Современные подходы к исследованию аэродинамической устойчивости зданий сложной криволинейной формы

Введение. Современная архитектура характеризуется активным использованием зданий сложной криволинейной формы, обладающих высокой выразительностью, но требующих решения новых инженерных задач, связанных с обеспечением их аэродинамической устойчивости. Нормативные методы расчёта ветровых нагрузок ориентированы преимущественно на здания простой геометрической формы и не учитывают особенностей обтекания свободных оболочек. Это обусловливает необходимость систематизации современных подходов к анализу ветрового воздействия на подобные сооружения. Целью настоящего исследования является обобщение и сравнение нормативных, экспериментальных и численных методов оценки аэродинамической устойчивости зданий сложной формы.

Материалы и методы. Объектом исследования является здание с биоморфной трёхлучевой структурой, характеризующееся плавными очертаниями и сложной пространственной топологией. Для анализа аэродинамических характеристик  выполнено  численное  моделирование  ветрового  потока  с  применением  программы  RWIND Simulation. Исследование выполнено с целью определения особенностей обтекания и распределения аэродинамических нагрузок на поверхность здания сложной формы.

Результаты исследования. В результате выполненных расчетов получены распределения давления, скоростей и коэффициентов давления по поверхности здания. Выявлены зоны локального повышения и разрежения давления в областях сопряжения объёмов и углублений кровли. Установлено, что криволинейная форма здания способствует снижению интегрального аэродинамического сопротивления, однако вызывает образование локальных вихревых структур, которые необходимо учитывать при проектировании фасадных и кровельных систем.

Обсуждение и заключение. Полученные результаты подтверждают эффективность применения методов вычислительной гидродинамики (CFD — Computational Fluid Dynamics) для анализа аэродинамических свойств зданий сложной формы. Комплексное использование нормативных, экспериментальных и численных подходов обеспечивает более точную оценку ветровых воздействий и способствует формированию современной методологии проектирования аэродинамически устойчивых архитектурных сооружений.

1. Алборова Л.А., Мамиева И.А. Криволинейные формы в архитектуре зданий и сооружений XX века. Academia. Архитектура и строительство. 2023;3:154–164. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2023-3-154-164

2. Rimshin V, Truntov P. Determination of aerodynamic coefficients in the design of buildings. Modern Problems in Construction. 2023;372:149–155. https://doi.org/10.1007/978-3-031-36723-6_16

3. Gan W, Guo H, Zhang H, Zhao F, Li J, Peng S. et al. Wind-driven dynamics around building clusters: impact of convex and concave curvilinear morphologies and central angles. Atmosphere. 2024;15(12):1454. https://doi.org/10.3390/atmos15121454

4. Самсонов В.Т. Расчёт аэродинамических характеристик смежных зданий. Строительство и архитектура. 2020;8(1):67–81. https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-67-81

5. Celik I, Rumsey C, Smith R, Ham F, Menter F, Rumsey P. RANS/LES/DES/DNS: the future prospects of turbulence modelling. ASME Journal of Fluids Engineering. 2005;127(5):829–830. https://doi.org/10.1115/1.2033011

6. Liu C., Liu C., Ma W. Rans, detached Eddy simulation and large Eddy simulation of internal Torque converters flows: A comparative study. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2015;9(1):114–125. https://doi.org/10.1080/19942060.2015.1004814

7. Yadav H., Roy A.K. Wind-induced aerodynamic responses of triangular high-rise buildings with varying cross-section areas. Buildings. 2024;14(9):2722. https://doi.org/10.3390/buildings14092722

8. Cunningham D, Ramponi R, MacReamoinn R, Keenahan J. Modernizing wind load standards for Ireland. Wind. 2025;5(4):26. https://doi.org/10.3390/wind5040026

9. Verma H, Sonparote RS. Forecasting aerodynamic coefficients of bi-axial symmetric C plan-shaped tall buildings using ANFIS. KSCE Journal of Civil Engineering. 2024;28: 2286–2303. https://doi.org/10.1007/s12205-024-0982-y

10. Wang Q, Zhang B. Wind-induced responses and wind loads on a super high-rise building with various cross-sections and high side ratio — a case study. Buildings. 2023;13(2):485. https://doi.org/10.3390/buildings13020485

11. Han W, Kim H, Son E, Lee S. Assessment of yaw-control effects on wind turbine-wake interaction: A coupled unsteady vortex lattice method and curled wake model analysis. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2023;242:105559. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105559

12. Menter FR Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal. 1994;32(8):1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

13. Lu WT, Phillips BM, Jiang Z Aerodynamic Responses of Tall Buildings with Cross-Section Modification through Additive- and Subtractive-Based Strategies. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2024;250:105762. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2024.105762

14. Su LK, Gu M Research on Wind-Induced Interference Effect of Adjacent Super Tall Buildings Based on Two-Aeroelastic-Model Wind Tunnel Test. Acta Aerodynamica Sinica. 2025;1:1–10. (in Chinese) https://doi.org/10.7638/kqdlxxb-2024.0049

15. Rani N, Pratap A, Ahuja AK Evaluation of Wind Pressure Distribution on Single and Multi-Span Cylindrical Canopy Roofs Using Wind Tunnel Testing. KSCE Journal of Civil Engineering. 2024;28(8):3344–3358. https://doi.org/10.1007/s12205-024-1013-8

16. Jiang Y, Hui Y, Li M, Zhu H, He B Experimental Study on Wind Load Characteristics of Rooftop Canopies of Low and Medium Rise Buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2024;249:105748. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2024.105748