擬建建筑對周圍區(qū)域風環(huán)境影響研究

馮建東，葛健，汪世杰，馮帥，蔣騰武

（合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著時代發(fā)展，人、建筑以及環(huán)境之間的聯(lián)系越來越緊密，由于建筑外形和布局趨向多變，可能引發(fā)一系列問題。在區(qū)域建筑擴建時，因新增建筑的影響，局部風環(huán)境會發(fā)生較大改變，行人高度水平風PLW(Pedestrain-level wind)直接對行人帶來不利影響，國內(nèi)外都曾發(fā)生過由于不良風環(huán)境造成人員傷亡的事件；另一方面，風速較小也會造成污染物沉積，引起建筑周圍空氣質(zhì)量的持續(xù)惡化。通過對歷史風環(huán)境進行CFD模擬表明，城市風損逐年增加，城市空氣通風對城市形態(tài)設計愈發(fā)重要；因此，建筑對區(qū)域風環(huán)境的影響已成為優(yōu)化規(guī)劃布局設計評判的重要指標。

國內(nèi)外自20世紀70年代以來即開展了對行人風環(huán)境的研究，對于群體建筑風環(huán)境：Murakami等人通過對高層建筑被低層建筑包繞情況的研究，表明高層建筑會顯著改變建筑群內(nèi)的風環(huán)境，PLW速度將提高到孤立單體情況時的2～4倍；Qureshi M.Zahid Iqbal等人研究了滯流區(qū)和尾流區(qū)對建筑周圍通風能力和風舒適度的影響，揭示了建筑的朝向和間距對再入角處風循環(huán)的重要性；馬劍比較8種不同布局型式的建筑群周邊行人風高度的風速比和矢量場，獲得風環(huán)境狀況與建筑平面布局之間的一些定性和定量影響關系；Janssen等人針對不同建筑群內(nèi)風環(huán)境評價準則，通過比較表明不同的評價準則會導致風舒適性評價結果的不同，為建筑群風環(huán)境評價準則的選取提供了借鑒意義。然而，已有研究主要針對建筑固定布局，對于擬建建筑對周邊風環(huán)境影響，以及行人風的舒適度研究甚少。

對建筑風環(huán)境的研究方法通常有三種：實地測量、風洞試驗、數(shù)值模擬。其中實測所需實驗條件過高，風洞試驗可以在一定程度上模擬建筑風環(huán)境變化，但風洞試驗模型測得的結果往往與實際結果有一定差距，而CFD數(shù)值模擬可以獲得詳細的環(huán)境氣動信息，與傳統(tǒng)模式相比具有分析時間短、人力成本低、投資較少的優(yōu)勢。針對擬建建筑對區(qū)域風環(huán)境影響，以某校區(qū)內(nèi)建筑群體布局為對象，考慮當?shù)貙嶋H季風情況，模擬分析布局內(nèi)擬建建筑對PLW分布的影響，以期對指導布局規(guī)劃設計，改善局部微氣候（行人舒適度）提供科學參考。

2 流動控制方程以及風環(huán)境評價準則

2.1 流動控制方程

采用Realizable k-ε模型進行風場計算，利用湍流統(tǒng)計理論處理瞬時的NS方程，將基礎方程中的物理量分為平均值和脈動值，求解平均值和脈動值得統(tǒng)計量對應的方程式，將瞬態(tài)的脈動量進行時均化處理。

Realizable k-ε模型通過修正耗散率ε方程使ε方程的產(chǎn)生項與k方程的產(chǎn)生項獨立，從而更好地反映能量在譜空間中的傳播。該模型廣泛應用于邊界層流動、剪切流、射流和腔流流動問題，特別在平板射流問題中能給出較好的射流張角，其輸運方程為：

式中：G為湍動能生成項；C=1.9，σ=1.0，σ“ =1.2”。

2.2 風環(huán)境評價準則

考慮行人舒適感以及建筑間氣態(tài)污染物衰減速度，選取放大因子作為風環(huán)境舒適性評價指標。

式中，A——不同位置處的放大因子；

U——不同位置處行人高度（取1.5m）的風速；

U——取60m高度處未受建筑群影響的來流風速作為參考風速。

由于風速的隨機性及不確定性，評價行人高度風舒適性多采用概率統(tǒng)計的方法。對于多數(shù)風舒適性評價準則，概率公式的基本形式為：

風舒適性標準表 表1

式中：p——風速大于舒適性臨界值的概率；

v——空間中某一位置的實際風速；

v——預先設定的臨界風速；

p——全年條件下行人在特定活動中能夠接受的概率。

采用Verkaik等人提出的風舒適性標準，如表1，對風環(huán)境舒適性進行評價。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

選取某校區(qū)局部建筑群作為研究對象，對該區(qū)域建筑編號（見圖1），其中擬建建筑C、D的位置位于圖1（a）黃色邊框內(nèi)。

圖1 擬建建筑區(qū)域示意圖

按照全尺進行CFD模型建模（見圖1（b）），其中紅色建筑表示擬建建筑，藍色建筑表示已有建筑。以逆時針旋轉(zhuǎn)為正，考慮正北風（0°）、西北風（45°）、正南風（180°）和東南風（225°）四種風向（見圖1（c））。

3.2 計算域及網(wǎng)格剖分

計算域的設置見圖2所示。計算模型采用Robust（Octree）式的四面體網(wǎng)格生成方式（Tetra/Mixed），對壁面區(qū)域網(wǎng)格適度進行加密。圖3為0°風向下計算區(qū)域的網(wǎng)格剖分。

圖2 計算域

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

①計算域入口設為速度入口，如圖4所示。

圖4 計算域速度入口風剖面示意圖

采用指數(shù)型風剖面：

式中：Z表示離地高度(m)；Z表示參考高度(m)；V表示Z高度處的風速(m/s)；V表示參考高度處（10m）的平均風速(m/s)，風場計算取用10m/s；α表示不同地貌代表的地面粗糙度指數(shù)，本文涉及的地貌類型設為C類，α取0.22。

②入口處湍流強度邊界條件采用湍動能和湍流耗散率描述：

式中，I為入口處湍流強度剖面；L為入口處湍流長度尺度，一般選擇為最高建筑物高度；C=0.09，K=0.42。

上述入口處風速和湍流強度等風場邊界條件均采用自定義函數(shù)（User-Defined Function）編譯運行。

③計算域頂面和兩側面，由于距離建筑物較遠，建筑對風場的擾動可忽略不計，設為滑移壁面，且兩側面對稱設置。

④計算域出口設為自由出流。

⑤地面和建筑物壁面均設為無滑移壁面。

4 結果分析

4.1 放大因子分布

對四種風向下有無擬建建筑的布局進行模擬，獲得區(qū)域放大因子的分布云圖（見圖5）。由圖表明，180°風向下，擬建建筑對周邊風場的影響極??；0°、45°以及225°風向下，擬建建筑對周邊風場影響顯著，導致局部放大因子出現(xiàn)較大變化，如45°風向下C、D建筑間局部區(qū)域放大因子由0.42增大至0.98（見圖5（c）（d）），且擬建建筑C、D周邊狹管效應顯著增強。

圖5 不同風向下區(qū)域放大因子分布云圖

0°風向下C建筑物北側壁面邊緣放大因子較大，壁面中間放大因子較小。C建筑物南側以及D建筑物附近放大因子普遍較小。C建筑物和D建筑物整體東側比西側放大因子更大。新建C和D建筑物之后，B建筑C建筑之間的放大因子變大。D建筑與E建筑物之間放大因子變小。

45°風向下，C建筑物東北角以及CD建筑物之間的放大因子大幅增大。且新建CD建筑物之后GF建筑物之間的區(qū)域放大因子整體增大。

225°風向條件下，C、D建筑之間的狹管以及B建筑物的南側區(qū)域放大因子明顯增大。新建C、D建筑物之后，A建筑物的西側放大因子明顯減小，緩解了A建筑物與其西側整體區(qū)域之間的狹管效應。

4.2 風場流線分析

圖6給出了擬建建筑周邊風場流線。由圖表明，在0°以及180°風向條件下，擬建建筑存在時，將引起原有區(qū)域出現(xiàn)更多旋渦。

圖6 不同風向條件下擬建建筑周邊風場流線圖

分析有擬建建筑情況，0°風向下，相對于無擬建建筑情況，雖然B建筑背風處的渦流消失，取而代之的是擬建建筑立面邊緣處風速顯著增大，且在背風處形成較多渦流和低壓區(qū)；180°風向下，原無新增建筑情況下B與E之間空地的大渦流消失，B與C、C與A之間形成小渦流，F(xiàn)背風處的渦流更加貼近建筑。在以上兩種風向條件下，新建建筑后，建筑周圍渦流數(shù)量明顯增加，風環(huán)境趨于復雜，由于空氣流通不暢，導致污染物滯留，行人舒適度也明顯下降。

4.3 風環(huán)境舒適性評價

依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)給出的所在地區(qū)全年日平均風速分布圖（見圖7），統(tǒng)計獲得全年80%時間內(nèi)來流風速小于2.9m/s，即p(ν≥2.9m/s)≤20%。

圖7 某市全年日平均風速

基于風舒適性標準，給出擬建建筑周邊風舒適性區(qū)劃圖（見圖8）。

圖8 不同風向條件下擬建建筑區(qū)域舒適性區(qū)劃圖

除180°風向下E、F兩棟高大建筑基本阻擋住來流風，其余三個風向下擬建建筑均對區(qū)域風環(huán)境產(chǎn)生顯著變化，C、D建筑建成前舒適性等級以Ⅰ為主，建成后出現(xiàn)大面積Ⅴ級區(qū)，對行人舒適性產(chǎn)生負面影響。有擬建建筑，0°風向下B、C中間舒適度下降為等級Ⅴ，G內(nèi)部也有不同程度的下降；45°風向下，A、C、D區(qū)域附近舒適度嚴重下降，變?yōu)橐寓鯙橹鳎?25°風向未建建筑前舒適性就很差，以Ⅴ為主，新建建筑后未有改善，且在C、D之間的通道至G南側由等級Ⅰ降至等級Ⅴ。新建建筑后，區(qū)域內(nèi)除180°風向外，其余三個風向整體風舒適度有明顯下降。

5 總結

針對實際建筑群區(qū)域，模擬分析擬建筑建成前后周邊風環(huán)境，以及行人高度處風環(huán)境的舒適性，獲得以下結論：

①當建筑群體總體朝向與來流風向一致或相反時，擬建建筑影響下的區(qū)域渦流數(shù)量增加，擬建建筑周邊區(qū)域放大因子整體較小，行人高度處舒適性較高，滿足行人在三種狀態(tài)下的舒適性要求；

②當來流風向與建筑總體朝向有偏角時，擬建建筑周邊渦流數(shù)量較少，且由于狹管效應的作用，其周邊放大因子按片狀呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象，導致該區(qū)域內(nèi)行人舒適性較差。