基于CFD的夏熱冬暖地區(qū)高校校園室外風(fēng)環(huán)境模擬分析與設(shè)計優(yōu)化
——以汕頭大學(xué)東校區(qū)項目（三期）規(guī)劃設(shè)計方案為例

郭嘉 李賢澤

1 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

2 華南理工大學(xué)建筑學(xué)院

室外風(fēng)環(huán)境是大學(xué)校園環(huán)境評估非常重要的一環(huán)，我國南方夏熱冬暖地區(qū)長夏無冬，夏季高熱高濕的氣候特點很大程度限制了學(xué)生的戶外活動。如何在校園規(guī)劃設(shè)計階段科學(xué)合理地利用室外空氣流動帶走多余熱量，提高行人級（1.5m高處）人體舒適度具有很高的研究價值。同時，通過對既有大學(xué)校園規(guī)劃設(shè)計理論研究和眾多校園規(guī)劃分析后發(fā)現(xiàn)，一個校園的規(guī)劃設(shè)計格局更多取決于校園自身的決定性因素，而風(fēng)環(huán)境不作為影響校園規(guī)劃設(shè)計格局的決定性因素。所以，針對校園風(fēng)環(huán)境的模擬研究應(yīng)該在保證用地指標(biāo)和校園整體規(guī)劃設(shè)計格局理念不變的前提下進行，這才會對提高校園風(fēng)環(huán)境相關(guān)模擬研究方法的普適性有重要的實用意義。

1 項目概述

研究圍繞汕頭大學(xué)東海岸校區(qū)（三期）規(guī)劃設(shè)計展開，項目位于廣東省汕頭市華僑經(jīng)濟文化合作試驗區(qū)東海岸新城塔崗圍片區(qū)，校區(qū)緊臨汕頭東外海灣。根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》（GB 50352—2005），汕頭地區(qū)為夏熱冬暖，夏季溫高濕重是普遍特點。校園前期規(guī)劃西側(cè)為教學(xué)區(qū)，東側(cè)為開放共享區(qū)，其間打造為校園中心景觀區(qū)（圖1，2）。規(guī)劃格局在設(shè)計之初就得到了校方的高度認(rèn)可，也成為了貫通整個項目設(shè)計過程的核心理念。

1 校園前期規(guī)劃設(shè)計總平面圖

2 校園規(guī)劃分區(qū)示意

2 數(shù)值模擬及評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計算標(biāo)準(zhǔn)及校園模型的建立

研究根據(jù)初期校園規(guī)劃設(shè)計方案，利用Rhino建模軟件建立整體校園模型，然后將模型導(dǎo)入Phoenics2015軟件中進行計算設(shè)置。根據(jù)《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 449—2018）中關(guān)于物理建模的要求，將三期校園建筑群周邊1H～2H（模擬校園建筑群特征高度定義為H）范圍內(nèi)的二期生活區(qū)部分樓宇也納入建模范圍，以提高模擬計算的準(zhǔn)確性。

2.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分與計算區(qū)域范圍的大小與計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系。本研究以模擬校園建筑群特征高度H，確定了模擬計算區(qū)域范圍，計算域尺寸為1 500m×1 500m×350m，滿足規(guī)范要求（圖3）。計算區(qū)域設(shè)定后，需要進行網(wǎng)格的劃分。為了節(jié)省計算時間并提高準(zhǔn)確性，計算模型沿x、y軸方向采用了非均勻的漸變網(wǎng)格布置方式，網(wǎng)格膨脹率設(shè)置為1.2，最終形成外疏內(nèi)密的網(wǎng)格布置結(jié)構(gòu)（圖4）。

3 校園整體模型計算區(qū)域示意

4 網(wǎng)格劃分示意

2.3 邊界條件設(shè)置

研究中，夏季典型工況氣象參數(shù)參考《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》附錄B：夏季盛行西南風(fēng)偏西風(fēng)（WSW），風(fēng)速為3.3m/s。湍流計算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，流入邊界條件符合高度方向上的風(fēng)速梯度分布，其變化規(guī)律采用指數(shù)律作為風(fēng)速剖面的表達式（式1）。由于校園區(qū)位屬于近海地區(qū)及城市郊區(qū)，場地較空曠且平坦，根據(jù)《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》，風(fēng)速梯度分布冪指數(shù)(α)取值為0.12（表1）。

式中：V為高度為Z處的風(fēng)速，VR、ZR為標(biāo)準(zhǔn)高度10m處的平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)高度。α為地面粗糙度指數(shù)，項目位于近海地區(qū)，α值取0.12。

表1 風(fēng)速梯度分布冪指數(shù)（α）

2.4風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

我國目前還沒有關(guān)于風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)規(guī)范，研究通過參考《綠色校園評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51356—2019）、《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2019）、《綠色建筑評價技術(shù)細(xì)則》（GB 50378—2014），整理出以下行人高度的風(fēng)環(huán)境重要評價標(biāo)準(zhǔn)：1）冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，建筑物周圍人行區(qū)距地高1.5m處風(fēng)速低于5m/s，戶外休息區(qū)、活動區(qū)風(fēng)速小于2m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2；2）夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，校園場地內(nèi)人活動區(qū)無渦旋或無風(fēng)區(qū)。

此外，通過對Simiu E、吳恩融、鄒芳、葉青[1-4]等眾多學(xué)者的文獻研究及整理相關(guān)研究成果，本文將采取以行人風(fēng)速相對舒適度（表2）和熱舒適度（表3）為主要判斷標(biāo)準(zhǔn)的判斷評價方法對模擬結(jié)果進行評判。同時，通過研究易曉列、沈建鈺[5-6]等人的文獻發(fā)現(xiàn)，在目前風(fēng)環(huán)境評價體系中還有通過比較風(fēng)速比（式2）指標(biāo)來評價風(fēng)環(huán)境是否優(yōu)劣。相關(guān)研究人員認(rèn)為由于在實際環(huán)境中，風(fēng)速是不斷變化的，若以單一瞬時風(fēng)速來評判風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣存在局限性，因此引入風(fēng)速比的概念，用于描述風(fēng)速在建筑影響下的變化情況，反映風(fēng)環(huán)境通風(fēng)性能的優(yōu)劣[7]。

R=風(fēng)速比，Vs=測點風(fēng)速，v=初始風(fēng)速

Tetsu Kubotaa通過研究得到以下結(jié)論：室外的 R＞2.0時，過大的風(fēng)速會使人感到不舒適；當(dāng)R＜0.5時，該地區(qū)的風(fēng)速太低，不利于氣體流動，進而對整個風(fēng)環(huán)境造成不利影響[7]。

3 最初版規(guī)劃方案模擬結(jié)果分析

最初版規(guī)劃布局方案中，校園被分為教學(xué)區(qū)（校園西側(cè)科研教學(xué)組團）、開放共享區(qū)（圖書館、學(xué)習(xí)中心、師生活動中心組團）及中心景觀區(qū)。整體而言，在夏季主導(dǎo)WSW風(fēng)向和3.3m/s風(fēng)速的情況下，校區(qū)風(fēng)速范圍為0.024～6.036m/s。除了在校前區(qū)的教學(xué)樓和行政辦公樓建筑轉(zhuǎn)角處風(fēng)速達到了6m/s，校園大部分地區(qū)風(fēng)速都處于5m/s以下，滿足行人安全需求。

此外，通過風(fēng)速矢量分布圖（圖5b）分析，在教學(xué)科研組團背風(fēng)面出現(xiàn)了較大面積的無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)（圖5b紅框內(nèi)），圖5a中現(xiàn)狀風(fēng)速云圖顯示一部分中心景觀區(qū)風(fēng)速處于1.0m/s以下，其中部分區(qū)域（圖5a點1～4）風(fēng)速小于0.3m/s，風(fēng)速比小于0.5。按照人體熱舒適度與風(fēng)速關(guān)系表，該區(qū)域?qū)儆跍L(fēng)區(qū)，行人基本感受不到空氣的流動。校園中心景觀區(qū)作為教學(xué)區(qū)與開放共享區(qū)的溝通紐帶，是校園師生重要的戶外交流活動場所，夏季時間長、溫高濕重的氣候特點勢必會影響在其中活動師生的熱舒適度，導(dǎo)致場所的使用頻率下降，不符合《綠色校園評價標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下校園場地內(nèi)人活動區(qū)無渦旋或無風(fēng)區(qū)的評價要求標(biāo)準(zhǔn)。

5 最初版規(guī)劃方案模擬結(jié)果

原始規(guī)劃布局出現(xiàn)這些不利的結(jié)果，主要是因為建筑布局方案有不太完善的地方，如教學(xué)區(qū)南部（圖5b箭頭處）兩棟科研教學(xué)樓間距偏小，導(dǎo)致整體中心景觀區(qū)迎風(fēng)面開口偏小，致使無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)面積較大。

4 組團層級優(yōu)化調(diào)整

4.1 幾何模型調(diào)整

針對不理想的模擬結(jié)果，需要對規(guī)劃布局進行優(yōu)化。在不改變上層規(guī)劃理念及功能分區(qū)布局的大前提下，對校園規(guī)劃進行組團層級調(diào)整優(yōu)化：1）在保證用地指標(biāo)不變的情況下，取消原校園前廣場西側(cè)公共實驗教學(xué)樓，重新梳理教學(xué)區(qū)各建筑布局，結(jié)合用地指標(biāo)調(diào)整組團建筑層數(shù)并根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計柱網(wǎng)關(guān)系調(diào)整各建筑間距，使得中心景觀區(qū)獲得更大的迎風(fēng)區(qū)開口空間；2）開放共享區(qū)建筑整體往北移，將高層行政樓布局于校園最北側(cè)，從而退讓出校前區(qū)主入口廣場，調(diào)整后得到優(yōu)化版規(guī)劃方案（圖6）。

6 優(yōu)化版規(guī)劃方案

4.2 模擬結(jié)果分析

優(yōu)化版規(guī)劃方案中，校園中心景觀區(qū)行人高度室外風(fēng)環(huán)境對比最初版方案有了較大的改善，其無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)范圍明顯縮?。▓D7a紅框處）。同時，根據(jù)風(fēng)速矢量分布圖顯示（圖7b），在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，優(yōu)化后的中心景觀區(qū)形成了西南吹東北的良好通風(fēng)通道（圖7b所示）。此外，由于將高層行政樓調(diào)整至校園場地北側(cè)，使得高層的風(fēng)影區(qū)落在了校園用地范圍外側(cè)，減少了風(fēng)影區(qū)在校園范圍的投影面積（圖7b紅框處）。

7 優(yōu)化版規(guī)劃方案模擬結(jié)果

表2 行人舒適度與風(fēng)速關(guān)系

表3 人體熱舒適度與風(fēng)速關(guān)系

8 建筑單體調(diào)整后效果圖

9 剖面關(guān)系示意

10 優(yōu)化版規(guī)劃方案模擬結(jié)果

5 建筑單體層級進一步優(yōu)化調(diào)整

5.1 幾何模型調(diào)整

優(yōu)化版規(guī)劃方案仍存在一些問題：1）教學(xué)區(qū)建筑群組團背風(fēng)區(qū)在中心景觀區(qū)仍然形成了較大面積的無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)，普遍風(fēng)速小于0.3m/s（圖7b點1～4）；2）各教學(xué)實驗樓單體建模未考慮形體的導(dǎo)風(fēng)設(shè)計，而是形成簡單圍合封閉的“回”字形，導(dǎo)致各教學(xué)區(qū)建筑單體中庭模擬結(jié)果反饋均是靜風(fēng)區(qū)。通過對郭衛(wèi)宏、王婕[8-9]等文獻研究，建筑單體首層架空和形體立面開洞等設(shè)計手法均能有效引導(dǎo)自然通風(fēng)，從而改善建筑樓群的風(fēng)環(huán)境。以上均仍未達到《綠色校園評價標(biāo)準(zhǔn)》《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范規(guī)定的要求，因此需要從建筑單體層面進一步優(yōu)化。

在保證建筑容積率和主要建筑形體不變的情況下，嘗試對教學(xué)實驗樓單體進行形體調(diào)整（圖8，9）：1）建筑主體總面寬由73m調(diào)整為63m，同時建筑主體位置西移；2）在原教學(xué)實驗樓主體建筑東側(cè)（容易產(chǎn)生背風(fēng)區(qū)的區(qū)域）布置2層高的階梯教室、報告廳及共享游廊交通空間；3）在建筑形體的迎風(fēng)面采取局部首層架空處理。

5.2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)建筑單體層級的進一步優(yōu)化后，校園中心景觀區(qū)的風(fēng)環(huán)境有了明顯改善，無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)已大幅度減少（圖10a紅框位置），整個校園形成了由西南向東北的良好通風(fēng)通道（圖10b），中心景觀區(qū)風(fēng)速大約1.01～3.01m/s，風(fēng)速比0.3～0.91。同時，由于教學(xué)實驗樓的迎風(fēng)面設(shè)計為首層局部架空，模擬結(jié)果顯示中庭內(nèi)的靜風(fēng)區(qū)明顯減少，風(fēng)環(huán)境質(zhì)量明顯有所提升。通過對模擬計算結(jié)果整體分析并按照行人風(fēng)速相對舒適度和熱舒適度評估分類，師生們在夏季校園中心景觀區(qū)及其他重要室外活動場地都能獲得比較舒適且利于室外活動的風(fēng)環(huán)境，證明了針對建筑單體層面的系列優(yōu)化調(diào)整均有效。

6 結(jié)語

本文通過 CFD數(shù)值模擬軟件對汕頭大學(xué)東海岸校區(qū)（三期）規(guī)劃設(shè)計方案風(fēng)環(huán)境進行仿真模擬，將模擬結(jié)果反饋校園規(guī)劃設(shè)計布局及建筑單體形體設(shè)計，從而在規(guī)劃設(shè)計階段有效預(yù)測并改善校園室外風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，為其他夏熱冬暖地區(qū)校園規(guī)劃或改造設(shè)計、校園風(fēng)環(huán)境優(yōu)化及校園空間環(huán)境質(zhì)量的提升提供重要的設(shè)計參考。

圖片來源

表1～3來源于《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》；圖1～3，6，8，9為自繪；圖4，5，7，10為計算模擬軟件導(dǎo)出。