Eddie Jacob Photography

1. 自然风场（紊流大气边界层流场）的特性；
2. 钝体空气动力学；
3. 高层建筑受风行为及耐风设计；
4. 桥梁空气动力特性以及桥梁耐风设计；
5. 巨型烟囱、高塔、桁架等特殊结构的耐风设计；
6. 一般住宅与厂房等低层建筑的抗风设计；
7. 高层或大型建筑周围的环境风场；各类型工厂以及区域性的污染源排放与扩散；
8. 强风对行车安全的影响；
9. 招牌、路标的抗风设计；
10. 风浪互制现象；
11. 海域平台的风力效应；
12. 沙、雪的飘移，以及建筑物的通风散热等等。

建筑物的风力效应

地球表面因为接受太阳辐射量的不一致，造成大气温度和压力的不平衡，而空气便会由高气压处流向低压处，因此形成“风”。此外，加上地球的自转、云层的覆盖、雨水的凝结、地形的变化，以及地表附近的温度差异等因素，使得地表的风场结构变化莫测。在距离地表几百米到1000米范围之内，大气的运动受到地表边界的影响，称之为大气边界层。因为人类的活动大多局限于大气边界层之内，故大气边界层与人类的居住环境、生活质量有着密不可分的关系。
地表附近的水平风速会随着高度改变，这是因为接近地面的风场受到地形和地物的影响而风速较小，高空的风速不受阻碍而风速较大，风速分布随高度的增加由小而大，逐渐增强至较均匀的风速分布，这个高度就是边界层的厚度，从数百米到1000米不等，视地表粗糙程度而定。都会地区因建筑物的高度较高，边界层的厚度较大；平坦开阔的地区，边界层的厚度较小。
城市地区中的风场，受到密集排列的建筑物影响，属于非稳态紊流流场，影响参数包括风速、风向、建筑物几何外形、邻近建筑物的相关位置等，是许多因素交互影响而成的复杂流场。在英国与美国，都曾发生行人被建筑物周围的强风吹袭跌倒而受伤的案例，这种影响地表附近行人的风场会直接影响到建筑物的使用，与其周围区域的规划，因此设计建筑物时必须加以注意。
建筑物的迎风面墙承受气流的直接冲击，所受的压力为正向压力，但在建筑物背风面及侧面因为气流加速通过，根据流体力学中的伯努利定理可知，流速大的地方压力小，故建筑物背风面及侧面所受的压力低于大气压力，为负压力，也就是说建筑物表面受到吸力效应。斜顶式建筑物屋顶的风压与屋顶的倾斜角度有关，角度大时，屋顶与迎风面墙相同，压力为正压力；屋顶角度小时，屋顶压力为负压力，房舍的屋顶可能会被掀翻。建筑物的表面如果有门窗、玻璃等易受风力破坏的围护结构，则必须先了解建筑物表面风压的分布，才能预防建筑物的破坏。

当高楼遇上强风来袭

风力是一种流体（空气）通过阻碍物（建筑结构）所产生的空气动力现象，与阻碍物的几何形状有密切关系。概括来说，物体的形状越是流线，其所受风力越小；只不过，一般的建筑物与桥梁很难具有流线的外型。同样地，对于某些柔度特性明显的建筑物与结构体，会进一步放大建筑结构所受的风力。
对一般的建筑物而言，地震力是主要的设计考虑，但是当结构物的高度需到达一定程度，如高层建筑、巨型烟囱和高塔等，风力的影响就不容忽视，并且逐渐取代地震力，成为主要的水平设计载重。
高层建筑需要考虑的使用功能性，远比一般结构物复杂，在风力的影响上也不例外。一般而言，高层建筑在设计规划时，应列入考虑的风力影响有四项：

1. 高层建筑结构系统所承受的整体风力；
2. 帷幕外墙所受的局部风压；
3. 建筑风摆造成的居住者舒适性问题；
4. 环境微气候：邻近的地面风场环境所造成的行人舒适性问题。

从高楼结构设计的观点来看，作用于高层建筑上的风力可分为顺风向、横风向与扭转向风力，各个风向的风力又可分为平均风力与扰动风力。顺风向风力主要由风场中的阵风造成，对于基本造型近似矩形柱体的建筑物，大体上可以通过理论与实验数据得到合理的评估。
在建筑设计上，重要的横风向扰动风力主要来自流体通过建筑物时，发生的流体分离与涡散现象所造成的周期性作用力。当建筑物的高宽比与柔度都很大时，在设计风速之内可能会发生结构共振现象，造成过大的振动反应。这个涡散分离现象引发的结构共振，与建筑物的几何造型及结构动力特性有密切关系，目前并无妥善的分析模式可供解析。
对于一般几何造型的建筑物，扭转向风力的影响小于顺风向及横风向风力。由于扭转向风力也是源自流体分离，故亦无分析模式。所幸，横风向与扭转向风力对一般高层建筑的影响有限，主要的设计风力仍由顺风向风力控制。
近30-40年来，建筑风工程已有长足进步，常见建筑物（近似长方形，高宽比小，高度在数十米）所受的风力多能由风力规范计算得知。虽然近年来计算流体力学（CFD）进步很快，对于航天、汽车、机电方面的应用都有极大贡献，然而，应用于建筑物的复杂风力作用尚须一段时日。现阶段探讨建筑风工程，仍以缩尺模型作风洞物理模拟最为有利。
执行风洞试验时，需妥善考虑缩尺模型与实际高层建筑之间的模拟相似率，唯有如此，风洞缩尺实验结果才能确实应用于原型结构。设计高层建筑的风洞试验，需满足流场以及结构空气动力（或结构空气弹力）的模拟相似性。建筑风工程探讨的是建筑物在强风作用下的结构反应；以风洞进行缩尺模拟时，需要正确模拟（一）自然风场特性；（二）高楼几何特性；（三）正确的长度缩尺、时间缩尺与速度缩尺；（四）正确的高楼空气动力效应；（五）对于少数超高层建筑，需正确模拟建筑结构的空气弹力相似性。

风场评估的方法

传统方式要取得局部风速风向数据，可通过风洞试验，配合气象局提供的气象资料来达成。但由于计算机科技的快速进步，目前利用计算机模拟的方式亦能迅速有效地取得上述提及的数据，这一新风场评估方法就是计算流体力学。计算流体力学，是通过计算机来模拟流体运动过程的一门学问，内容主要是流体力学、数学、数值方法及计算机科技等之整合；应用范围非常广泛，航天、汽车、船舶、土木、机械、化工、医工、电子、材料、大气与海洋等均涵盖在内，例如飞机与汽车的外形设计、各类引擎燃烧室及冷冻空调系统设计、空气和水污染物扩散预测、建筑结构物（如超高大楼及桥梁等）受风与水流的影响、心脏和血管内的血流流动、高速火车进出隧道的噪音问题等，都可利用计算流体力学来研究与解决这些问题。

由于流体运动本身具三维性、时变性与非线性等特质，因此其物理现象非常复杂。早期的流体力学研究，主要是借助理论分析和实验。然而传统的理论分析方法，由于有许多假设与简化，能够解决的问题通常有限。近年来随着计算机计算速度与记忆容量不断地增进，计算流体力学所能解决问题的尺度与复杂度也逐渐加大；至今，计算流体力学已成为学界研究流体力学的主要利器之一，与理论流体力学和实验流体力学构成现代研究流体力学的三大主流。此分析工具，除了适于探讨参数变化的影响外，因其而建立的分析数据库，更可减少实验所需的工时而缩短设计时程。
以一个典型的求解计算流体力学过程为例，第一步是几何形状的数值化与网格化，由于实际应用的流场几何形状往往较复杂，需要用到格点产生法这类的专门学问，配置好相关的室内摆设。接着是数值分析中各种数值方法与物理模式的选用，数值方法如有限差分法、有限元素法或有限体积法等；物理模式如紊流模式、燃烧模式和多相流模式等，视流场形态而有不同的选择。所有流体的流动，须遵守黏性流体的基础运动方程式的那微史托克方程。最后，计算产生的数据作可视化的处理，经由适当计算机绘图，以2D或3D动画技术，显示出流体在空间中的流动与向量场的分布曲线，并可任意切出想要的平面观看流场分布。
空中缆车的设置有助于观光发展，但因缆车设置路线通常位于景观较佳的地区，故路线的规划多位于山区、海边等视野良好的区域。这些地区多为易受地形影响的风速敏感区，且缆车高度较高，所以必须完全了解缆车经过路线的风场状况，作为安全性评估的依据。针对此问题，计算流体力学数值模拟软件可提供有效的工具来解决。利用计算流体力学数值模拟软件，先将10×10米分辨率的地形数据输入计算机，即可获得地形图。将此地形的几何形状，利用软件数值化和网格化之后，即可利用数值方法，求得计算区间内的风速分布。再将规划路线的风速剖面图，利用2D平面和整体3D空间展示，可观察在通过路线上，随着高度变化和风速之间的关系，以及缆车可能设置高度的风速分布。由此数值分析的结果可得到足够的风场数据，作为缆车路线的安全性评估。
再如风力发电厂址的选定，沿海地区是风力资源相当丰富的区域，深具开发风力发电厂的潜力。如何选定一个最佳的风力发电厂址相当重要，除了气象站的风速资料，更应考虑当地特殊地形的效应。计算流体力学在此可适时提供有效工具，来决定最佳厂址。将风力发电厂址候选区域的地图数据，建立成网格化的数值空间，然后利用计算流体力学求解器，求得计算空间中的风速数据，最后将结果以图形展示，并可从计算的空间风速分布图中，决定风力发电机设置的最佳位置和高度。
至于都市行人环境风场该怎样评估？都市化的结果使得人口集中于大都市，为了容纳更多的移入人口，建筑物越建越高。兴建高层建筑时，建筑物本身对四周环境风场的舒适性问题也需加以考虑，如各高层建筑间形成的渠道效应、涡漩及下冲等现象，产生过快的风速及恼人的大楼风，造成人们行走或活动不便，都会直接或间接地降低该建筑物的使用功能。兴建高层建筑除了需满足自身安全性与舒适性要求外，同时也要避免对邻近的设施，如人行道、公园和开放式广场等，造成风场环境的冲击。
为避免新建大楼周围环境风场的改变，造成屋主和居民的纠纷，也为了提高居民的生活质量，先进国家纷纷立法来强制要求超高大楼在建筑前，需要经过一连串周围风场的环境影响评估，作为高楼兴建与否乃至小区及旅游休闲区整体开发的决策依据。计算流体力学也可应用于行人环境风场评估。比如将某区域的街道和建筑物展示图资料网格化之后，经过计算可绘制成图建筑物和距地面1.5米高平面的风速分布图。建筑物与建筑物间因为渠道效应，造成许多高风速区域。这一区域应尽可能减少行人活动，降低因高风速造成行人不舒适等问题的发生率。

桥梁受风的动力效应

悬索支撑桥梁由三种基本构件组成：桥塔、桥面版和缆索。缆索的功能是将加于桥面版的部分力量传递给桥塔，然后再经桥塔传递于基础上。悬索支撑桥梁型式可分为两大类，分别是斜拉桥和悬吊桥。
斜拉桥的主跨径约在数百至1000米间，当跨径越长所须斜拉缆索越多，导致靠近桥塔的桥面版断面的压力越大，因此斜拉桥最大跨径很难超过1000米。而悬吊桥跨径远大于斜拉桥，目前全球主跨径最长的日本明石大桥将近2000米，受到此桥已完工通车的鼓舞，全世界研究桥梁的学者及桥梁工程师莫不尝试突破其跨径，目前已有主跨2500米的可行性评估。由于悬索支撑桥梁主跨径甚长，为减轻结构的重量，其结构系统趋向采用细长化断面，再配合高拉力钢索及桥塔来传递垂直力；也正因为如此，此型结构系统受风的敏感性，随着跨径的增加而大幅提高。尤其自1940年塔科马海峡大桥受风吹袭倒塌以后，长跨径桥梁受风影响的问题逐渐受到重视。
那么，桥梁受风的动力效应是怎样的呢？一般而言，桥梁的气动力效应可分为五种：扭转不稳定、涡致颤动、风驰效应、颤振及抖振。
扭转不稳定是属于一种静态式的破坏现象。当桥梁断面受风时，桥面版会产生一个扭转角，而此角度会产生额外的扭力。在某一风速之下，当扭力和扭转角的斜率在某一临界值时，施力在桥面上的扭力会使桥梁结构无法抵抗而产生不稳定的现象。以近代桥梁而言，发生这种扭转不稳定现象的几率比较低。
涡漩是由于气流环绕物体表面，并且由此断面的边界分开所引起的涡漩现象，造成物体上下侧压力的不同，产生振动的现象。通常这种现象对钝体断面（如箱形）影响较为显著。涡致颤动会对桥梁产生周期性振动，一般不会造成桥梁结构的破坏。不过当涡致颤动发生时，对于桥面版及桥塔则会造成很大的影响，且此现象一般发生于较低风速（15m/s以下），应注意此效应长期作用下，可能引起的材料疲乏现象。目前并没有确切的理论模式，可以预测桥梁断面的涡流颤动行为，通常以风洞试验配合数值分析来计算颤动的振幅；若此振幅过大，则须修改断面形状或加扰流板，或加调质阻尼器来降低振幅。
风驰效应的原因，来自于结构体垂直向振动速度，与逼近流场的速度合成，造成风向角改变；而风向角的变化造成物体不对称性，引起在垂直向的上升力随之变化。此上升力的变化造成气动力的阻尼现象，造成结构体位移反应加大，进而再改变风向角，如此持续的互相作用，使得位移反应更加剧烈。风驰效应为一种不稳定振动，一般对于细长结构才会产生，特别对于断面型式为矩形，或受冰封的缆索等非流线型结构影响更大。以缆绳为例，为了避免风驰现象，可于缆绳表面作特殊处理或加装阻尼系统，以降低缆绳的振动。
颤振是气动力与结构惯性力、阻尼和内力交互作用下所产生的效应，由于桥体本身的微幅振动，而不断从流场中吸取能量，在到达临界风速时振幅迅速增大而使结构破坏。影响桥体颤振的主要因素为主梁断面的几何形状与结构的动力特性（包括垂直和扭转振态频率、振态形状）等。
颤振通常可以区分为单一自由度颤振和耦合颤振。若桥梁断面形状为非流线型时，流场在桥梁断面会有明显的分离现象，可能产生单自由度的扭转不稳定现象，这种颤振又称为阻尼驱动颤振，这是由于扭转向的气动力阻尼抵消了结构阻尼所引起的不稳定现象。
耦合颤振又称为古典颤振或劲度驱动颤振，一般是挠曲和扭转模式交互作用而成的不稳定振态模式。若桥梁断面形状越趋于流线型（机翼形状）时，流场在桥梁断面的分离现象较不显著，且当桥梁扭转振态频率与挠曲振态频率越接近时，这种古典颤振现象越容易发生。为避免颤振造成桥梁破坏，临界风速必须高于设计风速某一范围以上，若临界风速过低则须修改断面形状或装置调质阻尼器来增加桥梁稳定性。
抖振与大气中乱流有关。这是由于逼近乱流的速度扰动，对结构造成的一种不稳定载重，而使结构体产生振动的现象，因为乱流程度随时间和空间改变，故所造成的效应也将沿着车行方向而改变。抖振除与乱流特性有关外，也和桥面版的几何形状及桥梁基本振态有关。桥梁的抖振效应通常不会导致桥体破坏，倘若振幅过大，行车可能感到不适。此外，在长期作用下，桥梁材料可能因此而疲乏。由于桥梁断面都不是单纯几何形状，因此上述气动力效应的检核分析多须通过风洞试验所采集的气动力数据后才能进行。引用链接：www.qiji.cn/scinews/detailed/1740.htm

后记：中国空气动力学网站作为一个群体科研机构，其友情链接内容很“非主流”。钱老先生在天之灵看到不知作何感想。

该别墅的建成投入使用，标志着现代竹结构住宅技术已经实现了产品化，对现代竹结构技术在中国和世界的推广具有重要作用。由于上个世纪的砍伐，中国的森林资源十分匮乏，中国政府因此严格限制国内木材的生产并正致力于大规模的森林再生工作。而中国同时又是世界上主要的竹产区，竹在中国有数千年的应用历史。肖岩教授的胶竹技术使不规则的圆竹可以变成竹纤维增强材料，并可以像木材那样进行设计、裁制，因而可以适用于现代建筑工程。

该栋别墅的设计参照了北美木结构设计规范，墙体采用了胶竹2乘4结构可以抵抗强地震的作用。像现代木结构一样，所有的胶竹梁、柱和绗架均采用螺栓和钉连接。比起传统的混凝土房屋，竹结构房屋包括室内装修在内等工作可以一次完成，该竹结构样板房的建筑工期只用了8个工人在大约90个工作日内完成，建造速度快，工人劳动强度低。据肖岩教授介绍，竹结构别墅的造价和当地的传统混凝土结构比较也非常有竞争力。

坐落在历史名校湖南大学的这栋美式竹结构别墅看上去和典型的加州民居没什么区别。这座两层样板房的建筑面积为260平方米，设有5居室、3.5卫浴、厨房、餐室、起居室、壁炉和室内二层平台，及两车位连体车库。除了验证他的现代竹结构技术外，在加州住了快二十年的肖岩教授也希望给中国民众展示即舒适又设计合理的美式住宅。

这栋竹结构别墅建成后，很多开发商和潜在用户和肖岩教授联系，他的团队已经和国际竹藤组织开始在北京一所著名公园建造另一栋别墅样板房。肖岩也希望他们的现代竹结构技术能够帮助遭受了5.12汶川大地震灾害的四川灾区进行恢复重建。资料来源 : USC Viterbi School of Engineering.

1. no structural damage when subjected to a level 1 earthquake with an average return period of 50 years (63% probability of exceedance in 50 years)
2. repairable structural damage when subjected to a level 2 earthquake with an average return period of 475 years (10% probability of exceedance in 50 years)
3. severe structural damage permitted but collapse prevented when subjected to a level 3 earthquake with an average return period of 2500 years (2% probability of exceedance in 50 years) .For the CCTV development site, the peak horizontal ground acceleration values associated with the three levels of design earthquake are 7%, 20% and 40% of gravity respectively.

对应《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中关于：

1. 多遇地震烈度 intensity of frequently occurred earthquake：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63％的地震烈度值，相当于50年一遇的地震烈度值。
2. 基本烈度 basic intensity：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度值，相当于474年一遇的烈度值。
3. 罕遇地震烈度 intensity of seldomly occurred earthquake：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为2%~3%的地震烈度值，相当于1600~2500年一遇的地震烈度值。

设计基本地震加速度 design basic acceleration of ground motion：50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。北京8度区，设计基本地震加速度值0.20g。前两个阶段的弹性抗震设计采用SAP2000线性数值计算；塑性、损伤破坏计算采用非线性计算程序LS-DYNA。

Reference：

[1] Metal guru: Arup’s Chris Caroll on CCTV Headquarters, Beijing .

[2] China Central Television (CCTV) Headquarters, China .

[3] CCTV Headquarters, Beijing, China [PDF].

1、土木工程

本专业学生主要学习工程力学、流体力学、岩土力学和市政工程学科的基本理论，受到课程设计、试验仪器操作和现场实习等方面的基本训练，具有从事土木工程的规划、设计、研究、施工、管理的基本能力。

就业方向:在房屋建筑、地下建筑、隧道、道路、桥梁、矿井等的设计、研究、施工、教育、管理、投资、开发部门从事技术或管理工作。

2、计算机科学与技术

本专业培养具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件、软件与应用的基本理论、基本知识和基本技能与方法，能在科研部门、教育单位、企业、事业、技术和行政管理部门等单位从事计算机教学、科学研究和应用的计算机科学与技术学科的高级专门科学技术人才。

就业方向:学生毕业后可以到国内外众多软件企业、国家机关以及各个大、中型企、事业单位的信息技术部门、教育部门等单位从事软件工程领域的技术开发、教学、科研及管理等工作。也可以继续攻读计算机科学与技术类专业研究生和软件工程硕士。

3、通信工程

本专业学生主要学习通信系统和通信网方面的基础理论、组成原理和设计方法，受到通信工程实践的基本训练，具备从事现代通信系统和网络的设计、开发、调测和工程应用的基本能力。

就业方向:研究、设计、制造、运营及在国民经济各部门和国防工业中从事开发、应用通信技术与设备的工作。

4、工商管理

工商管理专业是职业经理人的摇篮，1999年创设。本专业学生主要学习管理学、经济学和企业管理的基本理论和基本知识，受到企业管理方法与技巧方面的基本训练，具有分析和解决企业管理问题的基本能力。

就业方向:毕业后能在综合经济管理部门、政策研究部门、金融（银行、证券、保险）机构和中外工商企业、各类中介服务组织中从事经济管理分析、预测、规划和管理工作的专门人才。

5、建筑学

本专业学生主要学习建筑设计、城市规划原理、建筑工程技术等方面的基本理论与基本知识，受到建筑设计等方面的基本训练，具有项目策划、建筑设计方案和建筑施工图绘制等方面的基本能力。

6、软件工程

本专业培养掌握计算机软件基本理论知识，熟悉软件开发和管理技术、能够在计算机软件领域中从事软件设计、开发和管理的高级人才。

就业方向:除考取国内外名牌大学研究生外，主要毕业去向是计算机软件专业公司﹑信息咨询公司﹑以及金融等其它独资、合资企业。

7、电气工程及其自动化

本专业学生主要学习电工技术、电子技术、自动控制理论、信息处理、计算机技术与应用等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识。学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练，具有工业过程控制与分析，解决强弱电并举的宽口径专业的技术问题的能力。

8、电子信息科学与技术

本专业培养具备电子信息科学与技术的基本理论和基本知识，受到严格的科学实验训练和科学研究初步训练，能在电子信息科学与技术、计算机科学与技术及相关领域和行政部门从事科学研究、教学、科技开发、产品设计、生产技术或管理工作的电子信息科学与技术高级专门人才。

9、生物技术

本专业培养具备生命科学的基本理论和较系统的生物技术的基本理论、基本知识、基本技能，能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作，能在工业、医药、食品、农、林、牧、渔、环保、园林等行业的企业、事业和行政管理部门从事与生物技术有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的高级专门人才。

10、自动化

自动化专业是教育部确定的七个电气信息类专业之一。本专业培养具备坚实的电气信息学科的基本理论知识，能在电气工程、自动化过程装置、计算机控制系统等领域从事自动化信息控制系统的研究、设计、运行及管理等方面的高级工程技术人才。

后记：N年前知道一博士朋友的专业是“前秦历”，唏嘘感叹这个专业如何就业？与想象的恰恰相反，越是稀缺的专业反而越好就业，后来朋友分到国字号单位上班。土木工程的就业市场与庞大的就业人员数量相比较，就业形式并不乐观。市场是分子，竞争就业是分母，两者相除，才发现结果原来是小数点后几位。当然了，人家凤凰网讲的是前途，可是不就业哪来的前途。