西南交大助力成都未来科技城地标建筑完成风洞试验

来源：日期：2021/09/02 16:52:21 点击数：

编者按

近日，四川省建筑设计研究院有限公司传来消息，未来科技城展示馆风洞试验圆满成功，此次试验由风工程四川省重点实验室承担。该实验室位于西南交通大学犀浦校区内，试验中所使用的“西南交大XNJD-3风洞”建于2008年，也是目前世界最大的边界层风洞，试验段尺寸为22.5m(宽) ×4.5m（高）×36m（长），断面尺寸位居世界第一，主要技术指标均已达到世界先进水平。

去年年底，未来科技城展示馆设计方案出炉，由成都高投建设开发有限公司投资建设，四川省建筑设计研究院有限公司负责技术设计工作。近日，四川省建筑设计研究院有限公司传来消息，历时2个多月，未来科技城展示馆风洞试验圆满成功，该试验将给项目提供更精准科学的建设依据。

未来科技城展示馆为何要进行风洞试验？

边界层风洞是什么？

被业内人士称为“大国重器”的风洞

又将给城市带来什么？

▲未来科技城展示馆鸟瞰效果图

风车，转起来了

风工程四川省重点实验室坐落在西南交大犀浦校区一块幽静的草坪后。穿过长长的走廊，来到风洞实验室模型加工区，这里散落着此前进行过风洞试验的诸多模型。最显眼的，是2018年土耳其1915恰纳卡莱大桥的模型和照片。在模型加工区尽头，研究人员拉开一扇厚重的大铁门，风声轰鸣，一股强风扑面而来。

▲西南交大风洞实验室

入目是一片空旷的空间，场地中央摆放着一个模型——最下方是一个直径2米的转盘，底座是一个直径9米的坡地，模拟的是项目的地形，坡地最上方是一个直径2.7米的未来科技城展示馆模型，形似风车。模型以1:50的比例制作，依靠3D技术打印完成，模拟范围为包括展示馆在内的直径约450米的区域。

模型前方有一堆小木块，西南交通大学土木工程学院副教授许浒介绍说，自然界的风场非常复杂，不同的地形地貌和地表建筑群等因素都会对其造成显著影响，因此，我国《建筑结构荷载规范》中根据不同环境条件将计算风荷载时的地面粗糙度分为四大类。这些小木块就是用于模拟不同的粗糙度类型，专业术语为粗糙元。

更前方是一排塔状的尖劈，它们和粗糙元组合，共同模拟大气层边界风剖面特征。在尖劈背面，是一块“黑洞”，背后放置着巨大的风扇。风，就从里面来。

这天是8月20日上午10点，成都未来科技城展示馆正在此地进行风洞试验。记者刚刚抵达现场时，研究人员正在转动模型转盘。

▲未来科技城展示馆模型正在进行风洞实验

当天实验室的风速大概在6～7m/s，模拟的风速源自成都的大环境情况。风的方向是固定的，研究人员根据一定的时间和刻度旋转转盘，就能模拟自然界中任意方向的风，最后得到实验数据。

“你看，‘风车’转起来了。”四川省建筑设计研究院有限公司总工程师赵仕兴指着模型对记者说。

未来科技城展示馆建筑方案主创为加州大学伯克利分校建筑系设计主任Lisa Iwamoto和加州艺术学院建筑系教授Craig Scott。2019年，两人创作的水母展馆概念方案曾获2019年美国国家设计大奖，因项目造型复杂，技术难度高，最终未能落地实现。“但中国可以。”后来，成都未来科技城采用了该方案，两位主创人员结合成都本地丘陵地貌及绛溪河生态带，进行了进一步的优化和提升，就有了现在的展示馆。

“风洞试验民用领域一般用于大跨度桥梁和超高层建筑。但近年来，随着建筑造型越来越复杂，技术要求越来越高，利用传统的技术手段进行计算会存在较大的误差，可能带来安全隐患或材料浪费。”赵仕兴说，就未来科技城展示馆而言，项目不算很高很大，但风环境复杂，且建筑造型独特，风洞试验的研究成果会给项目的建筑结构设计、幕墙设计提供一个精准科学的依据。目前，该项目正在建设中，得到实验数据后，也将根据数据进行设计的完善修正，保证安全可靠和经济合理。

复杂建筑的缩尺模型设计和制作安装是最难的部分

“风洞试验是一个非常复杂的过程，每个环节都需要大量专业理论和技术进行支撑。但从操作层面而言，整个试验最难的部分，是复杂建筑的缩尺模型设计和制作安装。同时，还要考虑地形。”许浒说。

这个项目的试验缩尺比例达到1:50，这种规模的缩尺模型在建筑结构风洞试验中并不多见。整个模型表面共布置了近900个测点，测点的位置和密度则是通过高精度数值风洞模拟进行确定。因为存在大量造型复杂的空间曲面，最开始想用传统方法制作模型，但效果不满意，中途进行过返工修改。单是模型制作，就花费了一个多月时间。

该项目另一个重要特点是地形。“地形会非常显著地影响风的绕流特性，这个项目的建筑造型与地形条件较为特殊，要准确测试风荷载，最好将地形一并做出来。”采用3D打印技术制作的坡地模型能充分考虑局部地形对建筑风场的影响。

此外，试验设备和试验方法也很重要。在试验过程中，研究人员需将模型进行组装，还需不断更换调试设备连接，整个试验过程将持续一到两天时间。

▲未来科技城展示馆形似风车

“除了建筑，风洞广泛应用于汽车、高铁、运载火箭等领域的试验测试，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。”许浒说，西南交大XNJD-3风洞作为目前世界最大的边界层风洞，几乎能够模拟工程结构可能遭遇的地球表面最强自然风的作用，特别在模拟桥梁面对大风时的抗风试验上贡献颇多。

近年来，该风洞先后完成了国内外100多座大桥的风洞试验，包括世界上最长10座悬索桥中的5座，最长10座斜拉桥中的4座。著名的港珠澳大桥、沪通公铁两用长江大桥、深中通道伶仃洋大桥等工程建设中都有该风洞的“贡献”。特别是跨度达到2023米的世界第一悬索桥——土耳其1915恰纳卡莱大桥，通过全球招标，最后在这里完成了风洞试验。

“当下，风工程是一个非常热门的领域。”许浒说，近年来一些“出圈”的事件，也让风工程走入大众视野。比如前段时间深圳赛格大厦楼体晃动，以及去年虎门大桥晃动事件，都与风与结构的相互作用有关。

“大国重器”为建筑设计提供更多可能

风洞也在改变建筑业。赵仕兴提到，现在很多新颖的建筑物，都会用风洞试验来提供更加科学精确的决策依据。放在以前，这样的事完全不可能实现。一来，以前的建筑比较简单，通过传统的技术手段即可；二来，那时经济条件不允许，民用风洞实验室也极少。

“在风工程技术标准中，风洞试验是最靠谱的办法。对于任何一个建筑而言，只有一次建设机会，所以不能失败。这也是很多重大项目一定要进行风洞试验的原因。”他将风洞实验室比做“大国重器”，是军用高科技反哺民间的方式和手段。“有了它，像未来科技城展示馆这样精美的建筑，也能从纸上变成现实。”

“它也是国家强盛、经济实力强大的体现。”赵仕兴表示，模型风洞试验和高精度数值风洞模拟技术结合，极大缩短了技术实施周期，提高了技术实施精度和可控性。

▲展馆内部效果

未来科技城项目是四川省建筑设计研究院有限公司在西南交大风洞实验室进行的第四个项目，未来将有更多项目与实验室进行合作，这些项目或将包含海内外设计项目，都是“成都智造”强强联合的体现。

业内人士口中的“大国重器”可以给城市带来什么？

许浒认为，从行业来看，‌‌土木工程经过多年发展，从‌‌早期的“经验型”设计，到现在越来越精细越来越科学，从只简单满足于其使用功能，到满足各种性能需求，在建筑抗风设计理论和方法进步过程中，风洞试验都是其重要支撑，同时，高精度的数值风洞模拟技术亦有效提高了复杂建筑设计建造的数字化水平。“深圳赛格广场和虎门大桥事件也说明，我们在风工程领域仍需不断探索。风洞，将为未来行业探索和进步提供重要支撑。”

由于具有世界上最大的边界层风洞断面尺寸，很多复杂的大型工程项目只能在该实验室进行，因此实验室一年四季都在排队。而大量的项目实验，也将为实验室积累更多数据，未来或将有更多成果出现。“越来越多人会知道，在四川，在成都，有这样一个风洞实验室。‘成都智造’也会在国际的建筑设计上发挥至关重要的作用。”许浒说。

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