高層建筑形狀及布局對(duì)城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境影響研究

閆渤文，魏民，鄢喬，程勇，舒臻孺，李秋勝，周緒紅

摘? ?要：基于風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（Computational Fluids Dynamics，CFD）研究高層建筑形狀及布局對(duì)城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的影響. 采用最大風(fēng)速比和歸一化加速面積比，定量研究五種高層建筑形狀及四類建筑布局對(duì)城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的影響，確定全風(fēng)向下的最優(yōu)建筑形狀以及布局，結(jié)合CFD數(shù)值模擬獲得的全域流場(chǎng)信息，揭示建筑形狀和布局對(duì)于城市街區(qū)行人風(fēng)環(huán)境的影響機(jī)理. 結(jié)果表明：在保持建筑高度和街區(qū)容積率一致的情況下，高層建筑群周邊最大風(fēng)速比不會(huì)隨著建筑形狀和建筑布局的改變而發(fā)生明顯變化. 但建筑形狀和建筑布局會(huì)改變建筑群周邊高風(fēng)速區(qū)域的面積大小，全風(fēng)向下的最優(yōu)建筑形狀和布局分別是Y字形和錯(cuò)列式布局，而最不利形狀和布局分別是H字形和圍合式布局. 不同布局下的方形、H字形及X字形高層建筑群的最不利風(fēng)向均位于斜風(fēng)向，而十字形及Y字形則為正風(fēng)向. 高層建筑群在行人高度處的風(fēng)加速現(xiàn)象主要是由狹管效應(yīng)和角部分離效應(yīng)造成的.

關(guān)鍵詞：城市街區(qū);行人風(fēng)環(huán)境;建筑形狀;建筑布局;風(fēng)洞;CFD

中圖分類號(hào)：TU312.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Effects of Tall Building Shape and Layout on

Pedestrian-level Wind Environment in the Urban Area

YAN Bowen1，WEI Min1，YAN Qiao1，2，CHENG Yong1，SHU Zhenru3，LI Qiusheng4，ZHOU Xuhong1，5

（1. Chongqing Key Laboratory of Wind Engineering and Wind Engergy Utilization，

Chongqing University，Chongqing 400045，China;

2. Hubei United Investment Group Co，Ltd，Wuhan 430061，China;

3. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China;

4. Department of Architecture and Civil Engineering，City University of Hong Kong，Hong Kong 999077，China;

5. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：This paper investigates the influences of tall building shape and layout on the pedestrian-level wind （PLW） environment in the urban area by combing the wind tunnel test and Computational Fluids Dynamics （CFD） simulations. The maximum wind speed-up ratio and integrated normalized speed-up area ratio were used to quantify the effects of five different building shapes and four building layouts on the PLW environment. The favored building shape and layout with omnidirectional equal-probability distribution were determined， and the underlying mechanism of building shape and layout that influences the PLW environment in the urban area were elucidated according to the whole flow-domain information attained by CFD simulations. The PLW of groups of Y-shaped tall buildings in the staggered layout was most favored， while the most unfavorable scenario was H-shaped and enclosed layout; In addition， the most unfavorable wind directions of square， H-shaped and X-shaped tall buildings were in the oblique direction， while these of the cross- and Y-shaped buildings were in the normal wind direction. The wind speed-up phenomena of groups of tall buildings at the pedestrian-level were mainly attributed to the flow separation at building corners and channeling effects.

Key words：urban area;pedestrian-level wind（PLW） environment;building shape;building layout;wind tunnel;CFD（Computational Fluids Dynamics）

高層建筑物的存在會(huì)顯著改變城市區(qū)域的空氣流動(dòng)，形成包括撞擊、繞流、分離及尾流區(qū)域等多種復(fù)雜的鈍體空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象[1-3]. 與此同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，高密度城市區(qū)域建筑物間的氣動(dòng)干擾現(xiàn)象愈加突出，導(dǎo)致行人高度處出現(xiàn)顯著的高風(fēng)速區(qū)域，進(jìn)一步加劇了建筑群行人風(fēng)環(huán)境的惡化，影響行人舒適度，更有甚者會(huì)危及行人安全，帶來行人風(fēng)環(huán)境問題[4]. 因此，有必要對(duì)高層建筑物周邊區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境進(jìn)行深入研究，提出改善高密度城市區(qū)域行人風(fēng)環(huán)境的方法，進(jìn)一步落實(shí)當(dāng)前我國(guó)發(fā)展可持續(xù)的綠色宜居城市的戰(zhàn)略[5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑物行人風(fēng)環(huán)境做了廣泛研究，并逐漸形成了行人風(fēng)環(huán)境的評(píng)估流程. 主要包含4方面：當(dāng)?shù)仫L(fēng)氣候、周邊地形影響、建筑氣動(dòng)特性以及行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[6]. 其中，建筑氣動(dòng)特性對(duì)行人風(fēng)環(huán)境的影響是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[7]. 學(xué)者們對(duì)此展開了廣泛的試驗(yàn)研究. Tsang等[8]對(duì)4個(gè)并列布置的矩形高層建筑開展了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了長(zhǎng)寬比、建筑間距對(duì)高層建筑周邊行人高度處風(fēng)速的影響. Xu等[9]構(gòu)建了40種不同形狀的單體高層建筑，研究了建筑形狀對(duì)行人風(fēng)環(huán)境的作用機(jī)理.受到測(cè)點(diǎn)數(shù)量的限制，風(fēng)洞試驗(yàn)中無法提供建筑群周圍及其全域詳細(xì)的三維流場(chǎng). 近些年，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（Computational Fluids Dynamics，CFD）的快速發(fā)展以及高性能計(jì)算資源的增長(zhǎng)，雷諾平均湍流模型（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）、大渦模擬方法（Large-eddy Simulation，LES）以及分離渦模擬（Detached-eddy Simulation，DES）已在城市行人風(fēng)環(huán)境舒適性評(píng)估和研究中得到應(yīng)用. 雖然LES和DES模型能在尾流和分離區(qū)獲得比RANS模型更準(zhǔn)確的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)果，但由于RANS模型計(jì)算效率高，且在高風(fēng)速區(qū)能提供可靠的平均風(fēng)速模擬結(jié)果，仍被廣泛應(yīng)用于行人風(fēng)環(huán)境的研究和工程實(shí)踐[10-12]. Iqbal和Chan[13]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬研究了建筑間距和風(fēng)向?qū)κ中胃邔咏ㄖ盒腥孙L(fēng)環(huán)境的影響. Van等[14]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了多種RANS湍流模型，并采用RANS模型研究了雨棚、露臺(tái)以及透風(fēng)樓層等氣動(dòng)外形修正措施對(duì)單棟高層建筑行人風(fēng)環(huán)境的影響. 但目前行人風(fēng)環(huán)境研究的主要研究對(duì)象還只是單棟或者2～3棟建筑，并且現(xiàn)有研究中建筑物外形多以矩形或者方形為主，缺乏建筑布局以及外形對(duì)高層建筑群風(fēng)環(huán)境的影響研究.

基于以上研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬，定量分析了等概率全風(fēng)向下建筑外形及布局對(duì)高層建筑群風(fēng)環(huán)境的影響，明確了最優(yōu)建筑外形和布局，并進(jìn)一步基于CFD全域流場(chǎng)結(jié)果揭示了建筑外形和布局對(duì)高層建筑群行人風(fēng)環(huán)境的影響機(jī)理.

1? ?研究方法

1.1? ?風(fēng)洞試驗(yàn)

本次風(fēng)洞試驗(yàn)在香港城市大學(xué)邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行（見圖1（a）），試驗(yàn)段尺寸為11.0 m×4.0 m×2.0 m（長(zhǎng)×寬×高）. 試驗(yàn)來流依據(jù)日本規(guī)范所規(guī)定的Ⅲ類地貌[15]（見圖1（b））. 試驗(yàn)所采用的模型均由PVC材料制成，幾何縮尺比為1 ∶ 400;每個(gè)高層建筑群模型由8個(gè)相同的單棟高層建筑模型構(gòu)成，為了保證容積率相同，每一個(gè)單體建筑具有相同的高度H（210 mm）和平面投影面積（見圖2），模型的阻塞比小于3%. 為了研究建筑形狀及布局對(duì)行人風(fēng)環(huán)境的影響，本文參考了城市街區(qū)常見的5種建筑形狀和4種建筑布局，共20個(gè)工況（見表1），風(fēng)向角間隔30°. 結(jié)合本文采用的建筑布局和建筑外形，考慮實(shí)際試驗(yàn)方案的可行性，在街道、轉(zhuǎn)角以及建筑模型周邊布置了26個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度為距地面2.0 m（縮尺后為0.5 cm）的行人高度處（見圖3）. 風(fēng)速測(cè)量采用kanomax風(fēng)速探頭，精度為±0.1 m/s，采樣頻率選用625 Hz.

1.2? ?CFD數(shù)值模擬

CFD數(shù)值模擬中，所有模型的尺寸均與風(fēng)洞試驗(yàn)保持一致. 計(jì)算域尺寸為15H（長(zhǎng)）×10H（寬）×6H（高）（如圖4所示），CFD數(shù)值模擬的阻塞率小于3%，滿足日本風(fēng)規(guī)范規(guī)定的數(shù)值模擬計(jì)算域大小的要求[15]，無需對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正[16-17]. 邊界條件設(shè)定見表2，入口設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet），出口設(shè)置壓力出口（Pressure-outlet），兩側(cè)邊界及頂部邊界均采用對(duì)稱性邊界條件（Symmetry），建筑壁面和地面采用無滑移壁面（No-slip wall）. 網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在建筑物壁面處對(duì)網(wǎng)格加密，首層網(wǎng)格高度為0.000 2 m，建筑壁面首層網(wǎng)格y+為30左右，網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.1，所有工況網(wǎng)格總量為7×106～9×106.

由于RANS湍流模型會(huì)顯著影響數(shù)值模擬結(jié)果的精度，為了驗(yàn)證不同RANS湍流模型，本文根據(jù)Xu等人在東京工藝大學(xué)（Tokyo Polytechnic University，TPU）邊界層風(fēng)洞中開展的方形單體建筑行人風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果[9]，分別從定性和定量角度驗(yàn)證了不同RANS湍流模型的模擬精度，包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Realizable k-ε模型、RNG k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型以及SST k-ω模型. 其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的湍流參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了修正，驗(yàn)證湍流模型參數(shù)對(duì)高風(fēng)速區(qū)模擬準(zhǔn)確性的影響.

本文采用基于有限體積法的ANSYS/Fluent 15.0 CFD數(shù)值模擬平臺(tái)，相應(yīng)的湍動(dòng)能、湍流耗散率及平均風(fēng)速剖面等入口邊界條件通過編寫自定義函數(shù)（User-Define Function，UDF）實(shí)現(xiàn);求解器為基于壓力求解的不可壓縮流穩(wěn)態(tài)算法，速度-壓力耦合方式為SIMPLEC，動(dòng)量方程和湍流模型輸運(yùn)方程的非線性對(duì)流項(xiàng)離散格式為二階迎風(fēng)格式（Second order Upwind Scheme，SUS）;模擬收斂準(zhǔn)則為所有變量的殘差變化穩(wěn)定，最終觀察到k及ε殘差達(dá)到10-6以下，連續(xù)方程殘差達(dá)到10-4以下，且在關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值達(dá)到平穩(wěn).

1.3? ?來流自保持性

行人風(fēng)環(huán)境CFD數(shù)值模擬研究中，由于行人高度距離地面較近，來流特性易受到地面粗糙度的影響而無法保證風(fēng)場(chǎng)特性在來流方向上的一致，影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性. 因此，基于RANS模型的CFD數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題之一是驗(yàn)證來流的自保持性，即流體經(jīng)過地表面時(shí)，保證流場(chǎng)沿來流方向的流動(dòng)特性保持一致[19]. 本文通過修正壁面函數(shù)及粗糙度參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的自保持性[20].? 如圖5所示，在空風(fēng)場(chǎng)的校驗(yàn)結(jié)果中，入口和出口的風(fēng)速剖面較為一致，具有較好的自保持性.

1.4? ?網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本節(jié)以工況S-E-180為例（網(wǎng)格總數(shù)為7×106），建立了兩套不同尺寸的網(wǎng)格（稀疏網(wǎng)格首層網(wǎng)格尺寸為0.000 4 m，增長(zhǎng)率為1.1，網(wǎng)格總數(shù)400萬(wàn)左右;加密網(wǎng)格首層網(wǎng)格尺寸為0.000 1 m，增長(zhǎng)率為1.1，網(wǎng)格總數(shù)1 100萬(wàn)左右）;3套不同網(wǎng)格對(duì)比見圖6，同時(shí)在圖7中，給出了采用不同網(wǎng)格尺寸得到的26個(gè)測(cè)點(diǎn)模擬結(jié)果.

圖7結(jié)果表明，稀疏網(wǎng)格與基本網(wǎng)格之間的計(jì)算結(jié)果存在顯著差異，而加密網(wǎng)格與基礎(chǔ)網(wǎng)格之間的差異卻很小. 說明采用基礎(chǔ)網(wǎng)格進(jìn)行模擬不僅可以保證計(jì)算精度，而且可以盡可能小地消耗計(jì)算資源，因此本文所有計(jì)算工況網(wǎng)格均按照基礎(chǔ)網(wǎng)格方式劃分.

1.5? ?行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法

在對(duì)建筑物周邊的行人風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估時(shí)，常常采用風(fēng)速比Ri進(jìn)行分析[21]，其相關(guān)定義如下：

Ri = ■? ? ? ? ?（1）

式中：Vi為建筑物周邊測(cè)點(diǎn)在行人高度處（本文為離地面高度2 m處）的風(fēng)速;V0為無建筑物時(shí)，入口行人高度處風(fēng)速.

一方面，從定量的角度，本文通過采用誤差度量指標(biāo)q進(jìn)行分析[22]，其定義如下：

q=■■ni，

ni =1，■≤q或Ri exp-Ri CFD≤q;0，其他.

（2）

式中：N為測(cè)點(diǎn)總數(shù);Ri exp、Ri CFD分別代表試驗(yàn)結(jié)果及其對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果;q值最大計(jì)算誤差為20%.

另一方面，為了定量分析建筑形狀和布局對(duì)高層建筑群行人風(fēng)環(huán)境的影響，本文采用最大風(fēng)速比Rmax和歸一化加速面積比A*? ? ? ?R，avg對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行量化評(píng)估[9]，其相關(guān)定義如下：

Rmax，θ = max（Ri，θ），A*? ?R，θ = ■? ? ? ? ?（3）

Rmax = max（Rmax，θ），Rmin = min（Rmax，θ），

A*? ? ? ?R，avg = ■■A*? ? ?R，θ? ? ? ? ?（4）

其中AT為評(píng)估區(qū)域的面積，本文為900×900 mm2，如圖8所示.

由前文定義可知，AR，θ中R值的大小應(yīng)該為一個(gè)大于1.0的數(shù)值. 關(guān)于R的具體取值，在缺乏氣象統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，要想滿足風(fēng)環(huán)境舒適性，主導(dǎo)風(fēng)向下的風(fēng)速比不宜大于1.2[23]. 因此，本文采用Ri = 1.2，即計(jì)算A1.2，θ的歸一化加速面積.

2? ?結(jié)果與討論

2.1? ?CFD結(jié)果驗(yàn)證

首先，基于TPU風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了5種不同的RANS湍流模型，并將其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：對(duì)于建筑物兩側(cè)加速區(qū)域的模擬，使用不同的RANS湍流模型，其模擬結(jié)果有所不同，其中RNG k-ε模型以及修正湍流參數(shù)后的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬的效果最好. 限于篇幅，此處不再給出相關(guān)結(jié)果. 這與現(xiàn)有研究中RANS模型對(duì)于高風(fēng)速區(qū)域（Ri > 1.0）的模擬較為準(zhǔn)確的結(jié)論基本一致[10-13]. 考慮到標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算效率更高，本文在后續(xù)研究中主要采用經(jīng)過修正湍流參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型開展數(shù)值模擬研究.

表3為本文開展240個(gè)工況在全部風(fēng)向角下高風(fēng)速區(qū)（Ri > 1.0）的試驗(yàn)與模擬誤差對(duì)比結(jié)果，并與當(dāng)前采用RANS模型開展行人風(fēng)環(huán)境研究的數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

從表3可以看出：高風(fēng)速區(qū)，所有測(cè)點(diǎn)的最大誤差值為20.22%（工況Y-E-150）;最小誤差為0.087%（工況H-CO-0）;與現(xiàn)有研究相比（鄭朝榮等[24]的最大誤差為22.5%，最小誤差為1.21%，Iqbal等[13]的最大誤差為25.1%，最小誤差為1.59%），本文的模擬精度更高，具有較高的可信度.

為了進(jìn)一步說明經(jīng)過修正湍流參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬結(jié)果的可信度，采用誤差度量指標(biāo)q進(jìn)行分析[22]，q值根據(jù)前文計(jì)算最大誤差選擇20%.

圖9統(tǒng)計(jì)了所有工況的q值，發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算工況的q值均在0.85～0.92之間，表明本文數(shù)值模擬計(jì)算的整體最大誤差小于15%，數(shù)據(jù)置信度在0.85以上. 數(shù)值模擬在高風(fēng)速區(qū)域可以得到與試驗(yàn)較為一致的結(jié)果，但在低風(fēng)速區(qū)RANS模型結(jié)果準(zhǔn)確性則較差，主要是因?yàn)楸疚乃捎玫姆€(wěn)態(tài)雷諾平均模型在建筑物尾流漩渦脫落區(qū)域（低風(fēng)速區(qū)）低估了尾流中的湍動(dòng)能，導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相差較大. 現(xiàn)有研究表明：采用RANS模型對(duì)行人風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究時(shí)，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果在高風(fēng)速區(qū)（Ri > 1.0）高度吻合，其誤差控制在0.2左右，低風(fēng)速區(qū)則準(zhǔn)確性較差，與本文模擬結(jié)果相同[5].

2.2? ?建筑形狀及布局對(duì)行人風(fēng)環(huán)境的影響評(píng)估

2.2.1? ?建筑形狀對(duì)行人風(fēng)環(huán)境影響

為了研究建筑形狀對(duì)行人風(fēng)環(huán)境的影響，圖10、圖11分別給出了不同建筑形狀在不同風(fēng)向角下Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ的分布情況.

由于錯(cuò)列式分布的Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ分布趨勢(shì)與圍合式分布趨勢(shì)相同，角開口式與中部開口式布局的 Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ趨勢(shì)相同，限于篇幅，結(jié)果未給出，可參考圖10和圖11分布情況。

從圖10 Rmax，θ的分布趨勢(shì)來看：在圍合式布局和角開口式布局下，方形、H字形及X字形建筑群的Rmax出現(xiàn)在斜風(fēng)向下，Rmin則出現(xiàn)在正風(fēng)向下;而十字形及Y字形建筑群則與此相反，Rmax出現(xiàn)在正風(fēng)向下，Rmin則出現(xiàn)于斜風(fēng)向. 對(duì)于角部開口式布局，可以得到相同的結(jié)論，表明這四種布局不影響不同建筑形狀的最有利以及最不利風(fēng)向角. 進(jìn)一步分析比較A*? ? ? ?1.2，θ，其分布規(guī)律與Rmax，θ的分布規(guī)律完全相同，即不同布局下，方形、H字形及X字形的建筑群的最有利風(fēng)向?yàn)檎L(fēng)向，最不利風(fēng)向?yàn)樾憋L(fēng)向;十字形及Y字形建筑群的最有利風(fēng)向?yàn)樾憋L(fēng)向，最不利風(fēng)向?yàn)檎L(fēng)向.

圖12給出了不同建筑形狀在圍合式布局下，最不利風(fēng)向角下所對(duì)應(yīng)的行人高度處的風(fēng)速比云圖. 通過圖12可以看出：風(fēng)場(chǎng)中的高風(fēng)速區(qū)域集中在建筑群的側(cè)面及建筑物之間形成的天然廊道中. 進(jìn)一步分析，對(duì)于建筑群側(cè)面高風(fēng)速區(qū)域的形成，主要是由于建筑物迎風(fēng)前緣對(duì)風(fēng)場(chǎng)剪切作用和氣流下洗作用聯(lián)合造成的[24];而建筑物通道高風(fēng)速區(qū)域，則是由于建筑物之間形成的通風(fēng)廊道，產(chǎn)生狹管效應(yīng)現(xiàn)象，使得廊道區(qū)域的風(fēng)速明顯增大[25].

圖13為不同的計(jì)算工況在全風(fēng)向下的最大風(fēng)速比Rmax與歸一化平均加速面積比A*? ? ? ? 1.2，avg的分布情況. 從Rmax和A*? ? ? ? 1.2，avg值的趨勢(shì)來看，對(duì)于這20種不同的計(jì)算工況，Rmax最大值為1.532，最小值為1.468，均位于1.5附近，相互之間差值僅為4.18%;另一方面比較A*? ? ? ? 1.2，avg的大小，明顯發(fā)現(xiàn)不同工況之間A*? ? ? ? 1.2，avg差異很大，最大值為4.02，最小值則為1.67，相互之間的差值超過了140%. 因此，在保持高度和容積率一定的情況下，建筑群周邊最大風(fēng)速比不會(huì)隨著建筑形狀和建筑布局的改變而發(fā)生明顯變化;但建筑形狀和建筑布局會(huì)改變建筑群周邊高風(fēng)速區(qū)域的面積大小，而高風(fēng)速區(qū)域正是本文研究的重點(diǎn). 從Rmax和A*? ? ? ? 1.2，avg值的大小來看，圍合式布局中，方形圍合式布局建筑群的A*? ? ? ? 1.2，avg值最小，因此可認(rèn)為其行人風(fēng)環(huán)境

整體上最優(yōu);相同的，角開口式及中部開口式布局下，十字形建筑群的整體行人風(fēng)環(huán)境最優(yōu);Y字形建筑群在錯(cuò)列式布局下的行人風(fēng)環(huán)境最優(yōu). 與之前研究結(jié)論基本一致[26-27].

2.2.2? ?建筑布局對(duì)行人風(fēng)環(huán)境影響

由于H字形及X字形的Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ分布趨勢(shì)與方形完全相同，Y字形則和十字形的Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ分布趨勢(shì)相同，因此，本節(jié)僅給出了方形和十字形建筑群在不同布局下的Rmax，θ和A*? ? ? ?1.2，θ分布情況.

從分布趨勢(shì)來看（如圖14和圖15所示），方形建筑群在四種不同布局下，Rmax對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角均為斜方向，而Rmin對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角均與建筑物迎風(fēng)面垂直;十字形建筑群在四種布局下的結(jié)論與方形建筑群相反. 這說明在不同布局下，方形、H字形及X字形的建筑群的最有利風(fēng)向角與建筑物側(cè)表面垂直，最不利風(fēng)向角則為斜風(fēng)向;而十字形和Y字形建筑群在不同布局下的結(jié)論與前者截然相反.

圖16和圖17以方形及十字形建筑群為例，分析其作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)造成建筑群周邊區(qū)域風(fēng)速增大的兩個(gè)主要原因?yàn)榻遣糠蛛x效應(yīng)及狹管效應(yīng). 由于方形建筑前角的分離剪切作用較大，導(dǎo)致其角部分離效應(yīng)更加明顯，這就使得最不利風(fēng)向角出現(xiàn)于斜風(fēng)向下.

通過計(jì)算不同工況下Rmax和A*? ? ? ? ? 1.2，avg值，從整體上對(duì)不同工況的行人風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估. 方形、H字形及X字形建筑群均在錯(cuò)列式布局下具有最優(yōu)的行人風(fēng)環(huán)境效應(yīng);十字形及Y字形建筑群則在中部開口式下具有最優(yōu)的行人風(fēng)環(huán)境效應(yīng). 綜合考慮建筑布局和建筑形狀，風(fēng)環(huán)境最好的是Y字形錯(cuò)列式布局建筑群，風(fēng)環(huán)境最差的是H字形圍合式布局建筑群.

3? ?結(jié)? ?論

通過風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，深入研究了建筑形狀和建筑布局對(duì)高層建筑群行人風(fēng)環(huán)境的影響，得出如下結(jié)論：

1）經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)的驗(yàn)證，表明采用RANS模型研究高層建筑群周邊的行人風(fēng)環(huán)境是可行的，對(duì)于高風(fēng)速區(qū)域的模擬，通過修正湍流參數(shù)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型獲得與風(fēng)洞試驗(yàn)較為一致的模擬結(jié)果.

2）造成建筑群周邊區(qū)域風(fēng)速增大的主要原因是建筑群中出現(xiàn)角部分離效應(yīng)和狹管效應(yīng). 建筑群周邊最大風(fēng)速比Rmax的大小不受建筑形狀以及建筑布局的影響，所有工況下Rmax均位于1.5附近.

3）建筑形狀對(duì)建筑群的最不利風(fēng)向角影響較顯著，5種不同建筑形狀下，方形、H字形及X字形建筑群的最不利風(fēng)向角均出現(xiàn)在斜風(fēng)向角度，十字形和Y字形建筑群的最不利風(fēng)向?yàn)檎L(fēng)向;建筑布局對(duì)于建筑群的最不利風(fēng)向角度影響很小，4種不同布局下，建筑群最不利風(fēng)向角度未發(fā)生變化.

4）綜合考慮建筑布局和建筑形狀的影響，行人風(fēng)環(huán)境最好的是Y字形錯(cuò)列式布局建筑群，最差的是H字形圍合式布局建筑群.

5）在保持高度和容積率一定的情況下，建筑群周邊最大風(fēng)速比不會(huì)隨著建筑形狀和建筑布局的改變而發(fā)生明顯變化.

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