超高層建筑在風(fēng)作用下易發(fā)生顯著振動，影響結(jié)構(gòu)安全和使用者舒適度，性能化設(shè)計以目標(biāo)性能為導(dǎo)向，經(jīng)由可量化分析及反饋控制達(dá)成結(jié)構(gòu)與氣動性能的協(xié)同優(yōu)化。本文按照性能化的觀點(diǎn)來研究如何優(yōu)化超高層建筑的風(fēng)振舒適度，給出結(jié)構(gòu)體系、阻尼裝置和氣動外形三個方面改善路徑并結(jié)合數(shù)值仿真以及參數(shù)化方法建立起能夠持續(xù)演化的舒適性控制模型使安全、經(jīng)濟(jì)與使用效果三者之間達(dá)到最佳協(xié)調(diào)。

　　一、性能化設(shè)計視角下的風(fēng)振控制思路

　　性能化設(shè)計把使用者感覺和建筑性能指標(biāo)作為設(shè)計目的。就風(fēng)振舒適度而言，需要對結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及人體加速度的感覺從兩個方面來衡量。設(shè)計過程以氣動載荷模型、結(jié)構(gòu)動力模型、舒適度評估模型為紐帶，構(gòu)成從風(fēng)環(huán)境輸入到舒適輸出的反饋體系。數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗的融合，使得風(fēng)致響應(yīng)預(yù)測更準(zhǔn)確。以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的性能化流程取代了經(jīng)驗性修正，使得設(shè)計階段的可控性和針對性更強(qiáng)。

　　建筑整體剛度、 質(zhì)量分布和振動模態(tài)直接決定了舒適度表現(xiàn)。用頻域分析來識別主振型，確定風(fēng)振的主要方向以及主要控制層，并建立了結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)以及阻尼布置的響應(yīng)關(guān)系。設(shè)計目標(biāo)也從簡單的達(dá)到規(guī)范限值變?yōu)檫_(dá)到感知上的穩(wěn)定和諧。

　　二、舒適度優(yōu)化的多層次策略

　　(一)結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

　　結(jié)構(gòu)體系要兼顧輕質(zhì)與剛度，核心筒和外框組合體系可以加強(qiáng)整體的側(cè)向剛度并抑制扭轉(zhuǎn)。通過布置層間阻尼連接、 增加局部加強(qiáng)構(gòu)件和多重耦合環(huán)帶，可以改善高樓層柔性區(qū)域的響應(yīng)集中。用性能化參數(shù)來控制可以在保持材料經(jīng)濟(jì)性的同時滿足加速的要求。

　　(二)阻尼系統(tǒng)優(yōu)化

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)為常見的被動減震設(shè)備)，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對質(zhì)量比、調(diào)諧頻率加以調(diào)節(jié)，則可達(dá)到較小的質(zhì)量消耗即可帶來良好的減振效果。黏滯阻尼器、磁流變阻尼器等半主動系統(tǒng)能夠自適應(yīng)控制，根據(jù)實(shí)時響應(yīng)來改變阻尼力的大小，提升舒適度調(diào)節(jié)的動態(tài)性。

　　(三)氣動外形優(yōu)化

　　建筑形體屬于第一道控制振動的防線。塔身外形線性的逐漸縮小、角落的地方圓弧狀、設(shè)置空中連廊和通風(fēng)口等做法可以破壞渦脫落的同步出現(xiàn)情況，降低風(fēng)激響應(yīng)。參數(shù)化的建模方式可以把風(fēng)振的數(shù)據(jù)實(shí)時傳回給幾何生成過程，使得外形可以隨著不斷地反復(fù)去自適應(yīng)地被改良，以此來達(dá)到氣動效率與美學(xué)表達(dá)相統(tǒng)一的目標(biāo)。

　　超高層建筑風(fēng)振舒適度控制的關(guān)鍵是圍繞性能展開的多層次優(yōu)化。結(jié)構(gòu)體系、阻尼系統(tǒng)、氣動外形的協(xié)同設(shè)計，讓建筑從被動抗風(fēng)轉(zhuǎn)向主動控風(fēng)。性能化設(shè)計給工程師賦予了可以量化的，能夠不斷改進(jìn)的決策工具，讓超高層建筑在風(fēng)里既有理性的結(jié)構(gòu)，又有感性的體驗。(作者：陳宗樸 張順山 作者單位：青島建設(shè)裝飾集團(tuán))