城市裏的風——樓群風

央視國際 2003年08月25日 14:24

　　春天，萬物正在復蘇，這也是一年當中風最多的季節。居住在城裏的人們翹首期盼著這春風的到來，孩子們迫不及待地拿出自己的風車，在風中傾聽著歡快的鳴唱；大人們紛紛整理出收藏了許久的風箏，爭先恐後地來到廣場放飛，各種形態的風箏逆風盤旋而上，人們在線繩的牽引中了解風的力量。

　　還有一些人更加喜歡風，不過他們不在室外，而是在實驗室裏。通過一種特殊的管道裝置，用巨大的鼓風機製造風，人為模擬出風在不同流速、密度和溫度下的運動狀態，看一看在風的吹動下他們的試驗模型會發生什麼樣的變化，這就是科學家所從事的風洞試驗。設計者依據風洞試驗提供的科學依據，能夠精確評估風對建築物的影響，還能進一步了解他所設計的項目周圍風環境的狀態。

　　這些模型是城市中將要興起的高大建築群，它們在風吹動下會發生什麼樣的變化呢？其實對於今天生活在現代城市裏的人來説都會有所體驗，那就是你住的樓層越高，感覺到的風力就越大。比如在2米的行人高度上測試，風速只有3m/s，屬於2級風，這樣的風只能吹動風向標，讓樹葉微微作響。而站在150米高的樓頂上測量：風力就達到5級，風速達到8.57m/s，這樣的風就能讓小樹整體搖擺，湖面蕩起波瀾；風離地面越高，風力越大，破壞力越強。如果説行人高度颳起5級風，那麼在150米高處反映的風速就是26.55m/s，相當於10級狂風，它的力量可以拔起樹木，摧毀建築物。

　　如今，城市中的高層建築越建越高，也越來越多，如何解決高層建築抵抗高空大風的影響，成了設計者們關注的問題。美國花旗銀行大廈是紐約摩天樓的地標，8層倒三角的鋼筋框架結構是著名建築師勒曼歇爾標新立異的設計，重量既輕，又經濟美觀。這座大型鋼骨結構能否抗得住風對它的巨大作用力？哪怕是微風呢？

　　風洞測試顯示：對於同樣高度的建築物，這種重量輕的建築結構搖擺的幅度會使樓裏的人頭暈，勒曼歇爾想出了一個絕妙的方法，在屋頂設計了大型協調減震器，這是一塊重400噸的水泥塊，當大廈搖擺的時候這個巨型的避震器會以繞圈的方式移動水泥塊，抵消樓體的晃動，消除讓人頭暈的感受。

　　風對任何物體都是有作用力的，建築物越高受風力的作用越大，怎樣避免風對高樓的危害呢？在設計中，風洞專家根據設計項目的地理環境和氣象條件，選擇50年中的最大風力進行試驗，檢測建築物體的承受力，選擇合理的建築結構和建築材料。

　　科學合理的建築結構保證了高層建築在風中巍然不動，然而這些拔地而起的建築物也會改變風的流速和方向？

　　風在爬升高層建築物頂部和穿越兩側以後，在高樓的背風面形成渦流風區和空腔區，渦流風區是風害的多發區，它不均勻、又無規則、還隨機變化。渦流風區大小與建築物的幾何尺寸有關，一般是4-5倍，超過這個尺寸就不會受到渦流亂風的滋擾。如果渦流區還存在著其他建築，就會受到渦流亂風的影響。輕者會造成高樓上門窗玻璃和屋頂搭建物的震動和破裂，重者足以對人和物造成傷害與破壞。

　　1964年，英國克羅伊登（Crondon）市建起了一座高 75米，東西寬 18米，南北長70米的大樓，大樓底層通過一個寬12米的人行通道，連接東西兩邊，由於沒有留出安全距離，西邊商業區和東邊人行道上都出現了亂流風，行人時常受到這種渦旋風區的滋擾。

　　風受到高樓的阻擋，除了大部分向上和穿過兩側，還有一股順墻向下帶到地面，又被分向左右兩側，形成側面的角流風；另外一個股加入了低矮建築背面風區，形成渦旋風，這樣城市上空的高速氣流被高層建築引到地面上來，加大了地面風速。在行人高度上形成了我們能夠感受到的過堂風、角流風、渦流風等樓群風。

　　有些高大建築，由於沒有充分考慮到風環境的因素，留下了缺憾，這下就苦壞了生活在這裡的居民，他們時不時地會遇到樓群裏瞬間強風的“阻擋”：

　　處在樓群密集的商務中心，樓群風的惡作劇比居民區裏更加強勁：為了防止風害的侵擾，物業公司將所有的推拉門都挂上“請您使用自動門”的黃色警示；行走在樓群裏的白領們也失去了應有的風度：

　　這種樓群風突發性的強大風力破壞性特別的大，不僅影響人們的生活環境和居住環境，當遇到風災、火災時，往往會助紂為虐，雖然比不上龍卷風和沙塵暴那樣的恐怖，但造成的危害也是不可忽視的。現在樓群風已經成為現代都市中繼廢氣、廢水、廢渣和噪音之後又一種新的城市公害。

　　一座城市是由樓群和街道構成的，高樓之間的渦流、角流和過堂風區相互作用，誘發出瞬間風力很大的樓群風，樓與樓之間道路如同狹窄的管道，稍微有些風，樓群風就會明顯的增加，據科學家現場測試，樓群底層的過道裏，瞬間風速能達到外圍環境風的3-4倍。也就是説如果氣象臺預報2-3級風的話，那麼樓群風的瞬間風力就可能達到6-12級，這是強風到颶風的級別，破壞力之大就可想而之了。

　　美國曼哈頓街區，摩天大廈密如森林，出現樓群風的機會本身就很多。在這樣的環境中花旗大廈雖然在風洞測試中承受住非常強大的側迎面風，但是卻忽略了測試吹向大樓邊緣角的風，因為城管法規中沒有這樣的要求。正是這一點點的忽視，再加上工程建蓋中，原來設計中固定鋼梁的焊接全部都被改換成便於操作的鑼栓連接。

　　設計師勒曼歇爾在花旗大廈交付使用後發現了事故隱患：他計算出如果颶風來臨，來自不同方向風的衝擊著花旗大廈，其中就包括有吹向大廈邊緣角的令它致命的瞬間強風，那些固定鋼架的螺栓在邊緣強風擠壓、撐拉、扭曲的綜合作用下，就會被扯斷，這些栓縫會在大樓中央斷開，整個大樓坍塌。

　　勒曼歇爾以設計師的職業道德和責任心，對大廈進行補救，採用焊接鋼板來加強那些脆弱的接縫，數個月的施工挽救在多變的氣候環境中渡過，如今花旗大廈是紐約市最安全的摩天高樓之一。

　　高樓經歷隱患與風險之後，設計規劃部門更加注重風洞試驗，力求將各種危險因素消滅在試驗之中。國外許多城市規定：在建設摩天大樓和體育場館時，事先都必須進行風洞試驗。目前，我國在城市建設設計中也開展了風洞風工程試驗，現在各大城市未來規劃的建築模型，正在排隊等候著做風洞試驗，要求對建築物以及周圍風環境進行評估。為了保障這些富有個性的現代建築物順利落成，風洞專家們在實驗室裏日以繼夜地為高樓模型“吹風”。

　　正在進行測試的是北京財富中心的一期工程，這座誕生在21世紀晨曦中的，與美國洛克菲勒規格相倣的超規模建築群，即將矗立在北京新興的CBD商務中心區，它以新的理性秩序，詮釋著21世紀中央商務區的城市形態。

　　針對北京市常年刮北風和西北風，夏季刮偏南風的特點，風洞專家在財富中心的辦公樓和公寓樓周圍一共部署了34個測試點，採用精密探頭進行2米行人高度的風速測量，針對北京氣象資料建立的風氣候環境，他們進行了16個方位角的測試。

　　測試結果：財富中心一期工程的設計結構中34個測試點32個滿足行人坐、站、行走5級風以下舒適度的標準，只是辦公樓拐角上的2個測試點由於上層有建築物的存在，在刮北風和西北風時，穿堂風的風速大於等於15m/s，也就是能夠遭受到7級的大風，出現頻率超過0.04%。按照評估標準有3個季節都被劃為危險風區，如果確實有行人要通過這裡，建議採用適當的措施，降低風速。

　　飛速的城市發展，帶來城市風環境的不斷變化，風洞—風工程試驗為我們實現舒適安全的環境提供了科學的手段，把城市中的樓群風害消滅在設計與試驗之中，對已經存在的危害行人的風環境，進行一些防風隔斷的設置，加以改進，努力實現現代化都市開放、流動、富有活力、即生態環保又近人尺度的居住環境。