D2 和D3 區(qū)都是獨(dú)棟建筑，但因排列方向不同，建筑表面風(fēng)速也不同；較高建筑對(duì)迎面大風(fēng)有一定的阻擋，使得背后的較低建筑風(fēng)速明顯減小，如D1-A區(qū)的酒店中心圓弧部分；另外，所有的建筑底層風(fēng)速明顯小于高層，建筑物迎風(fēng)面的拐角處通常有一個(gè)風(fēng)速大值區(qū)。

3）選取16 個(gè)方向極大風(fēng)模擬結(jié)果的最大值，可得出具體的建筑表面抗風(fēng)等級(jí)，由于研究區(qū)東南偏東方向風(fēng)速最大，因此建筑表面抗風(fēng)等級(jí)大值區(qū)與該風(fēng)向的模擬結(jié)果相似。建設(shè)方可根據(jù)建筑表面抗風(fēng)等級(jí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，如D4 區(qū)的抗風(fēng)等級(jí)最高，基本都要超過(guò)17 級(jí)，因此該區(qū)所選建設(shè)材料應(yīng)最堅(jiān)固；D1 區(qū)酒店頂層和西部客房頂層大多超過(guò)17 級(jí)，其他多為16～17 級(jí)，D3 區(qū)建筑表面抗風(fēng)等級(jí)基本為16～17級(jí)，所選建設(shè)材料可對(duì)應(yīng)具體建筑表面抗風(fēng)等級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；D2 區(qū)所需抗風(fēng)等級(jí)最低，多為14～15級(jí)，所選建材抗風(fēng)等級(jí)也可稍弱一些。此外，在臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)等災(zāi)害天氣來(lái)臨前，建設(shè)方或施工方可根據(jù)建筑表面抗風(fēng)等級(jí)建議提前做好防御措施，最大限度地減輕事故災(zāi)害，保障人身及財(cái)產(chǎn)安全。

本文通過(guò)CFD 數(shù)值模擬得出了海島建筑群的16 方位抗風(fēng)等級(jí)，模擬結(jié)果較為理想化，后續(xù)仍需有實(shí)地觀測(cè)資料繼續(xù)驗(yàn)證；另外，本文所給出的建筑表面抗風(fēng)等級(jí)更多的是從氣象方面考慮，在建筑施工上仍需綜合考慮其抗震設(shè)計(jì)、延展性、氣密性、水密性以及建設(shè)成本等因素。