福建沿海歷史街區(qū)風(fēng)荷載特性數(shù)值模擬與風(fēng)險(xiǎn)防控方法

任蘭紅，曾 堅(jiān)，曾穗平，劉 祥

(1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384；3.同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院博士流動(dòng)站，上海 200092)

地處我國東南沿海的福建是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害易發(fā)的區(qū)域之一，由于歷史街區(qū)是寶貴的歷史文化資源，對(duì)福建沿海歷史街區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)防控的研究具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

已有文獻(xiàn)對(duì)福建沿海歷史街區(qū)的研究主要側(cè)重于空間與場(chǎng)所特征、建筑修復(fù)[1]等，鮮有臺(tái)風(fēng)災(zāi)害層面的研究。國內(nèi)外對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)荷載特性的研究取得長足進(jìn)展，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)定量研究建筑(群)的風(fēng)荷載特性是其重要的研究方向之一。殷志祥[2]運(yùn)用Fluent模擬、分析不同干擾因素對(duì)體育場(chǎng)館建筑群屋面風(fēng)荷載干擾機(jī)理，研究表明270°風(fēng)向角時(shí)體育館屋面受到的干擾影響最顯著，體育場(chǎng)開口較無開口時(shí)屋面風(fēng)荷載放大干擾現(xiàn)象顯著。LI Gang[3]通過數(shù)值模擬提出高度相同的低矮建筑檐口處的干擾效應(yīng)最顯著，串聯(lián)干擾程度最大，其次為交錯(cuò)布置，再次是并行布置。Hatem[4]對(duì)9個(gè)不同尺寸的大型低矮建筑不同風(fēng)向的風(fēng)荷載進(jìn)行分析，研究表明建筑尺寸對(duì)屋面風(fēng)荷載影響顯著，建議對(duì)于大尺寸的低矮建筑風(fēng)荷載進(jìn)行特殊計(jì)算，著重考慮屋面邊緣與角落區(qū)。GA Kopp[5]提出擾流板式與空隙式女兒墻能顯著降低屋面整體風(fēng)荷載，升高女兒墻角部區(qū)域高度可減小屋面整體風(fēng)荷載。汪汛等[6]運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)傳統(tǒng)的重檐歇山頂?shù)娘L(fēng)壓與風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出迎風(fēng)面重檐轉(zhuǎn)角位置產(chǎn)生最大負(fù)壓系數(shù)，相對(duì)曲面屋頂，直線斜坡屋面降低屋面和重檐處氣流速度，但將增大重檐間氣流速度，同時(shí)給出了重檐歇山屋面和重檐抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載體型系數(shù)建議值。單文姍[7]從風(fēng)壓分布與作用機(jī)理角度分析屋面舉折、屋脊高度、重檐等典型中國古建形體特征對(duì)雙坡與四坡屋面風(fēng)荷載的影響規(guī)律。因此，運(yùn)用CFD對(duì)傳統(tǒng)建筑進(jìn)行風(fēng)荷載特性數(shù)值模擬是一個(gè)可拓展的研究方向，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

上述研究對(duì)象通常為建筑單體或簡(jiǎn)單的數(shù)個(gè)建筑組合，當(dāng)前對(duì)較大范圍的街區(qū)尺度的風(fēng)荷載特性研究鮮有涉及，為此本文采用得到廣泛應(yīng)用的CFD求解器之一ANSYS Fluent 17.0對(duì)福建沿海典型的歷史街區(qū)的風(fēng)壓特性進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其抗風(fēng)性能進(jìn)行研究，以期為風(fēng)災(zāi)敏感的歷史街區(qū)的抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究區(qū)概況和歷史街區(qū)特點(diǎn)分析

福建沿海位于亞熱帶海陸過渡帶，地理特點(diǎn)是“依山傍?！?，90%的面積是丘陵。氣候?yàn)閬啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，7-9月的臺(tái)風(fēng)季是受熱帶氣旋影響最集中的時(shí)段。

福建沿海的地理位置特征、地形特色、特定的氣候以及傳統(tǒng)的多元文化共生與近現(xiàn)代中西文化交融的共同作用，促使福建沿海歷史街區(qū)具有多元、鮮明的地域特征。以影響街區(qū)空間形態(tài)及風(fēng)荷載的重要因素之一的路網(wǎng)體系為標(biāo)準(zhǔn)提取兩種歷史街區(qū)類型：方格路網(wǎng)歷史街區(qū)與不規(guī)則路網(wǎng)歷史街區(qū)(表1)作為本文研究對(duì)象。

表1 福建沿海歷史街區(qū)按路網(wǎng)類型分類

2 數(shù)據(jù)來源與模擬方法

2.1 計(jì)算公式與研究對(duì)象

(1)模型選取

本研究選用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過修正湍流黏度，并且考慮平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)以及旋流流動(dòng)可以更加好地處理高應(yīng)變率以及流線彎曲度較大的流動(dòng)，進(jìn)而使得數(shù)值模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確。RNGk-ε湍流模型對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)研究的適用性已經(jīng)被多位學(xué)者[6-7]驗(yàn)證，其流體控制微分方程為：

(1)

(2)

(2)風(fēng)壓系數(shù)

風(fēng)壓系數(shù)是無量綱常數(shù)，不同垂直面上所形成的風(fēng)壓與按建筑物高度上的風(fēng)速計(jì)算所得的動(dòng)壓之比為風(fēng)壓系數(shù)。以模型屋檐高度H處的風(fēng)壓作為無量綱化的參考風(fēng)壓，則某一點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為：

(3)

式中：pw,m為模型表面某一點(diǎn)的風(fēng)壓；ρα為空氣的質(zhì)量密度；vH為屋檐H高度處的平均風(fēng)速。

(3)研究模型

文中涉及到的研究對(duì)象模型共3個(gè)(表2)。

表2 CFD數(shù)值模擬模型匯總

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算域高度取7倍建筑高度，長度、寬度均為建筑群體邊長的6倍，建筑物位于流域前1/3處，以保證尾流充分發(fā)展，所有模型控制阻塞比不超過3%。該計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，采用由疏到密的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)建筑和近地面區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，其它區(qū)域網(wǎng)格逐漸稀疏。

2.3 風(fēng)速與風(fēng)向選取

魏應(yīng)植[8]提出登臺(tái)入閩型是發(fā)生頻率最高的路徑，雷鷹[9]對(duì)登臺(tái)入閩、登陸地點(diǎn)為的廈門的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向進(jìn)行實(shí)測(cè)得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)向主要為NNE22.5°與ENE67.5°，即本文數(shù)值模擬的風(fēng)向。據(jù)廈門氣象統(tǒng)計(jì)得出超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在登錄臺(tái)風(fēng)中比例最大，因此以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的最低值51.0 m/s為確定風(fēng)速的依據(jù)。

2.4 邊界條件設(shè)置

氣體選用不可壓縮的常密度空氣模型，地面粗糙度選B類地區(qū)，為0.16；來流入口邊界條件采用速度入口，出口邊界條件采用完全發(fā)展的出流邊界條件；計(jì)算域頂部以及兩側(cè)采用自由滑移的壁面條件；建筑表面與地面采用無滑移的壁面條件；采用殘差小于10-4時(shí)作為收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

影響街區(qū)風(fēng)荷載的因素主要包括建筑密度、高度、街道形態(tài)(高寬比、走向)、路網(wǎng)形式及風(fēng)向，根據(jù)三坊七巷和云霄和平路歷史街區(qū)現(xiàn)狀，排除兩者共同的高密度、低矮建筑的因素外，以下主要從表征街區(qū)形態(tài)重要特性的街道形態(tài)(高寬比、走向)和路網(wǎng)形式(方格路網(wǎng)、不規(guī)則路網(wǎng))兩個(gè)方面探討風(fēng)壓系數(shù)，尤其是對(duì)建筑造成破壞的屋面極值負(fù)壓系數(shù)(屋面是建筑中易損部位，其損壞原因通常是由于極值負(fù)壓在屋蓋表面產(chǎn)生的強(qiáng)大吸力)的空間分布特征進(jìn)行分析。

圖1 3種典型高寬比街道不同風(fēng)向下風(fēng)壓系數(shù)分布

3.1 街道形態(tài)對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響

街道走向?qū)︼L(fēng)壓系數(shù)的影響主要包括街道高寬比及街道與風(fēng)向所成夾角。Oke提出風(fēng)垂直于街道時(shí)，不同高寬比的街道產(chǎn)生孤立粗糙流、尾流擾流與爬越流[10]三種氣流結(jié)構(gòu)。Chang[11]獲取了3種不同高寬比的流場(chǎng)機(jī)理：風(fēng)垂直于街道時(shí)，街道高寬比0.17、0.25、1分別對(duì)應(yīng)產(chǎn)生孤立粗糙流(建筑之間產(chǎn)生的旋渦基本不存在相互作用)、尾流擾流(上風(fēng)向建筑背風(fēng)面產(chǎn)生的旋渦與下風(fēng)向建筑迎風(fēng)面產(chǎn)生的旋渦產(chǎn)生相互作用)和爬越流(大部分氣流從屋面略過)。

以下選取兩個(gè)街區(qū)中產(chǎn)生上述3種氣流結(jié)構(gòu)的單一街道(見表2)，兼顧不同風(fēng)向角，即包含0°、22.5°、45°、67.5°及90°風(fēng)向(正北方向?yàn)?°，順時(shí)針為正，下同)，探討不同高寬比的街道在不同風(fēng)向下建筑表面極值風(fēng)壓系數(shù)的分布特征。

圖2 3種典型高寬比街道不同風(fēng)向下極值負(fù)壓系數(shù)變化

圖3 3種典型高寬比街道內(nèi)部不同風(fēng)向下極值負(fù)壓系數(shù)變化/(°)

(4)不同高寬比街道極值正壓系數(shù)特征。街道極值正壓系數(shù)與風(fēng)向和迎風(fēng)面面積相關(guān)(圖4)，當(dāng)風(fēng)向垂直于建筑時(shí)，0°風(fēng)向的迎風(fēng)面積較大面(北立面)產(chǎn)生的正壓峰值遠(yuǎn)大于90°風(fēng)向時(shí)面積較小面(東立面)的正壓峰值(A0、B0、C0大于A2、B3、C3)。風(fēng)向小于45°時(shí)，產(chǎn)生尾流干擾的高寬比街道(高寬比0.25)極值正壓系數(shù)最小，高寬比最小時(shí)(高寬比0.17)極值正壓系數(shù)最大；風(fēng)向逐漸接近90°，即與街道平行時(shí)，極值正壓系數(shù)的產(chǎn)生與高寬比成正比(建筑距離越近，加劇迎風(fēng)面正壓)，高寬比為1.33的街道產(chǎn)生最大極值正壓系數(shù)(B3)。高寬比為0.25和1.33均在45°風(fēng)向產(chǎn)生最小極值正壓系數(shù)(B1和C1)，高寬比為0.17則在67.5°時(shí)達(dá)到最低值(A1)，可知最小高寬比的極值正壓系數(shù)降低幅度最大。

圖4 3種典型高寬比街道不同風(fēng)向下極值正壓系數(shù)變化

3.2 方格路網(wǎng)與不規(guī)則路網(wǎng)的街區(qū)風(fēng)壓系數(shù)特性分析

三坊七巷與和平路歷史街區(qū)均為高密度低矮街區(qū)，街區(qū)內(nèi)建筑高度差異小，除少量主干道與局部開敞空間外，街巷高寬比以大于1為主(風(fēng)向與建筑垂直時(shí)氣流主要從屋面掠過，即爬越流)，風(fēng)壓系數(shù)極值主要受到歷史街區(qū)鄰近區(qū)域高層建筑、開敞空間和道路走向的影響(圖5、圖6)。以下結(jié)合圖5、圖6對(duì)兩個(gè)歷史街區(qū)中容易產(chǎn)生極值風(fēng)荷載，即易受到風(fēng)致破壞的極值風(fēng)壓系數(shù)特征進(jìn)行分析。

圖5 NNE、ENE風(fēng)向下三坊七巷建筑風(fēng)壓系數(shù)

圖6 NNE、ENE風(fēng)向下和平路歷史文化街區(qū)風(fēng)壓系

圖7 測(cè)點(diǎn)極值風(fēng)壓系數(shù)

圖8 不同歷史街區(qū)街道走向與風(fēng)向分析

3.2.1 高層建筑影響下的極值風(fēng)壓系數(shù)特征

結(jié)合圖5可知，三坊七巷在ENE67.5°風(fēng)向時(shí)②區(qū)域產(chǎn)生極值正壓系數(shù)，對(duì)建筑破壞最大，其形成的原因，首先是風(fēng)向與高層建筑的關(guān)系：將作用于北側(cè)U形高層的風(fēng)分解為垂直及平行于U形高層?xùn)|立面的兩個(gè)分量，由于垂直于U形高層?xùn)|立面的分量較大，因此ENE67.5°風(fēng)向較NNE22.5°風(fēng)向作用在高層?xùn)|立面產(chǎn)生的下行風(fēng)強(qiáng)度高、影響范圍大。其次，歷史街區(qū)北側(cè)U形高層為18層建筑，是歷史街區(qū)周圍最高的建筑，高層與歷史街區(qū)高差顯著、距離近，且迎風(fēng)面積大，產(chǎn)生的下行風(fēng)強(qiáng)度高，導(dǎo)致臨近高層的街區(qū)受下行風(fēng)影響產(chǎn)生正壓系數(shù)極值。同理，三坊七巷東南區(qū)域③，其南側(cè)為20m左右的多層建筑，NNE22.5°風(fēng)向時(shí)，受到南側(cè)多層建筑產(chǎn)生的下行風(fēng)影響，產(chǎn)生較大的正壓系數(shù)極值。另外，三坊七巷北側(cè)U形高層南部的①區(qū)域在NNE22.5°風(fēng)向時(shí)產(chǎn)生最高負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值，由于風(fēng)向在垂直U形高層北立面的分量最大，①區(qū)域受到U形高層風(fēng)影區(qū)負(fù)壓旋渦的作用，使屋面負(fù)壓吸力顯著增大。

和平路歷史街區(qū)北側(cè)高層附近區(qū)域①在NNE22.5°風(fēng)向時(shí)，垂直于高層北立面的分量大，高層背風(fēng)面形成較強(qiáng)旋渦，產(chǎn)生極值負(fù)壓系數(shù)(圖6)。ENE67.5°風(fēng)向在垂直高層北立面的分量小，因此高層臨近歷史街區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓影響不明顯。

3.2.2 道路走向與極值風(fēng)壓系數(shù)關(guān)系

由于影響三坊七巷與和平路歷史街區(qū)風(fēng)壓系數(shù)的主要因素包括：建筑高度(街區(qū)周圍)、開敞空間與街區(qū)道路走向，在單一變量基礎(chǔ)上，選取不受高層建筑與開敞空間影響的區(qū)域(圖5、圖6)布置均勻測(cè)點(diǎn)，探討三坊七巷與和平路歷史街區(qū)在不同風(fēng)向下道路走向?qū)y(cè)點(diǎn)極值風(fēng)壓系數(shù)的影響(圖7)。

3.2.2 開敞空間影響下的極值風(fēng)壓系數(shù)特征

氣流與多排高密度低矮建筑、且高度一致的建筑垂直時(shí)，開敞空間處第一排建筑迫使氣流向上抬升，前排建筑產(chǎn)生極值風(fēng)荷載(如圖6中②區(qū)域)，下風(fēng)向的建筑處在由前面的建筑形成的氣流盲區(qū)(弱氣流區(qū))，受到風(fēng)致破壞強(qiáng)度低。而開敞空間處(較寬的道路、廣場(chǎng))由于上風(fēng)向缺少建筑阻擋，致使建筑產(chǎn)生極值風(fēng)荷載。以下以圖5中不受高層影響區(qū)域的建筑至上風(fēng)向建筑的距離與建筑高度比為自變量，以建筑極值負(fù)壓系數(shù)為因變量，利用SPSS 軟件得出極值負(fù)壓系數(shù)與建筑間距/建筑高度的關(guān)系(圖9)。

對(duì)應(yīng)方差分析(ANOVA)

平方和自由度均方F顯著性回歸0.10620.530.000殘差0.002100.000總計(jì)0.10812246.658

擬合曲線：y=0.013x2-0.213x+0.272(3.5

R2=0.980y=-5.8(x>5.8)

對(duì)應(yīng)方差分析(ANOVA)

平方和自由度均方F顯著性回歸0.05920.0290.000殘差0.00190.000總計(jì)0.16011252.801

擬合曲線：y=0.0088x2-0.147x-0.033(3.5

R2=0.983y=-6.5(x>5.8)

圖9 極值風(fēng)壓系數(shù)與建筑間距/高度的關(guān)系

此外，歷史街區(qū)中位于開敞空間處且建筑高度高于周圍建筑的區(qū)域，如和平路歷史街區(qū)沿街建筑③在兩種風(fēng)向下屋面均產(chǎn)生較高的極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值，為不利抗風(fēng)區(qū)域。

3.2.3 無高層、開敞空間影響同一風(fēng)向下街區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)特征

排除高層建筑、開敞空間與不同風(fēng)向的影響，考察固定風(fēng)向條件下街道走向與極值風(fēng)壓系數(shù)的分布特征，利用SPSS軟件中的雙變量相關(guān)性分析對(duì)滿足條件(和平路的街道在兩種風(fēng)向下以及22.5°風(fēng)向時(shí)三坊七巷的街道與風(fēng)向夾角均為固定單一值，不予考慮)的67.5°風(fēng)向時(shí)三坊七巷不受高層、開敞空間影響的區(qū)域的街道走向和風(fēng)向夾角(0°或90°，兩個(gè)變量)與極值風(fēng)壓系數(shù)(正/負(fù))的相關(guān)性進(jìn)行求解(表3)。

由表3可得在風(fēng)向?yàn)?7.5°時(shí)，街道與風(fēng)向夾角所形成的0°或90°兩種變量對(duì)極值正壓系數(shù)與極值負(fù)壓系數(shù)的顯著性分別為0.413和0.447，即不會(huì)對(duì)極值風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生影響。因此，當(dāng)風(fēng)向與方格路網(wǎng)垂直時(shí)，高密度低矮建筑的風(fēng)荷載極值與建筑所在的道路走向(平行或垂直)不相關(guān)。

4 討 論

4.1 基于生態(tài)防風(fēng)的歷史街區(qū)綠化設(shè)計(jì)策略

(1)緩減開敞空間過大風(fēng)荷載

由于開敞空間處的建筑通常為風(fēng)荷載較大區(qū)域，可在建筑上風(fēng)向設(shè)置綠化降低風(fēng)荷載，已有學(xué)者[12]通過定量研究得出樹木疏透率為30%～40%、樹木高度與建筑一致，距建筑為2倍樹木高度范圍內(nèi)對(duì)建筑風(fēng)荷載的遮擋效應(yīng)最佳。

(2)緩減高樓風(fēng)

在高層與歷史街區(qū)之間產(chǎn)生下沖風(fēng)、角隅強(qiáng)渦處配置喬木和灌木，由高層至歷史街區(qū)喬木高度由高到低，靠近歷史街區(qū)的喬木高度與其建筑高度基本一致，可使下沖氣流沿喬木形成的階梯坡面依次下落而從歷史街區(qū)屋面掠過，降低屋面風(fēng)荷載。

4.2 基于布局防風(fēng)的建設(shè)控制地帶建筑優(yōu)化方法

(1)高度控制

歷史街區(qū)周圍的高層對(duì)其風(fēng)致破壞顯著，因此要嚴(yán)格控制歷史街區(qū)周圍建筑高度，建設(shè)控制地帶的建筑高度與歷史街區(qū)建筑高度一致為最佳。當(dāng)歷史街區(qū)周圍有較高的建筑時(shí)應(yīng)進(jìn)行CFD風(fēng)荷載計(jì)算和評(píng)估，通常毗鄰歷史街區(qū)的高層至歷史街區(qū)的距離至少為5倍高層建筑的高度[13]。

(2)建筑布局

臨近歷史街區(qū)的建筑布局可采用橫向錯(cuò)列式或聯(lián)排多進(jìn)院落式，可避免街區(qū)周圍建筑產(chǎn)生狹管效應(yīng)而使下風(fēng)向的風(fēng)荷載增大；避免采用風(fēng)向一致易產(chǎn)生狹管效應(yīng)的喇叭口布局、貫通的行列式建筑布局。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)于單一街道，全風(fēng)向下高寬比(1.33)產(chǎn)生爬越流時(shí)極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值最大，最大負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值產(chǎn)生于風(fēng)向與街道垂直且高寬比最大的條件下；隨著風(fēng)向由垂直于街道變?yōu)槠叫姓w的負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值和較大值范圍均大幅度降低，同一高寬比街道的極值負(fù)壓系數(shù)最大降低64.74%，平均降低了43.93%對(duì)緩減臺(tái)風(fēng)災(zāi)害有利。

(2)對(duì)三坊七巷與和平路歷史街區(qū)造成風(fēng)致破壞的最重要因素是臨近歷史街區(qū)的高層建筑帶來的極值正壓與負(fù)壓系數(shù)，其次為開敞空間與街區(qū)道路走向。

(3)多條街道相交與單一街道走向與極值風(fēng)壓系數(shù)的耦合關(guān)系一致：當(dāng)風(fēng)向與道路夾角較小時(shí)，極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值較小，利于防風(fēng)；相反，當(dāng)風(fēng)向與主要道路夾角越接近90°時(shí)，極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值越大，容易產(chǎn)生風(fēng)荷載極大值。

表3 三坊七巷67.5°風(fēng)向時(shí)街道和風(fēng)向夾角(0°/90°)與極值風(fēng)壓系數(shù)(正/負(fù))的雙變量相關(guān)性

(4)極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值在建筑間距/高度3.5-5.8時(shí)成正相關(guān)，擬合曲線為拋物線，在建筑間距/高度大于5.8時(shí)極值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值均趨于穩(wěn)定值。

(5)當(dāng)風(fēng)向與方格路網(wǎng)垂直時(shí)，高密度低矮建筑的風(fēng)荷載極值與建筑所在的道路走向(平行或垂直)不相關(guān)。

(6)福建沿海歷史街區(qū)風(fēng)災(zāi)防控的策略可從歷史街區(qū)綠化配置和建設(shè)控制地帶建筑與環(huán)境優(yōu)化兩方面建構(gòu)。