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摘要：本論文主要對(duì)廣州東塔項(xiàng)目塔樓（詞條“塔樓”由行業(yè)大百科提供）幕墻的舒適度、開(kāi)啟門和格柵（詞條“格柵”由行業(yè)大百科提供）的通風(fēng)量及鋁裝飾條和陶土板裝飾條的局部風(fēng)壓進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬計(jì)算分析，對(duì)一些復(fù)雜幕墻的研究提供不同的分析思路。
關(guān)鍵詞：CFD;舒適度;通風(fēng);風(fēng)壓
1.工程概況
廣州東塔西臨珠江大道，北望花城大道，與對(duì)面的西塔一起形成雙塔，分別位于新城市中軸線兩側(cè)，南面隔江對(duì)望新建的廣州電視塔，北面天河體育中心，中信大廈及廣州火車東站。本項(xiàng)目占地26，452平方米，地上建筑總面積為404，802平方米。建筑屋頂標(biāo)高為530米，結(jié)構(gòu)屋面標(biāo)高518米，地上112層，集辦公、服務(wù)公寓、酒店、餐廳于一體的塔樓。
項(xiàng)目幕墻類型主要分為六個(gè)系統(tǒng)，A系統(tǒng)是本工程的代表性系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括鋁合金裝飾條，陶土板裝飾條、鋁格柵與可開(kāi)啟通風(fēng)門系統(tǒng)，本文主要對(duì)系統(tǒng)A使用流體動(dòng)力學(xué)軟件(CFD)進(jìn)行模擬計(jì)算，并結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果對(duì)影響幕墻舒適度，格柵開(kāi)啟門通風(fēng)及裝飾條局部風(fēng)壓等方面進(jìn)行對(duì)比分析。
2.塔樓幕墻舒適度計(jì)算分析
2.1 計(jì)算說(shuō)明
根據(jù)國(guó)家規(guī)范《民用建筑熱工（詞條“熱工”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：廣州冬季室外風(fēng)速取V=2.2m/s。
考慮廣州地區(qū)的西曬立面舒適度較低，可假設(shè)如下兩種標(biāo)準(zhǔn)氣候條件：項(xiàng)目周圍的風(fēng)速取2.2m/s和5m/s兩種情況;本文按通風(fēng)及不可通風(fēng)兩種狀態(tài)對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。計(jì)算條件如下：
表1計(jì)算條件
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序號(hào) |
狀態(tài) |
時(shí)間 |
立面 |
室外風(fēng)速（m/s） |
幕墻面承受
的風(fēng)作用壓強(qiáng)(Pa) |
室外溫度
(℃) |
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1 |
通風(fēng) |
2~3月、10~1月 15號(hào)下午1點(diǎn)鐘 |
西 |
2.2 |
5 |
3.03 |
15.6 |
16 |
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2 |
非通風(fēng) |
4~9月
15號(hào)下午1點(diǎn)鐘 |
西 |
—— |
—— |
31.1 |
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2.2通風(fēng)狀態(tài)(風(fēng)速2.2m/s)
選取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象，橫向左右玻璃寬度取700mm，豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開(kāi)啟門完全開(kāi)啟狀態(tài)，室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s，室外溫度取16度，室內(nèi)溫度取26度。
模型長(zhǎng)約6米，寬約1.6米，高約2.95米，此尺寸三維空間模型可認(rèn)為滿足本文流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的需要。輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）強(qiáng)度經(jīng)FLUENT軟件自動(dòng)計(jì)算，模擬結(jié)果如下：從下圖速度矢量等值3D云圖可知，以開(kāi)啟門位置為基線，空氣以W字形向兩側(cè)展開(kāi)擾動(dòng)，靠近開(kāi)啟門的空氣湍流最為劇烈，距離開(kāi)啟門約900mm位置的空氣擾動(dòng)逐步增強(qiáng)，有著明顯的波形擾動(dòng)范圍。再對(duì)速度矢量等值2D切片云圖的A、B、C、D、E、F六個(gè)速度矢量點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析：
A點(diǎn)：室外區(qū)域距離開(kāi)啟門約1500mm區(qū)域，空氣流速約為1.0m/s。此區(qū)域的空氣在開(kāi)啟門完全打開(kāi)狀態(tài)下，形成漩渦狀擾動(dòng)。
B點(diǎn)：室外區(qū)域距離格柵約50mm區(qū)域范圍，空氣流速約為1.6m/s。空氣經(jīng)過(guò)鋁裝飾條與陶土板裝飾條后，速度逐漸提高，穿過(guò)格柵間的縫隙后，流速提升到2.1m/s左右，此區(qū)域的空氣湍流運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)。
C點(diǎn)：開(kāi)啟門入口最狹窄位置的空氣流速達(dá)到最大值：約3.1m/s;在雨季時(shí)期，雨水在空氣壓強(qiáng)作用下會(huì)飄進(jìn)室內(nèi)，因此在風(fēng)雨季節(jié)應(yīng)注意關(guān)閉開(kāi)啟門。
D點(diǎn)：室內(nèi)區(qū)域距離開(kāi)啟門約650mm區(qū)域，空氣流速約為2.2m/S。此區(qū)域范圍內(nèi)空氣流速較大，辦公設(shè)施(如打印機(jī)等)應(yīng)避免在此區(qū)域內(nèi)布置。
E點(diǎn)：室內(nèi)區(qū)域距離開(kāi)啟門約1500mm區(qū)域，空氣流速約為0.8m/S。空氣流速逐漸降低，湍流運(yùn)動(dòng)趨于平緩，但還應(yīng)避免放置一些容易被吹浮的物體，如紙張等。
F點(diǎn)：室內(nèi)區(qū)域距離開(kāi)啟門約2400mm區(qū)域，空氣流速已降低到0.15m/s以下。此區(qū)域的空氣流速已經(jīng)降低到人體幾無(wú)察覺(jué)的狀態(tài)，辦公設(shè)施不會(huì)受到進(jìn)入室內(nèi)空氣的影響。
在可通風(fēng)狀態(tài)，室外溫度取16度，室內(nèi)溫度取26度的條件下，室外冷空氣穿過(guò)格柵，經(jīng)過(guò)開(kāi)啟門進(jìn)入室內(nèi)。室內(nèi)距離開(kāi)啟門1000mm的A點(diǎn)，溫度約為21度;室內(nèi)距離開(kāi)啟門2800mm的B點(diǎn)位置范圍內(nèi)，溫度約為22度;室內(nèi)距離開(kāi)啟門3000mm的C點(diǎn)位置范圍以外，溫度約為23度。
春、秋及冬季時(shí)節(jié)，室外冷空氣進(jìn)入室內(nèi)不僅可以有效地提升室內(nèi)空氣質(zhì)量，同時(shí)會(huì)有助于降低室內(nèi)溫度，提高室內(nèi)的舒適度。
2.2通風(fēng)狀態(tài)(5m/s)
假設(shè)室外風(fēng)速達(dá)到5m/s的時(shí)候，開(kāi)啟門完全打開(kāi)狀態(tài)的空氣流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)下圖：此時(shí)空氣的擾動(dòng)比風(fēng)速在2.2m/s的條件下有所加強(qiáng)，室內(nèi)區(qū)域距離開(kāi)啟門1500mm位置范圍的空氣流速達(dá)到了2.5m/s，人體會(huì)明顯受到空氣流動(dòng)的影響。
室外冷空氣進(jìn)入室內(nèi)的范圍有了增大，但其影響的較大范圍只限于室內(nèi)距離幕墻面的2500mm區(qū)域內(nèi)。選取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象，橫向左右玻璃寬度分別取700mm，豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開(kāi)啟門完全關(guān)閉狀態(tài)。
假設(shè)開(kāi)啟門完全關(guān)閉狀態(tài)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度經(jīng)FLUENT軟件自動(dòng)計(jì)算。從下圖可知，幕墻面兩側(cè)的溫度分布較為均勻。由于中空玻璃的LOW-E膜反射了絕大部分紅外輻射，從而減少了吸收和再次輻射，故室外幕墻玻璃面溫度處于50~60度的范圍。另外由于受室外空氣的擾動(dòng)及對(duì)流作用，靠近室外玻璃面的空氣溫度也比室內(nèi)空氣的溫度要高。
從上圖可知，室內(nèi)距離玻璃幕墻面3米空間內(nèi)總共有五層明顯的空氣溫度層：
第一層：450mm范圍內(nèi)，約為39度;
第二層：1500mm范圍內(nèi)，約為37度;
第三層：2100mm范圍內(nèi)，約為34度;
第四層：2500mm范圍內(nèi)，約為32度。
第五層：3000mm范圍內(nèi)，約為27度。
另外由于熱傳導(dǎo)作用，鋁型材區(qū)域溫度較高，約達(dá)到了44度。
上圖可知，在開(kāi)啟門的關(guān)閉狀態(tài)下，中空LOW-E玻璃的U值為1.68 W/m2·K，與廠家提供的玻璃熱工參數(shù)相近。
表2 玻璃的光熱性能數(shù)據(jù)表
結(jié)論：在春、秋及冬季的室外低風(fēng)速通風(fēng)條件下，室內(nèi)通風(fēng)及靠近玻璃面的人體熱感度等均獲得較好結(jié)果;但應(yīng)避免在室外高風(fēng)速條件下完全打開(kāi)開(kāi)啟門，以避免影響到室內(nèi)辦公人員及辦公設(shè)備。在夏季非通風(fēng)條件下，靠近室內(nèi)幕墻面2米范圍內(nèi)的空氣溫度分層范圍較為均勻;靠近室內(nèi)幕墻面0.5米的范圍內(nèi)，空氣溫度較高，但還是能夠控制在人體不適感強(qiáng)度之內(nèi)。
作者單位：廣州凝龍工程技術(shù)咨詢有限公司
幕墻通風(fēng)主要依靠開(kāi)啟門的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行控制。開(kāi)啟門開(kāi)啟寬度的大小與開(kāi)啟門外側(cè)的鋁格柵條間距大小都會(huì)直接影響到幕墻的通風(fēng)量。格柵總開(kāi)口寬度為150mm，高度為2950mm。豎向格柵條間距為28.5mm，水平方向加設(shè)三根鋁型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）副框。
流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算條件，假設(shè)以下三種情況，對(duì)塔樓幕墻通風(fēng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算分析：
3.1有格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài)
取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象，橫向左右玻璃寬度分別取700mm，豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開(kāi)啟門完全開(kāi)啟狀態(tài)，室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。
模型長(zhǎng)約6米，寬約1.6米，高約3米，此尺寸三維空間模型可認(rèn)為滿足本案流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的需要，如下圖：
根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知,單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M1=0.454kg/s。
3.2有格柵, 開(kāi)啟門在60度開(kāi)啟狀態(tài)
開(kāi)啟門60度開(kāi)啟狀態(tài)，室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。
根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知，單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M2=0.38kg/s。
3.3無(wú)格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài)
無(wú)格柵設(shè)置，開(kāi)啟門完全開(kāi)啟狀態(tài)，室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。
根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知，單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M3=0.534kg/s。
針對(duì)以上三種狀態(tài)進(jìn)行理論計(jì)算分析：
有格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A1=2950mm×83.6mm;
有格柵, 開(kāi)啟門在60度開(kāi)啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A2=2950mm×49mm;
無(wú)格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A3=2950mm×83.6mm;
3.4有格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài)
格柵入口的總開(kāi)口凈寬度b1=19.5×2+28.5×2=96mm, 開(kāi)啟門入風(fēng)口的寬度b2=83.6mm, 因b1>b2,故通風(fēng)面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框面積)，A1=2950mm×83.6mm. (如下圖:)
單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M1’=V×A1×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665kg/s。
3.5有格柵, 開(kāi)啟門在60度開(kāi)啟狀態(tài)
格柵入口的總開(kāi)口寬度b1=96mm, 開(kāi)啟門入風(fēng)口的寬度b2=49mm,因b1>b2, 故通風(fēng)面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框)，即A2=2950mm×49mm。
單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M2’=V×A2×r=2.2×2.95×0.049×1.225=0.39kg/s。
3.6無(wú)格柵, 開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài);
通風(fēng)面積A3=2950mm×83.6mm(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框)。
單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為：M3’=V×A3×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665 kg/s。
3.7流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比
由上圖可知，流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的空氣流量值比理論計(jì)算的結(jié)果要小，主要原因是幕墻格柵及開(kāi)啟門等構(gòu)件損耗了空氣流通的能量。
在AB~A’B’區(qū)段，幕墻設(shè)置有格柵，從完全開(kāi)啟狀態(tài)到60度開(kāi)啟狀態(tài)范圍。經(jīng)過(guò)格柵及開(kāi)啟門的空氣流動(dòng)路徑受到鋁型材及膠條等幕墻構(gòu)件的影響而發(fā)生改變，空氣的流動(dòng)能量有所損耗。實(shí)際計(jì)算出來(lái)的通風(fēng)量約為理論計(jì)算結(jié)果的68%。
在B、B’點(diǎn)位置，幕墻設(shè)置有格柵，開(kāi)啟門約60度開(kāi)啟狀態(tài)。流體動(dòng)力學(xué)與理論計(jì)算的通風(fēng)量結(jié)果相比差別不大，主要原因是由于開(kāi)啟門開(kāi)啟寬度較小，從室外到室內(nèi)的空氣通風(fēng)路徑是漏斗狀，空氣經(jīng)過(guò)壓縮后，其能量雖有所損失，但損耗量不大。
在C、C’點(diǎn)位置，幕墻無(wú)設(shè)置格柵，完全開(kāi)啟狀態(tài)。由于沒(méi)有設(shè)置格柵，因此C’點(diǎn)的空氣流動(dòng)比A’點(diǎn)受到的影響較小，能量損耗也相對(duì)較少。
3.8有格柵與無(wú)格柵的通風(fēng)比較
表3結(jié)果對(duì)比表
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通風(fēng)計(jì)算結(jié)果比較 |
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流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析 |
有格柵, 完全開(kāi)啟狀態(tài)（KG/S） |
無(wú)格柵, 完全開(kāi)啟狀態(tài)（KG/S） |
有格柵設(shè)置與無(wú)格柵
設(shè)置比率（%） |
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0.454 |
0.534 |
85% |
由上表可知，開(kāi)啟門在完全開(kāi)啟狀態(tài)下，設(shè)置格柵后的幕墻通風(fēng)量約為沒(méi)有設(shè)置格柵的幕墻通風(fēng)量的85%。
4.鋁裝飾條及陶土裝飾條局部風(fēng)壓計(jì)算分析
塔樓幕墻鋁裝飾條及陶土板裝飾條分別外挑出幕墻面200mm和175mm，兩者布置的數(shù)量多，范圍廣，且形狀復(fù)雜，這些都增加了建筑幕墻局部體型系數(shù)的復(fù)雜程度。在極端的天氣條件下，鋁扣板（詞條“鋁扣板”由行業(yè)大百科提供）、鋁裝飾條和陶土板的局部風(fēng)壓會(huì)因空氣湍流擾動(dòng)的作用而有所增大。本文主要對(duì)上述三者承受外側(cè)面的局部風(fēng)壓進(jìn)行模擬計(jì)算，以分析極端天氣氣候?qū)植繀^(qū)域的不利影響。按照幕墻方案對(duì)鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板進(jìn)行實(shí)體建模。整個(gè)計(jì)算流域范圍為寬3000 mm, 高4500mm, 長(zhǎng)5770mm的空間區(qū)域, 認(rèn)為這個(gè)區(qū)域已經(jīng)能夠模擬到了鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板的局部風(fēng)壓，如下圖。
由于鋁裝飾條及陶土板形狀比較復(fù)雜,因此在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)兩者的計(jì)算區(qū)域采用了加密的網(wǎng)格形式, 網(wǎng)格尺寸由內(nèi)往外逐漸增大,總計(jì)產(chǎn)生約109萬(wàn)左右個(gè)體網(wǎng)格。邊界條件設(shè)置：進(jìn)流面選用壓強(qiáng)入口(pressure inlet), 空氣流速約為49m/s;出流面采用壓強(qiáng)出口(pressure-outlet),大氣面采用對(duì)稱邊界(Symmetry);采用3D單精度,分離式求解器,空氣模型選用了理想氣體模型(ideal gas),對(duì)流項(xiàng)的離散采用了二階迎風(fēng)格式,速度壓力耦合采用了SIMPLEC算法。
鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板裝飾條側(cè)面代號(hào)示意圖如下：
鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板承受的風(fēng)荷載計(jì)算原理如下：
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，由于第一個(gè)鋁扣蓋、鋁裝飾條及陶土板模型位于進(jìn)風(fēng)入口前面，空氣擾動(dòng)激烈，此模型受到的局部風(fēng)荷載較大，特別是較短鋁扣蓋的外側(cè)面，鋁裝飾條靠近格柵入口的外側(cè)面及陶土板迎風(fēng)面外側(cè)的風(fēng)荷載數(shù)值比其他位置均高，說(shuō)明此區(qū)域可能會(huì)受到由于局部體型系數(shù)的變化而引起風(fēng)荷載的不利作用，因此應(yīng)對(duì)以上位置做特殊處理。
模擬計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果：鋁型材板的根部加厚至4mm，根至端逐漸變薄至3mm的設(shè)計(jì)，以提升材料的利用率;鋁裝飾條與陶土板裝飾條均是開(kāi)模加工制作，兩者的剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）與強(qiáng)度均能夠滿足要求。
參考文獻(xiàn)
[1]《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-93。
[2]《采暖（詞條“采暖”由行業(yè)大百科提供）通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2003。
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廣州東塔(廣州周大福金融中心)
地上樓層111層；建筑面積約37萬(wàn)平方米，占地面積約2.6萬(wàn)平方米。塔頂采取“之”字形的退臺(tái)設(shè)計(jì)，在不同樓層之間形成空中花園。廣州東塔（Guangzhou East Tower）亦稱周大福中心（C
[3]《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2003。
[4]《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002。
[5]《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析》王福軍編著。
作者單位：廣州凝龍工程技術(shù)咨詢有限公司
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