高层建筑及裙房对人行区域风环境影响的研究现状与发展

赖林凤　冉茂宇

(华侨大学建筑学院　福建厦门　361021)



高层建筑及裙房对人行区域风环境影响的研究现状与发展

赖林凤冉茂宇

(华侨大学建筑学院福建厦门361021)

近年来，全球气候变化极端，对高层建筑人行区域的风环境产生重大影响，导致事故频发。因此，人们开始重视高层建筑对人行区域风环境的影响。文章主要综述国内外对高层建筑及裙房对周边人行区域风环境影响研究，总结三种研究方法的优缺点，指出高层建筑风环境未来的研究方向。

高层建筑；裙房；风环境；研究进展；综述

0　引言

随着社会经济的发展，有限的土地资源跟不上人们的住房需求，高层建筑犹如雨后春笋，争相拔地而起。根据GB 50352—2005《民用建筑设计通则》将住宅建筑依层数划分为：1～3层为低层；4～6层为多层；7～9层为中高层；10层及以上为高层建筑。公共建筑及综合性建筑总高度超过24m为高层，但是高度超过24m的单层建筑不算高层建筑；超过100m的民用建筑为超高层。

世界各城市的生产和消费的发展达到一定程度后，都会积极致力于提高城市建筑的层数。实践证明，高层建筑可以带来明显的社会经济效益。高层建筑虽然给社会带来了许多便利，但同时也存在许多问题。随着时代发展，人们不仅仅满足于拥有住房，同时还注重改善人居环境，所以对于高层建筑所带来的风环境问题开始逐渐重视起来。近年来，国内外因为不良高层建筑风环境所导致的受伤甚至死亡的案例屡见不鲜。1972年，国外两位老人在高层建筑附近因为被风刮倒导致死亡；1982年，一位女性在纽约世贸中心建筑前广场上被一阵强风吹倒而受伤；前几年，国外一位年轻的小伙子被强风吹起的汽车砸中身亡。

因此，对高层建筑周边人行区域风环境的影响研究具有重要意义。不仅仅在于减少因风带来的伤亡事故，同时提高人们在高层建筑底下行走的安全舒适程度。本文主要综述国内外对高层建筑及其裙房对周边人行区域风环境影响的研究，总结3种研究方法的优缺点，指出高层建筑风环境未来的研究方向。

1　国内外研究现状

1.1国外研究现状

20世纪60年代以来，发达国家就开始对高层建筑风环境进行研究，经过了几十年的发展，已经有了初步的成果。

少数文章研究了裙房对人行区域风环境的影响：Tsang 等[1]通过风洞实验法从建筑规模、间距和裙房方面对高层建筑人行区域进行研究。研究表明：单栋建筑迎风面尺寸越宽对风环境越不利；建筑间距小于建筑宽度的一半时对风环境有不利影响；裙房对建筑周围风环境有不利影响(见图1)。

图1　不同建筑间距和裙房的阵风等效平均风速影响分布(源自文献[1])

Tsang等[2]还通过风洞实验法研究了高层建筑群的间距和裙房对人行区域风环境的影响。结果表明：裙房对风环境的影响有利有弊，加裙房后的风环境整体趋向于平均风速；但是对于需要自然通风的地区来讲是不利的，因为加裙房后整体风速降低，且裙房增大了不利风环境区域。Dye等[3]通过风洞实验预测及实际测量了曼彻斯特大学一个相对孤立的塔式建筑附近的地面风速。结果表明：裙房的存在可以降低最不利点风速；对比实际测量的数据，模型实验值低于实际值。Jamieson等[4]通过风洞实验法对不同建筑形状、有无裙房、停车场的建筑、有围墙的街道风环境进行研究。

大部分文章研究的是建筑间距、排列、街道高宽比等建筑之间的因素对风环境的影响：Cheung等[5]通过CFD模拟研究了风向、建筑间距、建筑排列等对通风率的影响。结果表明：建筑间距增大充分地提高了通风率，最终当建筑间距约为建筑宽度的5倍时消除不利的干扰(最优分离)；若考虑到建筑排列，间距可减小至建筑宽度的3倍。 Hang Jian等[6]通过CFD计算机数值模拟和风洞实验法模拟了高层建筑风环境。结果表明：在不同街道高宽比和不同建筑面积密度的条件下，街道高宽比在2～5.3，建筑面积密度在0.25或0.4时风速降低；街道宽度越宽、建筑面积密度越小或采用合适的建筑高度将提高高层建筑的风环境。Stathopoulos和Wu Hanqing等[7]通过风洞实验法从街道空间密度、周边建筑高度、相对位置、风向角来讨论对风速的影响情况；通过合理的分析讨论，总结推导出了合适的风速公式。Yi Hui等[8]通过风洞实验模拟了矩形平面的建筑平行和垂直摆放对风压峰值的影响。研究表明：风向和建筑的配置对干扰效应有很大影响；较不利点集中在建筑的边缘和角落；建筑的宽度∶深度∶高度=3∶1∶4时较为合适。Andy 等[9]通过数值模拟法，采用k-ε湍流模型探索了各种建筑平面排列对城市街道峡谷在三维方向上的流场和污染物扩散特性。结果表明：当建筑高宽比接近0.8或建筑高度比为0.5时污染物较少停留。

1.2国内研究现状

国内对于高层建筑风环境的研究比较晚，20世纪80年代开始陆续有人对高层建筑周边的风环境做出评价。但对于裙房风环境的研究，缺乏系统性且研究较少，王辉[10]对深圳前海三、四开发单元进行分析，得出开发单元风环境主要受到建筑朝向、建筑平面形式、建筑体量、建筑立面构成、沿街裙房立面细部要素的影响。其中讨论了不同裙房平面对风环境的影响，得出选取边角越光滑的平面形式，对风环境影响越小。

其他研究者对高层建筑风环境也有一定的研究，成果如下:江清源[11]阐述了高层建筑风环境的危害以及在风力作用下的绕流特性，总结了高层建筑风引起的风环境问题，解释了压力连通效应、间隙效应、拐角效应、尾流效应、下洗涡流效应等产生原理，最后对风环境的改善提出建议。李传成等[12]通过问卷调查的方法研究夏热冬冷地区板式高层建筑周边风环境，将CFD模拟与问卷调查结果进行对比验证，分析了产生的原因并探索改善和解决的方法，最后提出策略，并对其策略进行验证。这对建筑规划设计风环境优化具有一定的指导建议。黄艳[13]通过一系列的风洞试验来模拟与分析高层建筑与住宅小区人行高度处风环境的相互影响，通过比较平均风速比、最大风速比、风速比变异系数三者的变化来评价住宅小区周围人行高度处风环境的变化,得出三个参数对住宅小区风环境的影响。曹智界[14]选用数值模拟方法，利用 CFD 技术模拟软件 Fluent中的Realizable k-ε模型对单体建筑、简单组合建筑组群和某实际在建住宅小区的风环境做了数值模拟研究。陈德江等[15]介绍了在风洞中进行的某高层建筑风环境的模拟试验,提出行人高度风速的测量和数据处理方法；并分析了该高层建筑的风洞试验结果。吴义章等人[16]通过数值模拟方法对某高层建筑周围的行人高度风速场进行了计算，结合当地气象台的气象风速统计资料，给出了该建筑周围舒适性风的概率直方图，对行人在坐、站、行三种不同状态下的风环境舒适性作出了评价，并对一些可能存在不舒适风问题的位置点提出了控制措施。

1.3国内外研究现状总结

(1)在探索室外风环境的时间方面，国外始于20世纪60年代，研究较早，而国内起步于20世纪80年代，研究较晚。

(2)在研究方法方面，主要有现场实测法、数值模拟法、风洞模拟法。由于室外风的不稳定性和随机性，现场实测法一般只是在某一短时段进行，多数是用于验证软件模拟和对比分析；风洞模拟法由于需要建立风洞实验装置，成本高，实测程序复杂，且只能对有限的模型和工况进行模拟，因此在早期的研究中应用最多；随着计算机技术和模拟软件的不断发展，数值模拟法已成为目前室外风环境研究的主要方法。

(3)在研究内容方面，国内外学者都对影响风环境的因素进行探究，影响因素主要有：建筑间距、建筑排列方式、建筑裙房、建筑高宽比等。除此之外，国内外学者对于人行区域环境舒适度、建筑节能、空气品质等方面也进行了研究。主要通过风洞实验法和计算机数值模拟对某建筑或建筑群进行模拟，结合人体舒适度进行评价，提出改善措施和建议[11,17-20]。

(4)在高层建筑及裙房对风环境影响方面，国外对有无裙房以及裙房的平面形制进行了研究，探讨了在单一风向下裙房这个因素对室外风环境的影响，得出了裙房的存在对于周边人行区域以及建筑风影区影响是不利的结论。而国内主要研究了裙房的平面形式以及退台的方式对风环境的影响，指出形体退台是有利于风环境的且裙房平面形式边角越光滑，对风环境影响越小。

(5)在高层建筑及裙房对风环境影响方面的研究不足体现在:探讨裙房对于风环境的影响比较少且比较单一，都是通过有无裙房对比实验，只从单一风向角来讨论。国内研究了部分裙房平面对风环境的影响，但没有从考虑裙房的大小是否会影响风环境。这样的情况下对裙房的作用下定义并不准确，大部分的文献得出的结论是裙房对于周边人行区域风环境有不利影响，只有少部分文献认为裙房可以降低街道人行区域的风速。对于裙房的探讨，应更加深一步并且全方面模拟再讨论。

2　主要研究方法

2.1现场实测法

现场实测法是指利用风速计到高层建筑现场直接进行数据采集测量，此方法所测量的数据具有真实可靠性，但是也存在局限。首先测量周期太长，一般要获得第一手资料必须测量周期达到一年以上才可以得出较为准确反映该高层建筑周围风速在不同工况下的变化情况；其次需要在不同地点同时进行测量采集数据的工作，需要耗费大量人力物力。此方法可用于检验模拟的数值与真实值存在的误差分析。

2.2风洞实验法

早期计算机未发展的时候，研究者多采用风洞实验法，它是通过制作实际建筑物的缩尺模型(见图2)在大气边界层风洞中进行试验的,使用一定的技术手段产生类似实际建筑物周围的风速场,通过模型周围及表面的仪器对风有关的数据进行测量。它的缺点是模型的建立在风洞试验中无法同时使所有的物理量得到满足,会带来较大的误差。同时风洞试验从准备到结束整个时间过程较长,试验的花费较高,模型的制造费时费力,无法被广泛使用[21]。

图2　风洞实验模型图(源自文献[22])

2.3计算机数值模拟法

赵彬等[23]介绍预测仿真建筑群风环境的不同方法,并着重比较了自各的特点。鉴于数值模拟方法价廉、快速、信息多、不受条件限制的优点,提出基于数值模拟方法的建筑群风环境优化设计思路,并给出两个典型的用数值模拟方法优化设计建筑群风环境的实例。由所举实例可以看出,数值模拟技术可作为建筑群风环境优化设计分析的有力工具,从而有效地对建筑群风环境问题进行研究和分析。Stathopoulos等[24]通过现场实测法对改进过后的斯托克斯方程k-ε湍流模型进行验证，结果表明在合理的精度上建筑周边风环境是可以预测的，证明了计算机数值模拟的可行性。对比现场实测法，计算机数值模拟简单、可操作性强，模拟的结果直观，可以获得风速比、压力值等一系列分析数据。并且近年来大家对于计算机模拟的模型公式做了许多研究工作，提供了模拟精度较高的模型公式，在很大程度上可以模拟出风场情况，受到广大研究者的青睐。

计算机数值模拟用到的多数软件是基于CFD平台的衍生软件，如phoenics、Airpak、fluent等软件来模拟(图3)。计算机数值模拟中的计算模型有RNG k-ε模型、标准 k-ε模型、Suga三次式高Re k-ε模型、Realizable k-ε模型等。李琼等[25]对日本建筑学会提供的室外无污染物扩散和有污染物扩散的建筑风洞实验模型，采用15种湍流模型分别求解其室外流场，通过模拟结果与风洞实验结果的对比分析，得出Suga三次式高Re k-ε模型对风场和浓度场的求解具有很高的精度，在时间允许的情况下可采用Suga三次式高Re k-ε模型，在计算精度要求不高及计算时间有限的情况下，可采用标准 k-ε模型。

图3　某项目计算机数值模拟图(作者自绘)

3　未来的研究方向

计算机数值模拟法相对于其他方法有较多优势，逐渐成为未来研究风环境的主要方法。对于裙房的作用定义，需从全方位对裙房的平面形制、规格大小等进行模拟分析。不同类型的高层建筑裙房对风环境的影响是否相同需要做进一步的研究。高层建筑裙房对人行区域风环境影响的未来研究方向如下：

第一，根据不同的高层建筑类型将裙房进行分类模拟分析。根据笔者调查，以厦门地区为例，选择了7个高层建筑较多的区域一共76栋建筑，建筑类型可分为点式建筑、板式建筑、联排式建筑，三种建筑类型比例分别为0.3、0.44、0.26。不同建筑类型对周围风环境的影响不同，所以可以通过模拟不同类型的高层建筑，分析其特点，作出不同的评价以及提出相应的建议和改善措施。

第二，在不同工况下对同种裙房形制的高层建筑进行模拟分析。通过调查厦门地区建筑朝向可以发现，由于厦门地区属于亚热带季风气候，温和多雨，年平均气温在21℃左右，全年日照时间长，所以建筑的朝向没有太大的限制。但对于厦门地区来说，夏季利用风环境通风可以减少空调的能耗，所以模拟不同工况下高层建筑的风环境情况对于建筑设计有一定的指导作用。

第三，在相同工况下对不同裙房形制的高层建筑进行模拟分析。根据笔者调查，高层建筑裙房形式主要有4种：无裙房、三角形、多边形(n≥4)、弧形。不同平面形式的裙房对周边风环境产生不同影响，根据前人研究，弧形平面对风环境产生的影响较小，但是比较少人将平面进行分类模拟。在相同工况下对不同裙房形制的高层建筑模拟有助于设计师在设计中得到较好的建议，做出更优化的设计。

第四，根据现场实测数据与模拟结果进行对比分析。鉴于风环境情况比较复杂多变，实测风速收到限制，故现场实测法比较少被研究者采纳。但是通过分析历年气象数据，结合前人研究，加上科学技术的进步，现场实测可行性将大大增加。

第五，根据实验所得数据结合人体舒适度准则与安全性进行评估，对人行区域风环境进行全面分析，得出建议与改善措施。

4　结论

现阶段高层建筑风环境的研究主要是整栋建筑对周边区域的影响，对裙房的研究也较多集中于裙房荷载与振动，单独对裙房形制与规模对风环境的影响研究几乎没有。本文综述高层建筑及裙房对风环境的影响以及现有研究成果，指出其未来的研究方向，对于将来研究高层建筑及裙房的风效应有实际意义，对于完善和改进高层建筑及其裙房设计具有指导作用。

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Effects of High-rise Building and Podium on Pedestrian-level Wind Environment: a Systematic Review

LAI LinfengRAN Maoyu

(The School of Architecture，Huaqiao University，Xiamen 361021)

In recent years，global climate change extreme and has a significant impact on the wind environment on high-rise buildings' pedestrian area，and it also leading to frequent accidents. Thus，people began to pay attention to the impact on the pedestrian area of high-rise building wind environment. This review focuses on the study of domestic and international high-rise building and its podiums' wind environmental impact on surrounding pedestrian area. This paper also summarizes the advantages and disadvantages of the three methods，pointed out the direction of future research on high-rise building wind environment.

High-rise buildings;Podium;Wind environment;Research progress;Review

华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目(华大研〔2014〕6号)

赖林凤(1992.09-)，女。

E-mail: 413817463@qq.com

2016-03-12

TU972+.12

A

1004-6135(2016)05-0020-05