在2024年9月16日，台风“贝碧嘉”登陆上海，中央气象台发布橙色预警，这个75年来的上海最强台风给我们带来了一份非常隆重的中秋“见面礼”，除了大风暴雨影响日常出行，上海全市树木倒伏或折断超过万株，577列次铁路客运和1461次航班被取消，给人们的生产生活带来了非常大的影响。要说台风，上海人并不陌生，每年都有，无非是风大点儿、雨多些儿，但这次同样是台风，人的感受却有很大的不同，带来的影响也超乎一般。在日常的天气预报中，除了台风，也经常看到微风、强风、大风、飓风……都是风，到底区别在哪儿呢？今天我们就好好地聊一聊。
被吹到的树木
被树砸到的汽车
顶风冒雨的行人
台风“贝碧嘉”路径
/ 图片：来源网络 /
风的基本知识
基本概念——风是由空气流动引起的一种自然现象，由地面的太阳能加热不均而导致的大气温度差引起，具体过程是太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，形成空气的流动，即风。
风速和风向——风有2个基本要素——风速和风向。风速是指空气在单位时间内移动的水平距离，通常以米/秒（m/s）、公里/小时（km/h）为单位来表示。风速的大小直接影响风的能量和可能产生的物理效应，如风力发电、风蚀作用、风对建筑物的影响等。风向是指风吹来的方向，通常用16个方位来表示，如北、东北、南、西南等。在描述一个风场时，需要包含风速和风向这两个要素，如“风速为5米/秒，风向为东北风。”
风级——风的强度（即风力）常用风力等级表示。根据风速范围和地面现象，一般可分为17级。0-3级的风在日常生活中较为常见，比如上海的夏季（非台风天）；3-5级风，易出现在冷暖气流交替的时节，比如上海的春秋季；6-8级风，多由强烈冷暖气流影响出现，会对日常生活产生不利影响，这时候天气预报就会发布大风预警提醒人们减少外出活动；而超过8级，特别是12级或以上多属于飓风/台风，多由外围台风影响所致，如前些天登陆上海的“贝碧嘉”，就需要提前防范自然灾害。
蒲氏风力等级表
风失——在天气预报中，我们还会看到像英文字母F一样的符号——“风矢”，它会同时包含风向和风速2个信息。风矢由风向杆和风羽两部分组成，风向杆表示为一根竖线，用于指出风的来向。风羽由长划线、短划线或者风三角组合，表示风速的大小，一条长划线表示4 m/s，一条短划线表示2 m/s，风三角表示20 m/s。由此可知，下图天气预报中风矢的风向杆为西北向，风羽有3条长划线，即西北风12 m/s，风力为6级。
/ 某日天气预报 /
/ 风矢示意图 /
/ 风矢的组成 /
风速的计算
由于风在地面附近会受到物体阻碍，随着距离地面高度的不同，风速会发生变化，风级表中的风速为距地面10米高度处的风速，那我们如何得知行人、不同高度建筑物或者构筑物的风速呢？根据研究发现风速随高度的增加而增大，大气边界层内的风速随离地高度的变化可近似看作对数或者指数关系，按照指数型风速剖面，任意高度z处的风速Uz可用下式计算：
不同地貌环境，对风的阻碍不同，则风速剖面不同，即α取值不同。介于此我们就可以根据预报的风级计算出行人高度处（1.5-2m）的风速大小。比如密集城区（α取0.22）中风速达到台风12级时，行人高度处风速为21.5m/s ~ 24.3m/s，相当于人将受到约0.3kN/m2的冲击。
/ 自由来流与边界层来流风速剖面对比 /
/ 不同地貌条件下的风速剖面 /
结构风荷载
在进行建筑物的结构设计时，会同时考虑地震作用和风荷载对建筑结构的影响。一般而言，对于中低层建筑，地震作用是建筑结构的控制荷载，虽然风荷载不是控制荷载，但仍需进行必要的计算；对于高层及超高层建筑，风荷载与地震作用相当甚至超过地震作用，风荷载是建筑结构的控制荷载，要重点关注。
在风的作用下，对建筑结构受到的风荷载进行分析，可以概况为2种方向的力——顺风向荷载FD和横风向荷载FL。在结构计算时，必须同时验算顺风向和横风向的抗风要求。
/ 风流经物体所产生的力 /
顺风向荷载与风来流方向平行，主要是由建筑物迎风面的正风压和背风面的负风压组成的风阻力。相同风速下，不同造型的建筑或处于不同建筑群中相同造型建筑均会受到不同的风荷载。由于超高层建筑结构的风荷载及其效应随高度迅速增加，通常会对其体型进行优化以减少受到的风荷载，如改变建筑沿高度的截面形状进行圆弧倒角、切角和立面开洞等。上海中心大厦建筑形态采用了圆弧倒角、楔形立面、截面变化三种形态优化方法，通过风洞试验对比发现建筑沿高度的扭转角为120°时，所受风荷载最小 。
/ 上海中心大厦 /
/ 阿尔法塔 /
横风向荷载与风来流方向垂直，是由侧风面上的旋涡脱落引起的，对称的建筑物，其横风向平均风荷载几乎为零，但由于建筑物两侧旋涡的交替脱落，在同一时间，建筑两侧方向的荷载不平衡，形成了横风向的周期性荷载，当横风向旋涡脱落频率与建筑固有频率一致时，会引起结构共振。所以建筑的刚度也会对所受的风荷载产生影响。建筑出现共振时除了影响舒适度（相关规范中规定：结构顶点的风振加速度限值详见下表），还会影响结构安全，可通过改变建筑造型或者增大结构刚度的方法避免建筑出现明显的振动。比如世界最高建筑阿尔法塔通过逐级内缩和逐步收窄的设计以“扰乱风力”，让整个建筑在每一个受风面的形状都不相同，这样建筑周围就不会形成强大的旋涡，保证了建筑物的安全性和舒适性。
结构顶点风振加速度限值
/ 圆柱周边的旋涡脱落 /
超高层建筑容易出现风致振动，当不能通过建筑造型、结构布置的方法降低结构振动时，需通过设置减振装置对风振响应进行控制，以保证结构安全及舒适度要求。常用的减振装置包括调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）、调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper, TLD）等。
TMD是由弹簧或吊索、质量块、阻尼器等组成的减振系统。当主结构在风力作用下振动时，质量块随之产生惯性运动，通过质量块的惯性运动将主结构的能量转移到TMD，起到减轻主体结构振动的作用。如台北101大厦，上海环球金融中心，上海中心等均使用TMD控制结构在风荷载作用下的振动。
TLD是利用箱体内晃动的液体来吸收并耗散结构振动能量，可兼作供水水箱使用。按照消防要求，超高层建筑需要在屋顶设置大型消防水箱，因此可以利用消防水箱作为TLD箱体，对高层建筑的风振进行控制。如苏州国际金融中心通过深化设计使用消防水箱作为TLD箱体，减小超高层建筑的风致响应。
/ 上海中心大厦顶部阻尼器 /
/ 台北101大楼阻尼器 /
/ TLD使用概念图 /
风环境评估优化
随着人们对于环境舒适度和空间品质的追求，除了要考虑建筑的风荷载安全，建筑风环境作为绿色建筑的重要评价指标之一，近年来愈发受到重视。风环境，顾名思义，就是自然风在城市或自然地形地貌的影响下形成的环境条件。常见风环境问题包括：群体建筑空间规模及布局在建筑外部空间形成狭管效应，导致局部风速过大、过强；建筑高度及体量形成建筑风影区，对下风向建筑房屋内部通风产生影响；建筑物互相遮挡产生的弱风和涡流区引起的大气污染物堆积等。
/ 复杂的建筑风环境 /
建筑设计方案阶段可使用模拟软件进行分析与预评估，对影响建筑风环境的因素进行权衡判断，针对不足之处加以优化，有效利用外部风环境，引导气流，促进对流通风，合理利用风压减少涡流区。比如可通过调整建筑布局，合理布置绿化等措施对局部风速过大问题进行解决。
/ 不同建筑布局下行人风环境 /
我国的《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019中对风环境的评价标准包含行人室外行走、活动是否舒适以及建筑的自然通风；《建筑工程风洞试验方法标准》 JGJ/T338-2014中给出了风环境舒适度分类表以及行人高度风速的控制范围。广东省和深圳市在地方标准也对风环境评估进行了相关规定。
风环境舒适度分类表
研究手段
上文提及的建筑风荷载、建筑群风环境等，均属于建筑结构的风工程设计，其研究手段主要包括：理论研究、风洞试验和数值模拟。
理论研究是从物理现象出发，从机理上进行研究并建立数学模型。理论分析是数值模拟和风洞试验的基础。风洞试验是指在风洞实验室里人工模拟的大气边界层风场环境下，使用缩尺建筑模型对建筑结构上的风效应进行模拟再现，以研究结构风荷载作用及建筑绕流环境影响等问题。
/ 风洞试验室示意图 /
/ 建筑群风洞试验示意图 /
数值模拟则是运用计算流体动力学原理，并结合计算机技术对建筑周围流场进行仿真，从而得到建筑周边的风场信息，包括建筑风压、周边风环境等。它的作用跟风洞实验类似，所以也称为“数值风洞”。但“数值风洞”可对建筑进行1：1建模且计算周期更短，结果可视化更多样，并能便捷地获取风速场等变量的分布，所以更适用在建筑设计前期使用。除了以上的风压、风振、风环境外，还有气动噪声、风雨、风雪、风沙等与“风”相关的问题，均可通过“数值风洞”进行分析研究。
目标建筑风压云图
建筑群10m高度处风速云图
/ 上海西岸国际会展中心风场数值仿真结果展示 /
工程应用
课题组在近5年内对30余项工程进行了风荷载数值模拟，涉及超高层、体育场馆、光伏阵列等。期间通过对CFD软件进行二次开发，编写用于并行计算的结果输出程序，计算效率约为传统串行计算的10倍，原本4周的计算量在3天内可以完成，结合”超算”可以在2周内完成建筑在24个风向下风时程模拟。此外课题组还在建筑外表面快速生成、网格划分等前处理方面，流固耦合、风致雪漂等模拟技术方面进行研究，力图进一步缩短数值风洞前处理时间，提供方便设计人员使用的接口，使数值风洞更早、更有效地介入到建筑方案设计阶段，提前预测风环境影响，协助建筑造型的优化，为建筑方案落地提供有力支撑。
/ 建筑外表面快速生成 /
（注：右下图由外表面快速生成程序对原模型进行外表面提取的结果，提取效果良好）
在海南省艺术中心（演艺中心）项目中，屋盖（巨大彩色顶棚）由不同的“悬链线”构成，表面交错起伏，形成褶子形态。在结构方案初期课题组经华建集团华东院委托采用数值风洞对屋盖风荷载模拟计算。一方面，经过对屋盖天窗开关对风荷载的影响分析，发现无论天窗开起或关闭，风吸力均大于风压力；但当天窗打开后，风压力增大，风吸力稍有减小。由于风吸力对屋盖结构安全更不利，因此提供了最不利（天窗关闭）时的风荷载体型系数和极值风压用于下一步的结构设计和计算，以确保建筑的风荷载安全。另一方面，该屋盖下方通风口较多，使得屋盖四周气流流动较复杂，故对屋盖下部通道行人的风环境也进行了评估，关键通道处的风速比均在1.2以内，对行人无不利影响，在后续设计中可不作额外考虑。风荷载模拟计算提前介入，帮助设计人员预估多种情况下的风荷载，避免了不必要的设计弯路。
/ 演艺中心建筑效果图 /
/ 某风向下屋盖体型系数云图 /
/ 某风向下行人高度处风速矢量图 /
小结
“风”与我们的生活息息相关，在城市规划、建筑设计、结构安全中离不开对“风”的预测与计算。随着社会经济的不断进步，建筑造型逐渐复杂多变，建筑工程结构向高、大、柔方向发展，以至于建筑周边的风环境以及结构的风效应越来越复杂。
在城市规划、建筑设计方案制定时，风洞试验和数值模拟相关技术的使用可以在前期对风荷载进行把控，提前预测风环境影响，协助建筑造型的优化，为建筑方案的落地提供了有力支撑。
参考文献
1.台风预警信号及防御指南-中国气象局政府门户网站 (qxkp.net)[20240918]
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