地域氣候條件下異型建筑室外風環(huán)境綠化改進研究

王詩怡， 王輝明

(新疆大學 建筑工程學院， 新疆 烏魯木齊 830017)

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，我國城市發(fā)展正邁向人與自然和諧共處的新境界。城市的綠色發(fā)展應考慮當地氣候環(huán)境，而風是決定建筑室外環(huán)境的因素之一，良好的建筑室外風環(huán)境不僅可以提升戶外舒適度和空氣質量，還能為室內環(huán)境提供良好的通風，減少采暖空調的能源消耗。但是，當前城市規(guī)劃及設計人員缺乏對風環(huán)境的深入認識，在規(guī)劃和設計之前未能全面、系統(tǒng)地分析場地的風環(huán)境，因此可能會導致一系列城市風環(huán)境問題。

目前，對城市風環(huán)境的改善多從建筑布局入手，而較少考慮綠化對室外風環(huán)境的影響。鮮鑫等[1]采用多元線性回歸方法研究建筑布局、建筑高度、建筑密度對室外風環(huán)境的綜合影響。合理的綠化布局可以減弱局部區(qū)域的強風并美化環(huán)境、凈化空氣，是改善室外風環(huán)境的重要方式。甄蒙等[2]通過模擬小區(qū)風環(huán)境和熱環(huán)境，得出了3種綠化率下不同豎直高度上的溫度和風速比。劉曉勤等[3]研究了夏熱冬暖地區(qū)屋頂綠化及垂直綠化圍護結構在不同綠化形式下的節(jié)能改造效果。張梓霆等[4]分析了夏季和冬季青島市人民醫(yī)院的室外風環(huán)境，研究了綠化布局和綠化模式對室外風環(huán)境的影響。上述研究雖運用綠化改善了局部環(huán)境，但缺乏對樹木流場特性的研究，并且對地域風環(huán)境下綠化布局的研究也較少。

研究城市風環(huán)境，除了使用傳統(tǒng)的現場測量方法和使用大型的風洞試驗設備進行縮尺試驗外，數值模擬分析已成為主要的研究方法之一，它的優(yōu)越性體現在可以使用足尺模型來模擬整個結構風場的特性，并快速便捷地輸出可視化圖形結果。

據氣象資料統(tǒng)計，烏魯木齊地區(qū)55年來(1956—2010年)的最大風速平均值達18.2 m/s[5]，常年大風盛行。烏魯木齊地區(qū)的多風天氣不僅影響著人們的日常出行，還可能引發(fā)沙塵暴災害。樹木的遮蔽作用可以有效降低附近流場的風速并改變風向，同時阻礙風中顆粒物，改善風場環(huán)境，減輕風災對行人、建筑物的危害。因此，本文結合烏魯木齊地區(qū)風環(huán)境特征，以異型建筑——新疆大劇院為例，研究樹木的流場特性及對周圍風環(huán)境的影響，結合風環(huán)境評估提出更為合理的綠化布局，以滿足室外行人舒適度要求，并為類似建筑周圍的綠化改進提供參考。

1 理論基礎

1.1 計算流體力學基本控制方程

建筑風工程數值模擬的理論基礎是計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)，其基本控制方程是流體力學的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程[6]，在直角坐標系中以張量形式表示為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui、uj均為速度分量，i,j=1,2,3，表示三個空間方向；xi為i方向坐標分量；f為單位質量流體受到的外力；σij為流體粘性應力張量的分量；E為單位質量流體的內能；q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量。

1.2 湍流模型

標準K-ε、RNGK-ε和RealizableK-ε模型被普遍用于解決工程湍流問題。但由于標準K-ε湍流模型會在很大程度上削弱建筑產生的渦旋，為了使流動更加符合湍流的實際物理情況，Shih等[7]對標準K-ε模型進行改進并提出了RealizableK-ε模型，該模型對旋轉流、邊界層流、流動分離都具有較好的效果。Yakhot等[8]則依據重正化群理論提出 了RNGK-ε模型。

本文選用RealizableK-ε模型進行數值模擬計算，其湍動能及耗散率輸運方程為：

(4)

(5)

1.3 建筑風環(huán)境評估標準

《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378—2019)[9]是基于統(tǒng)計學、概率學，同時兼顧人的主觀感受得出的較為準確的評估標準[10]。參照該評估標準，建筑周圍1.5 m人行高度處的風速應小于5 m/s，如表1所示。

表1 風速與人體舒適度感受

2 異型建筑風環(huán)境模擬的建模及分析

2.1 數值計算模型的建立及網格劃分

本文采用ANSYS中基于有限體積法的fluent作為數值模擬工具。將計算區(qū)域劃分為若干網格，使每一個網格上的點都有一個互不重復的控制體，將待求解的微分方程對每一個控制體進行積分，從而得到一組離散的計算流體力學基本控制方程[11]。

新疆大劇院主體結構由兩個外殼和一個內殼組成，如圖1所示。主體結構長141.4 m，寬113.4 m，高73.6 m；主體結構下有一個長255 m，寬212 m，高6.3 m的平臺。本文將新疆大劇院實物進行合理簡化，并按照原尺寸建立三維幾何模型，如圖2所示。

圖1 新疆大劇院實拍圖Fig.1 Picture of Xinjiang Grand Theater

圖2 新疆大劇院幾何模型及網格Fig.2 Geometric model and grid of Xinjiang Grand Theater

計算域邊界的設置不應對計算結果產生較大影響。計算域的橫截面尺寸通過阻塞率來衡量，阻塞率為建筑物最大迎風面積與計算域橫截面面積之比，最大阻塞率應小于3%。新疆大劇院屬于大跨建筑結構，模型距計算域頂部與側面的距離應大于4h(h為模型最大高度)，入口邊界距模型應大于4h，出風口距離模型應大于9h。為了滿足阻塞率要求和保障計算結果的穩(wěn)定，取CFD流場計算域為2 500 m×1 500 m×400 m(長×寬×高)。整個流場采用六面體網格劃分，以保證計算結果的質量，靠近建筑物及樹木表面采用了加密的網格形式，計算域中的網格數約為4×106個。

2.2 邊界條件的確立

烏魯木齊地區(qū)在天山山脈等地形的影響下，大風天氣日較多。從氣象數據得知，烏魯木齊地區(qū)全年盛行西北風，平均風速為2.47 m/s，冬季和夏季盛行南向風，平均風速分別為2.2 m/s和3.1 m/s。參考風速記錄數據，取工況一：夏季盛行南風，平均風速為3.1 m/s；工況二：全年盛行西北風，平均風速為2.7 m/s。

本文采用穩(wěn)態(tài)計算，設置計算模型表面和地面為無滑移壁面，計算域頂部和兩側為自由滑移壁面；出口處定義為自由出流(outflow)；入口處設置為指數率的速度入口：

(6)

式中：Z為距地面的高度；參考高度

為Zb高度處的平均風速；α=0.16為B類粗糙地面指數。

速度入口處的湍動能K、湍動能比耗散率ω和湍流強度I參考日本規(guī)范[12]取值為：

(7)

(8)

(9)

圖3為模型入口處風速和湍流強度隨高度變化的曲線圖，可以看出，風速和湍流強度的模擬結果與理論曲線較為吻合。

圖3 入口處風速和湍流強度隨高度的變化Fig.3 Wind velocity and turbulence intensity of inlet on the variation of height

根據上述邊界條件，分別模擬橫向和縱向來流風下大劇院周圍的流場。圖4(a)為橫向來風時大劇院周圍的風速矢量圖，可以看出，來流風在撞擊正迎風面時，在下部產生空氣回流，使下部來流風速減小；同時，空氣在整個建筑物頂部發(fā)生分離和再附著；空氣在整個建筑物兩側生成兩股剪切流，并在建筑物背部發(fā)生空氣回流，在背風面處形成渦流；隨著尾流與建筑物之間的距離增大，流場分布漸漸復原。圖4(b)為縱向來風時的計算結果，其與橫向來風時總體類似，但由于頂部截面的變化，在屋頂處也形成了渦流。

圖4 大劇院周圍風速矢量圖Fig.4 Vector of wind speed around the Grand Theatre

在橫向和縱向來流風下，大劇院周圍的流場分布都符合鈍體繞流現象。

2.3 未綠化下異型建筑室外風環(huán)境數值模擬分析

在南向風下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為5.68 m/s。在圖5(a)中，大劇院平臺的三個拐角處風速大于5 m/s，不符合人體舒適度要求。平臺凹角處存在渦流，來流風不易流出，污染物也容易沉淀在此處，因此不利于人體健康，故不適合作為游客的活動與休息區(qū)域。在西北風向下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為4.70 m/s。在圖5(b)中，大劇院本身就很好地阻擋了一部分來流風。平臺的后部和凹角處存在渦流，不適合作為游客的活動與休息區(qū)域。

圖5 無綠化情況下風速矢量圖Fig.5 Wind velocity vector map without greening

通過上述分析可知，在當地典型風環(huán)境下，未進行綠化的大劇院室外風環(huán)境基本不滿足行人舒適度要求。

3 樹木周圍流場特性及對風環(huán)境影響分析

3.1 樹木簡化計算模型

在建立栽植樹木的計算模型時，樹木的幾何形狀可簡化為長方體、四棱錐、四棱臺等，參考相關研究并經多方面分析比較，本文選擇建模簡單、計算時間短、收斂性能好、模擬效果較好的長方體樹木模型[13]，如圖6所示。將樹冠當成多孔介質進行處理，樹干作為不透風的實體[14]。

圖6 樹木幾何模型Fig.6 Geometric model of tree

設定樹冠和灌木的截面形狀均為正方形。參考大劇院周圍實際綠化樹木的尺寸和已有研究[13-14]，取樹冠高3.5 m，樹干高1.5 m，樹冠寬2 m；灌木高度設置為1.5 m，寬2 m。樹冠的孔隙率越大，表示樹冠內枝葉越稀疏，對風的阻擋作用越弱。為使樹冠具有較好的擋風作用，樹冠的孔隙率取0.1；因灌木本身枝葉較小，灌木孔隙率取0.7。考慮到多孔介質內粘性的存在，設定樹冠和灌木的粘性系數為1.2×107Pa·s；對于阻力，根據孔隙率和葉片的當量直徑(本文取0.1 m)，可確定樹冠和灌木的阻力系數為31 500[15]。

3.2 單棵、一排樹木周圍流場特性風洞試驗及模擬

為進一步驗證上述長方體樹木模型計算的可靠性，本文將單棵、一排樹木周圍的流場數值模擬結果與李正農等[16]的1∶40縮尺樹木模型風洞試驗結果進行對比。參考高度處風速取10 m/s，相對風速為同一測點存在干擾(樹木)時的平均風速與無干擾時的平均風速的比值。

首先，分析樹木水平面的風洞試驗和數值模擬流場情況，如圖7所示，單棵和一排樹木樹冠周圍的相對風速等值線分布均呈橢圓形，且樹冠中心阻風效果最好，阻風效果從樹冠內向外逐漸降低。由于數值模擬的計算模型為有棱角的長方體，在樹冠角部處出現了較為顯著的分流現象，故樹冠角部處的相對風速分布與風洞試驗結果有些許不同。由數值模擬結果可知，以相對風速0.5為界限，單棵樹木在樹冠后1.5B(B為樹冠寬)范圍內的風影響區(qū)，可顯著降低風速，起到阻風作用；一排樹木在樹冠后4B范圍內的風影響區(qū)，可顯著降低風速。一排樹木較單棵樹木在樹冠后側形成了更大范圍的風影響區(qū)。在水平面上，數值模擬計算的單顆樹木、一排樹木的樹后風影響區(qū)大于風洞試驗的計算結果，這是因為數值模擬將樹冠作為較真實的樹木，即分布更為均勻的多孔介質來處理，使得多孔介質下的樹冠具有更好的擋風作用。

圖7 水平面的風洞試驗和數值模擬相對風速等值線云圖Fig.7 Wind tunnel test and numerical simulation relative wind speed contour cloud map of horizontal plane

其次，分析樹木立面的風洞試驗和數值模擬流場情況，如圖8所示，在樹冠周圍，單棵和一排樹木的相對風速等值線云圖均近似為橢圓形，在樹冠內部和靠近樹冠處，相對風速最小，阻風效果最好，距離樹冠越遠，阻風效果越差。數值模擬下的單棵樹木樹冠后側的風影響區(qū)小于風洞試驗的計算結果，這是因為數值模擬采用的長方體樹冠是由風洞試驗使用的等體積球形樹冠轉換而來，故等體積下，立面內圓形的迎風面積大于矩形。由數值模擬結果可知，以相對風速0.5為界限，單棵樹木在樹冠后1.5B范圍內的風影響區(qū)可有效降低風速；一排樹木在樹冠后4B范圍內的風影響區(qū)可有效降低風速，其阻風效果優(yōu)于單棵樹木。

圖8 立面的風洞試驗和數值模擬相對風速等值線云圖Fig.8 Wind tunnel test and numerical simulation of relative wind speed contours of the facade

由于風洞試驗和數值模擬采用的樹木形狀不同，造成數值模擬結果與風洞試驗結果略有不同，但得到的單棵樹木對周圍風環(huán)境的影響規(guī)律和一排樹木對周圍風環(huán)境的影響規(guī)律是一致的，驗證了本文所采用的樹木數值計算模型的合理性和可靠性。

3.3 留有間隔的一排樹木周圍流場特性模擬分析

考慮到經濟成本等因素，實際工程中一排樹木的綠化布局常常在樹木間設有間隔，間隔寬度為樹冠寬度。

如圖9所示，在此綠化布局下，其水平面內的相對風速等值線云圖與單棵樹木的分布規(guī)律基本一致，但在樹木間隔和端部處因分流現象形成了高風速區(qū)，體現了樹冠的導風作用。以相對風速0.5為界限，樹冠后側3B范圍內可有效降低風速，風影響區(qū)范圍小于無間隔一排樹木布局方式，但仍優(yōu)于單棵樹木情況。同樣，通過計算分析可以得到，樹木立面的樹冠后側風影響區(qū)范圍略小于無間隔一排樹木情況，但仍優(yōu)于單棵樹木情況。因此，留有間隔的一排樹木綠化布局方式既經濟又能起到阻風作用，更適合在實際中使用。

圖9 留有間隔的一排樹木數值模擬相對風速等值線云圖Fig.9 Numerical simulation of relative wind speed contours of a row of trees spaced apart

4 綠化布局對異型建筑室外風環(huán)境的改進模擬分析

4.1 現有綠化布局狀態(tài)下風環(huán)境數值模擬

在南向風下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為5.58 m/s。在圖10(a)中，由于建筑物的阻擋，下風向處的風速都較小。留有間隔的一排樹木布局形式可以有效降低風速，但在平臺拐角處形成了大于5 m/s的風速，不符合人體舒適度要求。在平臺凹角處存在渦流。

在西北風向下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為4.25 m/s。在圖10(b)中，大劇院本身和留有間隔的一排樹木共同發(fā)揮了一定的阻風作用，而樹木的間隔處起到了導風作用，使此處風速增大，但風速大小未超過5 m/s。在平臺凹角處和后部仍有渦流存在。

圖10 現有綠化布局下風速矢量圖Fig.10 Wind velocity vector of existing greening

4.2 合理綠化布局狀態(tài)下風環(huán)境數值模擬

現有綠化方案可在一定程度上降低風速，但在部分區(qū)域仍存在較大風速，并且在平臺后部和凹角處仍有不利于空氣中污染物擴散的渦流存在。針對上述問題，并結合樹木周圍流場特性及對周圍風環(huán)境的影響特點，適當調整一排樹木的間距，同時，采用圍合型灌木隔絕行人與渦流。灌木類似緊挨地面的樹冠，其阻風效果與樹冠一致，且更適合較低位置的阻風導風。圖11為優(yōu)化調整后的新疆大劇院綠化布局示意圖。

圖11 調整后的合理綠化布局Fig.11 Reasonable planting scheme after adjustment

在南向風下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為4.50 m/s。在圖12(a)中，與新疆大劇院現有綠化布局相比，最高風速有所降低，平臺拐角處的局部風速增大有所改善，人行處的風速值均小于5 m/s。凹角處仍有渦流存在，但灌木形成的圍合區(qū)域將行人與渦流區(qū)隔開。

在西北風向下，大劇院周圍人行區(qū)域處的最高風速為4.15 m/s。在圖12(b)中，人行處的風速值均小于5 m/s，符合人體舒適度要求。灌木將平臺處渦流與行人隔開，使得行人遠離空氣質量較差的渦流區(qū)。

圖12 合理綠化布局下風速矢量圖Fig.12 Wind velocity vector of reasonable planting scheme

4.3 極端情況下合理綠化布局對風環(huán)境改善數值模擬

本文還依據氣象資料，考察了平均風速達到18.2 m/s(西北向)時的極端情況。圖13(a)、(b)分別為極端情況下大劇院周圍無綠化和合理綠化布局下建筑周圍風速矢量圖。合理綠化布局可使大劇院周圍人行區(qū)的最高風速由17.8 m/s降到16.9 m/s。

圖13 極端情況下合理綠化布局風速矢量圖Fig.13 Wind velocity vector of reasonable greening layout under extreme conditions

5 結 論

本文運用CFD方法和RealizableK-ε湍流模型，結合烏魯木齊地域風環(huán)境，以城市空間中1.5 m人行高度處風速小于5 m/s為評價指標，在單棵、一排樹木的繞流風洞試驗和數值模擬基礎上，對異型建筑——新疆大劇院的室外風環(huán)境及綠化布局方案進行了研究。

1) 樹冠后側存在較大范圍的風影響區(qū)，可有效降低風速，樹冠起到阻風作用；在樹冠兩側及間隔處由于分流現象形成高風速區(qū)，并在樹冠后側形成渦流。單棵和一排樹木對周圍風環(huán)境的影響規(guī)律基本一致，一排樹木的阻風效果優(yōu)于單棵樹木，留有間隔的一排樹木綠化布局方式既經濟又能起到阻風作用，更適合在實際中使用。不合適的綠化布局極有可能造成局部風速增大或生成渦流。

2) 異型建筑的凹角及拐角處易生成渦流和局部高風速區(qū)，在建筑抗風設計時應予以充分考慮。

3) 本文還依據氣象資料，考察了平均風速達到18.2 m/s(西北向)時的極端情況，合理綠化布局可使大劇院周圍人行區(qū)的最高風速降至16.9 m/s，可以削弱風災對行人、建筑物的危害。