屋顶设施如暖通空调（HVAC）机组、太阳能电池板和天线等高度暴露于风荷载之下。本文阐述了基于计算流体动力学（CFD）的风荷载模拟如何为局部风效应提供更深入的洞察，从而实现更安全、更高效的屋顶设计。通过可视化真实的空气流动行为，工程师可以防止因上拔力导致的失效、优化锚固系统，并确保超越标准规范假设的长期结构可靠性。
介绍
随着可持续和多功能建筑设计趋势的发展，屋顶已成为承载各种设施的活动空间，从暖通空调系统和太阳能电池板到绿色屋顶、天线，甚至轻型休闲结构。虽然这些元素增强了建筑的功能性和美观性，但也带来了新的空气动力学挑战。准确理解和模拟屋顶设备周围的风行为，对于防止结构失效、优化性能以及确保安全和舒适至关重要。
⚙️ 为何屋顶设备对风效应高度敏感？
屋顶结构通常安装在风暴露程度高的区域，在这些区域，局部气流加速、湍流和涡旋形成会显著放大风压。与按照标准化风荷载规范设计的主要建筑构件不同，屋顶系统通常具有复杂的几何形状、不规则的布置方式以及不同的刚度水平。
常见的空气动力学问题包括：
作用在轻型构件（例如太阳能电池板、暖通空调机组）上的上拔力和倾覆力。
天线桅杆或细长支撑结构上的涡旋脱落和动态振荡。
女儿墙和机械单元周围因气流分离区引起的压力波动。
影响用户舒适度和设备性能的风致噪声或振动。
📌注意： 在 RWIND 软件中实施气动弹性不稳定性和涡激振动（VIV）分析已规划为一项关键的未来增强功能。此发展旨在将该软件的能力扩展到全面的风-结构相互作用动态研究，从而能够更准确地预测和评估柔性及细长结构的风致响应。
🧭 基于规范方法的局限性
EN 1991-1-4（欧洲规范 1）、ASCE 7-22 或 WTG-Merkblatt M3 等建筑规范为建筑围护结构上的风荷载提供了通用指导原则。然而，它们对于小尺度、不规则的屋顶部件的适用性是有限的。标准化的压力系数通常无法准确捕捉以下因素之间复杂的局部气流相互作用：
多个屋顶设备单元
变化的屋顶坡度或女儿墙高度
周围城市地形或邻近建筑
而这正是基于 CFD 的风荷载模拟成为不可或缺的工程工具之处。
💻 CFD 风荷载模拟的优势
现代计算流体动力学（CFD）方法，例如在 RWIND 中实现的方法，通过三维求解纳维-斯托克斯方程，为屋顶风现象提供了深入的洞察。借助 LES（大涡模拟）、DDES（延迟分离涡模拟）和 RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）湍流模型，工程师可以可视化和量化关键的流动特性，例如：
所有表面上的压力分布（用于向 RFEM 6 等结构模型准确传递荷载）。
显示再循环区或滞止点的流线。
用于结构锚固设计的升力、阻力和力矩系数。
在实际入口条件下的瞬态风行为（阵风、涡旋脱落）。
此类分析可以精确优化锚固系统、屏蔽效应和安全系数，从而在提高可靠性的同时降低材料成本。
🏗️ 实际应用
暖通空调系统：
风会在大型机械单元下方和周围产生上拔力或吸力。CFD 有助于确定最佳安装位置、外壳形状或导流板，以最小化湍流和噪声。太阳能电池板阵列：
倾斜的光伏模块可作为空气动力学表面。模拟可以识别最关键的风向，并评估压载要求或框架稳定性。通信天线：
对于细长的天线桅杆或卫星天线碟，动态风作用会加剧结构响应。时间相关的 CFD 结果为详细分析提供支持。屋顶花园和轻型结构：
遮篷、凉棚或绿色屋顶需要对其结构构件和用户进行风舒适度和荷载验证。CFD 为优化挡风墙或植被布局提供了依据。
🧩 与结构分析的集成
利用 RWIND 和 RFEM 的接口，CFD 计算出的表面压力可以自动作为荷载工况传递到结构模型中。这使得能够：
与其他荷载类型（恒荷载、雪荷载、热荷载）直接组合
根据欧洲规范或 ASCE 标准进行结构设计
进行迭代设计优化，特别是对于复杂组件或改造系统
🔍 案例洞察：高层建筑屋顶太阳能装置
本案例研究使用 RWIND Pro 分析具有复杂屋顶装置的多层建筑上的风行为。模拟可视化了屋顶边缘的高速区域和气流分离，突出了上拔力和吸力增大的区域。这些见解为锚固和屋顶结构更安全、更高效的设计提供支持，确保其在真实城市风条件下的结构可靠性。
结论
准确的风荷载模拟不仅仅是一种学术实践，更是现代建筑设计中一种实际必需。随着屋顶利用的持续扩展，基于 CFD 的风荷载分析为工程师、建筑师和建筑业主提供了所需的工具，以确保：
结构安全
运行可靠性
屋顶设施在真实风条件下的长期性能
通过在设计的早期阶段将模拟结果整合到工作流程中，工程师可以做出明智的决策，平衡美观性、功能性和安全性，创造出性能与外观同样出色的屋顶。
德儒巴软件（上海）有限公司，为著名德国建筑结构设计软件公司Dlubal Software GmbH的全资中国子公司。德儒巴软件公司从事各类结构分析、设计、仿真等工程领域的分析、设计软件的开发、销售、培训和咨询业务。德国总公司成立于1987年，30多年来，德儒巴一直致力于开发有限元结构分析与设计软件。全球拥有超过13000家公司和130000多个授权用户使用德儒巴软件产品，客户遍布132个国家和地区，在多个国家的建筑和机械等多个领域已经成为了主流通用分析软件。除德国外，德儒巴在中国、美国、法国、意大利、波兰、捷克、英国、荷兰、比利时、芬兰、希腊、韩国、巴西、土耳其、新加坡、阿根廷和阿联酋等国家和地区都设有子公司和经销商。公司主要产品包括RFEM、RSTAB、RWIND、RSECTION、吊车梁、板屈曲分析等软件。
RFEM 是基于尖端的计算机图形处理和分析技术研发而成的一款三维有限元结构分析软件， 时至今日软件迭代进化到了第六版RFEM 6, 拥有非常强大的分析功能、分析速度、卓越的图形表现以及结果整理等功能，为用户提供一个全新的分析和设计环境。RFEM 包含钢结构、钢筋混凝土结构、木结构、玻璃结构、索膜结构、铝合金结构、机械工程、动力分析、非线性、节点分析等多个分析设计功能。
RWIND是德国Dlubal软件公司的CFD数值风洞模拟软件。RWIND特别为建筑结构工程打造，可以有效解决设计公司想在项目方案阶段就有风工程快速介入的需求。结合RFEM，RWIND可以有效改进现在很多设计院做CFD整套流程速度慢的缺点。RFEM可以很快的建模或者导入模型。然后导出到RWIND来进行风洞模拟。RWIND计算出的风洞结果，如表面风压，可以自动处理返回到RFEM成为构件的风荷载工况参与计算。
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