3.1 数值模型及计算流域
本文以某机场悬挂网壳结构为例，模型尺寸为46 m×90 m×25 m，为使计算流域满足阻塞率小于3%的前提条件，计算流域设置方法参考姚志东的论文[16]按照前方、后方、侧面和高度分别取3A、6A、2B以及5C进行设置，规模为460 m×450 m× 125 m，模型放置于计算流域前部1/3处，具体数值模型如图5所示。
图5 计算流域及模型示意图Fig.5 Schematic diagram of calculation basin and model
为便于分析风压系数分布情况，本文以下研究的参考点均选取在沿顺风方向在网壳左半部分中线处六等分点处，每个参考点取在等分段的中心位置，这种参考点的选取方式也可进一步对比分析结构受风荷载的作用面积大小，参考点的选取示意图如图6所示。
图6 参考点选取图Fig.6 Schematic diagram of reference point selection
网壳表面单元长度划分为0.4 m，为了结果更为精确，加密悬挂网壳结构附近网格，设置计算流域的边界层为4层，利用Workbench的网格自动划分功能对剩余部分进行划分，网格数量为1 377 069。借鉴我国建筑结构荷载规范[9]的相关的规定，地面粗糙度B类，参考高度Zb =10 m，计算流域边界条件设置方式：在入口处设置速度入口边界条件（Velocity-inlet），出口采用完全发展出流边界条件（Outflow），建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件（Wall），平均风速、湍流动能以及瑞流动能比耗散率与高度的关系公式如下：
平均风速:v(z)=vb( z zb )α
湍流动能: k=1.5[ν( z )*I]2
湍流动能比耗散率: ω=k 0.5 C 0.25μ L（11）
田浦湍流强度公式: I=1.5α ( z/10 )-1.7α
湍流积分尺度: l=0.07LCμ
式（11）中，vb为参考高度位置的平均风速，I为湍流强度，参考田浦湍流强度公式取值为0.189，l为湍流积分尺度计算取值0.09， Cμ为经验常数， L为建筑物的特征尺寸，以上参数的设置均通过编程在Fluent提供的User Defined Functions功能中实现。
3.2 悬挂网壳结构环境影响因素分析
3.2.1 周边建筑对悬挂网壳结构的风压影响程度
基于目前的研究而言，建筑结构不仅受自身的外形和来流风特性的影响，其所处的周边地形地貌及其他建筑物对结构的风荷载特性也有一定的影响，受到周边建筑的阻碍或干扰来流风向风速会产生变化。为进一步研究周边范围内建筑物对悬挂网壳风压分布的影响情况，本节将展览中心与悬挂网壳结构同时建模并进行数值风洞研究。数值模型及计算流域如图7所示。
分析组合结构在风向角为0°、30°、60°、90°、120°、 150°、 180°以及210°八种情况下的悬挂网壳结构风压分布情况。同样为便于对比有无周边建筑网壳表面的风荷载分布情况，将参考点处的风压系数提取出来绘制风压系数曲线图，如图8所示。
图7 加入展览中心后的模型及计算流域示意图Fig.7 Schematic diagram of model and calculation basin after joining the exhibition center
图8 风压系数曲线图Fig.8 Wind pressure coefficient curves
从整体趋势上可以发现，风洞中加入展览中心后，原悬挂网壳在风向角为0°、30°、60°、210°几种情况时表面风压都有一定程度的削弱，证明展览中心的存在对于结构受到风荷载作用存在一定的影响，且能起到阻碍部分风荷载的功能。因为取参考点时将网壳结构六等分，可以观察出在展览中心存在的情况下网壳结构受风荷载作用后的风压变化面积，故从风压减小的面积入手进一步分析周边建筑对于结构抗风性的影响。从影响范围上来看，当展览中心位于悬挂网壳结构正上风口时，风向角为30°的悬挂网壳结构风压减小的面积最大，几乎整个网壳风压都相应变小；风向角为0°和60°时，网壳有大部分风压系数变小；风向角为210°时，风压系数值只在上风口前部出现小幅度降低。当风向角为90°、120°、150°、180°时，网壳表面风压值几乎没有变化，证明周边建筑物在网壳风向的侧面角度较大时其对网壳的影响可忽略不计。
综上所述，从风向角上入手，当建筑物与网壳结构沿风向夹角成锐角时，建筑物对网壳表面的风荷载起到遮挡效应，使网壳表面的风压减小，遮挡效果随着夹角的增大逐渐衰弱；当建筑物与网壳结构的夹角成直角或钝角时，周边建筑物的存在对网壳的影响可以忽略不计。从建筑物所处的位置来看，当周边建筑物在网壳风向的侧面角度较大时，其存在对网壳风压起到了一定的减弱作用，但减弱效果相对较小；当附近建筑物处于网壳风向的前端或正后方时，可以减少悬挂网壳表面受到的风压作用，对悬挂网壳的影响效果从正上风向位、侧上风向位、下风向位依次衰减。
3.2.2 围护结构对悬挂网壳结构的风压影响程度
网壳结构分为封闭式和开放式，两者的区别在于网壳结构的周边是否存在围护结构，因此周边围护结构对悬挂网壳的表面风压系数也有一定的影响。本节重点研究围护结构对网壳表面风荷载分布情况的影响，在悬挂网壳数值模型周围建立围墙，在封闭网壳周边建立计算流域，各个初始参数设置与第二节中悬挂网壳的流场一致，具体计算流域图如图9所示。
图9 有围护的悬挂网壳结构计算流域图Fig.9 Calculation basin diagram of suspended reticulated shell structure with enclosure
绘制0°、90°、180°三种不同风向角的情况下网壳结构上表面的风压系数等值线如图 10所示。
由图 10可以得出：当围护结构存在时，封闭网壳表面风压系数等值线呈现出较为规则的梯度分布，从数值上可以看出风压系数大多呈现为负值，说明风对网壳的作用表现为吸力。在0°风向角的情况下，风压系数在网壳结构中部位置的迎风前沿处达到负向风压峰值-6，此时结构的上表面承受风的吸力，且沿顺风方向依次递增，由此可见围护结构的存在使得网壳迎风前端产生较大的风吸力，对风荷载起到了阻挡作用，这种吸力作用大小沿顺风方向依次递减；当风向角为90°时，封闭网壳上表面的左半部分风压系数沿着顺风方向先从0减小到-0.8，后再依次递增至0.2，反观有围护结构的网壳结构右半部分风压系数等值线相对稀疏，可以看出此区域风压分布较为均匀；当风向角为180°时，风压系数表示的风吸力在网壳上表面左右两部分沿顺风方向均匀递减，在中央低谷部分恰好相反，结构前部的迎风端呈现较大的负压，此处在设计时应着重考虑。
在参考点处将两种结构的风压系数值绘制成曲线图，进一步分析围护结构对于网壳结构承受风压的影响效应。
从图 11中可以得出：两种情况下风压系数差别较大，有围护的封闭网壳与无围护悬挂网壳结构表面风压分布有较大差异，围护结构使网壳表面风压在0°风向角时加剧，在90°、180°风向角时风压减弱；迎风部位的风压系数在0°和180°风向角时差异明显，产生较大的突变，在0°风向角的风荷载作用时，有围护结构的悬挂网壳首先受到风荷载作用的迎风面前端位置较无围护结构的悬挂网壳吸力大幅度降低，在180°风向角风荷载作用下，同样是首先受到风荷载作用的有围护结构的悬挂网壳迎风面产生的压力较无围护结构的悬挂网壳大幅度降低。可见当风向角不同时，围护结构对风压分布也有一定程度的影响作用。
图 10 不同风向角风载作用下的结构风压系数等值线Fig.10 The isoline of structural wind pressure coefficient under different wind directions
图 11 不同风向角下结构的风压系数曲线Fig.11 Wind pressure coefficient curves of structures under different wind directions
综上所述，当封闭式悬挂网壳结构设置为有围护结构后，与没有围护机构的封闭式悬挂网壳结构不同，两者表面风荷载分布有较大的差异性。分析得出的网壳表面风压系数等值线由于围护结构的存在呈现出更加规则的梯度分布，封闭式的网壳结构风压梯度更大，在周围封闭时网壳整体受到风荷载对结构产生的吸力，对结构承载有一定程度的益处。但是对于类似的非规则网壳结构，结构在不同风向角风荷载的作用下产生了不同效果，当风荷载位于特定的风向角时，网壳结构的局部区域有可能出现无规律遵循的较大负压，故在结构设计时有无围护结构对于结构自身受风载作用后的影响效果需结合实际工程具体分析。
3.2.3 地势高低对悬挂网壳结构的风压影响程度
由于目前悬挂网壳结构的美观性，很多悬挂网壳结构设置在沿海地带，故在设计时除了需要考虑一些常规的布局外，还要进一步从安全的角度出发，预防海浪的冲击作用。为减少结构在海浪等因素作用下对结构产生破坏，因此在常规设计中需要考虑设计一定的地势高度，设计者们通常会将结构设计在一定高度的平台或地基之上，这种做法也会对网壳结构的风压分布产生影响效应，故本节建立相关模型：将挑蓬-悬挂结构建立在一个半径为100 m的圆柱体平台上。模型示意图如图 12。
图 12 有平台的网壳结构数值模型示意图Fig.12 Schematic diagram of numerical model of reticulated shell structure with platform
在0°风向角的风场作用下，对风压系数在参考点位置处进行取值，对比分析网壳结构在无平台（平台高度0 m）及平台高度为5 m、10 m三种情况下的风压系数，如图 13所示。
图 13 不同平台高度下结构的风压系数曲线Fig.13 Wind pressure coefficient curves of structures at different platform heights
从宏观的曲线趋势上来看，在三种平台高度下的网壳表面风压系数曲线走向基本一致，网壳所处地势的变化过程中悬挂网壳结构表面的风压分布情况变化不大，说明平台高度变化对悬挂网壳的风压分布情况影响较小。从微观的风压系数数值上来说，风压系数值由先受到风荷载作用的迎风端沿风向依次减小，悬挂网壳结构迎风面的风压系数值基本都为负风压的最大值，证明结构迎风面受到风压作用的影响最为剧烈。纵观三条曲线的整体情况，悬挂网壳在所处平台高度的变化过程中，其表面均承受负压，也就是风吸力。随着平台高度的增加，结构所承受的吸力随之增加，结构自身所承受的风荷载作用也越大。从数值上来看，0 m平台的风压系数峰值比10 m平台高0.4左右，结构在0 m平台处承受的风压比10 m平台处衰弱大概40%。因此，随结构所处地势的增高，表面风压分布规律虽无显著变化，但其受到风载的作用程度有所增加，当地势高度变化不是特别明显的情况下，这种风载的作用程度增幅甚微。
3.2.4 拱梁对悬挂网壳结构的风压影响程度
比基尼广场的挑蓬是由两根直径2.15 m的圆钢管作为支撑拱梁承重，由于直径相比于应用在其他工程的钢管较大，故钢管拱梁对网壳表面风压分布的影响不可忽略。将拱梁与网壳同时加入数值模拟的风场中，风场的尺寸大小及入口风速等其它条件均与3.1节的参数设置相同，具体计算流域图如图 14所示，分别对0°、90°、180°三种工况下的网壳及拱梁的风压分布情况进行数值模拟，得到三种情况下网壳上下表面风压系数等值线图。
分析图 14可得：当悬挂网壳结构受到0°风向角的风荷载作用，网壳上表面风压系数整体为负值，呈现一种负压的状态，具体表现为吸力，吸力值沿顺风向逐渐减小，在悬挂网壳结构中部的凹陷部分等值线分布呈密集状态，说明网壳中部风场复杂，两角压力产生突变，由负压突变为正压，而下表面得风压系数整体呈正值，具体表现为风压力，由边缘向中央梯度变大，同样为中央部分压力最大。悬挂网壳结构在风荷载的作用下表现为上吸下顶的趋势，这种趋势对于结构抗风作用有一定的好处；当风向角为90°时，等值线呈现一种完全均匀的横向梯度分布，在上表面迎风的前端位置以及悬挂网壳结构中部在风荷载作用下表现为压力，其余部分为吸力，与下表面的压力分布恰好相反，左右两侧中央部分受到风荷载作用影响效果最为明显；当风向角为180°时，此时顺风向风压分布呈现梯度变化趋势，左右两部分基本对称，结构的风压系数等值线分布在迎风前端较为集中，且在迎风面上风压系数达到峰值，故此处悬挂网壳结构受风荷载作用后压力效果最明显。
图 14 不同风向角下结构表面风压系数等值线Fig.14 The isoline wind pressure coefficient on structure surface under different wind directions
从参考点处的风压系数曲线图中（图 15）可以发现：在三种不同风向角的风荷载作用下，有拱梁和无拱梁的悬挂网壳结构风压系数曲线变化趋势基本一致，有无拱梁的悬挂网壳结构上下表面风压分布趋势大致相同，说明拱梁的存在对于受到风荷载作用的悬挂网壳结构有影响，但影响效果不明显。对比风压系数曲线的数值，当拱梁存在的情况下，有拱梁的悬挂网壳结构和无拱梁的悬挂网壳结构在三种不同风向角风荷载的作用下，结构表面的风压系数在绝对值上都有小幅度的下降，表明拱梁的存在虽对于结构整体受到风荷载作用下的风压分布不能产生效果比较明显的增强或削弱，但可以对悬挂网壳结构表面受到风荷载后起到一定的遮挡作用，也可以使网壳结构的抗
风能力得到小幅度的提高。故加入拱梁也能提高悬挂网壳结构的安全性。
图 15 不同风向角下两种结构的风压系数曲线Fig.15 Wind pressure coefficient curves of two structures under different wind directions
湍流模型：
.97 m/s， zb=1 m。在出口处采用完全发展出流边界。采用非结构网格划分方法对流畅区域进行网格化分，以上参数均按照文献14中实际实验参数设置。加密处理立方体周围区域，网格划分如
