基于數(shù)值模擬的城市建筑室外風(fēng)環(huán)境研究★

王 頌 李金寶 蔣新波 熊倪倪 朱 銳

(南華大學(xué)建筑學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，我國的各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)都得到了迅速的發(fā)展，城市居民對(duì)生活環(huán)境的舒適度要求也逐漸提高，特別是對(duì)城市建筑也不僅僅滿足于其基本的需求，城市居民對(duì)良好人居環(huán)境的愿望更加迫切，但是在城市化的發(fā)展過程中也隨之產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題[1]。其中以城市建筑風(fēng)環(huán)境問題尤為顯著，這些問題已經(jīng)嚴(yán)重的影響到了城市居民的生活質(zhì)量和城市發(fā)展。城市建筑作為城市中的一個(gè)空間子集，是城市居民工作生活以及對(duì)城市空間環(huán)境感受最直觀的場(chǎng)所，適宜的室外風(fēng)環(huán)境對(duì)城市良好生活空間構(gòu)建具有重要作用。近些年來，為更好治理城市風(fēng)環(huán)境問題，一些國家和地區(qū)都發(fā)布了與風(fēng)環(huán)境相關(guān)的規(guī)劃條例或規(guī)劃準(zhǔn)則。德國在城市風(fēng)環(huán)境治理這一方面走在了前列，自20世紀(jì)90年代開始，德國研究人員通過對(duì)斯圖加特城區(qū)風(fēng)環(huán)境研究制定了《山坡地帶規(guī)劃框架指引》，日本是亞洲區(qū)域最早開始城市風(fēng)環(huán)境研究的國家，2004年，日本政府環(huán)境省頒布了《熱島效應(yīng)的措施憲章》，建立了建筑環(huán)境綜合評(píng)價(jià)體系(CASBEE)，對(duì)城市通風(fēng)和建筑通風(fēng)提出了相應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2016年，中國香港地區(qū)《規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》也對(duì)城市空氣流通設(shè)計(jì)內(nèi)容做出了相應(yīng)的要求。2014年，中國住建部門研究發(fā)布關(guān)于建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展的專項(xiàng)文件《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》及GB/T 50378—2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)城市室外建筑室外風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速和表面風(fēng)壓等方面都作出相應(yīng)要求。這些標(biāo)準(zhǔn)和條例的頒布，都標(biāo)志著城市建筑室外風(fēng)環(huán)境研究在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 室外風(fēng)環(huán)境的概念

風(fēng)是一種天氣現(xiàn)象，是指大規(guī)模空氣質(zhì)點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)，各個(gè)空氣層面的氣壓不同，由于壓強(qiáng)影響而產(chǎn)生了空氣流動(dòng)，從而形成了風(fēng)[2]。當(dāng)風(fēng)由開闊處經(jīng)過城市某一處時(shí)，風(fēng)受到城市建筑物的阻擋，由于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及建筑物布局方式的不同等各種因素，造成空氣流動(dòng)方向發(fā)生改變和空氣溫度的分布不均勻?qū)е碌臍鈮禾荻劝l(fā)生變化，使局部區(qū)域產(chǎn)生一種與其環(huán)境、地形相適應(yīng)的空氣流動(dòng)方式，造成局部氣候的改變，表現(xiàn)為該區(qū)域的風(fēng)向于風(fēng)俗特征這種氣候下風(fēng)的變化，它是城市氣候環(huán)境中重要的構(gòu)成之一。

3 國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展及主要研究方法

自2001年以來，對(duì)于城市室外風(fēng)環(huán)境的研究廣泛受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于室外風(fēng)環(huán)境的論文也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，對(duì)于城市室外風(fēng)環(huán)境的研究理論和方法也趨于豐富和完善，目前研究人員對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的研究方法主要為實(shí)地測(cè)試和模擬實(shí)驗(yàn)兩種。

3.1 實(shí)地測(cè)量法

實(shí)地測(cè)量法是實(shí)驗(yàn)者研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，通過設(shè)備觀測(cè)出該研究區(qū)域的風(fēng)環(huán)境特征，實(shí)地測(cè)量法的結(jié)果相對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)法是最為準(zhǔn)確可靠的，但同時(shí)由于實(shí)地條件限制，對(duì)一些長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取比較困難，只能描述實(shí)時(shí)性風(fēng)環(huán)境情況，因此一般將實(shí)地測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)結(jié)果作為其他實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和參考。

3.2 模擬實(shí)驗(yàn)法

模擬實(shí)驗(yàn)主要分為物理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬兩種，物理實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中用等比例縮放的模型模擬實(shí)際風(fēng)環(huán)境特征的實(shí)驗(yàn)方法，主要分為風(fēng)洞試驗(yàn)和水洞實(shí)驗(yàn)兩種類型，物理實(shí)驗(yàn)法可以更直觀的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成果較為準(zhǔn)確，但是其對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求較高，且制造模型花費(fèi)較大，在實(shí)際案例中應(yīng)用較少。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)是基于對(duì)建筑物周圍風(fēng)流動(dòng)遵循的動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行數(shù)值求解，從而仿真模擬實(shí)際風(fēng)環(huán)境，稱為計(jì)算流體力學(xué)，簡(jiǎn)稱CFD(Computational and Fluid Dynamics)，是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。相對(duì)于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，其具有方便、高效、成本低、不受模型尺度影響等優(yōu)點(diǎn)，其分析結(jié)果也更為直觀，清晰。近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的研究開展的比較多，且取得了一系列研究成果。

4 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相關(guān)軟件

隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的飛速發(fā)展和CFD技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究建筑室外風(fēng)環(huán)境的強(qiáng)有力工具。CFD軟件因?yàn)槠錅?zhǔn)確性和有效性，在建筑室外風(fēng)環(huán)境研究中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)環(huán)境分析軟件多種多樣，建模和計(jì)算分析方法都各不相同，但是它們都有一個(gè)相同的流程，即建模、設(shè)置、計(jì)算分析、模擬結(jié)果輸出四個(gè)必要的功能，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于研究城市建筑室外風(fēng)環(huán)境研究應(yīng)用較多的主要為Fluent系列、Phoenics以及建筑通風(fēng)軟件VENT系列軟件。

4.1 Fluent系列軟件

Fluent系列軟件在建筑室外風(fēng)環(huán)境研究中有著很廣泛的應(yīng)用，它包含豐富的物理模型，能夠精確地模擬無黏流、層流、湍流等一系列流體運(yùn)動(dòng)。它對(duì)于建筑室內(nèi)外風(fēng)速計(jì)算的準(zhǔn)確度較高，且計(jì)算速度很快，是一種比較易用、模塊化的建筑通風(fēng)軟件。

4.2 Phoenics軟件

Phoenics軟件是世界上第一款計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)的商用軟件，開放性是Phoenics最大的特點(diǎn)。Phoenics最大限度地向用戶開放了程序，用戶可以根據(jù)需要添加程序和用戶模型。與其他CFD軟件相比它計(jì)算能力強(qiáng)、模型建立相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存、運(yùn)算速度等指標(biāo)要求相對(duì)較低，便于模擬前期的參數(shù)初值估算。但其后處理設(shè)計(jì)尚不完善，軟件的功能總量少于其他軟件。

4.3 VENT軟件

建筑通風(fēng)軟件VENT是由綠建斯維爾公司開發(fā)研制的。VENT是一款專門為綠色建筑設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的軟件，它以Auto為構(gòu)筑平臺(tái)，具有建模、網(wǎng)格劃分、流場(chǎng)分析和結(jié)果瀏覽等功能，軟件方便易用、界面一目了然，便于初學(xué)人員快速上手。針對(duì)建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的特點(diǎn)，VENT對(duì)CFD很多邊界條件參數(shù)進(jìn)行了固化，操作簡(jiǎn)單，降低了使用門檻，設(shè)計(jì)師都可以輕松操作，為其設(shè)計(jì)方案服務(wù)。該軟件方便建筑師與工程師對(duì)建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，大大的提高了建筑師與工程師的工作效率。

5 國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究

在城市建筑室外風(fēng)環(huán)境方面，國內(nèi)外學(xué)者在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索和研究。最先使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)來對(duì)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析的是美國麻省理工大學(xué)，通過系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬分析，模擬出了室外風(fēng)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，該研究成果為建筑室外環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的研究進(jìn)展，在此之后CFD技術(shù)逐漸趨于成熟和完善，并被逐漸運(yùn)用到了實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中。Yim SHL通過CFD-FLUENT模型，研究了城市建筑中街道污染物的擴(kuò)散問題，并量化了在兩個(gè)通風(fēng)風(fēng)向(0°和25°)的風(fēng)速污染物擴(kuò)散對(duì)環(huán)境的影響[3]。Hugh Bartond模擬研究了城區(qū)建筑中各自的布局方式對(duì)風(fēng)流動(dòng)的影響，根據(jù)其布局特點(diǎn)來調(diào)整城區(qū)規(guī)劃方案，以期達(dá)到建筑的自然通風(fēng)，改善城市住區(qū)風(fēng)環(huán)境的目的。這些研究成果都為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法和運(yùn)用積累了大量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

在國外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的研究方法也進(jìn)行了廣泛的探索，我國在20世紀(jì)90年代開始就已經(jīng)開始了CFD技術(shù)方面的研究，取得一定進(jìn)展。

胡曉峰通過CFD技術(shù)研究城市建筑室外風(fēng)環(huán)境特征，并根據(jù)模擬實(shí)例，總結(jié)了評(píng)價(jià)室外風(fēng)環(huán)境的方法[4]。李瓊通過CFD數(shù)據(jù)模擬，探討了建筑密度、建筑高度等與建筑室外風(fēng)環(huán)境相互關(guān)聯(lián)性[5]。劉少鋒等對(duì)某已設(shè)計(jì)建筑群風(fēng)環(huán)境分別進(jìn)行了模擬分析，并提出優(yōu)化建議[6]。這些相關(guān)研究為國內(nèi)同類型建筑工程提供量化依據(jù)，也為室外風(fēng)環(huán)境模擬評(píng)價(jià)提供相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是相對(duì)來說，與國外進(jìn)行的室外風(fēng)環(huán)境計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究相比還存在一些局限性，對(duì)室外風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)的探討還不夠深入，這也從側(cè)面反映出目前國內(nèi)對(duì)于室外風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究還有待加強(qiáng)。

6 結(jié)語

室外風(fēng)環(huán)境作為城市健康環(huán)境中的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，作為建筑物理環(huán)境中的重要一環(huán)，在城市中營造一個(gè)良好室外的風(fēng)環(huán)境對(duì)改善人居環(huán)境、節(jié)約建筑能源消耗具有重要促進(jìn)作用。在城市建設(shè)過程當(dāng)中，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)即時(shí)模擬出區(qū)域相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)變化，依據(jù)風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為建筑師和工程師設(shè)計(jì)和施工提供參考方法，可以極大地提高建筑工程的施工效率，對(duì)營造良好人居環(huán)境具有重要意義，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)與良好風(fēng)環(huán)境的營造的兩者聯(lián)動(dòng)會(huì)有較高的可行性，兩者的結(jié)合研究將有更為廣闊的前景。