一种基于吹吸气的屋盖风荷载优化系统、方法及屋盖结构与流程

本发明涉及屋盖技术，具体涉及屋盖的风荷载优化技术。

背景技术：

大跨度结构作为一类新颖结构体系，其结构性能具有许多区别于传统结构的特点，因而也对现行的设计理论和分析手段提出了挑战。

(1)建筑形式复杂。大跨屋盖结构多为复杂曲面形式，且建筑造型鲜有雷同，结构表面的风压分布情况差异显著。

(2)风荷载时空特性复杂。由于大跨屋盖结构形式沿水平向的跨度通常远大于结构高度，因此结构表面的风压分布不但与来流的脉动特性有关，还会更多的受到结构自身特征湍流的影响，这使得现有技术很难获得一种普遍适用大跨屋盖结构的阵风荷载模型。

(4)钝体绕流的复杂特性。来流绕建筑物的流动包含有大气湍流、分离的剪切层产生的分离流及再附着的尾流产生的三维流等，风荷载特性不但受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响，还与结构的几何外形直接相关。

基于以上几点，同时由于大气风环境在良态风与极端气象条件风环境下的复杂性，基于现有技术无法很好地结合大跨屋盖结构本身的特点以及风荷载作用的复杂特性，往往造成不必要的浪费，另一方面也不排除某些未预见到的隐患。

由此造成的大跨屋盖结构的风灾事故也层出不穷。在未能透彻的理解大气风环境以及大跨屋盖风荷载特性的情况下，如何为大跨屋盖结构设计一种方案，能够在不改变既有建筑气动外形条件下，有效提高屋盖结构的抗风能力，是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有屋盖结构在抗风能力方面所存在的问题，需要一种新的抗风能力强的屋盖结构设计方案。

为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于吹吸气的屋盖风荷载优化系统、方法及屋盖结构，通过主动调节屋盖表面风荷载分布，在不改变屋盖结构气动外形的前提下，达到提高屋盖结构抗风的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于吹吸气的屋盖风荷载优化系统，通过控制吹吸气机构进行吹吸气来主动调节屋盖表面的风压。

进一步的，所述屋盖风荷载优化系统包括：

风压感应器，所述风压感应器分布在屋盖表面上；

吹吸气机构，所述吹吸气机构分布设置在屋盖表面上，通过主动吹气补偿屋盖表面的风压；

控制机构，所述控制机构控制连接风压感应器和吹吸气机构形成屋盖风荷载调节回路。

进一步的，所述风压感应器根据屋盖表面的面积，采用单点或多点测压设置。

进一步的，所述吹吸气机构包括分布吹吸气口、檐口吹吸气口以及吹吸气电机，所述分布吹吸气口分布于屋盖风荷载负压值敏感处，所述檐口吹吸气口分布于檐口来流分离处；所述吹吸气电机受控于控制机构，对分布吹吸气口或/和檐口吹吸气口进行吹气或吸气。

进一步的，所述分布吹吸气口为以一定距离间隔的长条状或多边形孔状口或圆形孔状。

进一步的，所述分布吹吸气口或/和檐口吹吸气口设置有防水结构。

进一步的，所述檐口吹吸气口为短距离间隔的长条状或多边形孔状口或圆形孔状。

进一步的，所述吹吸气电机根据控制机构的的反馈调节功率，形成满足分布吹吸气口、檐口吹吸气口的风速。

进一步的，所述控制机构基于屋盖表面风压与分布吹吸气口、檐口吹吸气口的风速之间的对应关系构成屋盖风荷载调节回路。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于吹吸气的屋盖风荷载优化方法，其通过吹、吸气主动调节屋盖表面的风压来调节屋盖表面风荷载分布。

进一步的，所述优化方法基于屋盖在即时风环境条件下既有的风荷载的前提下，针对屋盖负压分布区，进行主动的吹、吸气来调节屋盖负压分布区风压。

进一步的，所述优化方法包括：

获取并判断屋盖表面各区域实时的风压值是否超过阈值；

针对风压值超过阈值的区域进行主动吹、吸气，调节其风压值；

实时监测风压值，并相应调节主动吹、吸气的功率，直到风压值降低到阈值以下。

为了解决上述技术问题，本发明提供的风荷载优化的屋盖结构，其具有基于吹吸气的屋盖风荷载优化系统。

本屋盖结构风荷载优化方案，能够在不改变屋盖结构气动外形的前提下，通过主动补偿的手段，降低屋盖风荷载分布值，提高屋盖结构抗风的性能，降低风灾的发生可能性。该发明适用于新建屋盖建筑，同时适用于既有大跨屋盖建筑的改造工程。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例1中带点状分布吹吸气口的屋盖结构示意图；

图2为本发明实例1中一种吹吸气机构的结构示意图；

图3为本发明实例1中另一种吹吸气机构的结构示意图；

图4为本发明实例2中带条状分布吹吸气口的屋盖结构示意图；

图5为本发明实例2中一种吹吸气机构的结构示意图；

图6为本发明实例2中另一种吹吸气机构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本方案通过实时监测屋盖表面各区域的风压值，以自动吹吸气来主动调节屋盖表面各区域的风压，由此来改善屋盖的负压分布区风压，实现主动调节屋盖表面风荷载分布，优化屋盖结构风荷载，提高屋盖的抗风能力。

据此原理方案，以下通过相应的实例来说明本方案的具体实现过程。

实例1

参见图1-图2，本实例通过在屋盖结构中设置相应的屋盖风荷载优化系统，该系统通过主动补偿的手段，针对屋盖表面进行吹吸气，由此来主动调节屋盖表面风荷载。

本实例中的屋盖风荷载优化系统100主要设置在屋盖200的屋面210和内饰吊顶220之间，由此可有效的对屋盖表面进行吹吸气来实现主动调节。

由图可知，本屋盖风荷载优化系统100主要包括风压感应器110、分布吹吸气口120、檐口吹吸气口130、分布管道140、吹吸气电机150、控制机构(图中未示出)。

其中，风压感应器110分布在屋面210表面上，用于实时监测屋面表面风压(即风吸压强)。根据屋盖覆盖面板的面积，该风压感应器110可采用单点或多点测压设置，进行单点测压或多点测压平均。

对于风压感应器110的具体结构此处不加以赘述，只要能够精确测量屋面表面实时的风压值即可。

对于风压感应器110的具体固定设置结构此处不加以赘述，只要能够稳定性强，便于施工即可。

分布吹吸气口120穿设在屋面210上，用于向屋面210表面进行吹、吸气，实现屋面表面风压值的主动调节。

本实例中，分布吹吸气口120优选分布于屋盖屋面表面风荷载负压值敏感区域，以便用于对屋盖负压风荷载的精确、及时的调节。

对于该分布吹吸气口120采用多边形孔状口或圆形孔状，其根据屋面表面的面积以及不同区域的特点进行分布。作为举例，如在屋盖屋面表面风荷载负压值敏感区域优选分布且分布密度大，而其他非风荷载负压值敏感区域可采用较小密度的分布。

对于屋面表面各区域分布吹吸气口120的分布方式，作为举例，可采用以一定间隔距离进行阵列式的匀距分布，也可以采用多重的同心圆式分布。分布吹吸气口120具体的分布方式不限于此，根据实际需求而定，只要能够使得分布吹吸气口120在屋面表面的相关区域都有足够的布置，能够满足对该区域的风压值进行精确，及时的主动调节即可。

在具体实现时，每个分布吹吸气口120位于屋面表面的端口都设置有相应的防水结构和端口开关结构。防水结构用于放置雨水进入到分布吹吸气口120，具体的结构形式，可根据实际需求而定。而端口开关结构用于控制分布吹吸气口120的开启和关闭，其具体的结构形式，可根据实际需求而定。

另外，分布吹吸气口120的端口可垂直设置在屋面表面上(如图3所示)，即端口位于分布吹吸气口120的端部，相对于屋面表面直接垂直向上，由此可以保证分布吹吸气口120吹、吸气效率，便于控制风速。

作为另外一种替换方案，该分布吹吸气口120的端口平行于屋面表面(如图3所示)，即端口位于分布吹吸气口120的侧面，以平行于屋面表面方向进行吹、吸气，这样能够保证分布吹吸气口120吹、吸气的可靠性和稳定性。

本实例中，檐口吹吸气口130，其相对于分布吹吸气口120分布于檐口来流分离处，用于与分布吹吸气口120配合，在屋盖结构内形成相应的通气道。其作为进气口或出气口，由此来配合分布吹吸气口120实现屋面表面的吹、吸气，以对其风压值进行主动调节。

对于该檐口吹吸气口130可采用长条状或短距离间隔多边形孔状口或圆形孔状。对于多边形孔状口或圆形孔状的分布方案，可根据实际需求而定，只要能够很好的配合对应的分布吹吸气口对屋面表面的相关区域进行风压值主动调节即可。

对于该檐口吹吸气口130的具体形成结构和安置结构，本方案不加以限定，可根据实际需求而定，只要能够保证檐口吹吸气口的稳定可靠性即可。

在具体实现时，每个檐口吹吸气口130的端口都设置有相应的防水结构和端口开关结构。防水结构用于放置雨水经由檐口吹吸气口130进入到屋盖内，其具体的结构形式，可根据实际需求而定。而端口开关结构用于控制檐口吹吸气口130的开启和关闭，其具体的结构形式，可根据实际需求而定。

本实例中，吹吸气电机150相对于每个分布吹吸气口120布置在屋盖结构，通过相应的分布管道140与每个分布吹吸气口120连接，用于控制每个分布吹吸气口120进行吹、吸气的风速和时间。

另外，根据需要该吹吸气电机150还与相应的檐口吹吸气口130连通，使得分布吹吸气口120、吹吸气电机150以及檐口吹吸气口130形成一个吹吸气导通。

这里的分布管道140采用硬质壁面管道，保证可靠性。

对于这里的吹吸气电机150的具体结构和设置方案可根据实际需求而定，此处不加以限定。

本实例中，控制机构为整个系统的控制中心，其控制连接所有布置的风压感应器110、吹吸气电机150以及分布吹吸气口120和檐口吹吸气口130上的端口开关结构(如何设置的话)。

该控制机构控制风压感应器、分布吹吸气口120、吹吸气电机150以及檐口吹吸气口130之间形成屋盖风荷载调节回路，具体构建风压与分布吹吸气口、檐口吹吸气口的风速的调节反馈回路，实现优化屋盖结构风荷载的功能。

具体的，该控制机构内针对屋面表面各区域预设相应的风压值(主要是控制风吸压强)阈值，据此首先根据风压感应器实时监测到的屋面表面各区域的风压值，形成即时风环境条件下既有的风荷载；接着基于预设的风压值(主要是控制风吸压强)阈值判断屋面表面各区域分压至是否正常(特别是负压分布区风压)，并在此基础上形成相应的调节反馈信号，通过该调节反馈信号来控制相应区域内分布的分布吹吸气口、檐口吹吸气口的开启或关系以及吹吸气电机的启动或停止，使得吹吸气电机150根据控制机构的反馈调节功率，在分布吹吸气口、檐口吹吸气口形成满足要求的风速，由此来精确调节屋面风压值，继而优化屋盖结构风荷载(如改善屋盖的负压分布区风压)。

这里的控制机构具体组成结构不加以限定，只要能够满足相应中心控制功能即可。作为举例，该控制机构由pc、云服务器、mcu、或制芯片来组成，但并不限于此。

据此构成的屋盖风荷载优化系统，其安置在相应的屋盖中时，能够以屋盖在即时风环境条件下既有的风荷载为输入值，以控制风压值(主要是控制风吸压强)为阈值，通过回路调节，使得屋盖风压控制在阈值以下，以达到提高屋盖结构抗风的性能。

据此，其进行屋盖风荷载优化调节的过程如下：

(1)控制机构根据风压感应器实时监测到的屋面表面各区域的风压值，形成即时风环境条件下既有的风荷载；

(2)控制机构根据预设的风压值阈值，判断获得的屋面表面各区域的实时风压值是否超过阈值；

(3)针对风压值超过阈值的区域形成相应的调节反馈信号，通过该调节反馈信号启动该区域内分布的吹吸气电机，并控制该区域分布的吹吸气口开启进行吹气；开启该区域内分布的檐口吹吸气口开启进行吸气，由此对风压值超过阈值的屋面表面区域进行主动吹气补偿，调节其风压值；

(4)控制机构通过风压感应器实时监测该屋面表面区域的风压值变化，并相应调节吹吸气电机进行吹、吸气的功率，在相应的分布吹吸气口、檐口吹吸气口形成满足要求的风速，直到风压值降低到阈值以下。

由上可知，本实例提供的方案能够在不改变屋盖结构气动外形的前提下，使得屋盖风荷载分布值达到小于目标阈值的目标，达到提高屋盖结构抗风的性能，降低风灾的发生可能性。

另外，本方案不局限于特定屋盖形式、不局限于特定的气候风条件，可在不改变既有建筑气动外形条件下，有效提高屋盖结构的抗风能力。

实例2

参见图4-图6，本实例提供在实例1方案的基础上调整分布吹吸气口的结构形成，在本实例中采用条状分布吹吸气口160来替换实例1中多边形孔状口或圆形孔状的分布吹吸气口120，形成具有屋盖风荷载优化系统的屋盖，该屋盖风荷载优化系统具有条状分布吹吸气口。

对于该条状分布吹吸气口160在屋面表面的分布，同可根据实际需求而定，此处不加以限定。如图方案，若干的条状分布吹吸气口160以一定的距离匀距分布在屋面表面，但并不限于。与之配合的，风压感应器110相对于其分布在屋面表面上。

在此基础上，为了配合条状分布吹吸气口160的特点，吹吸气电机150沿条状分布吹吸气口160的长度方向分布在其两侧，通过相应的分布管道140与其连通。

本实例方案其它方案与实例1相同，此处不加以赘述。

由此，本实例提供的方案同样能够在不改变屋盖结构气动外形的前提下，使得屋盖风荷载分布值达到小于目标阈值的目标，达到提高屋盖结构抗风的性能，降低风灾的发生可能性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。