建筑布局對風(fēng)環(huán)境影響的研究

陳惜墨

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

通過控制城市建筑局部使通風(fēng)效率提高，以實現(xiàn)對微環(huán)境的優(yōu)化，是當(dāng)前優(yōu)化風(fēng)環(huán)境的重要手段。近年來，在建筑設(shè)計中考慮室外風(fēng)環(huán)境已成為研究熱點。如國內(nèi)的楊俊宴等人從風(fēng)環(huán)境演變過程和評價體系出發(fā)，建立建筑室外風(fēng)環(huán)境評價體系[1]，侯璐等人通過分析總結(jié)建筑風(fēng)環(huán)境的方式，從建筑整體布局和單體設(shè)計等方面提出優(yōu)化風(fēng)環(huán)境的策略[2]，國外的Rajago palan等人研究了城市熱島效應(yīng)的影響因素[3]，T.van Hooff等人研究了風(fēng)環(huán)境不同時，建筑模型與周邊環(huán)境的聯(lián)系[4]。當(dāng)前，雖然已有較多前人針對建筑布局與其風(fēng)環(huán)境間的聯(lián)系進(jìn)行分析，但從建筑布局入手開展的研究仍較少。為填補研究內(nèi)容的空缺，筆者以某Ⅱ類居民小區(qū)為研究對象，從建筑朝向以及裙房分布入手進(jìn)行分析。

2 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬方法

2.1 軟件介紹

通過建筑行業(yè)領(lǐng)域中有關(guān)流動和傳熱常用的CFD軟件PHOENⅠCS[5]進(jìn)行分析。建筑界常使用該軟件中的FLAⅠR模塊模擬計算室外風(fēng)環(huán)境。

2.2 模擬流程

通過軟件Sketch Up進(jìn)行建模，基于建筑的實際高度，結(jié)合全景地圖進(jìn)行考慮。建模時擬定層高為3m。建模時在不影響所得結(jié)果的基礎(chǔ)上盡可能簡化，以提高模擬效率[6]。

使用CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析時的核心在于通過計算機求解數(shù)學(xué)方程。因此在軟件模擬過程中各項假定條件均可進(jìn)行設(shè)置。在CDF軟件中設(shè)置風(fēng)環(huán)境的流動是核心，本文所使用的是RNGκ-ε模型。

建模時劃分的計算網(wǎng)格分別為：目標(biāo)建筑以0.5m～1m細(xì)間距進(jìn)行網(wǎng)格劃分、周邊建筑以2.5m～10m的稍寬網(wǎng)格進(jìn)行劃分、整體區(qū)域以5m～15m的寬網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

基于模擬計算得出風(fēng)速云圖，按照不同的顏色判斷風(fēng)速的大小。根據(jù)風(fēng)速矢量圖中的箭頭方向確定風(fēng)速方向，且可從建筑的表層壓力云圖中，根據(jù)不同的顏色判斷風(fēng)速大小，以統(tǒng)計分析風(fēng)速數(shù)值。

本次研究以某二類建筑區(qū)為對象，該小區(qū)有975萬m2的用地面積，東邊與西邊、南邊與北邊的距離分別為5265.46m、2885.3m。模型見圖1。

圖1 三維建模俯視圖

3 建筑朝向?qū)︼L(fēng)環(huán)境的影響

3.1 小區(qū)建筑朝向分析

對城市微氣候而言，小區(qū)室外的風(fēng)環(huán)境是重要影響因素。而對小區(qū)建筑所處的風(fēng)環(huán)境而言，建筑空間布局及建筑群體布局均會對其產(chǎn)生影響。因此，對風(fēng)環(huán)境進(jìn)行探討，離不開對建筑朝向的分析。

從現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，小區(qū)行列間有規(guī)整的建筑單體，未出現(xiàn)錯落曲折等情況，因此在其原有模型的基礎(chǔ)上衍生出十四個模型，模型基準(zhǔn)為南向（以s表示），以5°作為標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角度，分別向西側(cè)（以w表示）和東側(cè)（以E表示）旋轉(zhuǎn)，以改變建筑朝向，模型中不改變其他因素。模型中，建筑單體有四種不同的基本尺寸，長寬高分別為：80m×15m×33m、60m×15m×33m、80m×15m×54m、40m×15m×54m。

3.2 主導(dǎo)風(fēng)向與建筑朝向夾角行人高度處風(fēng)環(huán)境分析

以CDF數(shù)值模擬進(jìn)行分析，模擬結(jié)果整理如下：在夏季環(huán)境東南偏東（ESE）的主導(dǎo)風(fēng)向下，南偏西35°（SW35°）到正南（S）、南偏東35°（SE35°）到正南（S）的區(qū)域內(nèi)，行人高度處的靜風(fēng)（0-0.5m/s）和弱風(fēng)（0.5-1m/s）的區(qū)域逐漸變少，表明建筑朝向為正南的居住小區(qū)有更少的夏季靜風(fēng)面積，即其有著較好的夏季風(fēng)環(huán)境；在1-2m/s間各個建筑朝向的數(shù)據(jù)分布較為均勻，正南方向有較大的2-3m/s以及最大風(fēng)速的風(fēng)環(huán)境，場地內(nèi)有更好的風(fēng)環(huán)境，表明空間布局更為合理。

在冬季環(huán)境西北偏北（NNW）的主導(dǎo)風(fēng)向下，建筑拐角處的行人高度分布有較大的冬季風(fēng)速，并且長度越長，迎風(fēng)面建筑的第一排越是垂直于主導(dǎo)風(fēng)向，拐角處風(fēng)速越大。靜風(fēng)區(qū)域面積在南偏西35°（SW35°）到正南（-S）、南偏東35°（SE35°）到正南（-S）的區(qū)域內(nèi)逐漸減小，但居住小區(qū)在SW（南偏西）方向有類似的靜風(fēng)區(qū)域，最大值和最小值的差值僅為3%，而SW（南偏東）方向靜風(fēng)區(qū)域有較大差值，兩者約為16%。表明居住小區(qū)在SE方向有更多的冬季靜風(fēng)，即其舒適程度更高。在冬季環(huán)境下，相比于南偏西（SW），南偏東（SE）的平均風(fēng)速更小，且0-0.5m/s和0.5-1m/s的風(fēng)速區(qū)域面積均較小。因此，朝向為SE的居住小區(qū)有著更好的風(fēng)環(huán)境，冬季環(huán)境下風(fēng)環(huán)境最佳的是朝向為SE30°的居住小區(qū)。

3.3 建筑朝向?qū)︼L(fēng)環(huán)境的影響分析

基于上文所得結(jié)果，對夏季和冬季環(huán)境下的朝向角度最佳的建筑室外行人高度風(fēng)環(huán)境以及建筑原型的室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，所得結(jié)果見圖2。

圖2 不同建筑布局下的平均風(fēng)速對比

從圖2中可以看出，在SW10°到SW15°范圍內(nèi)居住小區(qū)建筑的平均風(fēng)速有較大起伏。無論是夏季還是冬季，小區(qū)內(nèi)部平均風(fēng)速在正南向的數(shù)值均較大。采用Weather Tool工具，計算出有著相對均衡且適宜的熱輻射建筑朝向。結(jié)果可知，基于熱輻射的考慮，在平面規(guī)劃布局上小區(qū)建筑的最佳朝向為SE25°。

針對所得的平均風(fēng)速量化結(jié)果，綜合室外風(fēng)環(huán)境以及熱輻射的影響，以降低冬季風(fēng)速為目的，可得冬季環(huán)境在SE30°方向下有最小旋轉(zhuǎn)角度下的數(shù)值——0.891m/s的最小風(fēng)速。以提高夏季風(fēng)速為目的，可得夏季環(huán)境在S方向下有最小旋轉(zhuǎn)角度下的數(shù)值——1.642m/s的最小風(fēng)速。從所得范圍可知，SE10°到SE25°的范圍內(nèi)對建筑室外行人高度處的風(fēng)環(huán)境有較大改善。因此，該地區(qū)的行列式小區(qū)建筑朝向的最佳范圍為SE10°到SE25°。

4 裙房的影響

4.1 裙房分布在四周時對行人高度風(fēng)環(huán)境的影響

結(jié)果如圖3所示。無論是夏季主導(dǎo)風(fēng)向或者冬季主導(dǎo)風(fēng)向，隨著不斷增加的風(fēng)速和平均風(fēng)速的減小，變化趨勢呈現(xiàn)指數(shù)性，有著最快變化的是4m-8m的風(fēng)速，該值之后的風(fēng)速變化趨于緩慢。

圖3 裙房分布在四邊時不同高度布局風(fēng)速數(shù)據(jù)對比

建筑迎風(fēng)面面積隨著裙房高度的改變也隨之改變。地塊居住小區(qū)迎風(fēng)面的“風(fēng)墻效應(yīng)”隨著不斷增加的裙房高度越發(fā)明顯，導(dǎo)致地塊居住小區(qū)內(nèi)部的靜風(fēng)區(qū)（0-1m/s）面積逐漸增加，舒適程度逐漸降低。并且隨著不斷增加的裙房高度，居住小區(qū)在冬季有較強風(fēng)速的角流區(qū)出現(xiàn)。因此可以通過建設(shè)裙房的方式，使居住小區(qū)建筑物不至于過高，確保建筑背風(fēng)面能夠被迎風(fēng)面的下沉氣流滲透，以此改善風(fēng)環(huán)境。

4.2 西北向和東南向裙房影響分析

從CDF數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)裙房分布在西北向，即裙房分布在小區(qū)兩個方向時。在不改變其圍合度，只對裙房高度作出改變時，從其風(fēng)速變化情況上看，隨著不斷增加的裙房高度，分布有裙房的建筑內(nèi)部風(fēng)場活動逐漸變?nèi)酢Ｔ谙募经h(huán)境的主導(dǎo)風(fēng)向下，相比于四周有裙房的情況，西北向分布有裙房時更為開敞，風(fēng)的滲透性更強，在0-1m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)僅有較小的風(fēng)速分布，原因在于小區(qū)建筑內(nèi)部南部有通暢的風(fēng)場，而裙房周邊有渦流分布。在冬季環(huán)境的主導(dǎo)風(fēng)向下，西北方向的建筑迎風(fēng)面有較高圍合度，使氣流在朝向內(nèi)部滲透時受到阻礙，導(dǎo)致行人高度處的風(fēng)環(huán)境受到較大影響。

居住小區(qū)內(nèi)部建筑迎風(fēng)面在夏季環(huán)境下有較為通透的風(fēng)場，且連續(xù)性較高。風(fēng)場內(nèi)部平均風(fēng)速隨著不斷增加的高度也在不斷增加。當(dāng)裙房高度為16m時，建筑有大面積連續(xù)的迎風(fēng)面，且下風(fēng)位置的角流區(qū)風(fēng)速較大，而小區(qū)的平均風(fēng)速隨這些較大的風(fēng)速而增加，并且平均風(fēng)速變化較不規(guī)則。風(fēng)場在冬季環(huán)境下穩(wěn)定性較強，平均風(fēng)速隨著不斷增加的高度而逐漸變小。對比四邊有裙房的情況可知，在東南方有裙房時，對風(fēng)環(huán)境的影響與西北向有裙房時對風(fēng)環(huán)境的影響相似，建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境均比四邊有裙房的好。

5 結(jié)語

建筑物長邊平行于主導(dǎo)風(fēng)向或與其保持30°以下夾角時，風(fēng)環(huán)境對其產(chǎn)生的阻礙較小。但背景小區(qū)夏冬兩季基本上都是90°的主導(dǎo)風(fēng)向，研究所知，其最佳朝向角度為10°到15°范圍。建議該Ⅱ類建筑區(qū)在滿足日照以及室內(nèi)通風(fēng)的前提下，應(yīng)按照南偏東10°-15°的長邊排列方式進(jìn)行設(shè)計。

在裙房的建設(shè)形式上應(yīng)盡量避免連續(xù)且高層，避免建筑背風(fēng)面小區(qū)內(nèi)部被迎風(fēng)面下沉氣流滲透，對風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生影響。應(yīng)適宜減少部分建筑面積，在西北向建設(shè)一至二層不連續(xù)的裙房；當(dāng)小區(qū)進(jìn)出口設(shè)置在西側(cè)時，宜靠近南側(cè)區(qū)域設(shè)置；當(dāng)小區(qū)進(jìn)出口設(shè)置在東側(cè)時，宜靠近北側(cè)區(qū)域設(shè)置，以減少冬季風(fēng)產(chǎn)生的不舒適區(qū)域。