一种基于控制图谱的大跨度建筑设计风荷载确定方法与流程

本发明涉及建筑工程抗风设计及计算流体力学数值模拟，特别涉及一种基于控制图谱的大跨度建筑设计风荷载确定方法。

背景技术：

1、目前，大跨度建筑（例如机场航站楼、体育馆、大型会展中心、物流仓库等）由于其跨度大、形体复杂，其风荷载分布极为复杂。工程实践中通常采用计算流体力学（cfd）数值模拟来确定其风荷载。现有的工程设计过程中，一般首先建立待分析建筑的三维几何模型，随后针对该建筑可能遭遇的多个来流风向、多个风速等级以及不同的建筑运行状态（例如门窗关闭、部分开启、全部开启等组合形式）分别建立对应的cfd计算模型进行独立计算，从而获得各计算工况下屋面的风压分布数据。

2、在获得大量计算结果后，现有的处理方式通常是按照相关建筑规范的要求，对所有计算工况下的风压结果分别求取峰值压力系数，并对各计算工况进行逐点包络处理。也就是说，对于建筑屋面上的任意一个空间位置，设计人员会提取所有工况中使得该位置产生最不利受力的风压值作为该点的最终设计风荷载。例如，若考虑数十个风向和多种开口状态，可能需要完成近百组甚至数百组的cfd独立计算，最终直接对所有计算结果逐点取最大值以形成设计风荷载。

3、然而，这种传统的处理方法存在明显的缺陷。首先，现有方法默认所有计算工况对最终设计的贡献和重要程度是完全一致的，忽略了某些极端开口状态在实际运行中出现的概率极低。其次，采用逐点最大值包络的方法会导致设计风荷载过于保守。因为屋面不同区域的最不利受力往往是由完全互不相关的不同工况分别控制的（例如a工况控制西北角，b工况控制东南角），在实际的物理风场中，这些极端压力分布根本不可能同时出现，将它们强行叠加使得整体设计偏向过度安全。再次，在几十甚至上百组的工况中，真正决定整体设计结果的关键控制工况往往只有少数几个，而绝大部分工况虽消耗了大量计算资源却未能进入最终包络，缺乏自动识别关键工况的有效手段。最后，cfd软件输出的是连续的网格压力场，而结构工程师实际需要的是离散的设计风压分区以及对应的设计压力值，目前这一转化过程主要依赖人工经验处理，效率低下且容易引入主观误差。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于控制图谱的大跨度建筑设计风荷载确定方法解决了现有大跨度建筑风荷载设计中，直接对大量cfd计算工况进行逐点最大值包络导致设计结果过于保守，且依赖人工经验划分风压分区导致效率低、主观性强的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于控制图谱的大跨度建筑设计风荷载确定方法，包括：

3、s1：基于待分析的大跨度建筑在多个计算工况下的流体力学计算结果，获取大跨度建筑屋面各个计算单元在每个计算工况下的压力系数，构建屋面风压数据库；

4、s2：利用屋面风压数据库，对各个计算单元在所有计算工况下的压力系数进行极值比较，确定使得计算单元产生设计控制压力的目标计算工况，将各个计算单元与其对应的目标计算工况建立映射关系，以构建屋面风荷载控制图谱；

5、s3：基于屋面风荷载控制图谱，对各个计算单元进行空间连续性分析，并将目标计算工况相同且相邻计算单元之间的压力差小于预设压力阈值的计算单元进行合并，识别得到覆盖屋面的多个控制区域；

6、s4：针对每个控制区域，统计其内部计算单元对应的目标计算工况，建立控制区域与目标计算工况的映射关系，并基于各个目标计算工况对应的控制区域总面积占屋面总面积的比例，提取得到关键控制工况；

7、s5：根据提取得到的关键控制工况以及对应的控制区域，计算各个控制区域的区域代表压力值，得到大跨度建筑的区域设计风荷载，完成大跨度建筑设计风荷载确定。

8、进一步地，所述s1包括：

9、基于待分析的大跨度建筑的建筑结构形式建立三维几何模型，并依据设计风环境确定包括多个来流风向以及多种建筑运行状态的计算工况；

10、针对每一种计算工况分别建立对应的流体力学计算模型进行流体力学计算，得到流体力学计算结果，并分析得到大跨度建筑屋面各个计算单元在每个计算工况下的压力系数；

11、将压力系数以及对应的计算工况信息进行关联存储，构建得到屋面风压数据库。

12、进一步地，所述s2包括：

13、利用屋面风压数据库，提取各个计算单元在所有计算工况下的压力系数；

14、依次对每一个计算单元在所有计算工况下的压力系数进行极值比较，确定使得对应计算单元产生最大负压的计算工况作为目标计算工况，并将目标计算工况的编号赋予对应的计算单元；

15、根据全部计算单元与其对应的目标计算工况的编号，建立覆盖屋面的控制矩阵，并将控制矩阵作为屋面风荷载控制图谱。

16、进一步地，所述s3包括：

17、基于屋面风荷载控制图谱，遍历屋面的所有计算单元，将对应的目标计算工况相同且空间位置相邻的计算单元作为候选区域；

18、比较候选区域内相邻计算单元之间的压力差异，当相邻计算单元之间的压力差小于预设压力阈值时，将对应的计算单元进行合并；当相邻计算单元之间的压力差大于等于预设压力阈值时，将其划分为不同的区域，得到相邻计算单元合并结果；

19、对相邻计算单元合并结果进行识别，得到覆盖屋面且内部具有统一目标计算工况的多个控制区域。

20、进一步地，所述s4包括：

21、针对每个控制区域，统计其内部计算单元对应的目标计算工况编号，建立控制区域与目标计算工况的映射关系；

22、基于控制区域与目标计算工况的映射关系，提取每一个目标计算工况对应的所有控制区域，并统计每一个目标计算工况对应的控制总面积；

23、计算各个目标计算工况对应的控制总面积占屋面总面积的比例，基于比例剔除未满足预设面积比例条件和/或对应的控制区域不连续的目标计算工况，得到剩余目标计算工况；

24、将比例满足预设面积比例条件且对应的控制区域连续的剩余目标计算工况，提取得到关键控制工况。

25、进一步地，所述s5包括：

26、根据提取得到的关键控制工况以及对应的控制区域，提取各个控制区域在其对应的关键控制工况下全部计算单元的压力系数；

27、基于各个控制区域在其对应的关键控制工况下全部计算单元的压力系数，采用区域最大压力系数、区域平均压力系数或区域面积加权压力系数中的至少一种方式进行计算，得到各个控制区域的区域代表压力值；

28、将各个控制区域的区域代表压力值作为对应区域的设计压力值，汇总确定大跨度建筑的区域设计风荷载，完成大跨度建筑设计风荷载确定。

29、本发明的有益效果为：本发明提供一种基于控制图谱的大跨度建筑设计风荷载确定方法，通过对各个计算单元在所有计算工况下的压力系数进行极值比较，确定目标计算工况并建立映射关系，首次构建了屋面风荷载控制图谱。该方法将传统隐含于大量cfd流体力学计算结果中的极端控制信息进行了直观的关联表达，明确了屋面各离散位置真正受控的外部工况，为后续数据处理提供了清晰的数据基础。

30、基于所构建的屋面风荷载控制图谱，通过对计算单元进行空间连续性分析，并引入预设压力阈值对相邻且目标计算工况相同的单元进行合并。这一过程将风压分区由传统的依赖工程师人工经验划分转变为纯数据驱动的自动聚类划分，充分反映了复杂屋面风压分布的空间连续性及局部差异性，提高了区域划分的客观性和自动化程度。

31、在建立控制区域与目标计算工况映射关系的基础上，通过统计目标计算工况对应的控制区域总面积占屋面总面积的比例，自动筛选并提取出关键控制工况。这一步骤能够自动识别出对屋面风荷载分布真正起决定性作用的核心工况，避免了大量非控制性工况对最终设计结果产生干扰，有效缩减了后续参与计算分析的数据规模。

32、最终依据提取的关键控制工况及对应的控制区域，计算各个控制区域的区域代表压力值以确定设计风荷载。该方式以连续的控制区域而非单一离散点作为荷载确定对象，保证了设计荷载与真实控制风场的物理一致性，从根本上克服了传统逐点极值包络将互不相关工况局部极值强行叠加造成的过度保守问题，提高了工程设计的合理性。