在风荷载下超高建筑的气动与结构混合优化：实现可持续与经济设计

为什么摩天楼的形状与结构很重要

随着城市向上发展而非向外扩张，超高塔楼必须在强风中安全屹立，同时保持可承受的造价和环保性。本研究表明，通过谨慎地重塑摩天楼的棱角并微调其内部骨架，可以在不改变建筑基本外观或功能的情况下，显著减少风致晃动、节省大量混凝土用量，并削减数千吨碳排放。

让高层建筑在风中少“舞动”

非常高的建筑在风中有点像巨大的芦苇：如果其形体与结构设计不当，会导致居住者感到不适的摇摆，甚至存在损伤风险。传统的解决方案通常依赖风洞试验并增加结构材料或安装调谐质量阻尼器等附加装置。这些方法有效，但成本高且难以广泛探索。作者采用了现代计算模拟，探索通过对塔楼外形与内部框架的细微调整，如何在保持建筑轻量化和经济性的同时抑制风致响应。

通过修饰棱角来平息气流

研究以迪拜一座现有的90层八角形住宅塔楼为现实试验对象。利用计算流体力学，模拟不同棱角处理方式（圆角、倒角即斜切、以及后退形）下的稳态风流过多种建筑变体。随后构建的数学“代理”模型从有限的精细模拟结果中学习每种棱角半径与面积变化如何影响塔顶的横向位移。这使团队能够快速扫描设计空间，找出在尽量不减少可用楼面空间的前提下，最能减少风荷载的棱角形状。

教结构用更少的材料完成更多工作

在得到气动上改进的外形后，作者转向建筑的隐含骨架——核心墙、周边柱和楼板梁。他们使用受自然进化启发的遗传算法，尝试数千种不同的构件厚度与截面深度组合。结构分析软件对每个候选设计进行校核，检查总体漂移、楼层间相对位移以及塔顶加速度（与居住者对运动的感知相关）是否满足严格限值。违反舒适或安全限制的设计会被“惩罚”并剔除，而表现更好的方案则被保留并重组，直至算法收敛到既轻量又稳健的配置。

该综合方法带来的成果

通过先调整棱角再对结构框架进行优化，研究取得了显著节约。最佳倒角设计将风致塔顶最大位移约减少28%，同时总楼面面积损失不到1%。在此基础上进行的结构优化沿塔高对墙体、柱和梁的尺寸进行减薄。最终方案中，塔楼侧向体系所用混凝土约减少28.8%，相当于约9850立方米的削减。以高强度混凝土的典型碳排放计算，这相当于约减少4630吨的隐含二氧化碳排放，同时仍将漂移和加速度控制在国际舒适与安全标准范围内。

对未来城市天际线的意义

简而言之，研究表明通过智能的计算辅助协调建筑外形与内部框架，可以同时使摩天楼在风中更为刚性的、造价更低且对气候更友好。与其简单地增加材料或外加阻尼装置，设计者可以依赖集成的数字化工作流程，让建筑自身的几何形状和结构承担更多功能。随着城市继续向上发展，这类气动—结构混合策略为更高、更安全、更舒适且更可持续的天际线提供了一条可行路径。

引用: Al-Masoodi, A.H.H., Shafiq, N. & Al-Masoodi, A.H.H. Hybrid aerodynamic and structural optimization of super-tall buildings under wind loads for sustainable and cost-efficient design. Sci Rep 16, 10634 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45932-0

关键词: 超高建筑, 风工程, 结构优化, 气动设计, 可持续建设