平衡保护与风险：了解极端风力事件期间树木对低层建筑的双重影响

海瑟姆·易卜拉欣 $^{a, *}$ （ᄃ）、法希姆·艾哈迈德 $^{a}$ 、奥马尔·梅特瓦利 $^{a}$ （ᄆ）、阿迈勒·埃拉瓦季 $^{a, b}$ （ᄆ）、让-保罗·皮内利 $^{c}$ （D）美国佛罗里达州迈阿密佛罗里达国际大学土木与环境工程 $^{a}$ 系 $^{b}$ 美国佛罗里达州迈阿密佛罗里达国际大学国际飓风研究中心极端事件研究所佛罗里达理工学院土木工程 $^{c}$ 系，150 W. University Boulevard，墨尔本，佛罗里达州，32901，美国

A R T I C L E I N F O

关键字：

  风洞
  城市树木
  屏蔽
  脆弱
  空气动力学
  概率

抽象

本研究调查了树木在极端风事件期间减轻或加剧风引起的低层建筑物损害的双重作用。树木可以充当天然防风林，减少风荷载，但当被连根拔起或折断时，它们也会带来重大风险。为了探索屏蔽方面，在自然灾害工程研究基础设施（NHERI）风墙（WOW）实验设施进行了大规模风洞测试。测试了四个被不同树木密度包围的 1：20 比例的 T 形低层建筑模型，并测量了多个方向的风压。结果表明，树木在某些方向 $50 %$ 上可以降低局部峰值压力系数，但在其他方向上可能会增强。

为了量化树木引起的损害风险，引入了基于蒙特卡洛模拟的嵌入式房屋概率框架。该模型通过考虑风速、风向和树木特征来估计树木倒塌概率和由此造成的建筑物损坏。一个案例研究展示了树木的位置和风向如何对损坏的可能性产生重大影响。推导出脆弱性曲线以确定树木提供保护的风角与它们构成危险的风角。这项研究的结果强调了在风险评估模型中考虑树木的保护作用和破坏作用的重要性。该研究为加强城市规划和提高树木繁茂社区的抗灾能力提供了见解。

1. 简介

极端风事件对低层建筑构成重大威胁，低层建筑仍然极易受到各种失效机制的影响（Ibrahim 等人，2024d;Moeini 和 Memari，2023 年）。为了解决这一脆弱性，许多研究的重点是开发工程和结构缓解技术，以尽量减少风引起的损害（Aly 和 Bresowar，2016 年;Azzi 等人，2020 年）。尽管如此，自然或仿生的缓解策略，例如战略性地放置树木作为防风林，受到的关注相对较少。进一步探索这种方法可以产生一种可持续的解决方案，以增强低层建筑的抗风能力。

树木不仅增强了城市景观的美感，而且通过减少供暖和制冷的高峰需求，在提高建筑物的能源效率方面发挥着至关重要的作用。在寒冷的月份，树木充当天然防风林，降低周围的风速
结构，有助于减少渗透并降低加热要求。另一方面，在温暖的月份，树木具有双重好处：它们通过遮风作用阻挡暖空气的热传递，并通过提供遮荫来减少建筑物表面的太阳热吸收（Huang 等人，1990 年）。

除了这些与能源相关的优势之外，树木还通过影响周围的流场，在塑造城市环境的空气动力学方面发挥着重要作用。（2015）证明，将树木纳入流场的数值模拟会导致结果发生重大变化，强调在与空气质量、污染物扩散、屋顶能源装置和行人风舒适度相关的研究中考虑树木的重要性。许多研究已经调查了这些影响。例如，Amorim 等人（2013 年）进行了数值模拟，以研究纳入城市树木如何影响污染扩散，从而有助于更准确地评估空气质量。Kang 等人（2020 年）分析了

树木在行人风上舒适度并发现它们的存在可以显着提高舒适度。Fan 等人（2021 年）使用大涡模拟研究了树木对屋顶风力涡轮机性能的影响，强调了它们对涡轮机效率的潜在影响。

此外，树木具有减轻风对建筑物影响的潜力，使其成为城市设计和风工程策略的重要组成部分。尽管这方面的探索较少彻底，但一些研究检查了不同的树木配置如何影响风引起的空气过滤和低层建筑的负载。Mohamed 和 Wood （2015）对上风树木对平屋顶建筑物上风流的影响进行了计算研究。他们的结果显示，风速和湍流强度存在显着变化，风速与树木与建筑物高度比呈非单调关系，而在有树木的情况下，屋顶上的湍流持续减少。从风洞测试的角度来看，Stathopoulos 等人（1994）使用 1：200 的建筑模型和人造树，通过实验探讨了树木防风林在减少风引起的空气渗透和低层建筑负荷方面的作用。该研究通过不同的密度、防风林长度、树木的高度和位置来考虑不同的树木配置。结果表明，在 0 度风向下，高密度的树木行放置在距迎风墙 4 棵树高的距离处，可以减少空气渗透

60 %

，从而

15 %

降低能源成本。该研究还报告说，尽管通常会降低建筑物的风压，但某些配置会增加角落处的结构荷载，例如当树木与建筑物的距离超过一定阈值时。坎丹比等人。（2023）进行了一项风洞测试，以研究高于建筑高度的树木对使用线性、交错和 V 形配置的山墙屋顶低层建筑风压的影响。与 Stathopoulos 等人（1994）报告的结果相反，Kandamby 等人（2023）指出，在专门测试的案例中，成熟的树木在屋顶的上风部分附近，特别是在屋檐和屋顶角落导致吸力明显增加。然而，屋顶顺风部分的吸力压力降低。此外，作者报告说，在屏蔽的情况下，屋顶的隆起力增加了 10-30%。作者还建议避免线性树行，特别是对于高密度配置，并采用 V 形配置以避免屋顶吸力增加。两个结论之间的差异可能归因于两项研究中树木高度与测试模型高度之间的差异。Stathopoulos 等人（1994 年）使用高度与建筑屋檐相当的树木，而 Kandamby 等人（2023 年）使用高度高于建筑屋檐的成熟树木。然而，这一结论仍因具体情况而异，需要进一步研究，因为结果在很大程度上取决于树的配置、间距和其他特定地点的条件。提到了这几项研究，仍然需要更全面的研究来更好地了解树木对低层建筑的风诱发荷载的影响。

尽管城市树木在减轻风灾方面具有好处，但在极端风灾期间，它们可能会对附近的建筑物和基础设施构成相当大的风险。例如，最近，Kalliontzis 等人（2024 年）报告说，在 2024 年 5 月影响休斯顿的 derecho 期间，倒下的树木导致低层住宅和商业建筑的屋顶以及电线严重损坏。因此，侦察小组强调迫切需要考虑倒塌树木带来的风险，因为这将提高估计损失的准确性，并导致更准确地估计保险费率。在飓风米尔顿、海伦和伊恩等强风事件之后也报告了类似的观测结果（Cortes 等人，2022 年;Kameshwar 等人，2024 年;Rapid 等人，2024 年）。Hou 和 Chen （2020）调查了树木倒塌对电力线和道路等基础设施中断的影响。在这项研究中，作者利用有限元模型开发了树木的脆弱性曲线，并
将它们增强为预测基础设施损坏的概率框架。Lu 和 Zhang （2023）提出了一个类似的框架来检查风和树木故障对电力系统的影响，整合计算机视觉技术，使用卫星图像识别和分析电力系统附近的树木。该研究强调，排除树木倒塌造成的损害可能会导致严重低估影响电力系统可靠性和弹性的风险。这种解释树木倒塌的概率方法通常依赖于估计树木上的风荷载，而风荷载主要受阻力控制。这些阻力受多种因素的影响，包括环境条件（例如物种、迎面而来的风特征和地形）和形态特征（包括树干几何形状、树冠密度和形状以及叶子结构）（Bekkers 等人，2022 年;Lai 等人，2022 年）。许多研究使用不同的方法检查了树木阻力，包括现场测量、数值建模和风洞测试（Angelou 等人，2025 年;Bekkers 等人，2022 年;Chan 等人，2020 年;Zeng 等人，2020 年）。

总之，虽然住宅楼附近的树木通过自然风缓解提供了多种好处，但它们在极端天气事件期间的潜在失效会带来巨大的危险。将缓解和危害这两个影响纳入风险评估模型有助于准确预测特定风情景下的损失。目前，大多数可用的风险评估模型（例如 FEMA Hazus 和佛罗里达州公共飓风损失模型（FPHLM））都没有考虑这两种影响。尽管这些模型被广泛用于飓风损失的风险评估，但忽略这些因素阻碍了它们用于准确评估低层建筑损失。Gu 等人（2023）开发了一个框架，在评估建筑群的风引起的损害时考虑了树木的屏蔽作用。该模型使用建筑物和树木的数据来开发 CFD 模型，以量化建筑物的压力。然后，利用蒙特卡洛仿真方法来考虑预测建筑围护结构多个部件损坏的不确定性。然而，Gu 等人（2023）提出的框架没有考虑树木倒塌概率带来的风险。Hughes 等人（2023 年）引入了一个框架，用于评估住宅建筑、交通网络和电力系统抵御树木倒塌危害的弹性。对于建筑物，该框架估计了风和树木倒塌荷载综合作用下护套失效的概率，利用蒙特卡洛模拟来纳入不确定性。该分析采用有限元模型来评估建筑物的破坏，并使用 ASCE 7 包络法确定风荷载。然而，除了使用 ASCE 7 包络方法进行荷载估计的固有假设外，该方法没有考虑周围树木提供的屏蔽效应，可能导致保守估计。

本研究探讨了在低层建筑附近种植树木的两个方面。通过风洞试验初步研究了树木的屏蔽效应，该试验探索了 T 形山墙屋顶建筑周围不同的树木密度水平。这一初步分析为指导未来关于树木屏蔽效应的实验奠定了基础。为了评估与树木倒塌相关的风险，使用蒙特卡洛模拟开发了一个基于场景的概率框架。该框架根据树木特征和邻近程度评估树木倒塌的概率以及随后对建筑物的损坏。只要有相关的建筑物和树木数据，它就可以在社区层面应用，以推导出树木倒塌引起的建筑物脆弱性曲线。从这种方法中得出的脆弱性可以与考虑树木屏蔽作用的风引起的脆弱性相结合，从而能够对强风事件期间风引起的损失进行全面评估。

2. 树木的防风效果：大规模空气动力学测试的见解

2.1. 风洞测试

本研究的实验计划是在自然灾害工程研究基础设施（NHERI）风墙（WOW）实验设施（EF）进行的，该设施是位于佛罗里达国际大学（FIU）的一个大型开放式喷射风测试设施。WOW EF 采用 12 风扇系统，总输出功率为 8400 马力，能够产生高达 157 英里/小时的风速，模拟基于萨菲尔-辛普森等级的 5 级飓风条件。该设施的流量管理箱高 4.3 米，宽 6.1 米，结合了尖顶和自动粗糙度元素，以在各种地形上复制大气边界层流动。有关该设施设计和最新测试能力的详细信息，请参阅读者（Abdallah 和 Zisis，2025 年;Chowdhury 等人，2017 年;Eissa 等人，2025 年;易卜拉欣等人，2024a，2024b;Metwally 等人，2025 年）。在这项研究中，对 T 形建筑的 1：20 比例模型进行了空气动力学测试。

2.2. 实验设置和模型描述

以

1 : 20

的长度比例建造了 4 个 T 形平面的单层山墙屋顶低层建筑模型。选择这种比例是为了平衡大规模空气动力学测试的需求，同时保持模型周围树木的真实配置。与传统的小规模测试相比，这种方法最大限度地减少了缩放效应。所选长度尺度几乎达到

0.22 \times 10^{6}

的雷诺数。每个型号的屋顶坡度为 4：12，满尺寸平均屋顶高度为 3.7 m。

图 1（a）显示了建筑样机的全尺寸以及周围树木配置的示意图，而图 1（b）显示了与所采用的树木相似的真实世界原型的代表性鸟瞰图。选择这四种型号，称为模型 1、模型 2、模型 3 和模型 4，以代表不同的屏蔽配置 [见图 2]。

模型 1：周围没有树木的参考案例。
模型 2：16 棵树的高密度树木屏蔽[图 2（b）]。
模型 3：8 棵树的中密度树木屏蔽（图 2©）。
模型 4：5 棵树的低密度树木屏蔽[图 2（d）]。

为了代表本研究中的鳞片植被，根据桉树的可修剪性和与典型城市树冠的形态相似性（例如，

橡木和松木），以及它们是否适合以 1：20 的比例进行一致复制。虽然我们承认它们的空气动力学特性与成熟的全尺寸树木不同，但它们有效地有助于评估受控风洞条件下的相对屏蔽效果。比例树高范围为 0.33 m 至 0.53 m，相当于

6.6 m - 10.6 m

满尺度高度。图 3 提供了 WOW EF 测试期间模型和树配置的直观概述。这些图像描绘了三个屏蔽模型，周围环绕着各自的树木密度，放置在转盘上进行空气动力学测试。

为了实现外部压力系数的高分辨率测量，在模型的屋顶和墙面上战略性地放置了 240 个压力水龙头。该模型的压力丝锥布局如图 4 所示。每个测试用例在开阔地形暴露中进行了 60 秒的测试，风向范围从

0^{\circ}

到增

350^{\circ}

量，

10^{\circ}

包括斜角（

45^{\circ}, 135^{\circ}, 225^{\circ}

、

315^{\circ}

和）。风压数据以 520 Hz 的采样频率记录。WOW 风扇产生的平均风速约为 17.5，在模型的平均屋顶高度

m / s

下。眼镜蛇探测器测量风速，采样频率为 2500 Hz。图 5 将 WOW EF 生成的风速和湍流强度分布与工程科学数据单元（ESDU）的风速和湍流强度剖面进行了比较，ESDU 是为粗糙度长度为 0.04 m 的开阔地形暴露而开发的。如图 5 所示，在指定的粗糙度长度下，WOW EF 的风速和湍流强度剖面与 ESDU 参考剖面之间实现了密切匹配。

2.3. 数据分析

本文的实验部分主要侧重于了解在 T 形山墙屋顶低层建筑附近放置树木对各种建筑表面的风诱导压力的影响。首先，分析了不同风向下不同表面上观察到的局部峰值压力系数的变化。此外，研究了树木屏蔽对作用在屋顶上的总隆起力的影响，以提供综合评估。为了实现这一目标，使用以下表达式计算峰值和平均压力系数以及顶板隆起力系数（式。(1)-(3)):

C_{p, p e a k} (θ_{j}) = \frac{P_{p e a k} (θ_{j})}{\frac{1}{2} ρ V_{3 sec}^{2}}

F (t, θ_{j}) = \sum P_{i} (t, θ_{j}) \cdot a_{i}

图1.原型与周围树木的示意图。

图2.测试模型周围的树分布。

{\bar{C}}_{F} (θ_{j}) = \frac{\bar{F} (θ_{j})}{\frac{1}{2} ρ {\bar{V}}_{r e f}^{2} A}

式中

P_{peak} (θ_{j})

，是特定风向下的峰值压力

θ_{j}, ρ

表示空气密度，

V_{3 sec}

是基于平均屋顶高度处 3s 阵风的参考风速，

F (t, θ_{j})

是时间

(t)

和风向下总气动升力（即屋顶表面所有水龙头的总和）的时间历史

θ_{j}

，而

P_{i} (t, θ_{j})

表示相同条件下水龙头（i）的压力时间历史，作为

a_{i}

与同一水龙头相关的支流面积，

\bar{F} (θ_{j})

是风向处的平均总气动升力，

θ_{j}, {\bar{V}}_{ref}

是平均顶板高度处的平均风速，

A

是顶板总投影面积。

首先使用 Irwin 等人（1979）推荐的程序对记录的压力时间历史进行管长的影响进行校正。此外，为确保峰值压力系数在统计学上稳定，通过将时间历史划分为子区间来进行极值分析，每个子区间代表一个独立的阵风事件。应用 Fisher-Tippett I 型分布来拟合这些区间的峰。报告的峰值压力系数对应于不超出的

78 %

概率。虽然概率在

78 %

文献中被广泛使用，但值得注意的是，由于本研究的主要重点是比较屏蔽效应，因此使用不同的概率值不会影响得出的结论。

2.4. 结果

2.4.1. 包络峰值压力系数

如前所述，估计了每个风向下每个压力水龙头的峰值压力系数（

C_{p, peak}

）。图 6 给出了每个模型的屋顶和墙面围护负

C_{p, peak}

值的等值线图。术语“包络”是指每个压力抽头的所有风向中的最高

C_{p, peak}

值。这里的重点是负压系数，因为它们的幅度通常更高，对结构性能更为关键。

对于模型 1（没有周围树的参考模型），

C_{p, peak}

值高达 -5.2 。在屋顶上，在山墙侧的耙子处观察到吸力最高的关键区域，其次是屋檐周围的区域。这些区域中的

C_{p, p e a k}

值范围为 -3.0 到 -5.2 。这是由于这些边缘的流动分离类似于通常在普通建筑物中观察到的情况。数值相对较低

C_{p, peak}

的区域位于屋檐和屋脊包围的山谷和中部区域附近，数值范围从略小于-1.5 到-2.5 不等。

在墙体方面，3 个山墙（即如图 4 所示的山墙 1、2 和 3）的负

C_{p, p e a k}

值分布相似，在墙面边缘周围值较高，向墙面底部中间区域减小。有趣的是，长侧壁在顶部边缘中间附近经历了超过 -4.75 的高

C_{p, peak}

值。这种现象可归因于该区域（即山脊和两个山谷的交汇处）的复杂气流模式以及墙顶交叉处的气流分离。

图 6（b-d）说明了屏蔽模型（即模型 2、3 和 4）的包络负

C_{p, p e a k}

值的等值线图。一般来说，这些模型的负

C_{p, peak}

分布模式与模型 1 相似，表明树木的存在并没有实质性地改变整体包络线负

C_{p, peak}

分布。然而，在特定的关键区域，树木导致了价值的

C_{p, p e a k}

降低。例如，如蓝色椭圆所示，模型 2 中山墙的前倾角显示出减小的负

C_{p, p e a k}

值。

图 6 中的结果表明，对于本研究中测试的特定树形配置和间距，树木屏蔽导致包络负

C_{p, peak}

面分布的变化很小（即所有风向中最坏的情况）。然而，在分析各个风向的结果时，发现树木的屏蔽具有显着的局部影响。具体来说，在大多数风向中，树木直接位于迎风面前面的风流路径中，树木会大大降低局部负

C_{p, p e a k}

值。这些影响将在下一节中进一步讨论。

图 3.在 WOW EF 上测试模型。

2.4.2. 局部峰值压力系数

本节讨论树木对不同风向的局部峰值压力系数分布的影响，旨在了解屏蔽建筑物的空气动力学。图 7-9 分别给出了和

45^{\circ}

的

315^{\circ}, 130^{\circ}

负

C_{p, peak}

风向等值线图。选择这些风向是为了突出树木对倾斜风向的影响，这通常会导致低层建筑的围护结构部件受到更严重的损坏。有趣的是，这些方向表明树木可以对建筑物的风荷载产生积极和消极的影响。

为简洁起见，比较的重点是模型 1（无树）和模型 2（高密度树）。如图 7（a）所示，风吹来

315^{\circ}

的多个区域吸力较高，负值

C_{p, p e a k}

较高，特别是在屋顶和长侧壁处。图 7（b）显示，树木的存在导致负

C_{p, peak}

值大幅降低。例如，屏蔽模型（模型 2）中山墙的前倾角区域的负

C_{p, peak}

值低于-3.0，与模型 1 中的相同区域相比，大约减少了。

20 % - 44 %

此外，模型 1 中长侧壁顶部边缘附近的临界区域在模型 2 中几乎消失，单个压力抽头

50 %

的减少量超过了。其他区域，如屋脊和山墙墙 1，也表现出峰值负值

C_{p, p e a k}

的减少。

树木在这种风向下的显着影响可归因于它们能够在风到达建筑物表面之前改变上游流动特性。具体来说，树冠从略低于建筑物平均屋顶高度的高度开始，并延伸到其上方，有效地扰乱了接近的水流。这种高度对齐通过扰乱建筑物上游的接近水流来影响流动分离区域，从而降低建筑物围护结构附近的风速并减轻吸力涡流的形成。因此，这些树木可以作为有效的风衣，从而大幅降低风引起的压力，并有可能最大限度地减少极端风事件期间的损害。

图 8 显示了模型 1（无树木）和模型 2（高密度树木）对从的

130^{\circ}

方向吹来的风的比较。对于这个风向，只有位于模型西南角的三棵树面向风并影响气流[见图 1]。其余 13 棵树的影响很小，因为它们在风到达模型表面之前并不直接处于风的路径中。

如图 8（a）所示，与图 7（a）所示的

315^{\circ}

风向相比，就吸气区的整体幅度和空间范围而言，

130^{\circ}

风向通常不太重要。

315^{\circ}

在这种情况下，屋顶的更广泛区域会受到强烈的吸力，

C_{p, p e a k}

该值略高于 -5.5，特别是在山墙的耙子和屋檐处。相比之下，下面的

130^{\circ}

吸力效应更局部，幅度略低。然而，风向下的

130^{\circ}

某些区域仍然具有相对较高的吸力，特别是在屋顶边缘附近。在这种情况下，这三棵树的存在会产生重大影响。例如，山墙 1 附近屋顶边缘的高吸力从无屏蔽情况下的-2.6 至-5.25

C_{p, peak}

范围下降到屏蔽配置中的-1.95 至-3.81 范围，相当于减少了约 25

% - 27 %

。

树木还影响 T 形屋顶平面（由蓝色矩形突出显示）的短水平翼

C_{p, peak}

的分布。在这里，山脊线周围各个水龙头的峰值压力系数降低了

45 %

高达。另一个受影响区域是东山墙的左侧（紫色矩形突出显示），峰值压力系数从平均值 -1.13 下降到 -0.59，对应降低了近

47 %

。

图 7-8 展示了树木在屏蔽建筑物和减轻风荷载方面的积极作用，但分析还表明，在某些风向中，树木的存在可能会放大局部峰值压力系数，从而可能增加对建筑围护结构的破坏。例如，图 9 比较了模型 1 和模型 2 之间从该

45^{\circ}

方向吹来的风的负

C_{p, p e a k}

值。在这种情况下，模型 2（有树木）在两个关键区域（长侧墙的顶部边缘（蓝色矩形）和北山墙墙（紫色矩形））的负

C_{p, p e a k}

值高于模型 1。这种放大可能是由于树木的存在引起的潜在引导效应，当风穿过树木和结构之间的缝隙时，可能会发生局部风加速。然而，鉴于树木特征、风况及其相互作用的复杂性存在高度可变性，这种解释仍然是基于观察到的模式的假设，值得进一步验证。未来需要进行详细的流动可视化或 CFD 模拟的研究，以确认这种通道是否持续发生以及在什么配置下它变得重要。这些观察结果凸显了根据盛行风向仔细规划树木放置和方向的重要性，因为树木可能会根据其配置减少或放大风引起的压力。

2.4.3 屋顶抬升力系数

图 10 显示了模型 1（无树木）和模型 2（高密度树木）两个模型的平均屋顶隆起力系数（

C_{F, Z}

）随风向的变化。风向在 x 轴上表示，

图4.压力水龙头布局。

图 5.归一化风速（U/Uref）和湍流强度（IU）剖面

(Z 0 = 0.04 m)

。
而平均升力系数绘制在

y

轴上。
在不同风向下，两个模型之间的升力系数存在明显差异。与模型 2（高密度树木）相比，模型 1（无树木）始终具有更高的隆起（更多的负值），这表明树木通常通过充当风障来降低全局屋顶隆起力。例如，在

90^{\circ}

垂直于建筑物山墙侧面的和

270^{\circ}

的风向，模型 2 的平均值

C_{F, Z}

较小，显示了树木的屏蔽效果。在和

150^{\circ}

之间

120^{\circ}

可以观察到类似的趋势，其中与模型 1 相比，模型 2 显示的负值明显较少。这种效果主要是由于角落里的三棵树。

然而，临界风向出现在

45^{\circ}

周围，其中模型 2 的平均值突然下降

C_{F, Z}

至大约 -0.71 。这表明，在这个方向上，树木可能会放大风效应，导致更高的抬升力，如图 9 所示。这些不规则性表明，树木的位置和风向相互作用有时会导致意想不到的空气动力学行为。综上所述，图 10 强调，虽然树木通常会降低全球屋顶的抬升力，但某些风向（例如

45^{\circ}

在我们的例子中）

210^{\circ}

会导致抬升力增加，这强调了对树木屏蔽建筑进行详细风分析的必要性。

3. 树木对住宅低层建筑的破坏的脆弱性建模

除了如上一节所述，通过风洞测试调查低层建筑周围树木的屏蔽效果外，本研究还引入了一个新框架，用于评估倒塌树木对低层建筑造成的风险。该框架可以与描述风力下建筑物损坏的现有风险模型集成。以下部分详细介绍了该框架及其在案例研究中的应用。

图6.所有风向的包络峰值负压系数的等值线。

3.1. 框架概述

所提出的框架构成了多个目标，包括开发描述树木在不同风速强度下倒塌的脆弱性曲线，以及描述极端风力事件期间倒下的树木对住宅低层建筑造成的损害的脆弱性曲线。该框架被设计为基于场景的模型，这意味着它逐户评估损失，每栋房屋都被不同配置的树木包围。该过程首先分析树木与建筑物的接近程度，并使用几何和物理原理评估树木倒塌的风险及其对结构的潜在损害。异速生长关系用于定义关键树木特征，例如树冠直径、树干直径和阻力，这些特征特有于美国佛罗里达州住宅区常见的城市树种，本文选择作为案例研究。然而，必须指出的是，开发的框架本质上是通用的，可用于评估位于其他地方的其他树种的响应能力。

计算树木上的风荷载，并用于评估在一定风速范围内树木倒塌的可能性。该分析考虑了树种、高度和形态特征的变化，以提供准确的、特定于物种的结果。为了评估对建筑物的潜在损坏，应用了概率框架。这涉及估计树木倒塌的概率、倒下的树木撞击建筑物的可能性，以及根据与各种结构相对应的预定义损伤阈值评估由此产生的冲击能量
损坏状态。蒙特卡洛模拟被用来解释风速、树木特性和破坏机制的不确定性。这种概率方法确保了对损害结果的稳健而全面的估计，并考虑了关键参数固有的可变性和随机性。

该框架包括多个步骤，如附录图 A1 所示，为评估风险和结果提供了清晰的方法。本文的后续部分详细解释了每个步骤，提供了对框架方法及其实际应用的透彻理解。

3.2. 树的特征

树木特征对于评估极端风事件期间树木倒塌的可能性及其对住宅建筑的后续影响至关重要。所提出的框架采用异速生长关系来解释树木特征的可变性。这些关系能够根据最少的初始数据估计关键树属性，从而提供了一种实用且可扩展的方法。

为了增强模型的实用性和可访问性，选择树冠直径作为主要参数。这种选择是基于使用现代卫星图像和遥感技术可以轻松确定表冠直径。一旦确定了树的树冠直径，就可以使用特定物种的异速生长方程计算其他基本特征，例如树高、茎高、胸径（DBH）和树冠高度

图 7.比较风向峰值负压系数的等值线图。

315^{\circ}

图 8.比较风向峰值负压系数的等值线图。

130^{\circ}

图 9.比较风向峰值负压系数的等值线图。

45^{\circ}

图10.平均顶板隆起力系数随风向的变化。
作为表冠直径的函数。该方法被广泛用于林业研究的树木表征（Peper et al.， 2014;Vaz Monteiro 等人，2016 年）。

此前，作者分析和利用了 40,000 多棵树的现有树木数据集，开发了针对美国佛罗里达州最常见的城市树种量身定制的异速生长方程（Ahmed 等人，2022 年;蛋糕，2021 年;考克斯，2021 年;那不勒斯地理信息系统，2021 年）。这些方程为估计树木的结构和空气动力学特性提供了可靠的依据。在当前框架中应用相同的方程来获得具有已知树冠直径的树木特征。如前所述，该框架具有适应性，可以适应其他树种，只要知道它们的异速生长方程即可。这种灵活性确保该模型保持多功能性并适用于各种
地理区域和树种。

3.3. 树木的结构模型、风荷载和破坏标准

由于该框架考虑了倒下的树木对建筑物的损害，因此首先表征城市树木对极端风况的反应非常重要。文献中提出了几种方法来评估树木在风中的结构响应和破坏（Ahmed 等人，2022 年;Hou 和 Chen，2020;Kakareko 等人，2020 年;Lu 和 Zhang，2023 年）。图 11（a）显示了本研究采用的树冠和茎部分风荷载的理想化树木力学模型。该模型通过计算树引起的附加力矩来考虑力-位移（

P - Δ

）效应

图 11.（a）风荷载下的树木和（b）理想化质量模型的结构模型。
通过现有异速生长方程估计的自重[见图 11（b）]。
风荷载作用下的树木模型结构分析主要由作用在树冠上的风力、作用在树干上的风力和树木重量产生的力 3 个力组成。这里采用 ASCE 7 （2016）风廓线来估计树高处的风速。作用在树冠和树干上的风力使用公式（4）和（5）计算。

F_{crown} = 0.5 \times ρ \times C_{D, crown} \times U_{h 1}^{2} \times A_{crown} \times K

F_{stem} = 0.5 \times ρ \times C_{D, stem} \times U_{h 2}^{2} \times A_{stem}

式中

ρ

，为空气密度，

C_{D, crown}

C_{D, stem}

分别为树冠和树干的阻力系数，

U_{h 1}

U_{h 2}

分别为树冠中心和树干中心的

3 - \sec

阵风风速，分别

A_{crown}

为树冠高度乘以树冠直径的树冠投影面积，

A_{stem}

为等于树干高度乘以胸径的树干面积，并且

K

是冠形状因素，以考虑因物种而异的冠部的真实正面面积。

由于两个关键因素，牙冠的阻力系数（

C_{D, crown}

）需要仔细注意。首先，本研究中的风力是使用 ASCE 3 标准（ASCE，7）中规定的 7 秒阵风风速计算的。因此，

C_{D, crown}

必须在相同的阵风持续时间下进行估计，最好是从在可比条件下进行的风洞测试中得出的。其次，当树冠受到风流的影响时，尤其是在高强度风力下，叶子会变得流线型，减少其投影面积，从而降低风力。因此，应将牙冠的阻力系数视为风速的函数，以准确解释流线效果。使这变得更加复杂的是，它

C_{D, crown}

高度依赖于树种，并且缺乏关于各种树种（尤其是城市树木）的阻力系数的准确和全面的数据。对于本文介绍的案例研究，作者利用了最近在 NHERI WOW EF 进行的大规模风洞测试获得的

C_{D, crown}

值，确保这些值反映了必要的调整，以考虑阵风持续时间和分析中的简化效果（Elazaka 等人，2024 年）。通过建模

C_{D, crown}

作为风速的函数来解释流线型效应。一旦确定了这些力，就可以使用公式（6）计算阀杆底座转弯力矩。

M_{wind} = F_{crown} \times h_{1} + F_{stem} \times h_{2} + m \times g \times Δ x

式中

h_{1}

，是树冠中心离地的高度，

h_{2}

是茎中心离地的高度，

g

是重力加速度，

Δ x

是基部到质心的水平距离，

m

是树的质量。

应该注意的是，公式（6）中使用的质量项（

m

）是根据可用的异速生长方程估计的。具体来说，现有的
文学（Jenkins 等人，2003 年;McPherson 等人，2016 年）提供了使用胸径和树高等易于测量的参数来估计地上树木体积的方程。这些方程通常是物种特异性的;然而，当物种特异性方程不可用时，可以应用通用异速生长关系（McPherson 等人，2016 年）。假设质量集中在树冠的中心。为了将计算出的体积转换为干重质量，将估计体积乘以干重密度值（McPherson 等人，2016 年;罗斯，2010 年）。

要确定一棵树是否会在估计的基本转弯力矩下倒塌，必须计算一棵树在不倒塌的情况下可以承受的最大力矩。这需要确定树的潜在故障模式及其在每种模式下的容量。本研究考虑了两种主要的破坏模式：树木连根拔起和茎干折断。考虑这两种故障模式是因为它们是以前飓风中观察到的最常见的故障类型（Coder，2010 年;Duryea 等人，2007 年）。

假设当树的外层纤维承受超过断裂模量（MOR）的应力时，就会发生茎断裂。茎可以承受的最大力矩（

M_{stem}

）使用以下等式估计（Peterson 和 Claassen，2013 年;Quine 和 Gardiner，2007 年）：

M_{stem} = \frac{π}{32} \times M O R \times D B H^{3} \times K_{knot}

其中胸径是乳房高度的直径，

K_{knot}

是由于现有的结、腐烂和空腔而导致躯干强度降低的减少系数（Peterson 和 Claassen，2013 年;Quine 和 Gardiner，2007 年）。

抗连根拔起是由树木及其根土板的总重量决定的，它们共同抵消了风力引起的倾覆力矩。根土板是树木地下锚固系统的简化表示。在这个模型中，根区被理想化为具有定义半径和深度的浅地基（Mansour 等人，2021 年）。它的容量取决于其质量、几何形状（深度和直径）以及支撑土壤特性。在这项研究中，根据现场研究的经验近似，将根土板建模为椭球体体积。具体来说，根板的长轴（以米为单位）是通过将茎直径（以厘米为单位）乘以 0.11 来计算的，而短轴是通过将相同直径乘以 0.094 得到的。根板的深度（以米为单位）是通过将茎直径（以厘米为单位）乘以 0.036 来确定的，根据先前研究中观察到的连根拔起的树木剖面，最大上限为 1.0 m（Crow，2005 年）。有关根土板建模和树木连根拔起力学的更多详细信息，请参阅读者（Coder，2010 年;Koizumi 等人，2007 年）。通过将地面风力矩与树干折断力矩和拔根力矩抗性进行比较，可以确定树木倒塌的发生情况。

3.4. 树木对建筑物的破坏

如前所述，开发的框架作为基于场景的模型发挥作用，假设在分析之前已知相对于建筑物的树木位置。如上一节所述，通过分析风对树木机理模型的影响来确定树木的倒塌发生率。知道树冠直径，并根据前面讨论的开发的异速生长方程，可以确定树的高度和质量（Jenkins 等人，2003 年;McPherson 等人，2016 年;罗斯，2010 年）。因此，对于给定的风向和已知的树木位置和高度，确定树木是否会撞击建筑物变得很简单。

为了评估建筑物在极端风事件中对倒下的树木的影响，必须采用定量方法将损坏程度与树木特征联系起来。在这项研究中，我们通过将倒下的树木的冲击能量（使用公式（8）估计）与 FEMA HAZUS 中定义的建筑物损坏水平（Vickery 等人，2006 年）联系起来，从而建立了这种联系。这些关系基于 1990 年代在克莱姆森大学进行的破坏性初步测试。这些测试没有公开的参考资料，它们涉及钢筒作为树干的代表。然而，在没有其他数据的情况下，它们构成了 HAZUS 表 1 的基础，该表 1 总结了单层木结构和砖石建筑的这些关系，根据估计的冲击能量对不同的损坏状态（DS）进行了分类。损坏范围从表面损坏到完全穿透墙壁。未来的实验和计算研究对于完善这些关系、结合现代建筑特征以提高准确性是必要的。

I E = m \times g \times h_{c g}

其中

h_{c g}

是重心到地面的垂直距离。

根据表 1 中列出的损坏水平量化树木对建筑物造成损害的概率需要脆弱性分析。建筑脆弱性表示为给定特定危险强度度量值达到或超过损坏状态（DS）的可能性，在此框架中，该值是导致树木倒塌的

3 - s

阵风速度。该框架可以与现有的风险模型相结合，这些模型评估仅因风灾而造成的建筑物损坏。从数学上讲，建筑物的脆弱性（

F_{R}

）表示如下（有关更多详细信息，请参阅 Abdelhady 等人（2022））：

F_{R} (v) = P [D S \geq d s_{i} ∣ V = v] for i \in {0, \dots, n_{D S} - 1}

式中

D S

是损伤状态，

V

是最大

3 - \sec

阵风风速，

n_{D S}

是预定义损伤状态的总数。

所提出的框架采用蒙特卡洛模拟方法来估计离散风速值（）的建筑脆弱性（

F_{R}

V

）。这种方法通过大量模拟（例如，本研究中的 1000 次模拟）解释了模拟中的不确定性。蒙特卡洛估计的数学表达式表示如下：

表1
伤害状态和相应的冲击能量。

损坏状态（DS）	描述	冲击能量（ft-lb）
损坏状态（DS）	描述	木结构建筑	砖石建筑
DS0	无损坏	<250	<250
DS1	表面损坏	250	250
DS2	屋顶甲板裂纹	2000	2000
DS3	顶板破裂	5600	11,000
DS4	四分之一墙切割	6400	13,000
DS5	切穿墙壁	8800	19,000

F_{R i}^{a, j} (v^{j}) \approx \frac{1}{n_{M C}} \sum_{k = 1}^{n_{M C}} 1_{D S^{k} \geq d s_{i}}

式中

F_{R i}^{a, j}

，是

a

第-个风向和

j

第-个风速值的建筑物脆弱性，

v^{j}

是风速的

j

第-个值，

n_{M C}

是蒙特卡洛模拟引擎中使用的模拟数。

公式（10）的结果是每个风速值超过损伤状态的概率。然后使用对数正态累积分布函数（CDF）拟合这些点，该方法之前在各种建筑脆弱性研究中得到验证（Abdelhady 等人，2022 年;易卜拉欣等人，2024c，2024d;Roueche 等人，2017 年，2018 年）。对数正态脆弱性函数表示为：

F_{R} (v) = Φ (\frac{\ln (v) - λ_{i}}{ζ_{i}})

式中

Φ

是标准法态 CDF，

λ_{i}

是风速的对数中位数，由下式给出

v

，

ζ_{i}

是的

v

对数标准差。对使用这种方法发展脆弱性的更多细节感兴趣的读者可以参考 Abdelhady （2021）。

3.5. 案例研究

为了证明所提出框架的适用性和稳健性，进行了案例研究。这个选定的场景侧重于评估低层木结构建筑周围的树木在各种参数下带来的风险，包括树冠直径（树龄的指标）、树木位置和风向。

3.5.1. 案例研究描述

图 12 说明了所采用的案例研究，其中一栋占地面积为的

145 m^{2}

矩形建筑代表了美国典型的低层单户住宅，周围环绕着七棵标有 T1 至 T7 的树。所有树木都属于栎属（橡树），案例研究基于佛罗里达州常见的一棵代表性橡树。T1 至 T7 树具有相同的树冠直径（6.1 m），但它们相对于建筑物的距离和分组不同。T5 -T7 树是位于建筑物角落的单树，T5 位于稍远的地方。树 T6 和 T7 位于同一距离

图 12.案例研究场景示意图，显示建筑物周围树木（T1-T7）的配置和风向。
从大楼。
之所以选择橡树，是因为作者之前使用大规模风洞测试估计了同一棵树的峰值阵风阻力系数与风速之间的关系。测试的树木高度在 3.0 至 3.6 m 之间。结果表明，当风速达到

13.40 m / s

（30 英里/小时）时，阵风持续时间 3 秒的峰值阻力系数为 0.81，在风速（140 英里/小时）时

62.60 m / s

几乎线性下降至 0.34（Elazaka 等人，2024 年）。这些值是使用极值分析得出的，以确保统计稳定性。应该注意的是，实验获得的阻力系数不考虑不确定性。

对于树干，假设阻力系数为 1.1，变异系数（COV）为 0.1，呈正态分布。其他参数包括平均值为 0.8 的结因子（

K_{k n o t}

）和平均值为 0.75 的形状因子（

K

）。（

K_{knot}

）和（

K

）的 COV 分别为 0.16 和 0.2，均遵循正态分布。表 2 提供了这些参数的摘要。有关假设树参数和相关参考的更多详细信息，请参阅（Coder，2010 年;Elazaka 等人，2024 年;Hughes 等人，2023 年;Mansour 等人，2021 年;Peterson 和 Claassen，2013 年;Quine 和 Gardiner，2007 年;罗斯，2010 年）。

3.5.2. 结果

3.5.2.1. 脆性表面分析。图 13 中的脆性面说明了 DS5 的超标概率，即对应于切穿墙体的损坏，作为风速和风向的函数，特别关注树木倒塌造成的损坏（即不考虑直接风引起的建筑围护结构损坏）。图 12 所示的树配置为解释这些定向漏洞提供了重要的背景信息。一个关键的观察结果是，即使在相对较低的风速下，整个

270^{\circ} - 360^{\circ}

风速范围内超标的可能性始终很高。这一趋势与位于建筑物西北部的 T1、T2、T3 和 T4 树群密切相关。它们相对于结构的紧密间距和对齐增加了在这些风力条件下多棵树倒向建筑物的可能性，从而增加了整体风险。在

315^{\circ}

时，由于集群中所有树木的综合暴露，这种影响尤其明显。

在和

135^{\circ}

处

45^{\circ}

也观察到更高的破坏概率，其中 T7 和 T6 树分别直接暴露在来风中。它们的方向和靠近建筑物使它们更容易受到风引起的故障和随后的冲击。相比之下，

225^{\circ}

与树 T5 对齐的风向显示出相对较低的超标概率。尽管 T5 在这个方向上暴露在风中，但它与建筑物的距离较大且位置孤立，可能会降低直接影响的可能性，特别是与 T6 和 T7 等几乎相似的树木相比。

风速

0^{\circ} - 70^{\circ}

范围和

120^{\circ} - 165^{\circ}

风速范围之间的进一步比较表明，前者的超标概率略高且发生得更早。虽然树 T7 是

45^{\circ}

的主要贡献者，但整个

0^{\circ} - 70^{\circ}

范围内的脆弱性升高表明树 T1 在某些风向下可能做出了贡献。相比之下，

表2
用于树木风阻建模的参数汇总。

参数	描述	值/范围	发行/笔记
$C_{D, crown}$	冠部阻力系数	0.81 时为 13.4 0.34 时为 $m / s \to$ 62.6 m/s	随风速线性下降
$C_{D, s t e m}$	树干阻力系数	1.1	正态分布;COV $= 0.10$
$K_{knot}$	结系数	意味着 $= 0.8$	正态分布;COV $= 0.16$
$K$	形状因子	意味着 $= 0.75$	正态分布;COV $= 0.20$

120^{\circ} - 165^{\circ}

范围，主要反映了树 T6 的暴露，显示出更窄、更局部的脆弱性。这些发现强调了树木位置、接近度和聚类对风引起的损害风险的关键影响。树木在坠落路径内排列并相对于建筑物间隔很近，会显着放大撞击的可能性，特别是当受到与其方向对齐的定向风流时。值得注意的是，当前框架独立评估每棵树的树木失效，并且没有考虑相邻树木之间的潜在相互作用，例如倾斜、屏蔽或级联失效（Peterson 和 Cannon，2021）。在未来的模型开发中应考虑这些邻域效应。
3.5.2.2. 具有不确定性边界的脆弱性曲线。为了进一步探索风向和树木配置的影响，所提出的框架能够对建筑物和周围树木进行脆弱性分析。虽然对单棵树的脆弱性进行详细比较超出了本研究的范围，但图 14 显示了描述 T1-T7 树木倒塌的代表性脆性曲线，在所考虑的情景中，所有这些树木都具有相同的几何和结构特性。如图所示，树木倒塌开始时大约

18 m / s

（ 40 英里/小时），倒塌的

50 %

概率发生在

50 m / s

（ 112 英里/小时左右）。

图 15 指出了树木对建筑物的破坏，给出了

45^{\circ}, 135^{\circ}, 225^{\circ}

建筑物在风向下穿墙损伤（即 DS5）的脆性曲线

315^{\circ}

。每条曲线都附有第 2.5、16、84 和 97.5 个百分位数，捕捉结果中的不确定性范围。在

135^{\circ}

时，建筑物的 DS5 平均脆弱性曲线与树 T6 的平均脆弱性曲线非常匹配（如图 14 所示），因为 T6 与建筑物之间的距离小于树的高度。这意味着，在这个风向下，每当 T6 发生故障时，几乎肯定会冲击建筑物。在

45^{\circ}

;然而，该建筑物的脆弱性曲线略高于

135^{\circ}

。与

50 %

45^{\circ}

超标概率相对应的风速大约

9 %

低于

135^{\circ}

，如前所述，这可能是由于树 T1 的额外贡献。

对于和

315^{\circ}

的

225^{\circ}

风向出现了不同的行为。在处

225^{\circ}

，建筑物的 DS5 脆弱性曲线显示出更好的性能（即，更低的超出概率）。

45^{\circ}

135^{\circ}

这是因为 T5 与建筑物之间的距离大约等于树的平均高度。由于树高的不确定性，使用异速生长方程建模，在某些情况下，T5 可能会失效，但其高度不足以到达建筑物，从而不会造成损坏。

在

315^{\circ}

时，建筑物的脆弱性受树木 T1-T4 的集体效应影响。在这里，建筑物的脆弱性曲线表明，在所有风速下，与单棵树相比，建筑物倒塌的可能性更高。DS5 的中位风速（50% 的超标概率）是

38 m / s (85 mph)

建筑物的，而

50 m / s (112

mph 是树木的。这种更高的倒塌概率源于多棵树（T1-T4）在这种风向下可能影响建筑物的累积风险。
3.5.2.3. 飓风情景下的故障概率。提醒一下，本研究的主要目标是开发一个基于场景的模型，能够评估极端风力事件期间低层建筑附近倒下的树木带来的风险。图16突出了所提出框架的一个关键优势：它能够估计在不同飓风情景下（特别是萨菲尔-辛普森级的1-5级飓风）目标损伤状态（本例中为穿墙损伤）的方向相关超标概率。

结果强调了该框架如何同时考虑飓风强度和风向，揭示了破坏风险的重要空间模式。例如，在第 1 类事件下，超标概率一般限制在以下

42 %

，峰值值

图 13.穿墙损坏的脆性表面（即 DS5）显示超标概率随风速和风角的函数关系。

图14.描述树木在风下倒塌的脆弱性曲线。
发生在西北方向附近。这些方向对应于树木 T1-T4 的位置，这些树木要么紧密间隔，要么与建筑物直接对齐。相比之下，在 5 级飓风下，超标概率显着增加，达到从西到东北再到东南方向之间的

88 %

99 %

值。同时，对于从西南风吹来的风（主要影响树 T5），超标概率仍低于

34 %

。这些结果证实了框架的方向敏感性，并强调了周围植被对严重建筑物损坏风险的累积影响。

尽管上述讨论仅关注一种类型的损伤-切入-穿透墙损伤（DS5），但对于其他损伤状态，只要定义了相应的冲击能量阈值，就可以获得类似的结果。这凸显了未来研究的一个关键领域：细化观察到的建筑物损坏与倒塌树木的冲击能量之间的关系。在这项研究中，我们采用了 FEMA HAZUS 的损害-影响-影响能量关系，该关系基于近三十年前在克莱姆森大学进行的有限实验。这些实验使用简化模型，用钢管代替树木，并仅测试部分建筑结构。因此，它们可能无法准确代表现实世界的树木影响。显然需要更真实、更详细的损坏函数，以更好地反映建筑物对树木撞击的反应。增强这些
关系将提高所提出的基于情景的框架的预测准确性，并扩大其在各种极端风力条件下的风险评估中的适用性。

4. 讨论

这项研究的结果强调了树木对风诱发荷载和极端风事件期间建筑脆弱性的复杂且有时相互矛盾的影响。风洞测试表明，战略性放置的弹性树木可以显着降低建筑物表面的局部峰值风压，减少幅度可达

50 %

，特别是当树木的位置可以直接拦截来风时。这与之前的研究一致，例如 Stathopoulos 等人（1994 年），他们报告说，由于树木防风林，风渗透和压力显着减少。然而，目前的研究还发现，在某些配置中，树木可能会导致风荷载增加，这可能是由于树木缝隙和建筑物表面之间的流动局部加速。这一观察结果与 Kandamby 等人（2023 年）的研究结果一致，后者表明树木的几何形状、间距和与建筑物的相对高度是塑造空气动力学行为的关键参数。尽管如此，还需要进一步的研究来确认和量化这些在更广泛条件下的影响。

除了屏蔽效应之外，这项研究还结合了使用内置房屋概率框架评估树木倒塌风险，该框架考虑了物种特定的参数、风向性和与建筑物的接近程度。基于蒙特卡洛模拟的模型捕获了树木在风荷载作用下行为固有的不确定性和可变性，从而能够开发树木引起的建筑物损坏的脆弱性曲线。案例研究表明，树木聚集和与主导风向的对齐可以显着提高损坏概率。例如，即使在中等风速下，位于结构西北的树木也会产生很高的超标概率。这些发现强调了不仅要考虑树木提供的空气动力学庇护，还要考虑它们在极端天气条件下产生多重压力危害的可能性的重要性。

研究结果还为规划和政策提供了实际意义。目前的建筑规范没有考虑植被影响，但越来越多的证据，包括这项研究，表明未来的修订应考虑植被特征和布局。从设计的角度来看，积极主动的树木管理实践，例如选择抗风树种、与建筑物保持安全距离以及实施定期维护，可以帮助减少风的脆弱性，而不会牺牲环境或热效益。这些发现提出的一个重要问题是，风力的减少是否

图 15.不同风向下建筑物穿墙损伤（即 DS5）的脆性曲线：（a）

45^{\circ}

;（乙）

135^{\circ}

;©

225^{\circ}

;及（d）

315^{\circ}

。插图显示了树木配置和突出显示的树木，这些树木会影响每个风角的脆弱性结果。

图 16.基于 Saf-fir-Simpson 等级的极坐标图显示了飓风 1-5 级下穿墙损坏（即 DS5）超标概率的极坐标图。
空气动力学屏蔽引起的诱发损坏可以抵消倒木造成的潜在损坏。此外，如果树木放置得足够远以消除撞击风险，可以预期多大程度的屏蔽？

解决这些问题需要未来的工作来评估树木在不同间距和风情景下的净效益。

5. 限制和对未来工作的影响

虽然这项研究为树木对风引起的压力和低层建筑风险的双重影响提供了宝贵的见解，但必须承认一些局限性，以避免研究结果的任何误导性普遍性和适用性。这些限制主要涉及研究的具体范围和控制条件、树木建模的简化、缺乏更广泛的城市环境考虑、热效应以及树木引起的损害函数的可靠性。

目前的调查使用了 T 形、单层、山墙屋顶低层建筑的具体案例研究，并预定义了植被的布置，这限制了其范围。尽管受控风洞实验有利于隔离空气动力学效应，但它们可能无法完全反映现实世界城市环境的复杂性。建筑几何形状、屋顶配置、建筑高度以及具有不同树冠形状和密度的不同树种的变化可能会极大地影响风和植被之间的相互作用。扩大未来的研究以涵盖更广泛的建筑和树木配置，将增强这些发现的普遍性。

城市树木的数值和实验模型的现状依赖于关键的简化，这阻碍了对树木如何响应风的基本理解。风洞实验
利用以“观赏”物种为代表的鳞片树木，主要根据其在缩小规模复制中的实用性而选择，而不是对成熟城市树木的精确空气动力学保真度。没有捕捉到叶子密度变化、树枝灵活性和结构对动态风条件的响应等因素。此外，房屋周围可能的树木密度、树木与房屋的距离以及树木的大小取决于年龄、季节、维护等，也存在固有的不确定性。同样，树木倒塌的概率建模依赖于简化的力学模型和经验异速生长关系，可能无法准确表示不同土壤条件、根系结构、树木健康状况或极端风下详细物种特异性行为所引起的变异性。将详细的全尺寸实验测量或先进的数值模拟纳入未来的研究可以显着完善树木的空气动力学和结构建模，从而更真实地描述失效模式和相互作用。

此外，本研究中使用的树木诱导损伤函数依赖于从过时和有限规模的实验中得出的简化关系。这些功能最初是使用机械控制的钢缸作为树木冲击能量对部分建筑结构的代理而开发的，可能无法准确代表倒下的树木的实际影响。这一限制凸显了迫切需要更新、详细的实验数据和改进的建模技术，以考虑树木对现代建筑结构的真实影响。未来的研究应优先通过全面破坏性测试或准确代表现实场景的高级数值模拟来开发增强的损伤函数。

本研究还评估了与单个建筑物相邻的树木的孤立场景，但没有充分解决更广泛的城市背景。真实的城市环境引入了额外的复杂性，例如街道峡谷、来自相邻建筑物的尾流干扰以及增强的湍流效应，这些效应会显着影响气流模式和与树木的相互作用。这些城市形态因素可能会改变植被的保护和危险影响。未来的研究应通过结合实验方法和计算建模来纳入代表实际城市布局的场景，以捕捉这些更复杂的、依赖于上下文的相互作用。

最后，这项工作的一个关键局限性是将热效应，特别是太阳辐射引起的浮力排除在风洞测试之外。真实的大气条件通常与本研究中复制的中性条件不同，特别是在城市地区，太阳能加热会产生影响当地气流动力学的温度梯度。正如最近的文献所强调的那样，太阳辐射的作用会显着影响风廓线、湍流强度和局部压力分布（Finnigan 等人，2020 年;Salim 等人，2022 年;Zhao 等人，2023 年）。未来的研究应将热影响整合到实验设计中，或采用包含详细辐射传递和热分层的数值模拟来弥补这一差距。

承认这些局限性阐明了解释当前发现的条件，并突出了进一步研究的关键方向，这些方向将增强城市风和植被相互作用模型的稳健性和适用性。

六、结论

本文研究了极端风力事件期间树木对低层建筑的双重影响，结合大规模空气动力学测试和内置房屋概率框架来评估与树木相关的防风效益和潜在损害风险
失败。目的是了解树木虽然通常作为天然风衣有益，但在特定配置和风暴场景下如何充当危险元素。

这项研究的主要发现是。

使用树木缓解风可能会产生不利影响：当战略性定位时，树木可以减少建筑物的风荷载，但在某些配置下，它们也会导致风压增加，这可能是由于树木缝隙和建筑物表面附近的局部流动加速。虽然这可能类似于重定向或引导行为，但此类影响仍然是推测性的，需要进一步验证。
除了树木的特性外，风向和树木与结构的接近程度也是最具控制性的参数之一：屏蔽性能和故障引起的损坏都高度依赖于树木如何与盛行风向对齐以及它们与结构的距离。
城市和景观规划应纳入植被风险，使用物种选择、间距指南和修剪做法来降低风引起的破坏或撞击损害的可能性。

总体而言，本研究中提出的研究结果有助于更好地了解树木在建筑环境中可以发挥的双重作用，在极端风力条件下既是保护元素，又是潜在危险。制定的框架为评估与植被相关的风风险提供了实用基础，并支持未来为抗风城市和景观规划制定植被知情指南的努力。第 5 节详细讨论了该研究的局限性和未来的研究需求。

CRediT 作者贡献声明

Haitham A. Ibrahim：写作 - 原稿、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。法希姆·艾哈迈德：方法论、形式分析。奥马尔·梅特瓦利：撰写原稿。Amal Elawady：写作 - 审查和编辑、监督、项目管理、调查、资金获取、概念化。Jean-Paul Pinelli：写作 - 审阅和编辑、资金获取、概念化。

竞争利益声明

作者声明了以下可被视为潜在竞争利益的经济利益/个人关系：Amal Elawady 报告说，美国国家科学基金会产学合作研究中心计划提供了财政支持。如果有其他作者，他们声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或个人关系似乎会影响本文中报告的工作。

确认

本文基于美国国家科学基金会赞助的工作，该奖项为 NSF IIP1841503,1841523 和 I/UCRC 风灾和基础设施绩效 WHIP2021-07、WHIP2022-07 和 WHIP2023-05。实验项目在 NSF-NHERI 风墙实验设施（美国国家科学基金第 1520853 号和第 2037899 号）进行。本文中表达的观点、发现、结论或建议仅代表作者的观点，不代表资助机构的意见。

附录 A. 概率框架流程图

图 A1.流程图说明了基于场景的蒙特卡洛框架，该框架用于评估极端风事件期间树木引起的建筑物损坏。（其中 N_wa 风角

=

数、

N_w s =

风速数、

N_

=

模拟数、

N_{-}

建筑物周围树木的树

=

木数、

M_{-}

树木底部的风

=

诱发力矩，M_Res = 茎折断或连根拔起的最小阻力力矩。IE = 来自倒下的树木的冲击能量，DS_IE = 目标损伤状态（DS）的冲击能量阈值。

数据可用性

数据将根据要求提供。

引用

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本文是题为：BBAA9 conference_invited 仅发表在《风能工程与工业空气动力学杂志》上的特刊的一部分。
- 通讯作者。
电子邮件地址：hmoha026@fiu.edu（H.A. Ibrahim）。
转载自 FEMA HAZUS（Vickery 等人，2006 年）。