空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用:建筑風(fēng)工程:風(fēng)工程與城市規(guī)劃技術(shù)教程_第1頁(yè)
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空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用:建筑風(fēng)工程:風(fēng)工程與城市規(guī)劃技術(shù)教程1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.1流體力學(xué)原理流體力學(xué)是研究流體(液體和氣體)的運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài),以及流體與固體邊界相互作用的學(xué)科。在建筑風(fēng)工程中,流體力學(xué)原理幫助我們理解風(fēng)如何與建筑物和城市環(huán)境相互作用。1.1.1基本方程流體運(yùn)動(dòng)的基本方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。其中,連續(xù)性方程描述了流體質(zhì)量的守恒,動(dòng)量方程描述了流體動(dòng)量的守恒,能量方程描述了流體能量的守恒。1.1.2伯努利方程伯努利方程是流體力學(xué)中的一個(gè)重要方程,它描述了在理想流體中,流體的速度、壓力和高度之間的關(guān)系。在建筑風(fēng)工程中,伯努利方程可以用來(lái)計(jì)算風(fēng)速與風(fēng)壓之間的關(guān)系。1.1.3示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),需要計(jì)算不同風(fēng)速下的壓力變化。我們可以使用伯努利方程來(lái)估算。#定義常量

density=1.225#空氣密度,單位:kg/m^3

velocity_1=10#初始風(fēng)速,單位:m/s

velocity_2=20#變化后的風(fēng)速,單位:m/s

#計(jì)算壓力變化

pressure_change=0.5*density*(velocity_2**2-velocity_1**2)

#輸出結(jié)果

print(f"壓力變化為:{pressure_change}Pa")1.2邊界層理論邊界層理論描述了流體在固體表面附近的行為,特別是在速度從零逐漸增加到自由流速度的區(qū)域。在建筑風(fēng)工程中,邊界層的特性對(duì)風(fēng)力的分布和建筑物的風(fēng)壓有重要影響。1.2.1邊界層分離當(dāng)流體遇到建筑物的突變形狀時(shí),邊界層可能會(huì)分離,形成渦流區(qū),這會(huì)導(dǎo)致建筑物后方的風(fēng)壓降低,產(chǎn)生所謂的“吸力”。1.2.2邊界層厚度邊界層的厚度隨著流體流動(dòng)距離的增加而增加,這影響了風(fēng)力在建筑物表面的分布。1.3湍流與紊流湍流和紊流是流體運(yùn)動(dòng)的兩種狀態(tài),其中湍流是流體運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則和隨機(jī)狀態(tài),而紊流則是流體運(yùn)動(dòng)的層流狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)的現(xiàn)象。1.3.1湍流模型在建筑風(fēng)工程中,通常使用湍流模型來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)力對(duì)建筑物的影響。常見(jiàn)的湍流模型包括k-ε模型和k-ω模型。1.3.2示例使用k-ε模型計(jì)算湍流強(qiáng)度。#定義常量

k=1.0#湍流動(dòng)能,單位:m^2/s^2

epsilon=0.1#湍動(dòng)能耗散率,單位:m^2/s^3

#計(jì)算湍流強(qiáng)度

turbulence_intensity=(k**0.5)/(10*(epsilon/k)**0.25)

#輸出結(jié)果

print(f"湍流強(qiáng)度為:{turbulence_intensity}")1.4風(fēng)速分布與風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)速分布和風(fēng)壓系數(shù)是評(píng)估建筑物風(fēng)力影響的關(guān)鍵參數(shù)。風(fēng)速分布描述了風(fēng)速在空間中的變化,而風(fēng)壓系數(shù)則反映了建筑物表面風(fēng)壓與來(lái)流風(fēng)速之間的關(guān)系。1.4.1風(fēng)速分布風(fēng)速分布通常遵循韋布爾分布或?qū)?shù)律分布。在城市環(huán)境中,建筑物的布局和高度會(huì)影響風(fēng)速分布,導(dǎo)致所謂的“城市峽谷效應(yīng)”。1.4.2風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)壓系數(shù)(Cp)是風(fēng)工程中的一個(gè)重要參數(shù),它描述了建筑物表面某點(diǎn)的風(fēng)壓與來(lái)流風(fēng)速之間的關(guān)系。Cp值的大小直接影響了建筑物的風(fēng)荷載。1.4.3示例計(jì)算建筑物表面的風(fēng)壓系數(shù)。#定義常量

density=1.225#空氣密度,單位:kg/m^3

velocity=15#風(fēng)速,單位:m/s

pressure_surface=200#建筑物表面某點(diǎn)的風(fēng)壓,單位:Pa

#計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)

Cp=pressure_surface/(0.5*density*velocity**2)

#輸出結(jié)果

print(f"風(fēng)壓系數(shù)為:{Cp}")以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了空氣動(dòng)力學(xué)在建筑風(fēng)工程中的應(yīng)用,包括流體力學(xué)原理、邊界層理論、湍流與紊流以及風(fēng)速分布與風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算。通過(guò)理解和應(yīng)用這些原理,我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估風(fēng)力對(duì)建筑物和城市規(guī)劃的影響。2建筑風(fēng)工程概論2.1風(fēng)對(duì)建筑的影響在建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃中,風(fēng)的影響是一個(gè)至關(guān)重要的因素。風(fēng)不僅關(guān)系到建筑的舒適性,如室內(nèi)通風(fēng)、室外微氣候,還直接影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性。強(qiáng)風(fēng)可能導(dǎo)致建筑物的損壞,甚至倒塌,而風(fēng)壓分布不均則可能引起建筑的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。此外,風(fēng)對(duì)高層建筑的風(fēng)致效應(yīng),如渦旋脫落、風(fēng)振等,也是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的。2.1.1風(fēng)壓與風(fēng)振風(fēng)壓分為靜風(fēng)壓和動(dòng)風(fēng)壓。靜風(fēng)壓主要由風(fēng)速和風(fēng)向決定,而動(dòng)風(fēng)壓則與風(fēng)的湍流特性、建筑物的形狀和尺寸有關(guān)。風(fēng)振則是由于風(fēng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的建筑振動(dòng),可以通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析來(lái)評(píng)估。2.1.2風(fēng)環(huán)境評(píng)估風(fēng)環(huán)境評(píng)估旨在確保建筑周圍的人行道、廣場(chǎng)等公共空間的風(fēng)速適宜,避免出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)區(qū)或風(fēng)洞效應(yīng),確保行人安全和舒適。評(píng)估通常包括風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度等參數(shù)的分析。2.2風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是研究風(fēng)對(duì)建筑影響的直接方法。通過(guò)在風(fēng)洞中模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng),可以直觀地觀察和測(cè)量風(fēng)對(duì)建筑模型的影響,包括風(fēng)壓分布、風(fēng)速變化等。2.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要精確的建筑模型和風(fēng)洞環(huán)境。模型應(yīng)盡可能地反映真實(shí)建筑的幾何特征,而風(fēng)洞則需要能夠模擬不同風(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)。2.2.2數(shù)據(jù)采集與分析在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,通常使用壓力傳感器和風(fēng)速計(jì)來(lái)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集后,通過(guò)專業(yè)的分析軟件,如MATLAB或Python,進(jìn)行處理和分析,以獲取風(fēng)壓分布圖、風(fēng)速變化曲線等。#示例代碼:使用Python進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步分析

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#假設(shè)數(shù)據(jù):風(fēng)壓分布

pressure_data=np.array([100,120,150,180,200,180,150,120,100])

#繪制風(fēng)壓分布圖

plt.figure(figsize=(10,5))

plt.plot(pressure_data,label='WindPressureDistribution')

plt.xlabel('Position(m)')

plt.ylabel('Pressure(Pa)')

plt.title('WindPressureDistributiononaBuildingModel')

plt.legend()

plt.grid(True)

plt.show()2.3數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬是另一種研究風(fēng)對(duì)建筑影響的有效手段。通過(guò)建立建筑的三維模型,利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件,如ANSYSFluent或OpenFOAM,可以模擬風(fēng)場(chǎng),分析風(fēng)對(duì)建筑的影響。2.3.1CFD模型建立建立CFD模型時(shí),需要考慮建筑的幾何形狀、材料特性、周圍環(huán)境等。模型的網(wǎng)格劃分、邊界條件的設(shè)定、湍流模型的選擇等,都是影響模擬結(jié)果的關(guān)鍵因素。2.3.2模擬與結(jié)果分析模擬過(guò)程中,軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的條件,計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)的流速、壓力、湍流強(qiáng)度等參數(shù)。結(jié)果分析時(shí),可以生成風(fēng)壓分布圖、流線圖、湍流強(qiáng)度圖等,幫助理解風(fēng)對(duì)建筑的影響。#示例代碼:使用OpenFOAM進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬

#以下代碼僅為OpenFOAM命令行的示例,實(shí)際使用時(shí)需要在OpenFOAM環(huán)境中運(yùn)行

#并且需要預(yù)先準(zhǔn)備好的case目錄結(jié)構(gòu)和輸入文件

#運(yùn)行模擬

$foamJobsimpleFoam

#后處理:生成流線圖

$foamPlot3D-case<case_directory>-latestTime-fieldU-typevector-scale0.1-name"velocityVectors"2.4建筑風(fēng)環(huán)境評(píng)估建筑風(fēng)環(huán)境評(píng)估是確保建筑設(shè)計(jì)符合風(fēng)環(huán)境要求的過(guò)程。評(píng)估通常包括風(fēng)速、風(fēng)壓、湍流強(qiáng)度等參數(shù)的分析,以及對(duì)行人舒適度、建筑安全性的評(píng)估。2.4.1評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)通?;诋?dāng)?shù)氐慕ㄖ?guī)范和標(biāo)準(zhǔn),如中國(guó)GB50034-2013《建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同區(qū)域的風(fēng)速要求、風(fēng)壓系數(shù)等。2.4.2評(píng)估方法評(píng)估方法包括風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等。根據(jù)項(xiàng)目的具體需求和條件,選擇合適的評(píng)估方法。2.4.3結(jié)果應(yīng)用評(píng)估結(jié)果用于指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化,如調(diào)整建筑的形狀、布局,增加風(fēng)阻結(jié)構(gòu),優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)等,以提高建筑的風(fēng)環(huán)境性能。通過(guò)以上三個(gè)方面的深入探討,我們可以看到,無(wú)論是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值模擬,都是研究風(fēng)對(duì)建筑影響的重要工具。而建筑風(fēng)環(huán)境評(píng)估,則是確保建筑設(shè)計(jì)符合風(fēng)環(huán)境要求的關(guān)鍵步驟。在實(shí)際應(yīng)用中,這些技術(shù)相互補(bǔ)充,共同為建筑風(fēng)工程提供科學(xué)依據(jù)。3城市規(guī)劃中的風(fēng)工程應(yīng)用3.1城市微氣候分析城市微氣候分析是風(fēng)工程在城市規(guī)劃中的一項(xiàng)重要應(yīng)用,它關(guān)注城市內(nèi)部小尺度的氣候特征,如溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等。這些特征受到建筑物布局、綠化、道路和地形的影響,對(duì)城市熱島效應(yīng)、空氣質(zhì)量、居民舒適度和能源消耗有直接關(guān)系。3.1.1原理城市微氣候分析通?;贑FD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬,通過(guò)建立三維模型,輸入氣象數(shù)據(jù)和城市環(huán)境參數(shù),計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理量的分布。例如,使用OpenFOAM進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬,可以預(yù)測(cè)不同風(fēng)向下的風(fēng)速分布,幫助規(guī)劃師優(yōu)化建筑布局。3.1.2示例以下是一個(gè)使用OpenFOAM進(jìn)行城市微氣候分析的簡(jiǎn)化示例:#創(chuàng)建案例目錄

mkdircityMicroClimate

cdcityMicroClimate

#初始化案例

foamDictionarycity.dict

#設(shè)置網(wǎng)格

blockMesh

#設(shè)置邊界條件

setFields

#運(yùn)行CFD模擬

simpleFoam

#后處理,可視化結(jié)果

paraFoam在city.dict文件中,規(guī)劃師可以定義城市模型的幾何參數(shù),如建筑物的高度、寬度和位置。blockMesh命令用于生成網(wǎng)格,setFields用于設(shè)置初始和邊界條件,如風(fēng)速和溫度。simpleFoam是OpenFOAM中的一個(gè)求解器,用于執(zhí)行CFD模擬。最后,paraFoam用于后處理和可視化模擬結(jié)果。3.2風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在通過(guò)調(diào)整建筑布局、形狀和高度,以及增加綠化和水面等自然元素,來(lái)改善城市風(fēng)環(huán)境,減少風(fēng)速過(guò)低或過(guò)高對(duì)居民生活和建筑安全的影響。3.2.1原理風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)通常涉及CFD模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析不同設(shè)計(jì)方案下的風(fēng)場(chǎng),規(guī)劃師可以評(píng)估風(fēng)速分布、渦流和風(fēng)壓等關(guān)鍵參數(shù),選擇最優(yōu)化的方案。例如,使用Python的matplotlib庫(kù)可以可視化風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),幫助理解風(fēng)環(huán)境的改善效果。3.2.2示例假設(shè)我們有從CFD模擬中得到的風(fēng)速數(shù)據(jù),可以使用以下Python代碼進(jìn)行可視化:importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#假設(shè)數(shù)據(jù)

x=np.linspace(0,10,100)

y=np.linspace(0,10,100)

X,Y=np.meshgrid(x,y)

Z=np.sqrt(X**2+Y**2)#風(fēng)速分布的簡(jiǎn)化示例

#創(chuàng)建等高線圖

plt.contourf(X,Y,Z,20,cmap='RdGy')

plt.colorbar()

plt.title('城市風(fēng)速分布')

plt.xlabel('X軸距離')

plt.ylabel('Y軸距離')

plt.show()在這個(gè)示例中,我們使用numpy生成了X和Y軸的坐標(biāo),以及一個(gè)簡(jiǎn)化的風(fēng)速分布Z。matplotlib的contourf函數(shù)用于創(chuàng)建等高線圖,cmap參數(shù)定義了顏色映射,colorbar函數(shù)添加了顏色條,以表示風(fēng)速的大小。3.3高層建筑群風(fēng)效應(yīng)高層建筑群風(fēng)效應(yīng)是指在密集的高層建筑區(qū)域,風(fēng)速和風(fēng)向的變化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的影響。這包括風(fēng)壓、風(fēng)振和渦流等現(xiàn)象,對(duì)建筑安全和城市風(fēng)環(huán)境有重要影響。3.3.1原理分析高層建筑群風(fēng)效應(yīng)通常需要考慮建筑物之間的相互遮擋和渦流效應(yīng)。使用CFD模擬可以預(yù)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)壓的分布,評(píng)估風(fēng)振風(fēng)險(xiǎn)。例如,使用Python的pandas庫(kù)處理風(fēng)壓數(shù)據(jù),可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。3.3.2示例假設(shè)我們有從CFD模擬中得到的風(fēng)壓數(shù)據(jù),可以使用以下Python代碼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:importpandasaspd

#讀取風(fēng)壓數(shù)據(jù)

data=pd.read_csv('wind_pressure_data.csv')

#計(jì)算平均風(fēng)壓

mean_pressure=data['pressure'].mean()

#計(jì)算風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)差

std_pressure=data['pressure'].std()

#打印結(jié)果

print(f'平均風(fēng)壓:{mean_pressure}')

print(f'風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)差:{std_pressure}')在這個(gè)示例中,我們使用pandas讀取了CSV格式的風(fēng)壓數(shù)據(jù),然后計(jì)算了平均風(fēng)壓和風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)差,以評(píng)估風(fēng)壓的穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)。3.4城市通風(fēng)走廊規(guī)劃城市通風(fēng)走廊規(guī)劃是通過(guò)設(shè)計(jì)特定的建筑布局和綠化帶,引導(dǎo)風(fēng)向,增加城市內(nèi)部的空氣流通,以改善城市熱島效應(yīng)和空氣質(zhì)量。通風(fēng)走廊的設(shè)計(jì)需要考慮風(fēng)向頻率、風(fēng)速和地形等因素。3.4.1原理城市通風(fēng)走廊規(guī)劃基于風(fēng)向頻率和風(fēng)速的分析,通過(guò)CFD模擬和GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù),確定最佳的通風(fēng)走廊布局。例如,使用QGIS可以分析地形和風(fēng)向數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)通風(fēng)走廊。3.4.2示例雖然QGIS主要用于GIS數(shù)據(jù)的可視化和分析,不直接支持代碼示例,但我們可以使用Python的geopandas庫(kù)讀取和處理GIS數(shù)據(jù),為QGIS提供輸入。以下是一個(gè)讀取城市地形數(shù)據(jù)的示例:importgeopandasasgpd

#讀取城市地形數(shù)據(jù)

terrain_data=gpd.read_file('city_terrain.shp')

#打印數(shù)據(jù)信息

print(terrain_())在這個(gè)示例中,我們使用geopandas讀取了城市地形的shp文件,然后打印了數(shù)據(jù)的基本信息,包括列名和數(shù)據(jù)類型。這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步在QGIS中進(jìn)行分析和可視化,以支持城市通風(fēng)走廊的規(guī)劃。以上示例和原理說(shuō)明了風(fēng)工程在城市規(guī)劃中的應(yīng)用,包括城市微氣候分析、風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)、高層建筑群風(fēng)效應(yīng)和城市通風(fēng)走廊規(guī)劃。通過(guò)這些技術(shù),規(guī)劃師可以更科學(xué)地設(shè)計(jì)城市,改善居民的生活環(huán)境,提高城市的可持續(xù)性。4風(fēng)工程案例研究4.1國(guó)際風(fēng)工程案例解析在國(guó)際風(fēng)工程領(lǐng)域,一個(gè)著名的案例是位于倫敦的“瑞士再保險(xiǎn)塔”(SwissReTower),也被稱為“小黃瓜”(TheGherkin)。這座建筑在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了空氣動(dòng)力學(xué)原理,以減少風(fēng)荷載的影響。其獨(dú)特的圓錐形設(shè)計(jì),不僅美觀,而且能夠有效分散風(fēng)力,減少風(fēng)渦流的產(chǎn)生,從而降低了建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。4.1.1原理與內(nèi)容空氣動(dòng)力學(xué)原理:建筑的形狀對(duì)風(fēng)的流動(dòng)有顯著影響。流線型設(shè)計(jì)可以減少風(fēng)阻,避免在建筑周圍形成高壓區(qū)和低壓區(qū),從而減少風(fēng)荷載。風(fēng)洞測(cè)試:在設(shè)計(jì)階段,通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試模擬不同風(fēng)速和風(fēng)向下的建筑表現(xiàn),以優(yōu)化設(shè)計(jì),確保結(jié)構(gòu)安全。4.2中國(guó)城市風(fēng)工程實(shí)踐中國(guó)城市化進(jìn)程迅速,高層建筑密集,風(fēng)工程在城市規(guī)劃中的應(yīng)用變得尤為重要。以深圳平安金融中心為例,這座超高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)采用了多項(xiàng)風(fēng)工程措施,包括:風(fēng)壓分析:通過(guò)CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件進(jìn)行風(fēng)壓分析,以預(yù)測(cè)建筑表面的風(fēng)壓分布,優(yōu)化建筑外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)振控制:安裝了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD),以減少風(fēng)引起的振動(dòng),提高建筑的舒適性和安全性。4.2.1示例:風(fēng)壓分析#導(dǎo)入必要的庫(kù)

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

fromerpolateimportgriddata

#假設(shè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)

x=np.random.rand(100)*10

y=np.random.rand(100)*10

z=np.sin(x)+np.cos(y)

#創(chuàng)建網(wǎng)格

xi=np.linspace(0,10,100)

yi=np.linspace(0,10,100)

zi=griddata((x,y),z,(xi[None,:],yi[:,None]),method='cubic')

#繪制風(fēng)壓分布圖

plt.imshow(zi,extent=(0,10,0,10),origin='lower')

plt.colorbar()

plt.title('建筑表面風(fēng)壓分布')

plt.xlabel('X軸')

plt.ylabel('Y軸')

plt.show()此代碼示例展示了如何使用Python的numpy和matplotlib庫(kù)來(lái)模擬和可視化建筑表面的風(fēng)壓分布。通過(guò)隨機(jī)生成的建筑表面點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓值,使用scipy庫(kù)中的griddata函數(shù)進(jìn)行插值,生成網(wǎng)格數(shù)據(jù),最后使用matplotlib繪制風(fēng)壓分布圖。4.3風(fēng)工程在歷史建筑保護(hù)中的應(yīng)用歷史建筑

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