高層建筑底部區(qū)域行人風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)研究

謝壯寧，盧 瑜，余先鋒

（華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

近年來，高層建筑底部區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境問題日益受到關(guān)注。高層建筑的建成不可避免地改變了原空曠地塊的風(fēng)場(chǎng)特性，可能對(duì)行人舒適度甚至行人安全造成不利影響。

行人風(fēng)環(huán)境作為建筑周圍流場(chǎng)特性分析的一部分，近50年來取得了一些重要研究成果［1］。Wise［2］發(fā)現(xiàn)建筑迎風(fēng)面部分高速氣流會(huì)從建筑上部沖擊至地面，造成建筑周圍行人高度處的風(fēng)速增大，進(jìn)而影響行人舒適度和安全性。Beranek和Van Koten［3］通過矩形截面建筑模型風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了建筑周圍流場(chǎng)的三維特性，指出建筑周圍流場(chǎng)中風(fēng)速受兩種壓力系統(tǒng)影響：第一種是由建筑迎風(fēng)面駐點(diǎn)處高壓區(qū)向四周低壓區(qū)擴(kuò)散，向下氣流在地面高度形成駐渦并在建筑角部位置增大原有風(fēng)速；第二種是由于迎風(fēng)面高壓區(qū)和背風(fēng)面低壓區(qū)之間的壓差，使得建筑側(cè)面風(fēng)速增大，氣流在近地面出現(xiàn)回流現(xiàn)象，導(dǎo)致靠近建筑背風(fēng)面的兩側(cè)區(qū)域形成較大漩渦，從而增大了建筑角部風(fēng)速。Tsang等［4］通過風(fēng)洞試驗(yàn)表明，截面更寬的單體建筑造成的遮擋效應(yīng)更加明顯，低風(fēng)速區(qū)域面積也更大，而更高的建筑有助于改善建筑周圍的風(fēng)速過低而造成的通風(fēng)不利問題。Quan等［5］等采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法并結(jié)合Lawson風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)某群體高層建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究，結(jié)果表明在建筑角隅處5～10m范圍內(nèi)的過大風(fēng)速會(huì)對(duì)行人安全有潛在隱患。Mittal和Sharma［6］利用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)研究了建筑外角形狀及朝向?qū)π腥孙L(fēng)環(huán)境的影響，研究表明建筑外角及朝向的合理設(shè)置有助于改善建筑周圍行人風(fēng)環(huán)境，同時(shí)指出采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型模擬結(jié)果中的高風(fēng)速區(qū)域以及經(jīng)修正湍流參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬結(jié)果中的低風(fēng)速區(qū)域與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

綜上所述，目前對(duì)建筑周圍行人風(fēng)環(huán)境的試驗(yàn)研究主要集中在由建筑影響造成的高、低風(fēng)速區(qū)域分布，極少關(guān)注特定區(qū)域（如建筑周邊10m左右范圍）的行人風(fēng)環(huán)境。事實(shí)上，建筑周邊10m左右范圍的特定區(qū)域是人們經(jīng)常出入和活動(dòng)最為集中的區(qū)域，其風(fēng)環(huán)境評(píng)估是值得關(guān)注的重要問題。此外，風(fēng)向角多以22.5°為增量進(jìn)行設(shè)置［6-7］。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬逐漸興起并成為行人風(fēng)環(huán)境研究的重要手段之一，然而為了兼顧計(jì)算資源和計(jì)算精度，通常采用RANS（Reynolds averaged navier-stokes）方法進(jìn)行求解，在鄰近建筑區(qū)域的風(fēng)速會(huì)因選取模型的不同而被過高或過低估計(jì)。

文中針對(duì)單個(gè)方形截面超高層建筑為研究對(duì)象，風(fēng)向角采用10°為間隔進(jìn)行多工況風(fēng)洞試驗(yàn)，研究建筑底部區(qū)域12m范圍內(nèi)行人高度風(fēng)速場(chǎng)分布，以期合理評(píng)估行人舒適度和行人安全。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

試驗(yàn)是在華南理工大學(xué)的大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的，行人高度處風(fēng)速采用Irwin探頭測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)置見圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀慰s尺比為1：200，建筑模型高90cm，截面尺寸為15cm×15cm，最外側(cè)風(fēng)速探頭距建筑模型立面為6cm，即模擬和測(cè)量高度為180m、截面尺寸為30m×30m的超高層建筑周圍12m范圍內(nèi)的行人風(fēng)環(huán)境。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置Fig.1 Experimental setup

風(fēng)洞試驗(yàn)由兩部分組成：在不同風(fēng)向角下，測(cè)量單體建筑模型底部目標(biāo)區(qū)域各測(cè)點(diǎn)行人高度處的風(fēng)速場(chǎng)；測(cè)量無建筑模型時(shí)，相應(yīng)風(fēng)向角下目標(biāo)區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分布。在建筑周圍布置了44個(gè)歐文（Irwin）探頭，探頭的示意圖和布置圖分別見圖2a和圖2b。為防止Irwin探頭之間氣流相互干擾，探頭布置滿足縱向及橫向分別不得小于12d和4d的最小間距要求［8］。0°風(fēng)向角方向如圖2b所示，初始來流由圖正右向左，風(fēng)向角采用10°為間隔按順時(shí)針方向增大，試驗(yàn)結(jié)果分析所用圖均采用此參考系。

圖2 Irwin探頭及其布置Fig.2 Irwin probe and its arrangement(unit:mm)

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）模擬B類地貌的大氣邊界層流場(chǎng)，平均風(fēng)速剖面和湍流度分布的模擬結(jié)果見圖3，圖中Vr為參考高度180m處的平均風(fēng)速。

圖3 風(fēng)場(chǎng)擬合結(jié)果Fig.3 Flow condition of approach flow:velocity profile and turbulence profile

測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速V值由Irwin提出的公式［9］進(jìn)行計(jì)算如下：

式中：P1為高出地面探針測(cè)得的風(fēng)壓值；P2為與地面平齊探頭測(cè)得的風(fēng)壓值；α、β為系數(shù)，其值與Irwin探頭的構(gòu)造、風(fēng)場(chǎng)特性等因素有關(guān)，須在試驗(yàn)前對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定而得出。鑒于Cobra探頭具有測(cè)量風(fēng)速精度高，正常使用無需校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，將它用于對(duì)本次試驗(yàn)Irwin探頭進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的過程參照有關(guān)文獻(xiàn)［4，8，10］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)及本試驗(yàn)標(biāo)定的系數(shù)見表1。

表1 系數(shù)α和β的標(biāo)定Tab.1 Calibration on the coefficients α and β

試驗(yàn)采用PSI公司的Measurement系統(tǒng)進(jìn)行同步瞬態(tài)風(fēng)壓測(cè)量，采樣頻率330Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)約62s。參考高度處平均風(fēng)速為10m·s-1，無建筑模型時(shí)Irwin探頭測(cè)得風(fēng)速約為5m·s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加速比分析

由于建筑模型及測(cè)點(diǎn)布置的對(duì)稱性，僅在0°～90°風(fēng)向角范圍測(cè)得了有、無模型情況下的行人高度處風(fēng)速場(chǎng)。引入加速比K以表征建筑物的存在對(duì)周圍行人高度處風(fēng)速的影響，加速比［12］定義如下：

式中：Vw表示存在建筑時(shí)測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)速；Vn表示不存在建筑時(shí)測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)速。Ki值大于1，說明建筑的存在對(duì)該測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速有加速效應(yīng)，反之則為減弱效應(yīng)。

圖4給出了0°～80°風(fēng)向角下K值的等值線分布，通過對(duì)等值線圖進(jìn)行編程識(shí)別可得加速區(qū)域的面積。從圖4可知：各風(fēng)向角下最大加速比Km約為1.9，均出現(xiàn)在建筑背風(fēng)面的角隅附近，說明該區(qū)域受建筑影響而產(chǎn)生的加速效應(yīng)最為明顯，且Km與風(fēng)向角無關(guān)，因此高層建筑應(yīng)避免在建筑角隅附近設(shè)置出口，并對(duì)該區(qū)域行人活動(dòng)加以提醒或限制；風(fēng)向角為0°時(shí)，加速區(qū)域面積約為68%，而風(fēng)向角為40°及50°時(shí)分別為36%和37%，即45°風(fēng)向角附近的加速區(qū)域面積大于0°風(fēng)向角下的結(jié)果，這與前人試驗(yàn)結(jié)果［7］（其研究范圍大于本試驗(yàn)的12m區(qū)域）是不同的。

2.2 平均風(fēng)速比分析

風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)則多以平均風(fēng)速值作為閾值劃分行人在不同活動(dòng)下的舒適度及安全性［13-14］。測(cè)點(diǎn)i處平均風(fēng)速比RM定義為

式中：Vi和Vr分別為測(cè)點(diǎn)i處和參考高度處的平均風(fēng)速。由于不同規(guī)范及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中參考風(fēng)速和閾值風(fēng)速的選取不盡相同，文中以屋頂高度處平均風(fēng)速作為參考風(fēng)速。分別取風(fēng)速7.6m·s-1和1.5 m·s-1作為“不適”及“通風(fēng)不利”的風(fēng)速閾值［15-16］，即當(dāng)RM大于0.75為不適，小于0.15為通風(fēng)不利。不同風(fēng)向角下，目標(biāo)區(qū)域的RM值變化如圖5所示。由圖可見，各風(fēng)向角下，建筑背風(fēng)面角隅位置RM值均出現(xiàn)大于0.75的情況，說明此區(qū)域風(fēng)速過大，是風(fēng)環(huán)境不利位置，這與加速比分析結(jié)果是一致的。

圖4 不同風(fēng)向角下K值分布Fig.4 Distribution of the K value under different wind direction angles

為進(jìn)一步表征“不適”和“通風(fēng)不利”區(qū)域的相對(duì)范圍大小，分別以RM大于0.75和小于0.15的面積與研究區(qū)域面積的比值R1和R2作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。R1和R2值隨風(fēng)向角變化如圖6所示，從圖中可以看出，各風(fēng)向角下75%以上的面積風(fēng)環(huán)境處于可接受范圍。在0°～10°及80°～90°范圍內(nèi)，R1值較大，即風(fēng)向與墻面近乎正交時(shí)，由于風(fēng)速過大容易引起行人“不適”。在20°～70°范圍內(nèi)，R2值較大，即斜風(fēng)向較正交風(fēng)向更易導(dǎo)致空氣污染物擴(kuò)散不利，所幸的是R2值僅為9%左右，風(fēng)速過小造成的“通風(fēng)不利”對(duì)單體建筑風(fēng)環(huán)境的影響有限?？傮w上來看，不同風(fēng)向角下高、低風(fēng)速區(qū)域的相對(duì)面積變化情況相反，但二者之和（約為25%）大致相同。

2.3 強(qiáng)風(fēng)對(duì)行人的影響

瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)同樣會(huì)影響行人的舒適度，因此風(fēng)環(huán)境評(píng)估應(yīng)考慮陣風(fēng)效應(yīng)。下文將以陣風(fēng)等效平均風(fēng)速VG對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析。陣風(fēng)等效平均風(fēng)速的概念由Lawson提出［17］，取“平均風(fēng)速”與“3s陣風(fēng)風(fēng)速除以1.85”中較大的值作為等效陣風(fēng)風(fēng)速VG。

文獻(xiàn)［4］指出建筑周圍行人高度風(fēng)速具有非高斯性，因此本文將采用“最值平均法”［4］求出等效陣風(fēng)風(fēng)速VG，主要步驟如下：對(duì)同工況多次測(cè)量，獲得多個(gè)獨(dú)立樣本；分別求出各樣本中出現(xiàn)的最大風(fēng)速值；對(duì)上述最大風(fēng)速值取平均作為等效陣風(fēng)風(fēng)速。

參考平均風(fēng)速比的定義，將等效陣風(fēng)風(fēng)速VG與參考高度平均風(fēng)速Vr的比值稱為等效陣風(fēng)風(fēng)速比，用以劃分由強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的行人不適的區(qū)域。采用Lawson風(fēng)環(huán)境判別準(zhǔn)則［17］對(duì)風(fēng)環(huán)境舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以陣風(fēng)等效平均風(fēng)速10m·s-1，年超越概率5%作為行人快步行走舒適與否的界限。

以廣州為例，通過NOAA（美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）記錄的2007—2016年廣州氣象資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得各風(fēng)向Weibull參數(shù)，見表2。

結(jié)合二參數(shù)Weibull概率分布公式，則

圖5 不同風(fēng)向角下RM值分布Fig.5 Distribution of the RM value under different wind direction angles

圖6 高、低風(fēng)速區(qū)相對(duì)面積隨風(fēng)向角的變化Fig.6 Relative area ratios of high and low wind speed zones varies with the wind direction angles

式中：i=1，2，3...16，為16個(gè)氣象角；P為i方向上風(fēng)速大于Vo的出現(xiàn)概率；α(i)是i方向上的風(fēng)頻；c(i)和k(i)分別由對(duì)應(yīng)風(fēng)速頻率求出。經(jīng)計(jì)算得出，在16個(gè)氣象角下10m參考高度具有相同年超越概率的風(fēng)速為5.64m·s-1，則等效陣風(fēng)風(fēng)速比值大于1.7可認(rèn)為是出現(xiàn)瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)速。

表2 廣州各風(fēng)向Weibull參數(shù)值Tab.2 Weibull parameters at each inflowing directions of Guangzhou

Downwash（下洗）效應(yīng)是指在大氣邊界層中，當(dāng)氣流經(jīng)過建筑時(shí)會(huì)受到干擾，使得部分高速氣流自建筑上部下沖至近地面高度處，造成建筑周圍行人高度處風(fēng)速增加的現(xiàn)象。圖7顯示了強(qiáng)風(fēng)引發(fā)不適的潛在區(qū)域隨風(fēng)向角變化的情況，最大VG出現(xiàn)的位置在：迎風(fēng)面建筑角隅位置（0°風(fēng)向角）；背風(fēng)面建筑角隅位置（80°風(fēng)向角）。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，出現(xiàn)瞬時(shí)高風(fēng)速區(qū)域的面積最大，相對(duì)面積約為14%；當(dāng)風(fēng)向角為80°時(shí)，相對(duì)面積約為13.55%，二者相差不大，可以認(rèn)為是迎風(fēng)面下洗效應(yīng)形成的駐渦與繞流在角隅位置共同作用產(chǎn)生的；當(dāng)處于其他風(fēng)向角下，下洗效應(yīng)減弱，建筑遮擋效應(yīng)增強(qiáng)，其中在40°及50°風(fēng)向角時(shí)，等效陣風(fēng)風(fēng)速比值小于0.8的面積較大，分別約為10.2%和8%；除0°及80°風(fēng)向角外，其余各風(fēng)向角下等效陣風(fēng)風(fēng)速比均小于1.7，總體上看風(fēng)環(huán)境受強(qiáng)風(fēng)影響不大。

圖7 不同風(fēng)向角下等效陣風(fēng)風(fēng)速比分布Fig.7 Distribution of the normalized gust equivalent mean speed ratio at different wind direction angles

3 結(jié)論

通過改進(jìn)的Irwin探頭和風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究了超高層建筑底部區(qū)域12m范圍內(nèi)的行人高度風(fēng)速場(chǎng)分布，主要結(jié)論如下：

（1）各風(fēng)向角下的最大加速比Km大致相等，約為1.9，均出現(xiàn)在建筑背風(fēng)面的角隅位置，Km與風(fēng)向角無顯著關(guān)聯(lián)；平均風(fēng)速比大于0.75的區(qū)域也出現(xiàn)在建筑背風(fēng)面角隅，此處易引起行人風(fēng)環(huán)境不適。

（2）各風(fēng)向角下，約75%面積內(nèi)的風(fēng)速處于可接受范圍。在與墻近乎正交的風(fēng)向角下，平均風(fēng)速比RM超過閾值0.75的相對(duì)面積比最大，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注Downwash（下洗）效應(yīng)造成行人高度處風(fēng)速增大的影響；在斜風(fēng)向20°～70°范圍內(nèi)平均風(fēng)速比RM低于閾值0.15的相對(duì)面積比面積較大，對(duì)空氣污染物擴(kuò)散不利，但相對(duì)面積僅為9%左右，風(fēng)速過小造成的“通風(fēng)不利”對(duì)單體建筑鄰近區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響有限。

（3）最大等效平均陣風(fēng)風(fēng)速VG主要出現(xiàn)在建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面角隅位置，高層建筑應(yīng)當(dāng)避免在建筑角隅附近設(shè)置出口，并適當(dāng)對(duì)該區(qū)域行人活動(dòng)加以提醒或限制。

需要指出的是，上述研究結(jié)論僅適用于方形截面的單體超高層建筑，是其他截面形式以及復(fù)雜周邊干擾環(huán)境下超高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境研究的基礎(chǔ)。