1. 什么是房屋结构设计中的风荷载

较主观印象下，离海平面越高风越大，越空旷的地方风越大，似乎还与房屋的形状有关，各地的气象条件不同风力也应当有所差别。的确，《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)就是按照以上几点来规定风荷载的。

计算主要受力构件时，风荷载标准值按下式计算：

1.1. 基本风压w0

基本风压w0是根据当地气象台站历年来的最大风速记录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪器和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，自记10min平均年最大风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速，再按以下贝努力公式计算得到：

1.2. 风振系数βz                                                 

风会引起结构振动，且随着结构自振周期的增长，风振也随之增强。因此在结构设计中应当考虑风振的影响。风振系数βz 由以下公式计算：

在实际计算过程中，R 及Bz 计算十分繁复，一般由计算机完成计算。

1.3. 风压高度变化系数μz                             

在大气边界层内，风速随离地面高度增加而增大。风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为300m~500m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称之为梯度风高度。地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区为低。

我国将地貌按地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类是指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠等；B类指空旷田野、乡村、从林、丘陵及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类是指有密集建筑物且有大量高层建筑的大城市市区。

根据地面粗糙度及梯度风高度，风压高度变化系数可按照下列公司计算：

也可根据所处地貌及离地面或海平面高度查阅工具表格得出：

1.4. 风荷载体型系数μs                            

风荷载体型系数 μs 指作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值，主要与建筑物的体型和尺寸有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。此参数至今还无理论上的计算结果，一般根据相似性原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试得出。一般来说，对于常见建筑物(外形切面为4边矩形)，μs 可取1.3。

1.5. 风荷载计算实例

我们按照以上公式(也是国标标准)对深圳地标平安金融中心中部300m高处的风荷载标准值进行计算。

深圳地区50年重现期基本风压W₀=0.75kN/m³(荷载规范：P139)；深圳作为国际大都市且拥有众多高层建筑，地面粗糙度划分为D类，因此在300m高度，查表1可得到风压高度变化系数μz =2.02；平安金融中心外形切面近似为正方形，近似取体型系数μs =1.3；简化计算，不考虑风振效应，取风振系数βz=1。

综上，我们可得深圳平安金融中心300m处风荷载标准值w_k=β_zμ_sμ_zw₀=1×1.3×2.02×0.75=1.9695 kN/m³，再乘上受力面积便是结构设计中假设的作用于平安金融中心300m高度处的风荷载，按此确定截面、配置钢筋，校核横向位移角，所设计的建筑便能满足50年重现期风荷载作用下的安全。

2. “山竹”最大风力处建筑物是否安全

据“中国天气台风网”[3]，2018年第22号台风“山竹”于9月16日17时前后在广东江门台山沿海登陆，登陆时中心附近最大风力为14级（45m/s）。

根据荷载规范，广东省台山50年重现期的基本风压w₀=0.55kN/m² ，近似取空气密度0.001293t/m3，可得基本风速v0=29.17m/s，“山竹”登录时中心风速已超基本风速54.28%。

“山竹”作用下，建筑物承受的最大基本风压w₀'=1.31kN ⁄ m²=2.38w₀，所承受的风荷载是原设计荷载的2.38倍！

那么在此极端条件下，建筑物是否能保证安全？让我们逐一挖掘结构设计中国家规范、行业标准、结构工程师设计习惯所预留的安全空间，综合起来看结构整体的安全储备。

2.1. 荷载组合分项系数预留的安全空间系数

在计算出风荷载标准值wk 之后，需按照承载能力极限状态进行荷载组合，并去最不利组合进行设计。

若结构强度由风荷载控制，按下式进行计算：

因此，对于风荷载，荷载组合分项系数预留的安全空间为1.4。

2.2. 材料预留的安全空间系数

按照承载力极限状态法进行结构设计时，考虑材料性能不确定性，会按照某一系数(称为材料分项系数γ)将材料强度由标准值降低至设计值进行计算。

螺纹钢一般取1.1~1.15，混凝土取1.4[4]；钢材按厚度一般为1.1~1.4[5]。

对于混凝土结构，一般含钢率在2%以下，我们近似认为材料预留的安全空间为1.4；对于钢结构，取中值，材料预留空间为1.25。

2.3. “高规”强制条文规定的安全空间系数

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010强制条文4.2.2指出，对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。

2.4. 结构工程师设计习惯所预留的安全空间系数

在实际设计过程中，结构工程师一般会通过应力比控制和钢筋(或钢结构截面)超配来预留安全空间。

应力比指构件承受的荷载设计值与构件极限承载能力的比，如某框架柱承受的荷载为10t，结构工程师一般会预留20%的空间，将此框架柱的极限承载力配置为12t。应力比预留的安全空间系数为1.2。

钢筋超配指结构工程师一般会比计算结果多配置15%左右的钢筋，如某截面计算显示需配置100cm²钢筋，实际图纸会配置钢筋截面面积约115cm²。

因此，结构工程师设计习惯所预留的安全空间系数为1.2×1.15=1.38。

2.5. 安全空间综合测算

综上2.1~2.3，混凝土结构的安全空间系数为1.4×1.4×1.1×1.38=2.98，钢结构的安全空间系数为1.4×1.25×1.1×1.38=2.66，均大于“山竹”的2.38倍。因此，只要是按照现行国家标准设计且保质保量施工的房屋，在此次“山竹”特大台风之下是安全的，结构基本上依旧处于弹性变形的状态。

位于台风影响范围内的港珠澳大桥、广州“小蛮腰”、深圳平安金融中心均完好无损，展现了我国规范较高的可靠度以及设计人员高超的技术水平。

3. 风荷载之下，钢结构与混凝土结构，哪种结构形式更好

水平荷载(风荷载、地震荷载为主)之下，建筑物在水平方向会产生位移。为了1）保证主结构基本处于弹性受力状态，避免裂缝出现；2）保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件完好，避免产生明显损伤，需限制建筑结构层间位移。

层间位移角指层间位移与层高之比，一般以此指标来衡量建筑物的水平位移的大小。层间位移角按下式计算：

高规及高钢规分别对混凝土结构及钢结构层间位移角限值进行了规定：

我们以一栋20层、每层层高为3m的建筑结构进行对比。在弹性极限的水平荷载作用下，混凝土结构每层的水平位移为(1/1000~1/500)×3000=3~6mm，逐层累计，楼顶处的水平位移为(3~6)×20=60~120mm。同样的，如果是钢结构，每层的水平位移为1/250×3000=12mm，楼顶处的水平位移将达到12×20=240mm，已经是肉眼可见、比较夸张的水平位移了。

综上，我们发现，按现行规范要求设计，在水平荷载作用下，钢结构的层间位移角及层间位移均远大于混凝土结构，钢结构在使用舒适性方面不及混凝土结构。同时，由于较大的层间剪切变形，钢结构内部非结构构件损坏的概率也要高于混凝土结构。

注：

[1] 《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，《钢结构设计规范》GB50017-2003，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015等

[2]  指《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，下同

[3]  http://www.weather.com.cn/zt/tqzt/2930932.shtml

[4]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，P19~24

[5]《钢结构设计规范》GB50017-2003，P17

[6]  指《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，下同

风险提示：本文仅作科普讨论，不构成投资建议。