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建筑黑科技 | CFD仿真技术将如何应对城市疾风骤雨

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  • 来源:
  • 发布时间:2021-10-15
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【概要描述】随着今年武汉龙卷风、河南特大暴雨、浙江台风烟花这一系列气候事件发生,韧性城市建设需求更加凸显,提升城市抵御并适应气候灾害的能力迫在眉睫。针对台风导致的强风、暴雨以及风暴潮等气象灾害,采用数字化技术可为城市规划、建筑方案设计以及施工运维提供项目全生命周期的解决方案,助力未来智慧城市战略背景下气候韧性城市建设。

建筑黑科技 | CFD仿真技术将如何应对城市疾风骤雨

【概要描述】随着今年武汉龙卷风、河南特大暴雨、浙江台风烟花这一系列气候事件发生,韧性城市建设需求更加凸显,提升城市抵御并适应气候灾害的能力迫在眉睫。针对台风导致的强风、暴雨以及风暴潮等气象灾害,采用数字化技术可为城市规划、建筑方案设计以及施工运维提供项目全生命周期的解决方案,助力未来智慧城市战略背景下气候韧性城市建设。

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早在“十三五规划”期间,我国就从基础设施、城市建筑、水资源、人群健康以及防灾减灾体系等方面制定了气候适应性规划内容,基于城市韧性建设新理念开展适应性规划行动方案。我国幅员辽阔,并且各地气候环境差异较大,如东南沿海地区城市建筑和基础设施主要面临着台风、暴雨内涝以及风暴潮等灾害影响。开展韧性城市建设困难多、难度大,需要多部门协同参与。

 

台风烟花登陆期间城市暴风雨

 

 

为提高城市的灾害抵御和预防能力,国内有研究基于当前韧性城市建设实践,总结出一套“监测-预警-模拟”的气候适应性规划技术体系,覆盖了气候韧性城市规划的不同阶段以及不同参与方,具体包括:1)利用先进测量技术、大数据及人工智能识别技术对城市气候进行多维度监测,搜集城市气候基础资料;2)基于历史数据统计分析,提供城市不同精细度的气候灾害风险预警信息;3)采用多种城市气候灾害评估技术,提前模拟甚至预测灾害侵袭城市的具体场景,为城市规划、设计以及应急管理提供科学决策。

 

 

 

♪01利用仿真软件助力城市韧性评估

 

从城市规划和建筑设计角度而言,基于前期搜集的气象数据、城市GIS信息以及仿真软件的技术,可以评估气候变化给建筑带来的潜在风险以及可能发生的灾害,为建筑设计阶段、加固改造阶段以及后期城市灾害应急管理阶段提供统计分析、可视化灾害情景分析等参考。针对台风导致的强风、暴雨以及风暴潮等气象灾害,中南建筑设计院—达索系统赋能创新中心研究团队采用数字化仿真技术为建筑方案、设计、施工、运维提供项目全生命周期的解决方案,为气候韧性城市评估及后续建设运营提供仿真技术基础。

 

 

气候变化背景下城市微气候数字化分析

 

 

 

 

♪02项目场地登陆台风灾害分析

 

以史为鉴,基于历史台风数据和台风灾害分析模型,助力气候韧性建筑方案评估。针对沿海具体建筑项目场地,分析项目地址台风气候,评估建筑方案可行性和合理性。根据中国气象局公布的台风年鉴资料,开展项目场地台风气候统计分析。如基于历史台风路径强度资料,统计出登陆城市的热带风暴样本数据并绘制路径分布特征。

 

 

 

 

 

历史实测台风统计分析

 

根据历史统计分析,可以总结出项目场地的台风统计灾害以及台风事件特征,如典型台风的移动轨迹、登陆台风个数和强度等。结合已有建筑荷载规范、工程台风灾害模型以及气象数字仿真技术可以充分评估项目场地台风灾害。

台风三维结构示意

 

典型台风包括台风眼、螺旋风雨区和外围大风区,其中台风眼外围区域常伴随着猛烈的暴风雨。利用数值天气预报多尺度模拟技术可以重现台风登陆时的风速强度和风向,评估登陆区域台风灾害。在未来,研发团队将采用新气象气候学技术评估一定重现期内未来气候变化对台风登陆强度影响,在项目方案设计阶段考虑未来建筑运营期间可能发生的“黑天鹅”气候事件。

 

台风登陆风场模拟

 

 

三维台风登陆全过程仿真

 

 

基于建立的热带风暴统计样本数据库,筛选出直接侵袭项目场地的历史台风事件。利用三维建模三维台风仿真技术和自主开发的建筑数值风洞批量模拟技术,快速分析不同台风风向角下建筑表面风压分布情况,为建筑方案外形合理性评估以及多方案比选优化提供参考依据。

 

不同风向角下基于CFD的建筑方案比选分析

 

 

 

♪03城市微气候仿真评估技术

 

台风侵袭期间,城市建筑布局引起的峡谷效应可能会改变既有建筑的风压分布,引发建筑结构的安全性问题,甚至可能会引发城市通风廊道的损坏,加重城市基础设施的损毁。

 

 

城市三维快速建模工具

 

研究团队综合利用公开城市GIS信息和无人机倾斜摄影获得的实际地形和城市建筑点云信息,结合二次开发的建筑参数化脚本语言,开发城市三维快速建模工具和网格划分辅助工具,能够建立微气候环境分析所需的城市建筑信息模型。

城市建筑快速三维建模

 

 

中南建筑设计院—达索系统赋能创新中心研究团队采用CFD城市设计分析手段,对城市街区尺度范围风环境进行仿真分析,评估不同季节以及天气条件下城市通风廊道、街道风环境以及拟建设项目受台风的影响程度。通过城市尺度-建筑场地尺度耦合分析,从不同精细度可视化建筑周围风环境分布,为建筑方案设计、城市气候适应性规划与调节提供有力微气候评估技术参考。

 

城市建筑群风荷载快速评估

 

城市微气候动态评估

 

 

 

♪04城市建筑暴雨灾害评估技术探索

 

疾风来,骤雨落,台风登陆往往伴随着强降雨。台风暴雨造成的洪涝灾害,波及范围广,来势凶猛,破坏性大。洪涝灾害来临时,建筑外部的围护结构容易被水流席卷而去,维护结构的可靠性直接影响到人民的生命和财产安全。借助流固耦合分析技术,能够分析在水流冲击下围护结构的承载能力安全性。

 

洪水冲击下围护结构流固耦合弹性变形模拟

 

台风登陆还会引起沿海地区水位上升,形成冲向海岸的风暴潮。采用CFD仿真手段,针对项目建筑场地开展台风气象条件下潮水冲击影响,模拟海浪侵袭海边建筑的全过程。根据仿真结果对建筑方案进行优化,减小海水倒灌以及风暴潮对沿海建筑场地的影响。

潮水冲击沿海建筑情景仿真分析

 

 

暴风雨通常会影响城市建筑的正常使用功能和安全性,如造成建筑外立面局部风化水蚀、外墙表面的盐害和霜害以及内墙表面的霉菌生长造成的表面污染,从而影响建筑的美观和温湿性能,严重的会导致建筑屋面大量积水而发生局部破坏问题。采用项目团队开发的城市级CFD暴雨模拟技术,可以评估不同降雨事件下风驱雨导致的建筑外立面雨水冲刷量分布,从而为建筑温湿性能评估、排水系统设计以及屋面优化设计提供技术参考。

 

雨滴轨迹及建筑表面雨水冲刷量评估

 

 

 

体育场馆屋面汇水过程动态仿真分析

 

 

♪05总结

 

CFD仿真探索疾风骤雨,气候韧性建设助力国泰民安。气候频发与城市高密度发展背景下,基于韧性城市建设新理念的建筑规划与设计在未来智慧城市战略推进下将变得愈加重要。

 

 

研发团队将基于韧性设计新理念,持续探索气候韧性城市建设关键前沿技术,深度融合现有工程技术与数字化设计仿真技术,不断帮助客户挖掘城市建筑价值。

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