武漢城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境計算機(jī)模擬分析

錢 義, 尚 濤, 詹 平

（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430072）

武漢城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境計算機(jī)模擬分析

錢 義, 尚 濤, 詹 平

（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430072）

隨著中國城市化快速增長，住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境越發(fā)得到人們重視。對于夏熱冬冷的武漢市，城市住宅小區(qū)冬季防風(fēng)以及夏季自然通風(fēng)顯得尤其重要。通過Airpak3.0軟件建立武漢未建小區(qū)模型，采用κ- ε湍流物理模型求解住宅小區(qū)內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)壓方法來研究建筑布局與風(fēng)場的關(guān)系。研究表明，計算機(jī)數(shù)值模擬能準(zhǔn)確模擬小區(qū)風(fēng)流場，建筑布局和風(fēng)向角對小區(qū)風(fēng)環(huán)境影響較大。采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合城市風(fēng)玫瑰圖進(jìn)行合理建筑規(guī)劃布局，可為武漢住宅小區(qū)建筑布局規(guī)劃建設(shè)提供指導(dǎo)和優(yōu)化。

住宅小區(qū)；風(fēng)環(huán)境；計算機(jī)模擬；建筑布局

城市住宅小區(qū)作為城市不斷擴(kuò)大、人口日趨密集的現(xiàn)代人居環(huán)境形式，其相關(guān)環(huán)境狀況優(yōu)劣被越來越多的人所認(rèn)識與關(guān)注。住宅小區(qū)已不僅滿足其居住功能，同時還應(yīng)強(qiáng)調(diào)居住者健康舒適性以及環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)越性。在住宅區(qū)的各種環(huán)境中，和人們生活最為緊密的就是住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境，良好的室外風(fēng)環(huán)境對節(jié)約能源和創(chuàng)造健康舒適室內(nèi)外生活具有重要意義：利用自然通風(fēng)解決夏季或過渡季的熱舒適性問題，取代或部分取代空調(diào)；適宜的冬季防風(fēng)設(shè)計，防止冬季冷風(fēng)帶走住宅周圍結(jié)構(gòu)的熱量以降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)住宅節(jié)能；良好的風(fēng)環(huán)境設(shè)計不僅改善居住的舒適度，還可以提高居住環(huán)境的空氣品質(zhì)；通過創(chuàng)造適宜的小區(qū)風(fēng)環(huán)境便于人們舒適室外活動和行走空間。因此，為了營造健康舒適的居住區(qū)微氣候環(huán)境，住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境研究顯得尤其重要[1]。

日本學(xué)者Azli Abd Razak[2]研究了建筑布局迎風(fēng)面面積比例對行人風(fēng)環(huán)境舒適度影響，研究推導(dǎo)出行人風(fēng)速和建筑正面面積之比的函數(shù)。住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究工作在國內(nèi)也有不少。重慶大學(xué)Yafeng Gao[3]通過計算機(jī)模擬研究了建筑布局對城市風(fēng)環(huán)境影響，研究指出不同風(fēng)速風(fēng)向和不同建筑布局形式是影響行人舒適度的兩個重要因素。天津大學(xué)杜曉輝[4]等對天津高層住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬和分析，結(jié)合建筑規(guī)劃設(shè)計提出了改進(jìn)高層住宅群不利風(fēng)環(huán)境的相應(yīng)措施。武漢作為中國中部城市，是典型的夏熱冬冷城市，因而對武漢地區(qū)住宅小區(qū)研究很有必要。利用夏季自然通風(fēng)以減少室內(nèi)空調(diào)使用和室外熱環(huán)境對行人的不舒適感；同時武漢市冬季寒冷，通過合理的建筑群布局有利于冬季防風(fēng)以減少小區(qū)熱量散失達(dá)到綠色節(jié)能。

1 武漢風(fēng)環(huán)境

武漢市地處中低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，熱富水豐，雨熱同季，冬冷夏熱，無霜期長。武漢市年平均氣溫為16.2～16·7℃，冬季多東北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)，在廣闊湖面沿岸有“海陸”風(fēng)，在黃陂北部山區(qū)有山谷風(fēng)。據(jù)武漢氣象資料顯示，年平均風(fēng)速為2.5～2.9米/秒，一年中有30%的日數(shù)，平均風(fēng)速可達(dá)3米／秒以上，多年平均最大風(fēng)速為14～19米／秒。武漢多年分月主要風(fēng)向及頻率情況，如表1所示。

表1 漢口多年分月主要風(fēng)向及頻率

參考武漢市風(fēng)玫瑰圖，如圖1所示，全年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，且夏季受熱帶季風(fēng)影響突出，這里選取東北風(fēng)和東南風(fēng)為來流方向，如圖2所示，分別來研究武漢市的住宅小區(qū)的冬季和夏季的風(fēng)環(huán)境。

圖1 武漢市風(fēng)玫瑰圖

圖2 來流方向布置圖

2 模型的建立

本案例研究為絲寶房地房開發(fā)（武漢）有限公司開發(fā)的聽濤觀海三期未建小區(qū)。建筑面積為228455m2，建筑密度為18%，容積率1.3。其詳細(xì)規(guī)劃平面圖，如圖3所示。規(guī)劃小區(qū)位于武漢市黃陂區(qū)，距城區(qū)12公里左右。本建筑群為低層，多層，高層混合普通住宅小區(qū)。低層別墅區(qū)3層高共計22幢，位于小區(qū)北部；多層住宿區(qū)6層高共計 19幢，位于小區(qū)中部；沿路為 25-27層的高層區(qū)，共計14幢，所有建筑基本均朝南坐北布置。根據(jù)規(guī)劃小區(qū)內(nèi)每棟建筑的長、寬、高實(shí)際尺寸并簡化對風(fēng)環(huán)境影響很小的拐角、凸起等建立起聽濤觀海小區(qū)的三維模型，如圖4所示。

圖3 小區(qū)環(huán)境規(guī)劃平面圖

圖4 住宅小區(qū)建筑的三維模型

3 數(shù)值模擬和分析

3.1 模擬計算指標(biāo)

根據(jù)近年來武漢市的風(fēng)資料可以得出全年日平均風(fēng)速為2.8m/s左右，在模擬中取夏季風(fēng)速為2.8m/s，來流方向為東南方向；冬季為3.0m/s；來流方向為東北方向。計算模型參考高度為10m，研究離地面1.5m行人高度小區(qū)建筑群周圍在不同方向下平均速度場與風(fēng)壓場分布。根據(jù)綠色奧運(yùn)建筑評估體系[5]對小區(qū)風(fēng)環(huán)境提出明確要求，對小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬進(jìn)行分析和評價，即：

1） 在建筑物周圍行人區(qū)1.5m處風(fēng)速小于5m/s；

2） 冬季保證建筑物前后壓差不大于5Pa；

3） 夏季保證75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右壓差，避免局部出現(xiàn)漩渦和死角，從而保證室內(nèi)有效的自然通風(fēng)。

3.2 計算邊界條件

由于建筑和小區(qū)周圍空氣流動屬于大氣邊界層低速不可壓湍流流場，所以風(fēng)場基本控制方程為流體連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程[6]。同時作為穩(wěn)態(tài)流場，還需引入湍流模型。選取RNGκ - ε模型作為計算模型，這種模型在低速湍流計算中較為常用，計算速度和精度較高，而且對近壁地區(qū)和邊界地區(qū)等湍流發(fā)展不完全區(qū)域的計算精度也能令人滿意。

入口邊界采用大氣邊界層，設(shè)置好大氣邊界層大小，迎風(fēng)方向，風(fēng)速，以及當(dāng)?shù)貐^(qū)域類型，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇離地Z和地面粗糙指數(shù)α數(shù)值。本研究案例中選用地面粗糙類別為C類：即地面粗糙指數(shù)為 0.22，邊界層厚度 Z值為400m。建筑物附近風(fēng)速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下風(fēng)速梯度也不一樣，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2001，地面粗糙度可分為A、B、C、D 4類，其相應(yīng)值如表2所示[7]。模擬中將側(cè)面出口邊界設(shè)置為環(huán)境壓力出口邊界；將地面和頂面均設(shè)為固定不動無滑移的壁面條件。

表2 不同地面的粗糙度指數(shù)

3.3 冬夏兩季風(fēng)環(huán)境模擬

武漢住宅小區(qū)夏季主導(dǎo)方向為 SE，數(shù)值模擬時，取室外平均風(fēng)速2.8m/s。如圖5、圖6所示，距地面1.5m處夏季風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。住宅小區(qū)冬季主導(dǎo)方向為 NE，數(shù)值模擬時，取室外平均風(fēng)速3.0m/s。如圖7、圖8所示，距地面1.5m處冬季風(fēng)速和風(fēng)壓分布圖。

3.4 小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬分析

圖5 夏季距地面1.5m處速度分布圖

圖6 夏季距地面1.5m處壓強(qiáng)分布圖

圖7 冬季距地面1.5m處速度分布圖

圖8 冬季距地面1.5m處壓強(qiáng)分布圖

通過對武漢住宅小區(qū)夏季與冬季室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析，我們可以得到以下結(jié)論：

1） 通過對小區(qū)內(nèi)低層，多層，及高層建筑在1.5m處風(fēng)速、壓強(qiáng)的比較與分析，可以得出場內(nèi)的最高風(fēng)速比來流風(fēng)速高40%左右，且最高風(fēng)速主要出現(xiàn)在來流方向狹窄通道上和建筑群迎風(fēng)端口處，如圖5～圖8中的紅色區(qū)域。

2） 從模擬結(jié)果可以看出，小區(qū)內(nèi)絕大部分行人風(fēng)速為 0.2m/s～0.8m/s，風(fēng)速均小于 5m/s。但在小區(qū)建筑群迎風(fēng)面拐角處，局部風(fēng)速加大，在風(fēng)速較大的天數(shù)里，有可能出現(xiàn)風(fēng)速過大，建議在此位置處種植行道樹等景觀綠化植物形成擋風(fēng)構(gòu)筑物[8]，降低小區(qū)行人高度處的風(fēng)速，避免風(fēng)速過大造成行人安全問題和不適感。

3） 建筑周圍空間環(huán)境中最大風(fēng)速比（當(dāng)?shù)仫L(fēng)速/來流風(fēng)速）均小于2，因此，不會出現(xiàn)導(dǎo)致行人行走困難的突發(fā)性高風(fēng)速情況。

4） 從模擬結(jié)果可以看出，大部分小區(qū)建筑前后壓差不超過5Pa，滿足《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。

5） 如圖6所示，通過夏季小區(qū)建筑群風(fēng)壓模擬圖可以清晰地看出：絕大部分板式建筑前后壓差保持在1.5Pa左右，有利于夏季建筑室內(nèi)的自然通風(fēng)。小區(qū)建筑群的北部，低層建筑密度過高加上來流方向建筑群的遮擋會影響夏季自然通風(fēng)，可通過降低建筑密度或布置水體綠化來改善通風(fēng)狀況。

4 結(jié) 論

論文參考?xì)庀筚Y料對夏熱冬冷城市武漢某住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，分別考慮夏季和冬季的年平均風(fēng)的作用下，該住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境情況。對武漢住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究，我們得到如下結(jié)論：

1） 城市住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境與城市氣象參數(shù)和建筑布局有關(guān)。從模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)速的大小和來流方向?qū)π^(qū)風(fēng)環(huán)境影響較大；建筑間距是風(fēng)流動的通道，可通過調(diào)整建筑間距來促進(jìn)冬季的防風(fēng)和夏季的通風(fēng)設(shè)計；

2） 城市住宅小區(qū)建筑群的規(guī)劃設(shè)計在方案實(shí)施之前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對于夏熱冬冷中部城市武漢而言，冬季主導(dǎo)風(fēng)向是東北風(fēng)，但是在通風(fēng)要求較高的夏季，風(fēng)向卻是東南風(fēng)，在小區(qū)規(guī)劃階段，可以通過CFD數(shù)值模擬該小區(qū)風(fēng)環(huán)境，并做出相應(yīng)調(diào)整；

3） 在建筑設(shè)計工程中，以數(shù)值方法預(yù)測建筑群的風(fēng)環(huán)境是一種簡便、快捷、有效的方法，可為規(guī)劃階段的方案優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，有效地避免在建筑建成之后可能出現(xiàn)建筑物理環(huán)境問題，為創(chuàng)造綠色節(jié)能舒適小區(qū)建筑風(fēng)環(huán)境提供直觀的數(shù)據(jù)參考。

[1] 陳卓倫, 趙立華, 孟慶林, 等. 廣州典型住宅小區(qū)微氣候?qū)崪y與分析[J]. 建筑學(xué)報, 2008, (11): 24-27.

[2] Abd Razak A, Hagishima A. Analysis of airflow over building arrays for assessment of urban wind environment [J]. Building and Environment, 2013, (59): 56-65.

[3] Gao Yafeng, Yao Runming, Li Baizhan, et al. Field studies on the effect of built forms on urban wind environments [J]. RenewableEnergy, 2012, 46: 148-154.

[4] 杜曉輝, 高 輝. 天津高層住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境探析[J].建筑學(xué)報, 2008, (4): 43-45.

[5] 綠色奧運(yùn)建筑研究課題組. 綠色奧運(yùn)建筑評估體系[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2003.

[6] 村上周三著. CFD與建筑環(huán)境設(shè)計[M]. 朱清宇等譯. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[7] 尚 濤, 錢 義. 武漢地區(qū)住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境模擬及評價[J]. 華中建筑, 2013, (1): 48-51.

[8] 劉春艷, 彭興黔. 沿海城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境研究[J].福建建筑, 2010, (7): 145.

Computer Simulation and Analysis of Wind Environment in Wuhan Urban Residential District

Qian Yi, Shang Tao, Zhan Ping
( School of Urban Design at Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

With the rapid growth of China’s urbanization, the wind environment of residential districts is getting people’s attention more and more. The winter windproof and summer natural ventilation are particularly important for Wuhan city which is hot in summer and cold in winter. This paper establishes the model of planning residential district by using software of Airpak3.0 and researches the relationship between the layout of building and wind by using κ- εTurbulence model to solve the speed and pressure of residential district. The results demonstrate that computer numerical method can simulate the wind field accurately and wind environment is influenced obviously by the layout of residential district and inflow direction. Using numerical simulation method and reasonable building planning with the city wind rose can provide guidance and optimization of building planning construction for residential district in Wuhan area.

residential district; wind environment; computer simulation; building layout

TU 17

A

2095-302X (2013)05-0025-05

2013-05-21；定稿日期：2013-08-23

武漢大學(xué)博士研究生科研自主基金資助（201120902020001）并獲2013年武漢大學(xué)開放實(shí)驗項目資助。

錢 義（1986-），男，江西九江人，博士研究生，主要研究方向為數(shù)字建筑，建筑設(shè)計等。E-mail：qianyiwhu@gmail.com

尚 濤（1954-），男，河南信陽人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為計算機(jī)圖形學(xué)、建筑歷史遺產(chǎn)、數(shù)字建筑等。

E-mail：tshang56@126.com