基于CFD的山地城市建筑格局对风速和气温微环境影响研究

陈国慧，邓仕虎

（1重庆市北碚区城乡建设委员会，重庆 400700；2重庆市地理信息中心，重庆 401121）

基于CFD的山地城市建筑格局对风速和气温微环境影响研究

陈国慧1，邓仕虎2

（1重庆市北碚区城乡建设委员会，重庆 400700；2重庆市地理信息中心，重庆 401121）

该文利用CFD数值模拟技术对重庆典型的行列式、错列式、周边式、点群式建筑格局下的风速和气温微环境进行模拟，分析不同建筑格局对山地城市微环境的影响，为山地城市建筑设计提供参考。

CFD；建筑格局；山地城市；微环境；自然通风；城市热环境

0 引言

我国是一个多山的国家，山地面积约占全国土地面积的三分之二，约三分之一的人口居住在山地城镇。由于建筑物特别是高层建筑的布置所形成的城市空间，对建筑群中的 “建筑风”具有重要的影响，不仅可造成一个建筑小区的强弱风区，甚至可形成区域的主导风向[1]。建筑格局对城市微环境的影响主要对自然通风、城市热环境产生影响。我国对城市微环境的研究多在北京、上海及沿海等大中型城市，Karrner、周淑贞、陈沈斌、杨凯、张一平等都作过这方面的研究。城市规划建设领域研究和实践者已经将关注的重点放在如何通过城市自身的合理空间配置（包括空间格局、建筑布局形式、自然地理环境等）来缓解因城市化引起的大气环境问题。

国内也陆续开展了一些针对单体建筑或群体建筑的大气环境影响评估研究。汤广发等进行了城市住宅小区风环境的数值分析[2]，张宁等进行了城市街区内气流结构的数值模拟研究[3]，欧阳琰等利用风洞试验研究城市小区大气环境流场及污染物扩散的问题[4]，黄成等应用CFD技术对小区风环境进行模拟分析，马剑进行了群体建筑风环境的数值研究[5]，汪光焘等进行了城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系的研究与应用等[6]。然而在研究中对地形地貌的考虑较少，地形地貌对城市微环境的影响在平原城市或许可以省略，但在山地城市却是必须要考虑的因素。

1 建筑格局对山地城市微环境影响模拟分析

重庆属于静风频率较高的山地城市，一般建筑群的平面布局可分为：行列式、错列式、周边式以及点群式（如图1所示）。本文利用CFD数值模拟技术，利用ANSYS软件对重庆典型的行列式、错列式、周边式、点群式建筑格局下的微环境进行模拟，分析不同建筑格局对山地城市微环境的影响，并提出适宜重庆特殊气候环境的建筑格局形态。

图1 不同的建筑格局示意图

本文采用四面体网格，将城市空间划分为近地面区、建筑区和气流区，首先用较大的网格对整个区域进行计算，然后对近地面区和建筑区进行加密，在计算中实现了良好的收敛效果。参数设置是CFD数值模拟的核心，在城市微环境模拟中，主要由城市气候、下垫面、出入口等设置组成。（1）入口边界条件：采用速度入口边界条件，温度、速度、湍流强度、湍流粘性比根据重庆市实际情况设置，气象初始风速设定为2m/s，温度取夏季平均气温28℃；（2）出口边界条件：使用自由出口边界条件来模拟出口处的流体流动；（3）固体壁面边界条件：建筑物表面采用无滑移的壁面边界条件；（4）对称边界条件：由于计算域两侧的边界离建筑物较远，采用自由滑移而且绝热的壁面边界条件。

为研究不同建筑格局对山地城市微环境的影响，分别对平地和典型山地城市建筑的迎风坡、背风坡微环境进行模拟。山地城市受地形条件限制，建筑多半需根据地形建造，本研究结合重庆山地城市建设实际，按照建筑物垂直于等高线呈阶梯式布置的情况进行模拟。由于篇幅原因，本文重点针对行列式格局和点群式格局对微环境的影响进行分析，周边式格局和错列式格局不做详细阐述。

1.1 行列式格局

近地面风速模拟结果（如图2），在不考虑山地地形影响的情况下，建筑区平行式布局时气流受建筑物阻碍向建筑物两侧和中部廊道绕流，风速得以加强，两侧风速最大处可达到3m/s。与此同时建筑区内部和下游区域尾部风向发生偏转形成多个涡流区，导致气流滞留，大部分区域风速在1.5m/s以下，对通风不利。建筑布局在迎风坡时（如图3），气流遇到山体发生爬升和绕流，将建筑区两侧和通风廊道的气流更多地引入到建筑区，建筑区内部的涡流区减少，与此同时通风口处的“狭管效应”变弱，局部高风减弱。但因台地阻隔，建筑区局部风速放缓，形成局部气流死角。

图2 行列式格局下的平地近地面速度分布图

图3 行列式格局下迎风坡近地面速度分布图

图4 行列式格局下的平地竖直剖面速度分布图

图5 行列式格局下的迎风坡竖直剖面速度分布图

从平地建筑物温度分布情况来看（图6），在平地情况下建筑区两侧受绕流影响高温得到缓解，整个建筑区内部温度呈中间高、两端低的态势，两侧大部分温度在29.8℃左右，中间高温区可达到31.5℃。同时，后排建筑比前排建筑显示出更高的温度。从迎风坡建筑物温度分布来看（图7），相较平坦区域高温区有所缓解、平均气温稍低，但台地迎风面与建筑体背风面之间显示出较高的温度。

图6 行列式格局下的平地近地面温度分布图

图7 行列式格局下的迎风坡近地面温度分布图

从背风坡模拟的结果，从中可以看出受山体阻隔背风坡风速明显放缓，同时受背风坡绕流、台地综合影响，建筑区两侧和通风廊道形成滞留区。温度分布显示，相较平坦区域、迎风坡气温上升较为明显，通风廊道和建筑区两侧显示出较高的温度。

1.2 点群式格局

近地面风速模拟结果（如图8），在不考虑山地地形影响的情况下，建筑区点群式布局时建筑迎风面小、建筑间距大，气流经过建筑区的情况与单体建筑差别不大，建筑区通风效果好，同时建筑风影区较小。建筑布局在迎风坡时（如图9），从中可以看出靠近坡底处受山体阻挡气流有所放缓，但随着高度的增大气流爬升产生加速，整个建筑区内的流速普遍比平地大。

图8 点群式格局下的平地近地面速度分布图

图9 点群式格局下的迎风坡近地面速度分布图

图10 点群式格局下的平地竖直剖面速度分布图

图11 点群式格局下的迎风坡竖直剖面速度分布图

图12 点群式格局下的平地近地面温度分布图

图13 点群式格局下的迎风坡近地面温度分布图

近地面风速模拟结果（如图12）温度分布图显示，点群式格局对建筑区及下游区域的高温有明显的改善作用。而在当建筑布局在迎风坡时（如图13），山地地形下点群式格局对建筑区及下游区域的高温仍有明显的改善作用。

从中可以看出受山体阻隔背风坡风速明显放缓，形成多个涡流区，受两侧绕流影响建筑区内部通风得到一定缓解。温度分布情况显示，相对平坦地区、迎风坡而言，背风坡建筑区整体气温升高，出现两个明显的高温区。

1.3 综合分析

通过不同建筑格局对山地城市微环境影像模型分析，得出如下结论：

（1）城市气流遇到建筑物受阻而壅塞形成向上下、左右各个方向的偏转气流，顶面、两侧风速加大，并诱导背风面气流形成漩涡。

（2）城市山地对气流同样有阻碍作用，气流受到挤压后产生加速，山顶及两侧空气层风速增加显著，而在背风坡形成回流死区。

（3）周边式格局的风影区较大，气流受建筑物阻碍向中部廊道和建筑区两侧绕流，局部风速提高；而建筑区内部风速变缓、产生旋涡，导致气流滞留，对通风不利，温度显示建筑区内部温度较高。

（4）行列式、错列式格局比周边式格局稍好，气流从两侧通风口进入建筑区从而对内部通风有一定改善，这种情况错列式的效果更为显著。

（5）点群式格局比行列式、周边式、错列式格局的通风条件好。点群式格局建筑相互挡风较小、风影区也较小，同时解决了其它格局无法克服的地势局限问题，可根据地形、地势和朝向等条件灵活布置，是一种山地城市适宜运用和推广的建筑布局形式。

（6）山地城市台地布置会改变气流方向，在一定区域内改善气流滞留情况，但同时会形成新的回流死区。地形对行列式、错列式、点群式格局的建筑区有降温作用，而周边式格局的热岛效应反而更为显著。

2 结论与讨论

本文主要围绕建筑格局与山地城市微环境的关系展开研究，城市建筑与山地城市环境息息相关，并通过各种方式对山地城市微环境产生影响。本文提出山地城市微环境模拟的数字化方法，在建筑格局对山地城市微环境的影响方面做了具体而深入的分析和总结。为了创造良好的山地城市微环境，结合本研究的主要结论，山地城市的建筑布局形式可以从下列几个方面考虑：

（1）在建设项目与山地地形的适应性方面，建设项目宜采用背山面水的居住模式，这样的居住模式有利于形成舒适宜人的微环境。由分析和模拟可知，“背山”——能降低山背后的风速，阻挡冬季寒冷的北风，同时朝向南方又能享有充足的阳光；“面水”——由于水面和陆地吸热及加温速度不同而形成水陆风，这样就非常有利于建筑的通风散热，特别是炎热夏季的晚上，常有从水面吹到陆地上来的凉爽的水陆风。

（2）在建设项目内部的具体建筑布局方面，建筑的迎风面宜垂直于夏季的盛行风，前排建筑宜采用点群式、前后错列、斜列、前短后长、前疏后密、底层架空等形式布局低矮和体量小的建筑，从而有利于夏季自然通风。

（3）在建设项目的设计和审批方面，可以充分利用相关微环境模拟软件或本研究成果对建设项目的建筑布局、高度、体量等进行模拟和评估，并针对评估结果不断修改和完善，以达到充分利用山地地形和自然通风目的，使建筑布局更加科学合理。

[1]张一平，何云玲，刘玉洪，等.城市区域下垫面性质和位置差异对太阳辐射平衡的影响[J].热带气象学报，2004（2）：97-101.

[2]汤广发，赵福云，周安伟.城市住宅小区风环境数值分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2003（4）：86-90.

[3]张宁，蒋维楣.城市街渠内气流的数值模拟与分析[J].南京大学学报：自然科学版，2000（11）：760-771.

[4]欧阳琰，蒋维楣，胡非，等.城市小区环境流场及污染物扩散的风洞实验研究 [J].南京大学学报：自然科学版，2003（11）：770-779.

[5]马剑.群体建筑风环境的数值研究[M].杭州：浙江大学，2006.

[6]汪光焘，王晓云，苗世光，等.城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系的研究与应用[J].地球科学，2005（35）：145-

责任编辑：孙苏，李红

Study on Impactof CFDBased Architectural Pattern in Mountainous City on Wind Speed and Temperature Micro-environment

Wind speed and temperature micro-environmentof architecturalpatterns like determinanttype,staggered type,peripheral type and cluster type in Chongqing is simulated with CFD numericalsimulation technology,so thatthe impact of differentarchitectural patterns on the micro-environmentin mountainous cities can be analyzed.Itcan offer some references for architecturaldesign in mountain cities.

CFD;architecturalpatterns;mountainous city;micro-environment;naturalventilation;urban thermalenvironment

TP311.52

：A

：1671-9107（2014）03-0024-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.03.024

2013-12-19

陈国慧（1979-），女，四川西昌人，硕士，工程师，主要从事建筑设计与建筑管理研究。

邓仕虎（1981-），男，四川德阳人，硕士研究生，高级工程师，主要从事3S与城乡规划应用研究。