广州周大福金融中心（东塔）幕墙流体动力学计算分析

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　　摘要：本论文主要对广州东塔项目塔楼（词条“塔楼”由行业大百科提供）幕墙的舒适度、开启门和格栅（词条“格栅”由行业大百科提供）的通风量及铝装饰条和陶土板装饰条的局部风压进行流体动力学(CFD)模拟计算分析，对一些复杂幕墙的研究提供不同的分析思路。

　　关键词：CFD;舒适度;通风;风压

　　1.工程概况

　　广州东塔西临珠江大道，北望花城大道，与对面的西塔一起形成双塔，分别位于新城市中轴线两侧，南面隔江对望新建的广州电视塔，北面天河体育中心，中信大厦及广州火车东站。本项目占地26，452平方米，地上建筑总面积为404，802平方米。建筑屋顶标高为530米，结构屋面标高518米，地上112层，集办公、服务公寓、酒店、餐厅于一体的塔楼。

　　项目幕墙类型主要分为六个系统，A系统是本工程的代表性系统。此系统主要包括铝合金装饰条，陶土板装饰条、铝格栅与可开启通风门系统，本文主要对系统A使用流体动力学软件(CFD)进行模拟计算，并结合理论计算结果对影响幕墙舒适度，格栅开启门通风及装饰条局部风压等方面进行对比分析。

　　2.塔楼幕墙舒适度计算分析

　　2.1 计算说明

　　根据国家规范《民用建筑热工（词条“热工”由行业大百科提供）设计规范》规定：广州冬季室外风速取V=2.2m/s。

　　考虑广州地区的西晒立面舒适度较低，可假设如下两种标准气候条件：项目周围的风速取2.2m/s和5m/s两种情况;本文按通风及不可通风两种状态对主系统进行模拟计算分析。计算条件如下：

表1计算条件

　　2.2通风状态(风速2.2m/s)

　　选取幕墙一个通风单元作为分析对象，横向左右玻璃宽度取700mm，竖向取一个楼层透光高度2950mm。开启门完全开启状态，室外空气流速假设为2.2m/s，室外温度取16度，室内温度取26度。

　　模型长约6米，宽约1.6米，高约2.95米，此尺寸三维空间模型可认为满足本文流体动力学模拟计算的需要。辐射（词条“辐射”由行业大百科提供）强度经FLUENT软件自动计算，模拟结果如下：从下图速度矢量等值3D云图可知，以开启门位置为基线，空气以W字形向两侧展开扰动，靠近开启门的空气湍流最为剧烈，距离开启门约900mm位置的空气扰动逐步增强，有着明显的波形扰动范围。再对速度矢量等值2D切片云图的A、B、C、D、E、F六个速度矢量点进行详细分析：

　　A点：室外区域距离开启门约1500mm区域，空气流速约为1.0m/s。此区域的空气在开启门完全打开状态下，形成漩涡状扰动。

　　B点：室外区域距离格栅约50mm区域范围，空气流速约为1.6m/s。空气经过铝装饰条与陶土板装饰条后，速度逐渐提高，穿过格栅间的缝隙后，流速提升到2.1m/s左右，此区域的空气湍流运动明显增强。

　　C点：开启门入口最狭窄位置的空气流速达到最大值：约3.1m/s;在雨季时期，雨水在空气压强作用下会飘进室内，因此在风雨季节应注意关闭开启门。

　　D点：室内区域距离开启门约650mm区域，空气流速约为2.2m/S。此区域范围内空气流速较大，办公设施(如打印机等)应避免在此区域内布置。

　　E点：室内区域距离开启门约1500mm区域，空气流速约为0.8m/S。空气流速逐渐降低，湍流运动趋于平缓，但还应避免放置一些容易被吹浮的物体，如纸张等。

　　F点：室内区域距离开启门约2400mm区域，空气流速已降低到0.15m/s以下。此区域的空气流速已经降低到人体几无察觉的状态，办公设施不会受到进入室内空气的影响。

　　在可通风状态，室外温度取16度，室内温度取26度的条件下，室外冷空气穿过格栅，经过开启门进入室内。室内距离开启门1000mm的A点，温度约为21度;室内距离开启门2800mm的B点位置范围内，温度约为22度;室内距离开启门3000mm的C点位置范围以外，温度约为23度。

　　春、秋及冬季时节，室外冷空气进入室内不仅可以有效地提升室内空气质量，同时会有助于降低室内温度，提高室内的舒适度。

　　2.2通风状态(5m/s)

　　假设室外风速达到5m/s的时候，开启门完全打开状态的空气流动状态见下图：此时空气的扰动比风速在2.2m/s的条件下有所加强，室内区域距离开启门1500mm位置范围的空气流速达到了2.5m/s，人体会明显受到空气流动的影响。

　　室外冷空气进入室内的范围有了增大，但其影响的较大范围只限于室内距离幕墙面的2500mm区域内。选取幕墙一个通风单元作为分析对象，横向左右玻璃宽度分别取700mm，竖向取一个楼层透光高度2950mm。开启门完全关闭状态。

　　假设开启门完全关闭状态，太阳辐射强度经FLUENT软件自动计算。从下图可知，幕墙面两侧的温度分布较为均匀。由于中空玻璃的LOW-E膜反射了绝大部分红外辐射，从而减少了吸收和再次辐射，故室外幕墙玻璃面温度处于50~60度的范围。另外由于受室外空气的扰动及对流作用，靠近室外玻璃面的空气温度也比室内空气的温度要高。

　　从上图可知，室内距离玻璃幕墙面3米空间内总共有五层明显的空气温度层：

　　第一层：450mm范围内，约为39度;

　　第二层：1500mm范围内，约为37度;

　　第三层：2100mm范围内，约为34度;

　　第四层：2500mm范围内，约为32度。

　　第五层：3000mm范围内，约为27度。

　　另外由于热传导作用，铝型材区域温度较高，约达到了44度。

　　上图可知，在开启门的关闭状态下，中空LOW-E玻璃的U值为1.68 W/m2·K，与厂家提供的玻璃热工参数相近。

表2 玻璃的光热性能数据表

　　结论：在春、秋及冬季的室外低风速通风条件下，室内通风及靠近玻璃面的人体热感度等均获得较好结果;但应避免在室外高风速条件下完全打开开启门，以避免影响到室内办公人员及办公设备。在夏季非通风条件下，靠近室内幕墙面2米范围内的空气温度分层范围较为均匀;靠近室内幕墙面0.5米的范围内，空气温度较高，但还是能够控制在人体不适感强度之内。

　　作者单位：广州凝龙工程技术咨询有限公司

　　幕墙通风主要依靠开启门的开启与关闭进行控制。开启门开启宽度的大小与开启门外侧的铝格栅条间距大小都会直接影响到幕墙的通风量。格栅总开口宽度为150mm，高度为2950mm。竖向格栅条间距为28.5mm，水平方向加设三根铝型材（词条“型材”由行业大百科提供）副框。

　　流体动力学计算条件，假设以下三种情况，对塔楼幕墙通风进行流体动力学模拟计算分析：

　　3.1有格栅, 开启门在完全开启状态

　　取幕墙一个通风单元作为分析对象，横向左右玻璃宽度分别取700mm，竖向取一个楼层透光高度2950mm。开启门完全开启状态，室外空气流速假设为2.2m/s。

　　模型长约6米，宽约1.6米，高约3米，此尺寸三维空间模型可认为满足本案流体动力学模拟计算的需要，如下图：

　　根据FLUENT计算结果可知,单位时间进入室内的空气流量为：M1=0.454kg/s。

　　3.2有格栅, 开启门在60度开启状态

　　开启门60度开启状态，室外空气流速假设为2.2m/s。

　　根据FLUENT计算结果可知，单位时间进入室内的空气流量为：M2=0.38kg/s。

　　3.3无格栅, 开启门在完全开启状态

　　无格栅设置，开启门完全开启状态，室外空气流速假设为2.2m/s。

　　根据FLUENT计算结果可知，单位时间进入室内的空气流量为：M3=0.534kg/s。

　　针对以上三种状态进行理论计算分析：

　　有格栅, 开启门在完全开启状态, 通风面积A1=2950mm×83.6mm;

　　有格栅, 开启门在60度开启状态, 通风面积A2=2950mm×49mm;

　　无格栅, 开启门在完全开启状态, 通风面积A3=2950mm×83.6mm;

　　3.4有格栅, 开启门在完全开启状态

　　格栅入口的总开口净宽度b1=19.5×2+28.5×2=96mm, 开启门入风口的宽度b2=83.6mm, 因b1>b2,故通风面积取最小值(忽略水平方向的格栅加强铝型材副框面积)，A1=2950mm×83.6mm. (如下图:)

　　单位时间进入室内的空气流量为：M1’=V×A1×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665kg/s。

　　3.5有格栅, 开启门在60度开启状态

　　格栅入口的总开口宽度b1=96mm, 开启门入风口的宽度b2=49mm,因b1>b2, 故通风面积取最小值(忽略水平方向的格栅加强铝型材副框)，即A2=2950mm×49mm。

　　单位时间进入室内的空气流量为：M2’=V×A2×r=2.2×2.95×0.049×1.225=0.39kg/s。

　　3.6无格栅, 开启门在完全开启状态;

　　通风面积A3=2950mm×83.6mm(忽略水平方向的格栅加强铝型材副框)。

　　单位时间进入室内的空气流量为：M3’=V×A3×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665 kg/s。

　　3.7流体动力学计算结果与理论计算结果对比

　　由上图可知，流体动力学计算得到的空气流量值比理论计算的结果要小，主要原因是幕墙格栅及开启门等构件损耗了空气流通的能量。

　　在AB~A’B’区段，幕墙设置有格栅，从完全开启状态到60度开启状态范围。经过格栅及开启门的空气流动路径受到铝型材及胶条等幕墙构件的影响而发生改变，空气的流动能量有所损耗。实际计算出来的通风量约为理论计算结果的68%。

　　在B、B’点位置，幕墙设置有格栅，开启门约60度开启状态。流体动力学与理论计算的通风量结果相比差别不大，主要原因是由于开启门开启宽度较小，从室外到室内的空气通风路径是漏斗状，空气经过压缩后，其能量虽有所损失，但损耗量不大。

　　在C、C’点位置，幕墙无设置格栅，完全开启状态。由于没有设置格栅，因此C’点的空气流动比A’点受到的影响较小，能量损耗也相对较少。

　　3.8有格栅与无格栅的通风比较

表3结果对比表

　　由上表可知，开启门在完全开启状态下，设置格栅后的幕墙通风量约为没有设置格栅的幕墙通风量的85%。

　　4.铝装饰条及陶土装饰条局部风压计算分析

　　塔楼幕墙铝装饰条及陶土板装饰条分别外挑出幕墙面200mm和175mm，两者布置的数量多，范围广，且形状复杂，这些都增加了建筑幕墙局部体型系数的复杂程度。在极端的天气条件下，铝扣板（词条“铝扣板”由行业大百科提供）、铝装饰条和陶土板的局部风压会因空气湍流扰动的作用而有所增大。本文主要对上述三者承受外侧面的局部风压进行模拟计算，以分析极端天气气候对局部区域的不利影响。按照幕墙方案对铝扣板、铝装饰条及陶土板进行实体建模。整个计算流域范围为宽3000 mm, 高4500mm, 长5770mm的空间区域, 认为这个区域已经能够模拟到了铝扣板、铝装饰条及陶土板的局部风压，如下图。

　　由于铝装饰条及陶土板形状比较复杂,因此在划分网格时对两者的计算区域采用了加密的网格形式, 网格尺寸由内往外逐渐增大,总计产生约109万左右个体网格。边界条件设置：进流面选用压强入口(pressure inlet), 空气流速约为49m/s;出流面采用压强出口(pressure-outlet),大气面采用对称边界(Symmetry);采用3D单精度,分离式求解器,空气模型选用了理想气体模型(ideal gas),对流项的离散采用了二阶迎风格式,速度压力耦合采用了SIMPLEC算法。

　　铝扣板、铝装饰条及陶土板装饰条侧面代号示意图如下：

　　铝扣板、铝装饰条及陶土板承受的风荷载计算原理如下：

　　根据计算结果可知，由于第一个铝扣盖、铝装饰条及陶土板模型位于进风入口前面，空气扰动激烈，此模型受到的局部风荷载较大，特别是较短铝扣盖的外侧面，铝装饰条靠近格栅入口的外侧面及陶土板迎风面外侧的风荷载数值比其他位置均高，说明此区域可能会受到由于局部体型系数的变化而引起风荷载的不利作用，因此应对以上位置做特殊处理。

　　模拟计算的优化结果：铝型材板的根部加厚至4mm，根至端逐渐变薄至3mm的设计，以提升材料的利用率;铝装饰条与陶土板装饰条均是开模加工制作，两者的刚度（词条“刚度”由行业大百科提供）与强度均能够满足要求。

　　参考文献

　　[1]《民用建筑热工设计规范》GB50176-93。

　　[2]《采暖（词条“采暖”由行业大百科提供）通风与空气调节设计规范》GB50019-2003。

广州东塔(广州周大福金融中心)

　　地上楼层111层；建筑面积约37万平方米，占地面积约2.6万平方米。塔顶采取“之”字形的退台设计，在不同楼层之间形成空中花园。广州东塔（Guangzhou East Tower）亦称周大福中心（C

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　　[3]《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003。

　　[4]《室内空气质量标准》GB/T18883-2002。

　　[5]《计算流体动力学分析》王福军编著。

作者单位：广州凝龙工程技术咨询有限公司