城市抗台风“隐形盾牌”：
数值风洞铸就建筑新的钢铁长城
在台风等极端天气事件日益频繁的今天，建筑的安全性面临着前所未有的挑战。这些自然灾害不仅导致巨大的财产损失和基础设施的破坏，还会严重威胁人们的生命安全。随着新型城镇化战略推进和建筑品质新追求，建筑物在设计时必须充分考虑到这些极端天气条件，以确保在最恶劣的环境下也能保持结构的安全性和耐久性。
中南建院工程数字技术中心团队依托先进的城市建筑数值风洞技术，集成了大尺度台风模拟、中小尺度街区风环境模拟及结构风荷载模拟等多尺度评估框架，实现极端台风影响下城市风灾全面分析，为极端风荷载城市建筑风灾分析提供数字化技术支撑，为建设韧性城市和高品质建筑持续赋能。
台风“摩羯”：直面自然的威力
台风“摩羯”具有强度高（登陆时风速达到62m/s）且持续时间长、破坏力大等特点，其超强台风的等级持续时间达到64小时，成为自1949年以来登陆我国的最强秋台风。台风“摩羯”已在海南造成重大人员伤亡和财产损失。据报道，截至9月7日，台风“摩羯”已在海南造成4死95伤，房屋建筑、交通设施、通信设施等均受到不同程度的破坏，直接经济损失至少590亿元。
台风“摩羯”全路径演化特征
城市的脆弱：建筑在极端天气中的挑战
对台风实测路径进行深入调研分析发现海南街区遭受严重破坏。首先，树木倒伏和弯折的现象随处可见，公路牌和围栏也未能幸免，它们被强风吹折甚至吹飞。此外，钢结构厂房的屋顶材料在台风的肆虐下被撕裂、吹飞，金属屋面遭受了风致破坏，特别是在屋盖迎风前缘区域，出现了局部风揭破坏的情况。更令人担忧的是，面板材料的严重锈蚀现象，这无疑加剧了破坏的严重性。同时，部分钢柱折断，导致整体结构变形甚至坍塌。
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台风“摩羯”风灾案例（图片来源：网络）
进一步调查发现城区内的高层建筑和体育场等大跨度空间建筑的外围护结构都遭受了不同程度的破坏。如某酒店正面（东北侧）的铝板造型幕墙在台风“摩羯”的作用下遭受了严重破坏。专家分析其铝制造型幕墙在持续台风作用下发生了松动，随后在强风的冲击下脱落。在五源河文体中心破坏事故调查中，发现在强风作用下，屋面前缘由于强烈的流动分离产生了较大的极值风压，这直接导致了附加装饰层的破坏，甚至局部区域装饰层下部的金属面板也未能幸免。
综上所述，台风对城市基础设施的破坏是全方位的，从街区道路树木到形形色色的单体建筑，无一幸免。这些破坏不仅造成了巨大的资产损失，更对人们的生活安全构成了严重威胁。因此，我们必须加强对台风的预警和防范措施，以应对未来类似灾害的发生。
数值风洞：建筑抗台风分析利器
为了精细化预测和评估极端风荷载对城市基础设施和建筑结构的影响，中南建院工程数字技术中心团队依托先进的城市建筑数值风洞技术，集成了大尺度台风模拟、中小尺度街区风环境模拟及结构风荷载模拟等多尺度评估框架，实现极端台风影响下城市风灾全面分析，为极端风荷载下城市建筑风灾分析提供数字化技术支撑。
团队基于城市建筑数值风洞的台风模拟评估主要涵盖三个阶段：
基于城市建筑数值风洞的台风模拟评估主要思路
1）基于WRF模式的三维台风风场模拟。WRF是一个先进的数值天气预报系统，能够模拟大气中的多种物理和化学过程，包括台风的生成、发展和移动路径。通过输入高分辨率的气象数据和地形信息，WRF能够生成详细的台风风场数据，包括风速、风向、气压等参数，这些数据对于理解台风对沿海地区的影响至关重要。
2）基于城市数值风洞的街区尺度风环境模拟。XFlow基于格子玻尔兹曼法，能够高效地模拟复杂几何形体和流动条件下的流体行为。在街区风环境模拟中，采用三维城市信息模型结合XFlow可有效分析台风或日常风况下街区内部的风速分布、风向变化以及涡旋和湍流等现象。这些信息对于评估街区内的行人舒适性（如避免强风区域）、城市通风效果以及极端风灾害（如强风区域识别、飞射物风险等）具有重要意义。
CIM城市模型展示
3）单体建筑围护结构台风极值风压模拟。团队独立开发的一款集成在Rhino 3D建模软件中的流体动力学插件结合了Rhino强大的建模能力和CFD的精确分析能力，使得用户能够直接在三维模型上进行风压分布模拟。通过模拟不同风向风速下的风压分布可以评估建筑的抗风能力，并据此进行结构优化或加固设计，以确保建筑在极端天气条件下的安全性和稳定性。
揭秘：仿真辅助建筑风灾破坏分析
WRF台风模拟结果分析
基于WRF模式对台风“摩羯”近海三维风场结构进行模拟分析，可以反演出与实际台风路径和强度一致的“人造”台风，重现出台风过境期间场地风速、风向变化，从而全面了解台风过境期间每个场地位置的风力强度。
台风“摩羯”WRF模式分析
从WRF模拟结果中可提取目标建筑街区的极值风速、风向和风剖面等关键台风参数，作为中小尺度街区风环境模拟不可或缺的边界条件输入，据此可以深入剖析各类街区布局在遭遇此类台风侵袭时的具体风场特征，从而有效识别台风过境时城市街区潜在的风灾发生区域，在台风来临之前采取精准针对性的应急预警措施。
城市街区风环境模拟分析
通过在云端超算平台上部署基于城市实景的建筑数值风洞仿真系统，团队可以实现台风过境期间城市三维建筑亿万级网格模型高效模拟，得到建筑街区每个角落的精细化风环境分布以及每一栋建筑表面的风压分布。
数值风洞技术可有效识别台风登陆时刻城市街区风环境不利位置，城区内部风速放大区域与容易发生围护结构风灾破坏的建筑位置，为城市交通安全、景观树木加固、建筑抗台风设计提供有效的参考。
基于数值风洞分析建筑街区风场流动
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基于数值风洞的建筑街区风速和风压云图展示
根据重庆大学风工程调查组的调查结果，台风“摩羯”作用下住宅墙面的门窗和屋面的瓦片等围护结构易发生严重破坏。同一小区不同栋住宅会发生不同程度的围护结构破坏，有的楼栋的围护结构发生严重破坏，而有的楼栋的围护结构受影响较小。
同小区不同楼栋受风灾情况（图片来源：重庆大学风工程）
结合本团队CFD数值模拟结果和专家调查原因，可以发现：台风下高层建筑群干扰效应强，局部流场复杂，致使部分区域流场具有加速效应（如下图红区域），部分区域流场具有减缓效应（如下图蓝色区域），同时部分区域存在明显流动分离现象。
海南某建筑街区风速流场分析
聚焦于局部加速区域具体分析，发现部分建筑附近存在明显的风速加速区间，且该区域建筑正负压差明显，容易产生玻璃幕墙和屋顶破坏，这一点与调查组结论一致。
海南某城区建筑群局部加速区域风速云图
海南某城区建筑群局部加速区域风压云图
除此以外，同一栋住宅的不同墙面也会发生不同程度的破坏，如有的墙面发生了严重的窗户玻璃破坏，而有的墙面的窗户玻璃损失较小，部分小区楼栋角隅区域门窗较墙面中部破坏更为严重。
同楼栋不同墙面风灾情况（图片来源：重庆大学风工程）
通过CFD数值风洞分析，我们可以直观的发现，同一楼栋在不同角隅区域流动和风压特性完全不同。如下图所示，建筑附近绕流场在角隅区域容易发生流动分离现象，处于迎风面的区域1出现较小正压，而背风面的区域2位置承受极大负压。一旦区域1和区域2连通，区域2位置将产生极大风吸力从而发生风致破坏，该结果与现场调查一致。
海南某城区建筑群流动分离区域风速云图
海南某城区建筑群流动分离区域风压云图
大跨屋盖建筑风压模拟分析
本次台风灾害发生后，中国工程建设标准化协会“抗风减灾与风能利用”专业委员会负责风灾调研的工作组迅速响应并开展现场灾后调查工作。在风灾调查中发现钢结构和膜结构等大型屋盖产生明显受灾现象，其中五源河体育场属于大跨张拉索膜结构，屋面辅以金属围护结构。
调研显示，膜结构大面积损坏，金属围护结构存在风揭破坏现象。现场调查发现，体育场内足球场和跑道位置散落了大量金属围护结构部件，这些部件为强风作用下金属围护结构发生风揭破坏后形成的飞射物。
五源河体育场区域与受灾情况（图片来源：建筑结构）
为了进一步揭示体育场风灾破坏机理，基于附近站点的台风数据与五源河体育场模型，中南建院工程数字技术中心团队进行了台风过境时刻体育场屋盖风荷载分析。
五源河体育场受灾现场（图片来源：网络）
五源河体育场风压模拟结果分析
基于模拟分析，团队发现五源河体育场在台风风场下风向为膜结构背侧来流风向，五源河体育场迎风前缘金属围护结构局部风压超过当地50年一遇设计风压，存在破坏风险；但是膜表面净风压未达到设计风压。
基于数值风洞初步模拟分析，可以推测是金属围护结构先破坏后产生的大量飞掷物导致膜结构被割破，该结论与调研工作组初步推测结论一致。
分析与总结
中南建院工程数字技术中心团队对台风“摩羯”过境期间城市建筑风灾进行了全面详细的城市建筑数值风洞模拟分析，目的在于揭示台风过境期间城市风灾机理，为后续新建建筑抗风设计和既有建筑加固改造提供技术支撑和参考。通过分析结论如下：
（1）基于台风“摩羯”气象实测数据，结合不同气象站点的风速风向数据，分析得到台风“摩羯”的台风历程与极大风速风向，发现台风登陆时段场地风速风向变化剧烈。当地不同站点观测的极大风速与台风近中心最大风力17级（62米/秒）有明显区别，建议在台风灾害分析时需要考虑场地实际风速风向特征。
（2）通过这一系列模拟与分析，验证了城市数值风洞在极端天气事件预测与防灾减灾策略制定中的高度有效性和实用价值。基于城市建筑数值风洞技术有效再现了台风“摩羯”过境期间城市建筑风气候环境和风荷载，为风灾分析与预测提供数据参考。
（3）在进行房屋布局方案设计时，建议基于数值风洞技术充分考虑风环境和建筑布局的关系，尽量避免建筑间距离过小，防止风速放大，此外，要避免相对低矮建筑位于周围高层建筑形成的窝风区。
（4）进行高层建筑和大跨屋盖围护结构方案设计时，建议基于数值风洞技术充分考虑围护结构表面极值风压，在前期识别风灾害易发区（如雨棚、角隅、江景和海景房大型落地窗等），判断未来可能存在的风灾破坏模式（如玻璃选用夹角玻璃，以减少破碎后带来的次生灾害）。如住宅有些区域台风压较大位置尽量提高封阳台玻璃材料的抗风能力。
未来展望
随着全球气候变化的加剧，极端天气事件正变得越来越频繁，这对城市的韧性和建筑的安全性提出了更高的要求。
中南建院工程数字技术中心团队未来将持续研发建筑数值风洞技术，为业主提供专业高效的韧性城市抗风咨询服务，帮助优化建筑结构抗风性能，实现成本效益和环境可持续性，为建设韧性城市和高品质建筑持续赋能。
研发团队：
张慎、王义凡、尹鹏飞、李昀、程明
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