预制房屋的空气动力学及其社区干扰效应

《Journal of Building Engineering》：Aerodynamics of Manufactured Homes and Community Interference Effects

　　

•大规模试验对独立单元和住宅社区中模块化住宅的风荷载进行了量化
•实验结果表明，现有HUD标准低估了风荷载
•HUD的风荷载规定至少应采用最新的ASCE/SEI 7标准
•应将针对模块化住宅的屋顶压力分区纳入规范考量

**引言**

模块化住宅（MH）是指工厂预制、然后运输至建筑场地进行安装的房屋，与传统住宅不同，后者的基础、墙体、屋顶和内部设施是在现场逐件建造的。根据美国住房与城市发展部（HUD）的定义，模块化住宅是预制在金属框架上的可移动住宅单元，能够永久安装并接入公用设施[1]。其关键区别在于住宅底部永久固定钢制底盘。图1展示了典型模块化住宅安装及其支撑结构的简化示意图。模块化住宅有助于满足经济适用房需求，目前在美国为超过2000万人提供住所。2023年，美国人口普查局报告该行业共交付112,882套住宅，平均单价为127,300美元，平均建筑面积为1,450平方英尺[2]。如图2a所示，德克萨斯州、佛罗里达州、南卡罗来纳州、北卡罗来纳州、亚拉巴马州和路易斯安那州的交付量占总交付量的45%以上（2022年数据）。仅佛罗里达州就占整个贸易量的7.9%以上。值得注意的是，这些高交付量地区与美国土木工程师学会7-22标准[3]中的高风速地区一致（见图2b）。

历次飓风表明，模块化住宅比传统住宅更容易遭受风灾损坏。例如，1992年的安德鲁飓风导致超过10,000套模块化住宅受损[4]。尽管安德鲁飓风对模块化住宅和传统住宅的破坏力都极其巨大，但相邻的一些模块化住宅旁边的传统住宅仍表现出明显更好的抗风性能[5]。在佛罗里达州南部，与传统住宅（仅约三分之一遭受重大损坏）相比，模块化住宅的损坏程度要严重得多——几乎所有都被摧毁[6]。对2004年的夏莉飓风和2005年的卡特里娜飓风和丽塔飓风也观察到了类似现象[4]、[6]、[7]、[8]。Hebert和Levitan[9]在卡特里娜飓风和丽塔飓风之后进行了灾后调查，评估了模块化住宅的损坏情况。研究报道称，按照1994年HUD标准建造和安装的模块化住宅在结构和锚固方面表现普遍良好，尽管存在围护板损坏。然而，他们指出调查区域的风速未达到设计水平，这表明飓风并未对1994年后建造的住宅性能提供最终检验。最近，Sutley等人[4]对佛罗里达州艾尔玛飓风（2017年）和迈克尔飓风（2018年）后的模块化住宅进行了灾后影像分析和损坏评估。作者强调了模块化住宅的物理脆弱性以及进一步增强其抗风能力所需的研究。

与传统住宅相比，模块化住宅的相对脆弱性可能与其风荷载要求和抗风机制的差异有关。总体而言，模块化住宅的风灾损坏机制与传统住宅观察到的类似，主要由围护结构失效引起。两种情况下，建筑构件的失效往往导致内部增压，对主抗风系统和构件及围护板施加额外的结构荷载，进而可能导致严重的连锁破坏[见图3a和图3b]。然而，除了围护结构失效外，模块化住宅还面临基础失效的风险，如底盘从基础上滑动和倾覆，这些在传统低层建筑中并不常见[4]、[8]。

Dhungana等人测试了一个1:120比例的模块化住宅模型，测量了30°至180°风向范围内的锚固力和位移[10]。他们发现，模块化住宅在横向荷载作用下、风速尚未达到飓风级别时就发生了锚固失效，而在纵向方向上观察到更大的抗风能力。Davis[11]通过现场法证评估、对现场收集的固定带进行拉伸试验和数值分析，研究了模块化住宅对极端风的脆弱性。研究结果确认锚固失效是一种关键失效机制，发生在其他结构失效之前，最终导致住宅完全毁坏。图3c展示了2018年迈克尔飓风期间，一套底盘滑离基础导致混凝土块基础永久倾斜的情况[4]。

此外，附着的结构如车棚和门廊也可能发生失效，导致构件本身损失，甚至引发围护结构组件的失效起始[见图3d]。

除了风荷载机制的差异外，以往研究还表明，由于建筑标准过时，模块化住宅在结构和围护结构损坏方面的敏感性高于传统住宅[4]。尽管两种结构都应满足区域性抗风性能要求，但模块化住宅目前使用的建筑标准与当前知识体系不相适应。模块化住宅建筑与安全标准法规（MHCSC）最近一次风荷载条款修订是在20世纪90年代初。1994年1月14日，美国住房与城市发展部（HUD）根据ASCE 7-88修订了MHCSC以改进风荷载条款[12]。在改进后的标准中，HUD将美国划分为三个区域，其中II区和III区对应于高风区，最快一英里基本设计风速分别为100英里/小时和110英里/小时（44.70 m/s和49.17 m/s）[1]。这些值对应的极值强度3秒阵风设计风速为146英里/小时和159英里/小时（65.27 m/s和71.08 m/s）。这些风速远低于当前ASCE/SEI 7-22的风速条款（如图2b所示），对于上述区域的风险等级II，其风速范围为155英里/小时至180英里/小时（69.29 m/s至80.47 m/s）。然而，MHCSC至今未更新至反映风工程领域后续发展的内容，包括设计风速和风荷载条款的进展。

除了高风区的设计风速外，HUD对模块化住宅锚固、主抗风系统以及构件和围护板的设计风压也未曾近期更新。最重要的是，由于关于模块化住宅及其社区真实风荷载和抗风能力的文献有限，更新这些条款面临阻碍。Marshall[13]早期开展的一项重要工作在全尺寸移动住宅上测量了表面压力、总体阻力和升力、风剖面、结构响应以及不同风速和方向下的固定带行为。该住宅的标称尺寸为12ft x 60ft（3.70m x 18.30m），在开阔地形环境中进行测试。研究结果显示，最严重的负压力波动出现在山墙墙和屋顶周边，而裙板的有无对平均最大 uplift 影响甚微。基于这些发现，Marshall建议将测量荷载作为设计条款的基础。此外，该研究还呼吁进行风洞缩尺模型试验以补充推荐的设计荷载。然而，该研究仅关注中等开阔环境中的独立单元，未考虑预制住宅区内相邻模块化住宅的气动干扰。

关于周围建筑物对低层结构干扰效应的研究已识别出遮蔽、导流和尾流脉动等反复出现的机制[14]、[15]。类似的效应也可能在模块化住宅上发生，这表明社区内的模块化住宅可能经历与独立单元不同的风致荷载。近期的低层建筑研究在峰值压力测量、缩尺效应、抬升住宅结构和气动干扰方面取得了进展[16]、[17]、[18]、[19]，但这些研究并未建立适用于多个模块化住宅真实排列方式的经验证的气动数据库。现有的干扰研究通常使用通用低层或高层建筑几何形状，而非模块化住宅特有的长形、抬升和底盘支撑配置。

因此，本研究旨在利用佛罗里达国际大学（FIU）"风墙"（WOW）实验设施（EF）的大规模风试验研究模块化住宅的空气动力学特性。该研究还调查了预制住宅区内多个单元存在所产生的干扰效应，这些效应可能影响目标模块化住宅的风荷载。为此，通过复制佛罗里达州代表性预制住宅地的模块化住宅排列方式，考虑了独立和遮蔽两种模型配置。关于选定的预制住宅地和模块化住宅排列方式以及采用的实验程序的详细信息将在第2节中介绍。本研究获得的压力、力和力矩系数将在第3节中讨论。最后，第4节将给出结论性意见和建议。本研究获得的数据将用于为建筑构件测试和极端风事件中模块化住宅行为的数值模拟提供信息。最重要的是，这些发现有可能改进建筑设计规范和标准中的条款以及风险评估模型。

**模块化住宅模型、试验配置与仪表**

本研究选取了佛罗里达州三个主要的预制住宅区作为研究对象（如图4所示），这些区域是基于2017年艾尔玛飓风和2018年迈克尔飓风影响后的侦察调查选定的[4]。这些模块化住宅社区位于南纳普尔斯、大科皮特岛和埃斯特罗，代表典型的社区布局[见图4]。基于此，本研究优先考虑了四种主要试验配置：一个独立模块化住宅模型和三个分组模块化住宅社区[见图5]。对于独立

**结果与讨论**

本节展示了模块化住宅空气动力学实验的结果，涵盖多个风向。第3.1节讨论了独立模块化住宅模型上的平均和峰值压力、力和力矩系数，包括附着车棚的效应。第3.2节随后检验了遮蔽效应对风荷载的影响，针对完全遮蔽和部分遮蔽的情况。此外，本研究还评估了爬行空间开口对地面风荷载的影响，针对两者

**结论与建议**

本研究利用大规模最先进的实验设施评估了模块化住宅社区的风荷载。本研究的主要目的是通过考虑佛罗里达州的典型社区布局，研究独立和遮蔽条件下模块化住宅的风荷载。这需要在NSF-NHERI"风墙"实验设施中对21种试验配置进行空气动力学实验，这些配置被置于模拟开阔地形边界层流中。此外，本研究还考虑了

**CRediT作者贡献声明**

Ameyu B. Tolera：写作——审阅与编辑，写作——初稿，方法学，形式分析，概念化。Yonathan B. Adamu：写作——审阅与编辑，写作——初稿，形式分析。Johnny Estephan：写作——审阅与编辑，写作——初稿，方法学，形式分析，概念化。Arindam Gan Chowdhury：写作——审阅与编辑，指导，资源，方法学，资金获取，概念化。Ioannis Zisis：写作——审阅与编辑……

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**

作者感谢佛罗里达州应急管理部门（FDEM）提供的财务支持（项目编号DEM-HL00060；DEM编号B0134和DEM-HL00062；DEM编号B0167）。本文报告的实验室测试所使用的NHERI"风墙"实验设施由国家科学基金会（NSF）支持（资助编号2037899）。WOW团队成员Dr. Steven Diaz、Walter Conklin、Dr. Dejiang的精良工作大大促进了实验的进行……

Ameyu B. Tolera|Johnny Estephan|Yonathan B. Adamu|Ioannis Zisis|Arindam Gan Chowdhury|Amal Elawady|Thang N. Dao|Elaina Sutley|William N. Collins