Reducing the intensity of wind excitation via aerodynamic shape modification is a major strategy to mitigate the reaction forces on supertall buildings, reduce construction and maintenance costs, and improve the comfort of future occupants. To this end, computational fluid dynamics (CFD) combined with state-of-the-art stochastic optimization algorithms is more promising than the trial and error approach adopted by the industry. The present study proposes and investigates a novel approach to risk-averse shape optimization of tall building structures that incorporates site-specific uncertainties in the wind velocity, terrain conditions, and wind flow direction. A body-fitted finite element approximation is used for the CFD with different wind directions incorporated by re-meshing the fluid domain. The bending moment at the base of the building is minimized, resulting in a building with reduced cost, material, and hence, a reduced carbon footprint. Both risk-neutral and risk-averse optimization of the twist and tapering of a representative building are presented under uncertain inflow wind conditions that have been calibrated to fit freely-available site-specific data from Basel, Switzerland. The risk-averse strategy uses the conditional value-at-risk to optimize for the low-probability high-consequence events appearing in the worst 10% of loading conditions. Adaptive sampling is used to accelerate the gradient-based stochastic optimization pipeline. The adaptive method is easy to implement and particularly helpful for compute-intensive simulations because the number of gradient samples grows only as the optimal design algorithm converges. The performance of the final risk-averse building geometry is exceptionally favorable when compared to the risk-neutral optimized geometry, thus, demonstrating the effectiveness of the risk-averse design approach in computational wind engineering.


翻译:通过空气动力形状的修改降低风力振动强度是一项主要战略,旨在减轻超大型建筑物的反应力,降低建筑施工和维护成本,提高未来占用者的舒适度。为此,计算流体动态(CFD)加上最新随机优化算法比行业采用的试验和错误方法更有希望。本研究报告提出并调查了一种创新办法,以风险反向方式优化高楼结构,其中包括风速、地形条件和风流方向等特定地点的不确定性。CDD使用了体配方定的定值元素近似值,而透视流域则采用了不同的风向。大楼底部的弯曲时间与最先进的智能优化优化算法相比,导致建筑成本、物质以及由此而来的碳足迹的减少。对有代表性的建筑的曲率和缩缩,两者都是在风量不确定的情况下,经过校准的风速、地形条件适合来自瑞士巴塞尔的可自由获取的特定地点数据。风险-反差战略采用最优的风向风向风向风向方向,因此,最差的计算方法使用最慢的平易变的计算方法。

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