超高层建筑具有低阻尼、长周期和高柔度等特点,是典型的风敏感结构,风荷载往往是结构安全性和舒适性设计的控制荷载。在高层建筑抗风研究中,气动优化问题尤其值得关注,原因在于:气动措施通过修改或局部修改建筑的气动外形即达到减小结构风效应(风荷载及风致响应)之目的,且成本相对结构或机械措施具有明显的优势,因此气动优化问题也是高层建筑结构抗风研究的重点之一;特别是在方案设计阶段,气动优化措施完全有可能与建筑设计相融合,达到技术和艺术的双赢效果。本文采用数值模拟特别是大涡模拟(LES)技术为主要研究手段,研究高层建筑的风荷载及气动优化这一结构抗风研究的重要问题,通过进行如下内容的研究依次展开:(1)首先,研究了基于雷诺平均RANS的湍流风场数值模拟问题。针对近年来国内外在平衡态大气边界层的准确模拟这一计算风工程基础性问题上的研究成果,按入流边界条件、湍流模型参数、附加源项模型以及壁面函数模型等四个方面进行了全面梳理和系统总结;在此基础上建议了一组新的标准k-ε模型湍流模型参数和通用壁面函数数学模型,并采用计算流体动力学CFD方法进行了数值模拟验证。研究表明:平衡态边界层的模拟不仅和入流边界条件中湍动能k的数学模型有关,还受湍流模型参数取值及壁面函数影响,在控制方程中增加源项这一文献中建议的方法,并不一定能有效改善速度和湍动能剖面在整个流域范围的自保持性。(2)其次,采用课题组最新建议的大涡模拟入口湍流生成方法——窄带合成法(Narrowband Synthetic Random Flow Generation,NSRFG)进行大气边界层湍流风场及标准建筑模型绕流的数值模拟研究。以风洞试验结果为参照,通过对不同入口湍流生成方法在模拟简单边界层流动和CAARC标准建筑模型绕流问题上的横向比较,同时与基于RANS方法的SST k-ω模型计算结果进行了对照,验证了NSRFG LES方法的适用性、准确性及相对优势;并按时间步长、计算时长、截断时长以及网格离散等因素对进行了系统参数影响分析,研究表明:LES数值模拟时间步长不必严格满足CFL≤1条件,可适当放宽至CFL≤2.5;计算时长和计算网格对湍流边界层和建筑绕流的模拟亦有较大影响,并且建议在数据处理中不进行截断时长处理。(3)然后,在此基础上选取简单体型的方形建筑模型为研究对象,进行建筑原型及设置角区开槽局部气动优化措施的系列LES模拟和对比研究。对建筑表面风压分布、基底弯矩和顶部位移进行详细的对比分析,结果表明:1)建筑高度越高,方形建筑的横风向响应越显著,局部气动措施越有效,如原型高度为540m的方柱模型采用四角开敞后横风向脉动位移可降低57.7%;2)在0.6倍的建筑高度处采用局部气动措施具有较好的气动优化效果,其中相对效果最好的是全开敞模型,可以使顺风向和横风向脉动位移响应分别减小34.5%和36%。(4)最后,将本文的LES数值模拟技术应用到一实际超高层建筑工程的气动优化研究中。以深圳京基金融中心(441.8m)为案例,采用LES模拟技术计算了该建筑设置四种不同角区局部开敞气动优化措施的工况,通过对流场、基底弯矩和顶部位移模拟结果的比较分析,显示在该建筑采取两侧开敞、四周开敞和四角开敞的局部气动优化措施,都会有效抑制建筑背风面的漩涡脱落,显著降低结构的横风向风致响应;其中效果相对最好的是四周开敞工况,其顶部横风向脉动位移可降低达26%。