户外楼顶显示屏和立柱式显示屏综合解决方案

1 概述

LED显示屏拥有传统平面广告媒介所不具备的优势，逐年扩大户外广告应用的范围。

与此同时，LED户外显示屏本身的结构优化紧迫性正逐渐显现出来，尤其在户外立柱“高炮”式及楼顶式等传统广告牌升级为LED大屏的解决方案上表现尤其突出。

首先，传统LED显示屏箱体采用实体密闭结构，箱体单元由于自身结构与材料等原其重量几乎没有下降空间，传统LED户外显示屏约合60kg/m2，与其对应配套的固定钢结构的重量约合60kg/m2，而传统户外广告牌总重约30kg/m2～50kg/m2不等，所以原有的结构几乎不能承受传统LED显示屏重量，需要二次建设，工程投入较大。

其次，传统LED显示屏箱体为实体面，整个屏体完全承受环境中的风荷载，这对安装在户外立柱及楼顶的显示屏钢结构的强度具有更高要求，意味着更大的建设投入，更多的社会资源的浪费，甚至有钢结构过重致使建筑负重超标等不可评估风险。

最后，大部分传统户外广告牌均安装在车流量较为拥挤的地段，施工限制很多，传统LED显示屏箱体单元面积均在1m2左右，其较小的安装单元使安装作业效率较低，而且其安装钢结构网格分布更繁密复杂，这些因素导致钢结构施工本身和安装作业的复杂化。

基于对以上问题的深入研究，大族元亨针对性地研发出GD系列产品，如图1。该系列产品有以下特点：第一，采用框架式结构，单位面积内屏体重量轻；第二，通透，屏体采用格栅结构形式，能有效的降低显示屏正面风荷载；第三，方便安装，固定方式具有多样性，对屏体固定结构具有多样化适应性；第四，安装单元尺寸大，适合机械化吊装施工作业。

图1 GD系列

表1 P16间距，传统LED显示屏与GD系列之间主要参数的比较

可以看到GD系列采用格栅镂空结构，模组和箱体重量是传统LED屏的一半，显然，随着屏体重量的降低，钢结构的重量也会相应降低。但这个钢结构降低重量是否有效，即降低钢结构重量的同时是否影响整个结构的风荷载受力，为此我们深入讨论GD系列的风荷载[1][3]。

2 模组风洞试验

户外结构设计本身更重要的是考量风荷载的设计承载值是否符合规范？

对GD系列P16模组进行了风洞试验，（模组尺寸：200mm×200mm），如图2：

测试环境:

测试设备型号: EDE14A2型风洞

风速15m/s - 20m/s - 25m/s

图2 风洞试验

温度 23° ±3°

湿度 50±20%RH

风压测试仪 FLUKE922

测试方法：测试风速分别为15m/s - 20m/s - 25m/s时总风压和GD16模组的风压，进而计算出风压变化,即风压差。

表2 试验结果

说明：压差值=总风压-模组风压；变化率=压差/总风压×100%

从实验数据可知试验模组承受的风压值较总风压值小，说明GD16模组能有效降低风阻。下面将着手分析GD16系列有效降低风荷的原理，根据风荷载标准计算公式[1-2]：

ωk=βzμsμzω0

式中 ωk—风荷载标准值（kN/m2）；

βz—高度Z处的风振系数；

μs—风荷载体型系数；

μz—风压高度变化系数；

ω0—基本风压（kN/m2）。

从中我们可以看到只有风荷载体型系数μs可以改变，而风荷载体型系数与物体形状和面积相关，μs=（0.8+1.2/）×A，式中A为建筑物迎面面积，n为建筑物平面投影形状的边数，根据显示屏具体结构可知，投影为矩形，n取4，GD16镂空率为34%，有以下推算：

μs (常规)=（0.8+1.2）/×A=1.4A

μs (GD16)=（0.8+1.2）/×(1-0.34)A=0.952A

GD系列相较传统显示屏的风荷载体形系数减少率N:

N=（μs (常规)- μs (GD16)）/μs (常规) ×100%=32%[4]

关于风荷载体形系数规范请参考：高层建筑混凝土技术规程 JGJ 3-2010-4.2.2.

试验结果与按风荷载标准计算公式计算的结果有一定的出入，造成这种结果的主要原因在于实验风洞设备中风道与模组大小不能完全匹配，模组四周与风道有一定间隙，实验条件不是最理想化，使得实验结果略为放大，即便如此，我们能得出在相同的环境下，GD系列相较传统显示屏所受风荷载减少约30%。见图3。

食盐，很多初学者对食盐作为面包配方中的基本原料很是不解。食盐可以增加面包的风味；可以强化面筋，保持面团弹力，加强面团的保气能力；控制面团发酵速度，让面团在发酵过程中能均匀膨胀。食盐还可以中和糖的甜味，在含糖量高的面包配方中，可以适当增加食盐的用量。但是过量的食盐不仅能让面包很咸，也会抑制酵母的生长繁殖，因此食盐在面包中的添加量通常为1%～2%（以面粉计）。

图3 GD系列所受风荷载试验

3 显示屏仿真

（1）仿真对象和环境如下:

模拟大连市安装户外立柱LED显示屏，大连气象资料：全年平均风速5.2m/s；30年一遇最大风速31m/s；全年最多风向N；1971～2000年期间，出现的台风：10分钟平均最大风速24.7m/s，风向：SW，（1985.8.19）；瞬时极大风速：33.8m/s；风向：N，（1994.8.16）累年10分钟平均最大风速：33.3m/s，风向：N，（1956.02.28）；

环境和风速：风速分别为33.8m/s，31m/和5.2m/s。风向正对LED显示屏，场地经人工回填整平，地势平坦。

（2）数值模拟

（i）数学模型

LED显示屏宽为21.48m，高9.866m，厚1.5m，支架高5m，计算域的各个方向均约为LED宽度的5倍，坐标设置：X正向为风正对LED吹时的方向，XOY为水平面，Z垂直向上，如图4。

图4 计算域

（ii）计算网格

LED屏宽分布110个节点，高40个节点，厚15个节点，并加附面层网格，共141万nodes的网格量。网格如图5。

图5 全局网格

(iii) 边界条件及数值模拟

采用速度进口和出流条件，湍流模型为S-A，速度大小为别为33.8m/s、31m/s和5.2m/s，方向为正对LED屏（X方向）。

图6 LED屏及支座网格

（3）计算结果及分析

速度为33.8m/s，方向正对时，流场结果如图7、图8。流动流过LED时，受到LED的阻碍，传统LED屏在LED迎风面附近速度减小并在LED屏表面变为零，使得LED屏前方压力增大且为全计算域压力最大的地方；GD系列LED屏在LED迎风面附近速度减小，但部分气流透过LED屏体。均使得LED屏前方压力增大且为全计算域压力最大的地方，当流动绕过LED屏后，由于LED屏的存在，将在其后方产生旋涡，如图 ，压力变小；LED屏前后的压力差对其产生了很大的推力。各风速下LED结构所受推力如下表，其中的计算结果可作为结构设计的参考。

图7 流线及压力云图

图8 各剖面速度等值线图

表3 各风速下LED所受推力表

从实验结果分析，GD系列相较传统屏体能有效地降低屏体结构的风荷载值，模拟结果与前面实验及理论分析结果略有差异，主要原因在仿真中计算了屏体钢结构的遮挡因素，使得模拟结果最能接近实际应用。

4 结束语

综上分析比较，我们清晰得出，GD系列在大幅度降低重量的同时，格栅镂空的结构在有效降低屏体所受风荷载，使得屏体钢结构重量得到有效降低，降低钢结构制作成本，提高经济效益的同时也为社会节约不可再生资源，而且GD系列采用框架式设计，增大安装单尺寸，有效地简化钢结构施工难度，同时提高屏体安装作业效率。在针对户外楼顶及立柱式显示屏的综合解决方案中，GD系列具有针对性，相较传统LED屏具有明显的优势。