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摘要：本論文主要對廣州東塔項目塔樓（詞條“塔樓”由行業大百科提供）幕墻的舒適度、開啟門和格柵（詞條“格柵”由行業大百科提供）的通風量及鋁裝飾條和陶土板裝飾條的局部風壓進行流體動力學(CFD)模擬計算分析，對一些復雜幕墻的研究提供不同的分析思路。
關鍵詞：CFD;舒適度;通風;風壓
1.工程概況
廣州東塔西臨珠江大道，北望花城大道，與對面的西塔一起形成雙塔，分別位于新城市中軸線兩側，南面隔江對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。建筑屋頂標高為530米，結構屋面標高518米，地上112層，集辦公、服務公寓、酒店、餐廳于一體的塔樓。
項目幕墻類型主要分為六個系統，A系統是本工程的代表性系統。此系統主要包括鋁合金裝飾條，陶土板裝飾條、鋁格柵與可開啟通風門系統，本文主要對系統A使用流體動力學軟件(CFD)進行模擬計算，并結合理論計算結果對影響幕墻舒適度，格柵開啟門通風及裝飾條局部風壓等方面進行對比分析。
2.塔樓幕墻舒適度計算分析
2.1 計算說明
根據國家規范《民用建筑熱工（詞條“熱工”由行業大百科提供）設計規范》規定：廣州冬季室外風速取V=2.2m/s。
考慮廣州地區的西曬立面舒適度較低，可假設如下兩種標準氣候條件：項目周圍的風速取2.2m/s和5m/s兩種情況;本文按通風及不可通風兩種狀態對主系統進行模擬計算分析。計算條件如下：
表1計算條件
|
序號 |
狀態 |
時間 |
立面 |
室外風速（m/s） |
幕墻面承受
的風作用壓強(Pa) |
室外溫度
(℃) |
|
1 |
通風 |
2~3月、10~1月 15號下午1點鐘 |
西 |
2.2 |
5 |
3.03 |
15.6 |
16 |
|
2 |
非通風 |
4~9月
15號下午1點鐘 |
西 |
—— |
—— |
31.1 |
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2.2通風狀態(風速2.2m/s)
選取幕墻一個通風單元作為分析對象，橫向左右玻璃寬度取700mm，豎向取一個樓層透光高度2950mm。開啟門完全開啟狀態，室外空氣流速假設為2.2m/s，室外溫度取16度，室內溫度取26度。
模型長約6米，寬約1.6米，高約2.95米，此尺寸三維空間模型可認為滿足本文流體動力學模擬計算的需要。輻射（詞條“輻射”由行業大百科提供）強度經FLUENT軟件自動計算，模擬結果如下：從下圖速度矢量等值3D云圖可知，以開啟門位置為基線，空氣以W字形向兩側展開擾動，靠近開啟門的空氣湍流最為劇烈，距離開啟門約900mm位置的空氣擾動逐步增強，有著明顯的波形擾動范圍。再對速度矢量等值2D切片云圖的A、B、C、D、E、F六個速度矢量點進行詳細分析：
A點：室外區域距離開啟門約1500mm區域，空氣流速約為1.0m/s。此區域的空氣在開啟門完全打開狀態下，形成漩渦狀擾動。
B點：室外區域距離格柵約50mm區域范圍，空氣流速約為1.6m/s。空氣經過鋁裝飾條與陶土板裝飾條后，速度逐漸提高，穿過格柵間的縫隙后，流速提升到2.1m/s左右，此區域的空氣湍流運動明顯增強。
C點：開啟門入口最狹窄位置的空氣流速達到最大值：約3.1m/s;在雨季時期，雨水在空氣壓強作用下會飄進室內，因此在風雨季節應注意關閉開啟門。
D點：室內區域距離開啟門約650mm區域，空氣流速約為2.2m/S。此區域范圍內空氣流速較大，辦公設施(如打印機等)應避免在此區域內布置。
E點：室內區域距離開啟門約1500mm區域，空氣流速約為0.8m/S。空氣流速逐漸降低，湍流運動趨于平緩，但還應避免放置一些容易被吹浮的物體，如紙張等。
F點：室內區域距離開啟門約2400mm區域，空氣流速已降低到0.15m/s以下。此區域的空氣流速已經降低到人體幾無察覺的狀態，辦公設施不會受到進入室內空氣的影響。
在可通風狀態，室外溫度取16度，室內溫度取26度的條件下，室外冷空氣穿過格柵，經過開啟門進入室內。室內距離開啟門1000mm的A點，溫度約為21度;室內距離開啟門2800mm的B點位置范圍內，溫度約為22度;室內距離開啟門3000mm的C點位置范圍以外，溫度約為23度。
春、秋及冬季時節，室外冷空氣進入室內不僅可以有效地提升室內空氣質量，同時會有助于降低室內溫度，提高室內的舒適度。
2.2通風狀態(5m/s)
假設室外風速達到5m/s的時候，開啟門完全打開狀態的空氣流動狀態見下圖：此時空氣的擾動比風速在2.2m/s的條件下有所加強，室內區域距離開啟門1500mm位置范圍的空氣流速達到了2.5m/s，人體會明顯受到空氣流動的影響。
室外冷空氣進入室內的范圍有了增大，但其影響的較大范圍只限于室內距離幕墻面的2500mm區域內。選取幕墻一個通風單元作為分析對象，橫向左右玻璃寬度分別取700mm，豎向取一個樓層透光高度2950mm。開啟門完全關閉狀態。
假設開啟門完全關閉狀態，太陽輻射強度經FLUENT軟件自動計算。從下圖可知，幕墻面兩側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及對流作用，靠近室外玻璃面的空氣溫度也比室內空氣的溫度要高。
從上圖可知，室內距離玻璃幕墻面3米空間內總共有五層明顯的空氣溫度層：
第一層：450mm范圍內，約為39度;
第二層：1500mm范圍內，約為37度;
第三層：2100mm范圍內，約為34度;
第四層：2500mm范圍內，約為32度。
第五層：3000mm范圍內，約為27度。
另外由于熱傳導作用，鋁型材區域溫度較高，約達到了44度。
上圖可知，在開啟門的關閉狀態下，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相近。
表2 玻璃的光熱性能數據表
結論：在春、秋及冬季的室外低風速通風條件下，室內通風及靠近玻璃面的人體熱感度等均獲得較好結果;但應避免在室外高風速條件下完全打開開啟門，以避免影響到室內辦公人員及辦公設備。在夏季非通風條件下，靠近室內幕墻面2米范圍內的空氣溫度分層范圍較為均勻;靠近室內幕墻面0.5米的范圍內，空氣溫度較高，但還是能夠控制在人體不適感強度之內。
作者單位：廣州凝龍工程技術咨詢有限公司
幕墻通風主要依靠開啟門的開啟與關閉進行控制。開啟門開啟寬度的大小與開啟門外側的鋁格柵條間距大小都會直接影響到幕墻的通風量。格柵總開口寬度為150mm，高度為2950mm。豎向格柵條間距為28.5mm，水平方向加設三根鋁型材（詞條“型材”由行業大百科提供）副框。
流體動力學計算條件，假設以下三種情況，對塔樓幕墻通風進行流體動力學模擬計算分析：
3.1有格柵, 開啟門在完全開啟狀態
取幕墻一個通風單元作為分析對象，橫向左右玻璃寬度分別取700mm，豎向取一個樓層透光高度2950mm。開啟門完全開啟狀態，室外空氣流速假設為2.2m/s。
模型長約6米，寬約1.6米，高約3米，此尺寸三維空間模型可認為滿足本案流體動力學模擬計算的需要，如下圖：
根據FLUENT計算結果可知,單位時間進入室內的空氣流量為：M1=0.454kg/s。
3.2有格柵, 開啟門在60度開啟狀態
開啟門60度開啟狀態，室外空氣流速假設為2.2m/s。
根據FLUENT計算結果可知，單位時間進入室內的空氣流量為：M2=0.38kg/s。
3.3無格柵, 開啟門在完全開啟狀態
無格柵設置，開啟門完全開啟狀態，室外空氣流速假設為2.2m/s。
根據FLUENT計算結果可知，單位時間進入室內的空氣流量為：M3=0.534kg/s。
針對以上三種狀態進行理論計算分析：
有格柵, 開啟門在完全開啟狀態, 通風面積A1=2950mm×83.6mm;
有格柵, 開啟門在60度開啟狀態, 通風面積A2=2950mm×49mm;
無格柵, 開啟門在完全開啟狀態, 通風面積A3=2950mm×83.6mm;
3.4有格柵, 開啟門在完全開啟狀態
格柵入口的總開口凈寬度b1=19.5×2+28.5×2=96mm, 開啟門入風口的寬度b2=83.6mm, 因b1>b2,故通風面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強鋁型材副框面積)，A1=2950mm×83.6mm. (如下圖:)
單位時間進入室內的空氣流量為：M1’=V×A1×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665kg/s。
3.5有格柵, 開啟門在60度開啟狀態
格柵入口的總開口寬度b1=96mm, 開啟門入風口的寬度b2=49mm,因b1>b2, 故通風面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強鋁型材副框)，即A2=2950mm×49mm。
單位時間進入室內的空氣流量為：M2’=V×A2×r=2.2×2.95×0.049×1.225=0.39kg/s。
3.6無格柵, 開啟門在完全開啟狀態;
通風面積A3=2950mm×83.6mm(忽略水平方向的格柵加強鋁型材副框)。
單位時間進入室內的空氣流量為：M3’=V×A3×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665 kg/s。
3.7流體動力學計算結果與理論計算結果對比
由上圖可知，流體動力學計算得到的空氣流量值比理論計算的結果要小，主要原因是幕墻格柵及開啟門等構件損耗了空氣流通的能量。
在AB~A’B’區段，幕墻設置有格柵，從完全開啟狀態到60度開啟狀態范圍。經過格柵及開啟門的空氣流動路徑受到鋁型材及膠條等幕墻構件的影響而發生改變，空氣的流動能量有所損耗。實際計算出來的通風量約為理論計算結果的68%。
在B、B’點位置，幕墻設置有格柵，開啟門約60度開啟狀態。流體動力學與理論計算的通風量結果相比差別不大，主要原因是由于開啟門開啟寬度較小，從室外到室內的空氣通風路徑是漏斗狀，空氣經過壓縮后，其能量雖有所損失，但損耗量不大。
在C、C’點位置，幕墻無設置格柵，完全開啟狀態。由于沒有設置格柵，因此C’點的空氣流動比A’點受到的影響較小，能量損耗也相對較少。
3.8有格柵與無格柵的通風比較
表3結果對比表
|
通風計算結果比較 |
|
流體動力學計算分析 |
有格柵, 完全開啟狀態（KG/S） |
無格柵, 完全開啟狀態（KG/S） |
有格柵設置與無格柵
設置比率（%） |
|
0.454 |
0.534 |
85% |
由上表可知，開啟門在完全開啟狀態下，設置格柵后的幕墻通風量約為沒有設置格柵的幕墻通風量的85%。
4.鋁裝飾條及陶土裝飾條局部風壓計算分析
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，兩者布置的數量多，范圍廣，且形狀復雜，這些都增加了建筑幕墻局部體型系數的復雜程度。在極端的天氣條件下，鋁扣板（詞條“鋁扣板”由行業大百科提供）、鋁裝飾條和陶土板的局部風壓會因空氣湍流擾動的作用而有所增大。本文主要對上述三者承受外側面的局部風壓進行模擬計算，以分析極端天氣氣候對局部區域的不利影響。按照幕墻方案對鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板進行實體建模。整個計算流域范圍為寬3000 mm, 高4500mm, 長5770mm的空間區域, 認為這個區域已經能夠模擬到了鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板的局部風壓，如下圖。
由于鋁裝飾條及陶土板形狀比較復雜,因此在劃分網格時對兩者的計算區域采用了加密的網格形式, 網格尺寸由內往外逐漸增大,總計產生約109萬左右個體網格。邊界條件設置：進流面選用壓強入口(pressure inlet), 空氣流速約為49m/s;出流面采用壓強出口(pressure-outlet),大氣面采用對稱邊界(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),對流項的離散采用了二階迎風格式,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面代號示意圖如下：
鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板承受的風荷載計算原理如下：
根據計算結果可知，由于第一個鋁扣蓋、鋁裝飾條及陶土板模型位于進風入口前面，空氣擾動激烈，此模型受到的局部風荷載較大，特別是較短鋁扣蓋的外側面，鋁裝飾條靠近格柵入口的外側面及陶土板迎風面外側的風荷載數值比其他位置均高，說明此區域可能會受到由于局部體型系數的變化而引起風荷載的不利作用，因此應對以上位置做特殊處理。
模擬計算的優化結果：鋁型材板的根部加厚至4mm，根至端逐漸變薄至3mm的設計，以提升材料的利用率;鋁裝飾條與陶土板裝飾條均是開模加工制作，兩者的剛度（詞條“剛度”由行業大百科提供）與強度均能夠滿足要求。
參考文獻
[1]《民用建筑熱工設計規范》GB50176-93。
[2]《采暖（詞條“采暖”由行業大百科提供）通風與空氣調節設計規范》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37萬平方米，占地面積約2.6萬平方米。塔頂采取“之”字形的退臺設計，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]《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2003。
[4]《室內空氣質量標準》GB/T18883-2002。
[5]《計算流體動力學分析》王福軍編著。
作者單位：廣州凝龍工程技術咨詢有限公司
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