人类对建筑风振运动的感知和承受能力研究外文翻译资料

 2022-04-12 08:04

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12人类对建筑风振运动的感知和承受能力研究

摘要

建筑物风振运动会干扰居住者的日常活动和总体幸福感。然而，人们对高层建筑风振运动的耐受性本质上是一种主观评价。因此，目前国际上还没有公认的居住舒适性标准，为高层建筑的振动水平设定一个满意的设计标准。本章回顾了以往关于人类对运动的感知和对高层建筑风振运动容忍阈值的研究。介绍了利用运动模拟器为建筑物开发商/业主和设计专业人员提供不同程度的模拟风致建筑振动的舒适性评估，从而有助于评估建筑物振动的可接受性和采取减振措施的必要性。本文讨论了感觉冲突理论和姿势不稳定性理论两种运动病理论与人类对风致建筑物运动的反应之间的相关性，提出了设计策略，旨在最大限度地减少建筑物运动对居住者舒适度和幸福感的不利影响，减少人工任务和认知能力的潜在退化。

关键词：建筑运动感知、运动病、运动模拟器、居住着舒适度、风振

12.1 简介

在高层建筑设计中，不仅需要满足强度和安全要求，而且使用性标准也同样重要，而且往往是设计的依据。建筑物风振运动会引起恐惧和警报，并干扰建筑物使用者的日常活动。长时间接触会引起不适，影响幸福感和工作表现，在极端情况下还会引起晕车症状，包括头痛、头晕和恶心。因此，居住者的舒适性是一个关键的设计考虑因素，特别是建造在强风地区（如东亚、中国南海沿海地区和墨西哥湾等台风高发地区）的对风敏感的高大细长的建筑。

在过去的几十年里，人们已经进行了许多研究来研究对运动的反应。许多实验都是用运动模拟器来研究运动对人体的影响。大多数实验都是基于单自由度正弦运动进行的，例如确定运动的感知阈值。然而，人类对运动的反应，特别是由风引起的建筑运动，是多种心理和生理因素的复杂组合，包括触觉、前庭、本体感受、运动美学、视觉和听觉暗示以及视觉——前庭相互作用。因此，人对正弦运动的响应可能与典型的高层建筑风振的窄带随机运动有很大的不同。随着高楼和超高层建筑达到1000米及更高的高度，正确评估居住者对运动的感知、舒适和幸福，以及工作和认知能力的构成，是一个重大的挑战，因为缺乏能清楚地显示居住者在这些现代高层建筑典型的低自然频率上的生理和心理反应的信息。

本章回顾了以往关于人类对运动的感知和风致高层建筑运动容忍阈值的研究。概述了高层建筑风振中常用的建筑振动可接受性和居住舒适度标准。描述了使用运动模拟器为建筑开发商/业主和设计专业人员提供不同程度的模拟收缩建筑振动的体验的居住者舒适性评估。讨论了运动病的两种理论及其对人体康复的影响，以及它们与建筑物风振运动的关系。

12.2 人体对运动的感知和对高层建筑风振运动的容忍阈值

在已发表的文献中，有大量的数据涉及广泛频率下的运动和振动，包括船舶、车辆和其他与运输有关的振动，以及与工业和制造业有关的振动，以及这些振动对乘客和机器操作人员的影响。这些类型的振动大多是大幅度振动，在与建筑物运动有关的频率范围之外。夸克等人(2009)回顾了过去的研究，这些研究集中在人类对运动的感知和风力诱发建筑运动的耐受阈值上。这些研究一般可分为三大类：野外试验和基于调查的研究：在受风激发的高层建筑中进行的建筑物占用者的研究；测试人体试验对象的运动模拟器和振动台实验；以及在人工激励的建筑物中进行的现场实验。

风暴潮期间在风激发的高层建筑中进行的房屋占用者的现场实验和调查(汉森等人 1973；Goto 1983；Lee 1983；Isyumov等人。1988；Isyumov和Kilpatrick 1996等)提供不同加速度水平和不同频率的运动可感知性和可接受性信息。有些调查是在暴风雨之后或期间在建筑物中进行的，但调查结果仅与估计的响应有关，通常是根据风洞试验结果和对风暴期间风速的估计进行的。在已知发生不可接受的运动和(或)已登记的投诉的试验建筑物中进行的实验和调查获得了更好的质量和更有用的结果，并使测试建筑物得到适当的仪器，以准确记录入射风速和由此产生的加速度。与单一的事件调查数据相比，在多个风暴潮事件上对适当仪器的测试建筑物进行的重复测试和调查也产生了更可靠的数据。不幸的是，尽管有现代负担得起的仪器，研究人员和设计专业人员普遍希望了解自然发生的风事件对自然建筑环境中居住者的反应，但在已知表现出不可接受的运动的适当仪器的建筑物中进行现场试验仍然很少。这一研究方法缺乏进展的主要原因是，由于各种财政、商业和法律原因，作为潜在受益者的业主和公司租户不愿意积极支持这一研究工作。此外，这些高质量数据的公布不可避免地会受到未决或正在进行的诉讼的阻碍.

许多运动模拟器和摇床实验(例如Khan和Parmelee 1971；Chen和Robertson 1972；Irwin 1981，1983，1984，1985，1988；Kanda等。1988，1990；Goto等人。1990；Shioya等人。1992；Shioya和Kanda 1993；Noguchi等人。1993；德农等人。1999；德农2000；Burton等人。2004，2005，2006；Tamura等人。2006；Burton 2006；Burton等人。2011；德农和Kwok 2011；Michaels等人。2013及其他)已在精心控制的实验条件下对人体试验对象进行，以克服现场试验和建筑物占用人调查所带来的不确定性。在这些运动模拟器实验中，在受控条件下，通过不同的频率、振幅和持续时间产生运动，并以不同的姿态测试人体试验对象。在这些实验中使用的测试信号包括单向、双向和/或偏航(扭转)运动，但绝大多数实验都是基于正弦信号，只有少数是基于通常在风激建筑中遇到的窄带随机信号。人类对高度可预测的正弦运动的感知阈值与不可预测的随机运动的阈值有很大的不同。此外，大多数实验的重点是运动知觉，而不让测试对象受到工作或家庭环境中通常遇到的任务干扰。再加上预适应，即测试对象有先入为主的期望，他们会体验到运动，运动模拟器实验有可能降低知觉阈值。

在人工激励的建筑物中也进行了运动知觉实验(Morris等人 1979；Bouncer等人1980，等等)。这些实验是在实际建筑中进行的，它们是由变频和变重量的变速电动机驱动的对旋质量激励的。这些测试是参数性研究，调查变量，如前-后，横向和扭转运动，测试对象的姿势，和手动任务。虽然试验是在无法在运动模拟器中再现的实际建筑环境中进行的，而实际的建筑物运动是为了再现居住者的恐惧感，但激励方法只产生正弦的建筑物运动，正如前面所讨论的，这与通常在风激建筑中遇到的窄带随机建筑响应有很大不同。

Goto等人进行了视觉线索实验（1996），Goto和Shindo(1999)在带有图像投影的运动模拟器中对人体试验对象进行了研究，以模拟一个移动的、远距离或近距离的视觉场景，但没有模拟的运动，也没有任务干扰。因此，这些实验提供的纯粹的视觉刺激不涉及其他生理因素。虽然有其他一些关于通过外部视觉线索感知运动的报告，其中以扭转运动为重点，但只有在建筑物旋转中心才能体验到纯粹的扭转或偏航运动，而旋转中心很可能远离观景窗口和建筑物的服务部分(电梯核心、消防楼梯、洗手间)。在建筑物内的其他位置，大多数人从事正常活动，特别是远离旋转中心，扭转运动主要是平移运动。值得注意的是，在1981至1987年间的强风到强风发作期间，高度风敏的悉尼塔经历了由风引起的运动，其平移加速度峰值高达50毫升(郭氏和麦克唐纳1990)，相当于重力的1毫升-1/4。站着的时候，整个身体对塔的运动反应摇摆，塔在高楼大厦的背景下，通过观景窗口出现了视觉上的移动。然而，一旦头部被固定固定在结构构件上，就无法探测到对远场参考物体的挠度或运动。这表明，通过人体各组成部分对建筑物运动的生物动态反应来放大头部运动，有可能与在风激发的高层建筑中创造相对物体运动的视觉视差有关。最近的研究已经证明了支持这种理论的结果(Burton等人 2006)。

最近进行的人体运动知觉和容忍度阈值实验（德农(2000), 德农和夸克(2011), 德农等人(1999), 德农等人(2000)）是利用振动台实验、现场实验和调查相结合进行的。现场试验和调查是在三个风敏塔上进行的，其中有风速计和加速度计。悉尼机场控制塔的固有频率为0.94赫兹，并安装了运动排名按钮实验。在塔内工作的空中交通管制员是进行运动知觉实验、长期调查和离职调查的试验对象。布里斯班机场控制塔(0.54Hz)仅用于运动排序按钮实验，而在悉尼港口操作控制中心(POCC)对有限重复试验对象进行问卷调查(0.39Hz)。以峰值加速度为基础，发现乘员的运动知觉具有频率依赖性，相关的感知阈值加速度与ISO 6897：1984(国际标准化组织1984)基本一致。虽然以前经历过运动的人更敏感，但那些因必须完成一项主要任务而分心的人的运动知觉阈值比那些唯一的目的是检测运动的人记录到的更高。显然，根据对悉尼机场控制塔乘客进行的长期调查和离职调查的结果，随着时间的推移，习惯性和对运动的容忍度有所提高。

有趣的是，根据ISO 6897：1984(国际标准化组织1984)的规定，悉尼和布里斯班机场控制塔在乘客舒适度方面的表现是“可以接受的”，但悉尼塔的投诉却更多。据信，这是持续的、可感知的运动频率与主要的风相关的结果，这些风往往会吹上几个小时。相反，布里斯班塔的响应特点是很少有高峰值加速度和高峰值因子运动的短爆发，这主要是因为风气候以零星雷暴为主，持续时间较短，通常持续时间不超过10分钟。这表明暴露时间和运动波形在评估人体运动知觉和容忍度阈值中起着重要作用，峰值加速度引起的运动知觉和对运动的恐惧以及标准差加速度是一种更直接的持续运动测量方法，更适合于评估乘员的舒适性。此外，在评估风激高层建筑的居住舒适性时，验收标准应以居住者的舒适性和总体幸福感为依据，而不是以居住者对运动的感知为依据。

德农(2000)，德农等人(1999)和德农和夸克(2011)还利用风敏型POCC和单向振动台对人体运动知觉和容忍度阈值进行了运动模拟和现场实验。POCC提供了在塔台固有频率为0.39Hz的实际风振试验平台，并选取了现场实验中收集到的0.39Hz的运动数据，具有一个标准的大振幅。用8.15mI-g的偏差加速度和一个小的(近零)振幅激发振动台的单向模拟运动。在现场实验和摇台测试中，分别对重复测试和长时间测试进行认知性能测试。实验结果表明，风诱导的高层建筑运动对认知能力的影响最小。这似乎支持了这样的理由，即在适用性加速评估中没有必要考虑乘员的认知能力，但结果还远远没有定论。显然，在野外实验中测量认知性能是很困难的，并且可能更适合于运动模拟器实验。

图12.1 3times;3m双轴高层建筑运动模拟器

最近，Burton等人 (2003，2006)用3times;3m双轴高楼运动模拟器对人体试验对象进行了一系列运动模拟试验，如图12.1所示，该模拟器能够模拟主频在0.1~1.2Hz之间的纯调幅正弦波和两自由度高层建筑窄带随机运动。在研究人类在低频范围内(0.15、0.25、0.50和1.00Hz)和恒定峰值加速度为13.5毫升时对单轴水平(横向和纵向)正弦运动的响应时，发现头部加速度的放大系数(即头部加速度高于运动模拟器加速度)随着振荡频率的增加而不断增大：从0.15Hz的约2倍增加到1.00 Hz的约4%。磁头的加速度明显取决于振荡的频率。由于头部的内耳含有前庭器官，这是人体检测横向振动的主要运动传感器，因此，人类对运动的感知也取决于振动的频率。

实验对象头部运动的视频图像分析结果表明，在恒定的模拟器峰值加速度为13.5mI-g时，与运动模拟器的峰值位移分别为198、108、26和6.8mm相比，在0.15、0.25、0.50和1.00Hz的频率下，头部的平均位移稳定在20~40 mm之间。在受风刺激的建筑中，居住者从前庭器官获得线索，同时认为自己相对于建筑物是静止的。然而，当一个远场物体如高楼或远处的景物被观察到近场参考，例如一个视图窗口或办公室隔断框架时，所观察到的建筑物运动水平足以创造一个明显的建筑物运动的视觉线索。这种明显的视觉暗示往往起到确认作用，并增强了建筑运动的感觉。

Burton等人(2005)进行运动模拟实验，在实验频率范围为0.16~0.50Hz、加速度幅值为1~24毫升、测试持续时间为12或50 min时，500多名受试者在正弦、正态分布或高峰值因子波形下进行手动和认知任务。除了显示任务中断的频率依赖性外，测试结果还表明，暴露于具有正态分布波形的运动中的受试者比具有类似持续时间的近正弦或高峰值因子波形的受试者更容易出现恶心和任务中断等显著不适。在相同的标准差加速度下，12 min的短持续测试运动比50 min的测试运动更不容易引起恶心或任务中断等不适。这些观测结果强调了在考虑高层建筑可接受的加速度水平时，考虑短持续雷暴、长持续天气大风和季风等风事件持续时间效应的重要性。这构成了Burton等人提出的基于风事件/暴露持续时间的建筑振动可接受性标准的基础(2007)。

在另一个运动模拟实验中，Burton等人(2011)研究了低频运动对任务性能的影响。不同的是，先前的任务性能研究侧重于比高层建筑振动相关的频率(gt;1.0Hz)和加速度水平(gt;50毫升)(例如麦克劳德和格里芬1989)，以及欧文和戈托(1984)在0.02-10.0Hz的频率范围内对手动灵巧性测试进行的综合研究。Burton等人(2011)在0.125至0.50赫兹频率范围内进行手动任务性能测试，加速度水平为2至30毫升，通常是高层建筑在短时间强风事件(如雷暴)中经历的。14名实验对象以瞄准射击游戏的形式，对13种随机呈现的运动条件和1种无运动控制条件进行了手动跟踪任务。总的来说，通过完成时间和准确性来衡量业绩，发现没有出现统计上的显著退化或改善，因为这是频率和加速度的函数。结论是，可能需要更复杂的人工任务和更高加速度水平的测试，从而导致人工任务性能显著下降。然而，即使对于相对简单的手工任务，

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