基于風(fēng)環(huán)境的高層與周圍低層、多層建筑的布局方式選擇

王泰 ，李培 （上海市政設(shè)計研究總院（集團）有限公司，天津 200092）

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的加快城市人口的增加，城市土地資源日益緊張，大量人口涌入城市直接導(dǎo)致了城市建筑的豎向發(fā)展，多層、中高層和高層建筑也如雨后春筍般涌現(xiàn)。低層、多層住宅居住舒適度較之高層住宅具有優(yōu)勢，但是開發(fā)商出于經(jīng)濟效益和房型多樣化考慮，現(xiàn)代住宅小區(qū)中往往高層、多層和低層建筑同時存在，并且組合形式越來越多。

居住區(qū)中建筑與周邊物理環(huán)境共同組成一個微環(huán)境，其中風(fēng)環(huán)境是居住區(qū)微環(huán)境的重要構(gòu)成因素，對室外行人活動及其身體健康有十分顯著的影響[1]。良好的室外風(fēng)環(huán)境能夠創(chuàng)造宜人、舒適的室外活動空間，一些西方國家在居住區(qū)設(shè)計方法上明確提出了氣流設(shè)計環(huán)節(jié)[2]，國內(nèi)也逐漸意識到風(fēng)環(huán)境研究的重要性，并展開了一系列的研究。

目前，日本對該方向的研究較為深入，現(xiàn)階段對于此問題的研究主要集中在3個方面：第一種是研究兩棟建筑之間的相互影響[3-6]；第二種是研究一棟高層建筑與低層建筑群體之間的影響[7-8]；第三種是研究帶有多棟高層和低層建筑的實際街區(qū)風(fēng)環(huán)境狀況[1]。目前尚缺少考慮多棟高層建筑與周邊低層建筑相對位置、建筑高度的風(fēng)環(huán)境影響的研究。

本文基于ANSYS FLUENT平臺，對上海前灘地區(qū)居住小區(qū)的同一地塊中3種不同建筑布局方式進(jìn)行模擬，并對結(jié)果進(jìn)行評價，研究了高層建筑和周圍低層、多層建筑在不同布局形式下風(fēng)環(huán)境的差異性，給出當(dāng)前模擬環(huán)境下的最優(yōu)布局形式選擇。

圖1 三種布局方式的立體模型

1 工程概況

研究地塊地處上海浦東新區(qū)，西北側(cè)方向緊鄰黃浦江，北側(cè)緊鄰前灘大道，南側(cè)為梁月路，西側(cè)為桐晚路，東側(cè)緊鄰高青西路，地塊由南北向芋秋路和東西向曉會路分割為4個較小地塊，規(guī)劃總用地面積5123m2，現(xiàn)在共有3種形式設(shè)計方案，詳細(xì)信息總結(jié)如下表。

2 風(fēng)環(huán)境模擬

2.1 模型建立

模型建立過程，根據(jù)天津市規(guī)劃局給出的資料，將各個方案建筑實際尺寸由CAD軟件畫出建筑外輪廓，將其導(dǎo)入到ICEM軟件生成立體圖，如圖1。

2.2 建筑網(wǎng)格劃分

本文采用全尺寸模型，考慮到建筑物對風(fēng)的阻擋作用，模型計算域大小取為3500m×4000m×500m，滿足建筑物橫斷面阻塞率小于3%的要求。劃分網(wǎng)格過程中，網(wǎng)格尺寸應(yīng)控制在較為合理的區(qū)間內(nèi)，使用ICEM網(wǎng)格劃分軟件，模型全局尺寸最小網(wǎng)格設(shè)置為50m；流體出、入口面以及計算域四周最小網(wǎng)格尺寸為50m；建筑物最小網(wǎng)格尺寸為2m，網(wǎng)格增長速率為1.1，三種模型各自總網(wǎng)格數(shù)為200萬～250萬之間，網(wǎng)格質(zhì)量0.35以上。

2.3 邊界條件設(shè)定

根據(jù)中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集提供的上海氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合研究地塊的實際位置，考慮黃浦江對所研究區(qū)域的影響，取北偏西32°為冬季主導(dǎo)風(fēng)向，南偏東32°為夏季主導(dǎo)風(fēng)向。模擬設(shè)定離地面10m高度處，風(fēng)速為V=3.4m/s，采用介質(zhì)為空氣，風(fēng)速分布采用指數(shù)分布形式，應(yīng)用FLUENT軟件的UDF接口編程實現(xiàn)。研究主要考慮建筑布局形式對風(fēng)場的影響，排除氣象條件的溫度因素和建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、下墊面種類等對模擬的影響。

建筑3種布局形式及其主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 入口邊界條件

風(fēng)速設(shè)定：采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），模擬大氣邊界層風(fēng)速剖面指數(shù)分布，即：

式中，U為入口處任意點高度風(fēng)速；Z為該點的高度值；Z0為參考高度，；U0為參考點的風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)，D類場α=0.30。

參照日本規(guī)范[1][11]湍流強度的定義，湍流強度取值如下：

式中，B 類風(fēng)場下，I0為 0.23，β 為0.2，Zb取 5m，ZG取 350m；D 類風(fēng)場下，I0為 0.31，β 為 0.25，Zb 取 5m，ZG取450m。

計算中，來流湍流特性通過在進(jìn)流處直接給定湍流動能k及湍流耗散率ε公式如下：

k=1.5×（I×U）2

ε=0.090.75k1.5/l

式中，l為湍流尺度，l=0.07L，L 為建筑特征尺寸，湍流尺度一般按照經(jīng)驗取值，本文取為0.4。

2.3.2 其余邊界條件

出口邊界條件設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），相對靜壓值設(shè)置為0。計算域頂面和側(cè)面分別采用對稱邊界條件（sym），對稱邊界條件所有流量變量的通量為0，在粘性計算中對稱面條件也可以被稱為“滑移”壁面。建筑表面采用無滑移光滑壁面，忽略表面材質(zhì)對風(fēng)的粘滯作用。計算域底面模擬水泥地面，采用無滑移粗糙壁面，粗糙度指數(shù)D類場取0.30。

2.4 模擬設(shè)置

湍流模型選用RNG K-e模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面模型公式，求解方法采用simple算法，有限體積單元，壓力和動量采用二階迎風(fēng)格式，湍流動能和湍流擴散率采用一階迎風(fēng)格式。

2.5 風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

建筑物周圍行人高度處風(fēng)速是隨來流風(fēng)速變化而變化的，在風(fēng)洞試驗或者數(shù)值模擬中，某一點的風(fēng)速值對實際工程應(yīng)用中意義不大，而無量綱參數(shù)風(fēng)速比Ri是指在行人高度處某一點的風(fēng)速與相同高度來流風(fēng)速的比值，能夠表示由于建筑物的存在引起的風(fēng)速在某一點的擴大或者縮小系數(shù)，研究證明風(fēng)速比一般不隨來流風(fēng)速的變化而變化[10]。風(fēng)速比Ri定義為：

式中，Ri是指i點位置處的風(fēng)速比（無量綱）；

vi是指i點位置行人高度出處的實際風(fēng)速，單位m/s；

v0是指行人高度處未受擾動的來流風(fēng)速，一般取初始風(fēng)速，單位m/s。

Tetsu的研究表明當(dāng)某一區(qū)域風(fēng)速比大于2.0時，行人會感覺不適；風(fēng)速比小于0.5時，該區(qū)域風(fēng)速過低，不利于空氣流動[11]。因此本文中評價風(fēng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)速比介于0.5～2.0之間，另外還應(yīng)考慮地塊的使用屬性。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速云圖和風(fēng)速比圖

圖2 1.5m高風(fēng)速云圖

圖3 10m高風(fēng)速云圖

圖2和圖3分別為3種布局形式的1.5m高和10m高風(fēng)速分布圖，在3種布局中，最大風(fēng)速均出現(xiàn)在居住區(qū)的中間南北向街道的前端，且隨著高度的增加，風(fēng)速有增大的趨勢。波士頓后灣式和前灘花園式布局由于具有貫通的內(nèi)部道路通風(fēng)條件，好于新月花園式布局。此外，比較3種布局方式中部東西道路兩旁建筑及其之間的風(fēng)速分布情況大小可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高層建筑前后緊鄰排布時，會對之間風(fēng)速有較強的阻擋作用，而當(dāng)建筑交錯排布或者前后高度成一定的階梯狀分布時，風(fēng)速有明顯增強，風(fēng)速整體情況有所改善。

圖4 1.5m高風(fēng)速比圖

將距離地面1.5m高度處各位置風(fēng)速與同一高度處不受擾動的進(jìn)口風(fēng)速相比得到風(fēng)速比圖，由圖4可知，建筑對區(qū)域內(nèi)風(fēng)速阻擋效果明顯，比較,3種布局形式可以發(fā)現(xiàn)，新月花園式布局中絕大部分區(qū)域風(fēng)速比為0.2左右，而另外2種布局形式風(fēng)速比則大部分介于0.2～0.4之間，甚至迎風(fēng)面部分區(qū)域達(dá)到0.6左右，建筑布局圍合程度越高擋風(fēng)效應(yīng)越嚴(yán)重，而居住區(qū)采用開放式或者半圍合式有利于居住區(qū)內(nèi)通風(fēng)作用。

3.2 測點圖

測點主要布置在居住區(qū)及周圍主要人行、車行區(qū)域以及居住區(qū)出入口、廣場等位置。以上位置人流量較大，對周圍環(huán)境要求較高，是住區(qū)規(guī)劃中需要重點考慮的區(qū)域。測點布置示意圖如圖5。

圖5 測點分布圖

3.2.1 區(qū)域周圍主要道路

居住區(qū)周圍有6條主要街道，將其劃分為3個區(qū)域，測點1～7為住區(qū)中央南北向街道，測點8～14、15～21分別為住區(qū)西側(cè)和東側(cè)兩條南北向街道，測點22～27、28～33、34～39 分別為由北到南3條東西向街道。3個區(qū)域各有不同的特征：從區(qū)域一的測點可以發(fā)現(xiàn)，3種布局在此區(qū)域最大風(fēng)速和變化趨勢基本相同，而新月花園式測點最大風(fēng)速出現(xiàn)位置相比其他2種布局略微滯后，因為新月花園式布局中部街道處向里凹陷，呈喇叭口狀，而且街道長度與其它兩種布局形式相比較短，因而引起最大風(fēng)速偏后；區(qū)域二中3種布局變化趨勢均不同，新月花園式布局中風(fēng)速由北到南呈先增大后減小的趨勢，圖形表現(xiàn)為2個駝峰狀分布，波士頓后灣式則正好相反，由北到南呈先減小后增大的趨勢，圖形表現(xiàn)為“W”狀，而前灘花園式則為先減小后增大，再減小再增大的趨勢，圖形表現(xiàn)為“WW”狀，此區(qū)域，新月花園式平均風(fēng)速最大為1.67m/s，其次為波士頓后灣式平均風(fēng)速1.14m/s，前灘花園式平均風(fēng)速最小為0.88m/s，因為高層建筑對風(fēng)的阻擋和引流作用，使得風(fēng)速在周圍街處風(fēng)速有增大趨勢，而波士頓后灣式與前灘花園式相比在周圍分布有較多低層建筑，對風(fēng)的增當(dāng)效果較弱，因而波士頓后灣式風(fēng)速相對略大于前灘花園式；區(qū)域三的測點可以看出，由北到南3條街道風(fēng)速均呈增大趨勢，且測點風(fēng)速波動越來越大，表明在居住區(qū)迎風(fēng)側(cè)的街道區(qū)域風(fēng)速大小情況好于背風(fēng)側(cè)的區(qū)域，但是迎風(fēng)側(cè)建筑周圍測點和出入口周圍測點之間風(fēng)速波動較大，會給行人行走帶來不便，可以在出入口附近種植樹木，或者適當(dāng)減小位于迎風(fēng)區(qū)出入口的尺寸以減小風(fēng)速的波動。

圖6 測點編號及風(fēng)速折線圖

圖7 廣場及休息區(qū)平均風(fēng)速

3.2.2 小區(qū)主要出入口

出入口是住區(qū)與外部連接的重要空間，其風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣對人的出行活動有十分重要的影響。根據(jù)相對舒適度（Beaufort）評估標(biāo)準(zhǔn)，出入口風(fēng)速宜控制在1m/s～2.6m/s之間較為合適，3種布局方式中前灘花園式有較多的出入口風(fēng)速在此區(qū)間內(nèi)。

風(fēng)速較大區(qū)域集中在居住區(qū)右側(cè)空曠的區(qū)域的出入口處，當(dāng)迎風(fēng)面處出入口風(fēng)速較大時，在其周圍相鄰出入口風(fēng)速也會較大，具有關(guān)聯(lián)性，所以布置出入口時，應(yīng)當(dāng)盡量避免其受到遮擋，并且當(dāng)某一區(qū)域風(fēng)速較小可以通過適當(dāng)增加出入口數(shù)量或者加大出入口尺寸來改善通風(fēng)。

3.2.3 廣場及休憩區(qū)

廣場及綠地休息區(qū)是人們在住區(qū)內(nèi)的重要停留地，通過在3個區(qū)域內(nèi)均布測點，可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)速，圖7表示的是3種布局下分布在4個區(qū)域的廣場平均風(fēng)速折線圖。由圖可以看到：波士頓后灣式風(fēng)速變化最平緩，但是同時平均風(fēng)速也最小的，為0.54m/s；前灘花園式變化相對較為平緩，平均風(fēng)速也是3種布局方式中最大的，為0.98m/s；新月花園式布局中，風(fēng)速變化較大，北部和南部區(qū)域風(fēng)速相差較大，平均風(fēng)速為0.88m/s，介于另外2種之間。通過比較廣場面積和平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，兩者之間有正相關(guān)性，廣場面積越大平均風(fēng)速相對較高。

4 結(jié)論

綜合以上分析，本文得到以下幾點結(jié)論。

①高層建筑對低層建筑圍合度越高，住區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速越小。當(dāng)高層建筑在居住區(qū)周圍圍合度較高時如新月花園式，會將風(fēng)導(dǎo)流向住區(qū)四周的街道，對住區(qū)內(nèi)部有較強的遮擋作用；而高層建筑對內(nèi)部較低建筑圍合度較小時，能夠引起內(nèi)部道路風(fēng)速的增加，住區(qū)內(nèi)通風(fēng)情況更好。

②高層建筑位置不同對住區(qū)內(nèi)風(fēng)場也有較大的影響且成因復(fù)雜，當(dāng)高層建筑集中在居住區(qū)中部平行風(fēng)向排布時風(fēng)速稍差于其垂直風(fēng)向排布時的情況。

③住區(qū)內(nèi)部隨著離地面高度的增加，風(fēng)速逐漸增大，尤其體現(xiàn)在南北向的貫通的街道處，并且街道寬度越寬風(fēng)速越大，很多區(qū)域超過人體舒適度承受范圍，因此在臨街建筑應(yīng)有一定的防風(fēng)措施。

④高層建筑前后緊鄰排布時，對建筑之間風(fēng)速有較強的阻擋作用。通過對比居住區(qū)內(nèi)部，可以看出建筑之間錯開一定的距離或者減小前后建筑的高度，可以有效的改善此處區(qū)域風(fēng)速。