风洞之旅──解密苍南大剧院抗风设计

长波接天远，千帆破浪纵古今

苍海

南越自始繁盛地，还看新幕次第开

苍南大剧院位于苍南核心位置，主要功能包括一个1000 座甲等歌剧院、一个400 座的多功能剧场及配套商业、影城、餐饮、办公、设备等辅助用房。苍南大剧院建筑设计通过对基本的几何形——椭圆形进行简单而直接的形式操作与组合，结合外倾表皮的重叠交错变化，形成“苍海长波接天远，千帆破浪纵古今”的设计意向，回应苍南的海洋地域特色。

独特的体型带来了独特的结构难点，需要结构工程师去思考与解决。由于该项目所在地处浙江东南沿海，台风活动频繁，且大剧院外层为镂空格栅体系、内层为张拉幕墙，我国荷载规范对这种外层为镂空格栅、内层为张拉幕墙的双层幕墙体系没有相应的风荷载规定，同时国内外也没有相似体型的风荷载参数供参考。因此，为保证结构设计的安全、经济和合理，项目组在初步设计阶段就提出进行风洞试验，为该建筑的抗风设计提供精确可靠的数据。

01、结构风洞试验

浙江大学风洞实验室是浙江省重点建设项目，于2010年建成使用。风洞实验室由大气边界层风洞（浙江大学ZD-1 风洞）和相配套的装置、测控系统和精密仪器构成。ZD-1风洞是目前国内最先进的风洞之一，风洞试验段的截面尺寸为4m(宽)×3m(高)，是国内为数不多的大试验截面建筑风洞，风洞的最高风速为55 米／秒。本工程缩尺模型（1:150）在风洞中的试验情况如图1所示。风压测试采用美国SCANVALVE 公司的DSM3400电子扫描阀，可以实现512个测点的同步测压。

△ 风洞试验模型和风洞试验情况

苍南大剧院模型测点总数为678个，在外侧镂空格栅布置内外表面测点，在内侧幕墙上布置外表面测点，具体布置如下图2所示。在0°-360°风向角范围每隔15°为一个风向角，共有24个风向角。

△ 风洞试验测点布置方案

02、风洞试验成果

为了便于工程应用及与规范相对照，风洞试验报告将模型风洞试验测得的风压系数按公式转换成相应的体型系数，该体型系数为建筑物各测点处的局部体型系数，并非平均意义上的整体体型系数。部分外侧双层格栅在风从下方来流时各测点的体型系数如图3所示，图中数据已进行内外表面风压的叠加。可以发现正迎风的格栅体型系数接近0.8，而背风面的格式体型系数由于内外均为负压相互抵消，接近于0。

△ 典型风向角下外侧格栅的体型系数

脉动风压是幕墙、屋面板及其连接件设计的重要依据，因此有必要给出考虑风压脉动后的各点的风压系数与风压值。风洞试验报告将得出了各个风向角中出现脉动风压的最大正负值及相应数据。部分外侧镂空格栅围护结构设计风荷载标准值如图4所示，可以发现镂空格栅角区的风荷载最大，边区的风荷载次之，中间部分的风荷载较小。

△ 侧镂空格栅围护结构设计风荷载标准值

03、外立面格栅幕墙支撑钢结构设计

3.1 支撑钢结构体系

根据建筑外轮廓及屋面形态，结合下部结构可以提供的支承条件，并综合考虑各结构体系的适用性，建筑外轮廓幕墙格栅支撑钢结构、入口雨棚及城市中庭屋面、屋顶栈桥钢结构均采用钢框架结构体系。支撑结构钢结构模型见图5，各模块的分解如图6所示。

△ 苍南大剧院钢结构模型

△ 钢结构的模块分解

3.2 风荷载输入

通过对风洞试验成果的数据处理，计算获得24个风向角每个节点x、y和z方向的力Fx、Fy和Fz,即各风向下各节点的等效风荷，该方向的朝向和计算软件的定义一致。各风向角下各节点的平均风荷载和等效风荷载数据整理成excel文件，并将24个风向角风荷载导入计算软件文件中供使用和校核。

载

04、结语

在项目组成员的努力下，风洞试验及后续设计得以顺利完成。在此期间，我院建筑团队通过参数化建模最终确定了剧院的外立面效果，同时，我院结构团队也完成了整个外表皮围护支撑结构的三维建模，为后续结构抗风设计提供了坚实的基础。

△ 风洞试验现场照

项目名称：苍南大剧院

项目负责：沈晓鸣、孙啸野

结构设计：刘若斐、岑伟、潘浙南、秦从律

风洞试验：沈国辉、余世策、陈水福、楼文娟

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