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建筑气象学
 

建筑气象学,是研究气象对建筑的影响和建筑的气象效应的一门学科。在设计高层建筑时,除须考虑地震因素外,还须考虑风荷载等气象因素的影响。此外,不合理的建筑布局会导致空气污染加重。因此,如何正确使用气象资料,保证建筑设计既安全、经济和实用,又有合理的布局,形成良好的气象效应,是建筑气象学的研究内容。

古人为抗御风、雨、寒、暑创造了供自己休息的原始住所——巢、穴和窝等,这就是人类历史上最早出现的建筑雏型。随着社会的发展和生产、生活的需要,逐步发展了适应不同气象条件的建筑。如中国古书《墨子》中说到“为宫室之法曰:高,足以避润湿;边,足以圉(抵御)风寒;上,足以待雪、霜、雨、露”,这就是在建筑中考虑气象因素的记述之一。

北宋初年,著名的木结构建筑匠师喻浩,在宋都东京(今开封)建造八角形、高36丈(120米)的开宝寺塔(灵感塔)时,根据当地最大风速的方向为西北风的特点,将塔身略倾斜于西北方,以抵抗风压力的作用,这是建筑史上最早考虑风压的建筑物。

二十世纪40年代后,随着大型工业企业、超高层办公楼和超级旅馆等大型建筑物的不断出现,气象因素对建筑的影响越来越受到重视。如1940年美国华盛顿州的塔康马悬桥,在风的动力作用下被摧毁;1965年英国费尔桥电厂的冷却塔群中的三个,在大风中倒塌。这些事故促使人们在建筑设计中,要进一步考虑风力与建筑物的共振作用。

随着现代建筑科学技术的发展,为设计和建造在不同气象条件下的良好的室内小气候环境,无论在城市规划、建筑设计,以至建筑的形式和材料、建筑工艺和施工等方面,都要掌握各地区天气气候的规律。

在全年只有一个盛行风向的地区,工业区常设在盛行风向的下风侧,居住区在其上风侧,以避免工业区向大气排放的有害物对居民区的影响;在季风区,由于冬季和夏季的风向基本上相反,故将工业区布置在最小风频的方位,而把居住区设在最小风频的下风方位,使居住区的空气受污染的程度最小;在建筑规划或设计时,不但要考虑大气候的影响,还要考虑与局地环境条件有关的气候特征的影响,如“城市热岛”“城市风”等;山区工厂排放的热量,可使近地面层热状况改变,引起逆温强度变弱、逆温中心抬高,逆温时,大气稳定,污染物质很难扩散,在工厂设计时,烟囱有效高度通常应达逆温层之上。

风压是建筑结构设计中侧向载荷的一种主要基本数据,建筑设计中必须考虑风荷载。风压是垂直于气流方向的平面上所受到的压强。在设计中,若风压取值偏低,则建筑物的安全就无保障;若取值合理,则既安全,又可以节约资金。

雪压是单位面积上的雪重,即积雪深度和积雪密度的乘积。在建筑结构设计中,雪压是铅直荷载的一种主要数据。计算雪压时,还要考虑降雪时的风速,风可引起雪花飘移,使屋面积雪重新分布,没有障碍物的屋面上的积雪比地面少,有障碍物的部位积雪比地面多。西欧冬季降雪大的地区,为了减少积雪,其屋面坡度一般为60°,以使屋面积雪下滑而减小雪压。

在工业和民用建筑设计中,为了满足生产和人民生活的需要,设置必要的采暖、通风和空气调节设备,使室内在不同的季节均能保持一定气温、相对湿度、空气流速和清洁度。采暖、通风和空调系统均需消耗能源,既不要浪费能源,又要满足生产和生活的需要,就需根据当地的气候条件,即当地多年的气象观测资料来设计。

为尽量利用气象条件,常在建筑布局上充分考虑自然调节的作用,如中国东北、西北和华北的建筑外墙厚,北窗小,街道走向多采用正南正北、正东正西向,以充分利用阳光;在天气炎热雨季较长的地区,房屋高敞开朗,出檐深,有阳台凹廊,门窗多对着开,以利通风降温;东南沿海城市,街道走向多采用东南朝向,以利用夏季来自海洋的夏季风,而求得凉爽;西南地区的干栏、竹楼,可防潮湿和强烈日光照射;新疆吐鲁番地区按小天井院落布局的土拱住宅,既可减少日照,又有良好隔热性能;印度沿海地区,房屋窗户很少,房顶上的出气孔面对海风,以利于房屋的通风。

室内良好的光照是保证人们正常工作、学习和生活的必要条件之一,在建筑设计时必须考虑室外的照度及其日变化。在居住区的平面布置中,房屋的间距都必须根据全年不同季节的太阳光入射角来确定。

在建筑施工中,要避开最可能出现不利天气的时段,雨季需考虑防雨施工措施,否则会使重型装备搁浅而无法使用,阻碍工程进度。冬季施工需按混凝土的水化作用和气温的关系采取适当措施。高空作业的时候,更需要考虑短期天气预报,特别是大风预报。

利用太阳能采暖和空调的试验研究进展很快,已建造了不少被动式太阳能房和主动式太阳能房。主动式太阳能采暖系统,一般同夏季空调和生活热水供应结合在一起。在建筑上如何充分利用太阳能,以达到节能的目的,是世界各国建筑气象学研究的新课题之一。
 
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