Effects of wind load on ‘E’ plan shaped tall building under interference conditions

风是一种无形的力，不断地推挤着我们居住的建筑结构，但当建筑物紧密排列时，其行为会发生剧烈的变化。在现代城市拥挤的天际线中，由于空间极其珍贵，建筑师经常设计具有复杂、不规则形状的塔楼，以便在较小的地块上容纳更多的居住空间。虽然工程师早已了解风是如何冲击单体孤立塔楼的，但当一座建筑靠近另一座建筑时，物理过程会变得更加复杂。邻近建筑的存在可能会阻挡风，将风通过狭窄的缝隙引导，或者创造出旋转的气流口袋，从而对主体结构施加意想不到的压力。理解这些相互作用对于安全至关重要，因为在密集集群中的建筑所承受的风载荷可能与孤立塔楼显著不同，如果计算不当，可能会导致结构失效。

来自印度希布尔工程科学技术学院的研究员 Sumanta Mandal 和 Sujit Kumar Dalui 着手研究这些隐藏的力量作用于一种特定的复杂建筑形式：一种具有“E”型平面布局的高层建筑。这种形状类似于字母“E”，拥有十二个不同的面，可以捕捉来自任何方向的风。为了了解这种形状在被其他建筑包围时的表现，研究团队结合了两种强大的方法。首先，他们制作了一个“E”型建筑的物理模型，并将其放置在风洞中——这是一个大型实验室舱室，通过控制气流速度来模拟现实世界的风暴。他们测量了作用在模型上的实际力和扭矩。其次，他们使用了一种被称为计算流体力学的先进计算机模拟技术。这种方法创建了一个虚拟风洞，使他们能够以极高的精度模拟空气流动，并测试那些在物理实验中难以或无法复制的情景。

该研究重点关注当两个较小的方形建筑放置在主“E”型建筑附近时，风载荷如何变化。研究人员测试了这些干扰邻居在不同距离下的情况，范围从极近距离到数倍于建筑宽度的距离。他们还旋转了风向，测试了从零度到一百八十度的角度，以观察建筑在风从正面、侧面或角落撞击时的反应。其目标是确定一个被称为“干扰因子”的具体数值，该数值比较了主建筑在单独存在时与在被邻居包围时的风压。如果该因子大于一，则表示邻居加剧了风载荷；如果小于一，则表示邻居实际上为建筑提供了遮蔽。

实验和模拟的结果表明，建筑之间的距离和风的角度是最关键的因素。当干扰建筑被放置在非常靠近主“E”型结构的位置时，风的行为发生了剧烈变化。在某些特定情况下，邻居的存在实际上显著增加了主建筑某些面的风压。例如，当风以三十度角撞击时，距离三百毫米处的邻居导致其中一个特定面的压力比建筑单独存在时增加了一倍多。相反，在其他配置下，相邻建筑起到了屏蔽作用，降低了到达主结构的风压。研究人员发现，当干扰建筑放置在三千毫米的距离时，主建筑上的风载荷回到了与完全单独站立时相同的水平，这表明超过这个距离后，邻居不再影响风力。

最令人震惊的发现之一是发现了“通道效应”。当风直接吹向主建筑与邻居之间的间隙时，空气被强行挤过狭窄的空间，在挤压过程中速度加快。这种加速产生了一种局部性的风速和压力增加，而这在孤立建筑的情况下是不存在的。另一方面，当风撞击干扰建筑的侧面时，它形成了一个阻挡，减少了到达主建筑的风速，从而有效地降低了建筑必须承受的力量。研究还确定了“E”型建筑中特别脆弱的特定面。例如，在某些风向角下，干扰在后部表面产生了吸力效应，将建筑向外拉，而不仅仅是向前推。这些代表拉力的负压值被发现是非常显著的，并且随邻居距离的变化而变化。

研究人员将他们的计算机模型与物理风洞测试进行了验证，发现两者之间高度吻合，误差通常保持在百分之十五以下。这种确认使他们能够放心地使用计算机模拟来探索广泛的距离和角度。数据表明，当风正面撞击时，建筑经历的最大力最大，而当风从侧面来袭时，力最小。然而，邻居的存在改变了这些数值。在最极端的干扰情况下，主建筑承受的力量降至其在孤立状态下的极小部分，而在其他情况下，力量却骤增。研究结论指出，对于所分析的特定“E”型建筑，相邻结构的影响是高度局部的。一旦建筑间的距离超过某个阈值，复杂的相互作用就会消失，建筑的表现就像站在开阔地带一样。这种对风力如何随距离和角度变化的精确映射，为工程师在设计密集城市环境中的高层不规则建筑时提供了必不可少的数据，确保这些建筑能够抵御城市风力那独特且往往难以预测的力量。