鄰近高聳建筑對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響試驗(yàn)研究

沈煉 唐春朝 韓艷 汪闊 李春光 蔡春聲

摘 要：風(fēng)環(huán)境是評價(jià)人居生活質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的高聳樓宇應(yīng)運(yùn)而生，這些樓宇會較大程度地改變已有小區(qū)的風(fēng)環(huán)境，給小區(qū)居民正常生活帶來困擾，而當(dāng)前對該問題的針對性研究還十分匱乏。以長沙通用時(shí)代國際社區(qū)為研究背景，利用大尺度風(fēng)洞（10 m×3 m×21 m）對新增高聳建筑后的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了全方位、多工況試驗(yàn)研究，并基于超越概率法對有無新增高聳建筑小區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度進(jìn)行定量評估。結(jié)果表明：城市小區(qū)平均風(fēng)剖面與湍流度剖面指數(shù)值要遠(yuǎn)高于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有較大的地表粗糙度。新增高聳建筑會顯著改變其鄰近區(qū)域風(fēng)環(huán)境，如高聳建筑對通用時(shí)代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速分別造成了25%、6%和2%的加速作用，在增加高聳建筑后小區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。

關(guān)鍵詞：高聳建筑;風(fēng)環(huán)境;超越概率;風(fēng)洞試驗(yàn);風(fēng)場分布

中圖分類號：TU14;TU241.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）06-0103-10

Abstract： Urban wind environment is an important index to evaluate the quality of human life. In recent years， with the rapid development of the economy， more and more new high-rise buildings have been built and greatly changed the existing residential wind environment. It leads a great trouble to the normal life of the residents in the community. However， the target researches focus on this problem are still very scarce. In this paper， the Tongyong Shidai community is chosen as the case study， and all-round and multi-condition experimental study on the residential wind environment influenced by high-rise building is analyzed by large scale wind tunnel （10 m×3 m×32 m）. Meanwhile， exceeding probability method is used to quantitatively evaluate comfort degree and risk degree of the residential area with or without new high-rise buildings. The results show that the profile index values for average wind profiles and turbulence profiles are much higher than the values of standard， which indicates that urban area has greater surface roughness. The added high-rise buildings will significantly change the wind environment of the adjacent areas. When the high-rise building is added， the average wind speed in current community within 100， 200， 300 m is increased by 25%， 6% and 2%， respectively. The maximum value of the wind environment comfort and risk exceeding probability is increased by two times and six times， respectively.

Keywords： high-rise building; wind environment; exceeding probability; wind tunnel test; wind field characteristic

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，建設(shè)用地緊張的問題愈發(fā)凸顯，越來越多的高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。這些高層建筑周圍氣流易產(chǎn)生下沖、繞流、渦旋、穿堂等現(xiàn)象，從而引發(fā)人行高度風(fēng)環(huán)境不舒適性問題[1]。目前對城市建筑風(fēng)環(huán)境研究的主要手段有現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬?，F(xiàn)場實(shí)測最能直接反映建筑周圍的風(fēng)場分布，但由于測試周期長，耗費(fèi)大量人力物力，從而得不到廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬可以精確顯示流場的詳細(xì)信息，受到了越來越多學(xué)者的青睞[2-5]，但不足的是，數(shù)值模擬因計(jì)算參數(shù)較多，其計(jì)算結(jié)果的正確性有待商榷，往往需要風(fēng)洞試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。近年來，風(fēng)洞試驗(yàn)由于具有實(shí)施方便、試驗(yàn)條件可控等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如關(guān)吉平等[6]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對群體風(fēng)環(huán)境干擾效應(yīng)做了研究，得到了高層建筑尾流區(qū)域風(fēng)場的分布特性;Ricci等[7]基于風(fēng)洞試驗(yàn)得到了意大利文化區(qū)街道峽谷內(nèi)城市邊界層的演變過程;金海等[8]、王成剛等[9]、劉立創(chuàng)[10]分別通過風(fēng)洞試驗(yàn)對高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，并對周圍的風(fēng)環(huán)境舒適度進(jìn)行了定量評估。這些試驗(yàn)研究得到了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為日后數(shù)值模擬提供借鑒。但不足的是，這些研究主要針對單體建筑或理想排列建筑群，對實(shí)際小區(qū)新增高聳建筑后的風(fēng)環(huán)境研究還相對較少，加上現(xiàn)有小區(qū)風(fēng)洞試驗(yàn)研究采用的風(fēng)洞尺寸一般相對較小，風(fēng)洞壁與建筑模型相互影響，且當(dāng)前大多試驗(yàn)只模擬了小區(qū)核心位置，并沒考慮小區(qū)外圍建筑的邊界效應(yīng)，故很難精確、全面地捕捉小區(qū)流場信息。

當(dāng)獲取小區(qū)流場信息后，需對其風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估，目前學(xué)者們還未達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，常見的評估方法主要有風(fēng)速比評估法、相對舒適度評估法和超越閥值概率評估法。風(fēng)速比評估法由于缺乏對行人感受的考慮，存在明顯的局限性。相對舒適度法[11]則是以人的舒適性需求為出發(fā)點(diǎn)，通過人對風(fēng)的不舒適程度以及不舒適發(fā)生的次數(shù)進(jìn)行分級，其不足是人為主觀性因素太大，具有一定的不確定性。近年來，超越概率評估方法由于可同時(shí)考慮不舒適性、危險(xiǎn)度的閥值風(fēng)速，得到了廣泛應(yīng)用，如陳勇等[12]基于超越概率方法對不同評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得到了各個標(biāo)準(zhǔn)的相對寬嚴(yán)程度;李朝等[3]基于超越概率對開敞式大跨空間建筑進(jìn)行了分析;陳伏彬等[13]利用該方法對城市綜合體進(jìn)行了研究，取得了較好結(jié)果。雖然超越概率近年來多次運(yùn)用在小區(qū)風(fēng)環(huán)境的評估當(dāng)中，但利用超越概率方法分析高聳建筑影響的針對性分析還未曾報(bào)道。筆者針對當(dāng)前試驗(yàn)研究的不足，以長沙通用時(shí)代小區(qū)為研究對象，利用大尺度風(fēng)洞（10 m×3 m×21 m）對有無高聳建筑的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行全方位、多工況試驗(yàn)研究，從而揭示小區(qū)人行高度風(fēng)場、豎向風(fēng)剖面與湍流度剖面的分布規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料利用超越概率方法對有無高聳建筑的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行定量評估，相關(guān)研究結(jié)論可供日后小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

1.1 大氣邊界層風(fēng)洞

試驗(yàn)在長沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心進(jìn)行，如圖1所示，試驗(yàn)風(fēng)洞尺寸為10 m×3 m×21 m，風(fēng)速范圍在1.0～18.0 m/s可調(diào)，且風(fēng)機(jī)具有可變的扇葉角度，確保了低風(fēng)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)盤直徑為5.0 m，風(fēng)洞還安裝了二維移側(cè)架系統(tǒng)，可在風(fēng)洞橫向及豎向移動風(fēng)速探頭。

1.2 風(fēng)速測量儀器

在水平方向，采用歐文探針測量人行高度風(fēng)場，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中探頭直徑15 mm，在探頭中心開槽，槽中心穿插一根直徑1 m中空鋼針（A端），開槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針（B端）。根據(jù)歐文探針原理可知，風(fēng)速與A、B端的壓差成正比關(guān)系。

其中：pA、pB分別為探頭兩端的風(fēng)壓;a、b為探頭的標(biāo)定系數(shù);Uh為距離底面標(biāo)高h(yuǎn)處（即A端）的風(fēng)速;h對應(yīng)實(shí)際2 m高度處。

試驗(yàn)前需對探針進(jìn)行標(biāo)定，特制了一5 mm厚的鋼板，通過鉆孔固定探針，每個相鄰孔位間距為12 cm，如圖3所示。標(biāo)定時(shí)，采用眼鏡蛇風(fēng)速儀測量探頭頂部風(fēng)速，在4、6、8、10、12 m/s風(fēng)速來流下測得探針風(fēng)速與壓差的關(guān)系，如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)探針擬合系數(shù)均大于0.99，說明風(fēng)速與壓差具有很好的線性關(guān)系。風(fēng)壓測量采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥，測量精度為0.06%，采樣頻率350 Hz，試驗(yàn)過程中采樣時(shí)間為1 min。

豎向風(fēng)速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra 探頭（眼鏡蛇風(fēng)速儀），該探頭能夠同時(shí)測量u、v、w三向壓力或風(fēng)速時(shí)程，風(fēng)速測量誤差小于3%，采樣頻率500 Hz，采樣時(shí)間為1 min。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y點(diǎn)布置

試驗(yàn)對象位于長沙市，其航拍圖如圖5（a）所示，試驗(yàn)過程中，為消除周邊建筑對小區(qū)風(fēng)場的邊界效應(yīng)，模擬了小區(qū)外圍600 m半徑范圍內(nèi)的周邊建筑，縮尺比為1∶250，阻塞率小于5%，高聳建筑V立方大廈150 m（模型高0.6 m），位于小區(qū)正北方，如圖5（b）所示。試驗(yàn)過程中布置了多個歐文探針，覆蓋了室外開闊區(qū)域、廣場、人行道等場所，歐文探針布置如圖5（c）所示。

利用尖劈、粗糙元、橫桿模擬出C類地貌，試驗(yàn)參考高度為1.6 m，風(fēng)速為8 m/s，入口平均風(fēng)速和湍流度的表達(dá)式分別為

式中：z為離地高度，模擬的風(fēng)速剖面和湍流度剖面如圖6所示。試驗(yàn)過程中，模擬了16個風(fēng)向角，間隔22.5°，風(fēng)向角通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)，其中0°、90°、180°和270°分別代表北風(fēng)、西風(fēng)、南風(fēng)和東風(fēng)，如圖7（a）所示。

試驗(yàn)過程中，在小區(qū)內(nèi)部布置了64個歐文探針，對小區(qū)人行高度風(fēng)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)位如圖7（b）所示。同時(shí)，對0°，90°，180°和270°風(fēng)向角作用下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行風(fēng)剖面和湍流度剖面監(jiān)測，具體監(jiān)測位置如圖7（c）所示。

1.4 試驗(yàn)工況

為獲取V立方大廈對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，對有無V立方大廈的人行高度風(fēng)進(jìn)行了多工況試驗(yàn)分析，并對典型工況下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)風(fēng)剖面與湍流度剖面進(jìn)行了詳細(xì)研究，各工況匯總?cè)绫?所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對上述工況進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了不同工況下監(jiān)測點(diǎn)所在位置的風(fēng)速時(shí)程，取平均后得到小區(qū)人行高度風(fēng)場、豎直風(fēng)剖面和湍流度剖面的詳細(xì)分布。

2.1 風(fēng)速整體分布

研究顯示，在大雷諾數(shù)作用下，流場的分布不隨入口風(fēng)速的變化而變化，即在對應(yīng)某一風(fēng)向下建筑物周圍流場是相對固定的，定義風(fēng)速比MVR為

式中：Vi為i號測點(diǎn)行人高度平均風(fēng)速大小;V0為實(shí)際高度未受建筑干擾的來流平均風(fēng)速。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同風(fēng)向作用下小區(qū)行人高度風(fēng)速，限于篇幅，展示了0°、90°、180°、270°風(fēng)向下的風(fēng)速比云圖，如圖8所示。由于小區(qū)內(nèi)高樓錯綜復(fù)雜，各樓棟之間又有相互干擾，使得內(nèi)部流場十分復(fù)雜。如0°風(fēng)向角下，9棟（如圖7（c）所示）西側(cè)、6棟周圍以及13棟東側(cè)風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的加速效應(yīng)，其原因是這幾棟建筑在來流風(fēng)向前方并無高大密集建筑遮擋，在高層建筑側(cè)邊形成了加速效應(yīng)。從圖中還可以看出，在有V立方情況下，1棟左側(cè)出現(xiàn)了明顯加速效應(yīng)，說明V立方的建成改變了其周圍風(fēng)環(huán)境。90°風(fēng)向角下，“峽谷效應(yīng)”明顯，主要由于西側(cè)周邊建筑呈平行式排列且相對較高，構(gòu)成了一道人工的“街道峽谷”，風(fēng)匯合在街道導(dǎo)致風(fēng)速加大，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，如圖8（b）、（f）所示。180°風(fēng)向下，小區(qū)6棟、13棟轉(zhuǎn)角區(qū)域也出現(xiàn)加速效應(yīng)，但在9棟和11棟背風(fēng)面出現(xiàn)了明顯的低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速比接近于0。在270°風(fēng)向角下，由于建筑迎風(fēng)面積大，導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)整體風(fēng)速較小。整體而言，在有V立方時(shí)，小區(qū)1棟所在區(qū)域風(fēng)速比出現(xiàn)了顯著提升，說明V立方在一定程度改變了附近區(qū)域風(fēng)環(huán)境。

2.2 人行高度風(fēng)環(huán)境

試驗(yàn)過程中，對大廈周圍300 m區(qū)域范圍內(nèi)有無V立方的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，如圖9所示。圖中不同顏色表示不同區(qū)域范圍的測點(diǎn)，其中，黑色、紅色和藍(lán)色分別代表0～100 m、100～200 m、200～300 m區(qū)域范圍，落在虛線右下角區(qū)域的測點(diǎn)表示有高聳建筑時(shí)該測點(diǎn)區(qū)域風(fēng)速大于無高聳建筑，落在虛線左上角區(qū)域則相反。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在0°風(fēng)向角下，由于來流方向前面并無密集建筑，小區(qū)內(nèi)風(fēng)速普遍較大，此時(shí)V立方位于小區(qū)正北方，影響最為明顯，在V立方附近100 m范圍內(nèi)多處出現(xiàn)加速效應(yīng)。在90°和270°風(fēng)向角時(shí)，小區(qū)位于V立方側(cè)邊，對小區(qū)內(nèi)的人行高度風(fēng)影響較小。在180°時(shí)，V立方大廈在小區(qū)的尾流區(qū)域，大于100 m位置風(fēng)場不受V立方影響?？傮w而言，新增V立方后，在0～100 m范圍內(nèi)人行高度風(fēng)場具有較大改變，且大部分測點(diǎn)風(fēng)速在有V立方時(shí)明顯大于無V立方時(shí)。

為定量了解V立方大廈對小區(qū)人行高度風(fēng)場的影響范圍，引入均方根誤差（RMSE）評估有無V立方大廈小區(qū)人行高度風(fēng)場偏差，RMSE定義為

式中：ai、bi分別為工況A、B每一點(diǎn)的無量綱風(fēng)速比;N為監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目。4個風(fēng)向角作用下，不同范圍均方根偏差如表2所示，從表2可以發(fā)現(xiàn)，300 m范圍內(nèi)所有測點(diǎn)的RMSE值在0.2左右，說明V立方對小區(qū)人行高度風(fēng)場產(chǎn)生了較大影響，通過分析4個風(fēng)向下RMSE值與距離的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，V立方對周邊的影響逐漸減小。

V立方建筑位于小區(qū)正北側(cè)，0°風(fēng)向時(shí)，小區(qū)風(fēng)場受V立方影響最為顯著，對圖9（a）中3種不同距離散點(diǎn)圖分別進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)100、200、300 m范圍內(nèi)的擬合值分別為0.75、0.94、0.98，說明高聳建筑對小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速造成了25%、6%和2%的加速作用。

2.3 風(fēng)剖面

在豎直方向，對小區(qū)內(nèi)部典型區(qū)域的風(fēng)剖面進(jìn)行了詳細(xì)探討，給出了不同來流風(fēng)向下測點(diǎn)（見圖7（c））的無量綱平均風(fēng)速剖面，如圖10所示。對每個測點(diǎn)風(fēng)剖面指數(shù)進(jìn)行擬合，擬合值如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)，各測點(diǎn)風(fēng)剖面指數(shù)均大于C類地貌風(fēng)剖面指數(shù)，說明城市冠層相比規(guī)范的C類地表具有更大的地表粗糙度，由于測點(diǎn)4和測點(diǎn)12距離V立方較近，其風(fēng)剖面指數(shù)受建筑影響較大，其余點(diǎn)離V立方相對較遠(yuǎn)，風(fēng)剖面指數(shù)無明顯變化。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，在0.4 m（實(shí)際100 m）高度以下，風(fēng)速受地面及建筑物影響，其值要小于入口風(fēng)速，說明地表粗糙度對風(fēng)場產(chǎn)生了拖曳作用。當(dāng)高度達(dá)到0.6 m后，風(fēng)剖面指數(shù)的規(guī)律性逐漸明顯，并漸漸與入口風(fēng)速重合。在0°風(fēng)向下，由于V立方對來流的阻擋作用，1、2號測點(diǎn)的風(fēng)速剖面略小于無V立方的情況;測點(diǎn)3由于距V立方相對較遠(yuǎn)，風(fēng)剖面曲線與無V立方情況基本重合。在90°風(fēng)向下，測點(diǎn)4變化最大，因?yàn)樗幱赩立方的背風(fēng)側(cè)且緊鄰V立方;在180°風(fēng)向下，由于V立方大廈與鄰近建筑共同產(chǎn)生的狹管效應(yīng)，測點(diǎn)8風(fēng)速明顯大于其他測點(diǎn)，類似現(xiàn)象也在270°風(fēng)向下測點(diǎn)12出現(xiàn)。

2.4 湍流度剖面

湍流強(qiáng)度也是風(fēng)環(huán)境舒適度評價(jià)的重要影響指標(biāo)，其定義為湍流脈動風(fēng)速均方根與平均風(fēng)速的比值，反映了風(fēng)速隨時(shí)間變化的程度。試驗(yàn)過程中，對上述12個測點(diǎn)的湍流度剖面進(jìn)行監(jiān)測，如圖11所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在0.8 m（200 m）以下，各測點(diǎn)的湍流度剖面遠(yuǎn)高于入口湍流度剖面，再次驗(yàn)證了城市冠層具有較大的地表粗糙度。圖中大部分測點(diǎn)最大湍流度一般出現(xiàn)在0.35～0.4 m 位置處，該高度與小區(qū)建筑平均高度接近，說明小區(qū)建筑頂部造成的剪切流區(qū)域是高湍流形成的主要原因。同樣，對測點(diǎn)的湍流度剖面進(jìn)行指數(shù)擬合，如表4所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，湍流度剖面衰減值要遠(yuǎn)大于規(guī)范值，說明了規(guī)范所描述的湍流度剖面并不適用于建筑高密的城市小區(qū)，對其湍流度擬合值分析發(fā)現(xiàn)，4號與12號點(diǎn)相差較大，其余位置由于與V立方相隔較遠(yuǎn)，其值無明顯變化。

3 小區(qū)風(fēng)環(huán)境超越概率評估

3.1 評價(jià)指標(biāo)及方法

行人高度風(fēng)環(huán)境超越概率評估主要包括舒適性與安全度評價(jià)[14]。評估風(fēng)舒適度時(shí)取等效風(fēng)速閾值和峰值因子分別為VTHR=6 m/s和g=1;評估風(fēng)危險(xiǎn)度時(shí)，取等效風(fēng)速閾值和峰值因子分別為VTHR=20 m/s和g=3。風(fēng)速閾值主要用來界定人的不舒適和危險(xiǎn)，而不舒適與危險(xiǎn)的“度”則由可接受概率大小來評判，考慮陣風(fēng)的等效風(fēng)速閥值判斷形式為

其中：V為行人高度平均風(fēng)速;g為峰值因子;δV為脈動風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差;Vg為行人高度等效風(fēng)速;VTHR為不舒適或危險(xiǎn)閾值風(fēng)速。

利用超越閥值概率方法對小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估時(shí)，不僅需要知道建筑周邊的流場分布，還需要知道當(dāng)?shù)爻Ｄ甑娘L(fēng)速、風(fēng)向概率分布函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)[15]，近地面某高度處各風(fēng)向角下的風(fēng)速均可以采用Weibull雙參數(shù)分布形式進(jìn)行表述，對于給定風(fēng)向θi下的超越概率計(jì)算表達(dá)式可表示為

式中：Pθi為θi風(fēng)向風(fēng)速超過VTHR的超越概率;Aθi為θi風(fēng)向的發(fā)生頻率;Cθi為θi風(fēng)向風(fēng)速概率分布函數(shù)的尺度參數(shù);Kθi為θi風(fēng)向風(fēng)速概率分布函數(shù)的形狀參數(shù)。通過分析長沙地區(qū)常年逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料，得到了長沙城區(qū)16個風(fēng)向角作用下的Weibull分布參數(shù)，如表5所示。

3.2 小區(qū)風(fēng)環(huán)境評估

建筑周邊的流場分布一般采用風(fēng)速比表示，評估過程中采用2.1節(jié)所述風(fēng)速比。由于試驗(yàn)建筑場地類別為C類地表，而氣象監(jiān)測站的風(fēng)速為B類地表，因此，試驗(yàn)入口10 m高度風(fēng)速與觀測站10 m高度的風(fēng)速存在一個轉(zhuǎn)換系數(shù)，可表示為

其中：B類梯度風(fēng)高度為350 m，粗糙度指數(shù)為0.16;C類梯度風(fēng)高度為400 m，粗糙度指數(shù)為0.22。故建筑物場地中風(fēng)速閾值VTHR與觀測站的風(fēng)速VO，i，THR的關(guān)系為

將式（9）代入式（7）中，并就各風(fēng)向下等效風(fēng)速超越舒適度或危險(xiǎn)度閾值的概率求和，即可得到全風(fēng)向該區(qū)域風(fēng)速超越閥值概率，如式（10）所示。

基于上述理論對小區(qū)域測點(diǎn)進(jìn)行超越概率分析，得到各測點(diǎn)全風(fēng)向下行人不舒適和危險(xiǎn)閥值風(fēng)速超越概率云圖，如圖12所示。

采用Bottema評估標(biāo)準(zhǔn)對其風(fēng)環(huán)境舒適度進(jìn)行評定，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對于快步而言，當(dāng)超越概率低于10%為優(yōu)，10%～20%為中，大于20%為差。由圖12（a）、（b）可以看出，該小區(qū)的大部分區(qū)域行人風(fēng)舒適度等級為優(yōu)，在小區(qū)西側(cè)和東南側(cè)部分區(qū)域風(fēng)舒適度等級為中，主要原因是這些位置房屋相對較高，其樓棟朝向與長沙地區(qū)盛行風(fēng)速一致。同時(shí)，在圖12中還可發(fā)現(xiàn)，有V立方時(shí)，在V立方后側(cè)超越概率值出現(xiàn)了明顯提升，其值達(dá)23%，評級為差，主要原因是V立方與1棟之間形成“峽谷效應(yīng)”，說明此區(qū)域不宜人類活動。在評估危險(xiǎn)度時(shí)，Bottema標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超越概率只要大于0.05%就有一定危險(xiǎn)，從圖12（c）中可以看到，在有V立方情況下，測點(diǎn)3超越危險(xiǎn)閾值風(fēng)速概率為0.06%，說明該區(qū)域有一定危險(xiǎn)，這也與風(fēng)舒適度評估結(jié)果相對應(yīng)。在小區(qū)的其他區(qū)域，有無V立方危險(xiǎn)度超越概率最大值分別為0.013 8%和0.019 1%，遠(yuǎn)小于下限概率0.05%，說明該小區(qū)其他區(qū)域不存在危險(xiǎn)性。同時(shí)，為定量獲取高聳建筑對風(fēng)環(huán)境的影響，對小區(qū)內(nèi)64個測點(diǎn)的舒適度超越概率和危險(xiǎn)度超越概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖13所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，離V立方較近的1、2、3、15、16號測點(diǎn)，由于V立方的建成，使得該區(qū)域出現(xiàn)了廊道效應(yīng)，惡化了其風(fēng)環(huán)境，離V立方較遠(yuǎn)區(qū)域風(fēng)環(huán)境好壞無明顯變化。

4 結(jié)論

基于大尺度風(fēng)洞試驗(yàn)研究了高聳建筑對其周邊小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，獲取了小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場的詳細(xì)分布，并基于超越概率對小區(qū)行人高度風(fēng)環(huán)境舒適性和危險(xiǎn)度進(jìn)行定量評估，獲得以下結(jié)論：

1）基于大尺度風(fēng)洞試驗(yàn)消除了風(fēng)洞壁對模型風(fēng)場的擠壓作用，在考慮外圍建筑對小區(qū)風(fēng)場的邊界效應(yīng)后獲取了小區(qū)內(nèi)部流場的詳細(xì)分布。研究顯示，小區(qū)建筑對平均風(fēng)場產(chǎn)生了拖曳作用，其內(nèi)部風(fēng)場脈動劇烈，風(fēng)剖面與湍流度剖面指數(shù)值均大于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有更大的地表粗糙度。

2）通過對有無高聳建筑作用下的小區(qū)平均風(fēng)場分析發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑會顯著改變其鄰近區(qū)域風(fēng)環(huán)境，如高聳建筑對通用時(shí)代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速分別造成了25%、6%和2%的加速作用。

3）通過對小區(qū)人行高度風(fēng)環(huán)境進(jìn)行超越概率評估發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑較大程度改變了其附近區(qū)域風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度，如在增加高聳建筑后通用時(shí)代小區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。

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（編輯 王秀玲）