浅析建筑布局对高层住宅小区的室外风环境影响

李晋

摘 要：本文通过使用流体分析软件建立高层住宅小区相关的流场分析模型，通过调整建筑布局对高层住宅小区的风环境所产生的影响进行阐述。同时，从实际工作出发，从冬夏两季的建筑的布局对室外风环境产生的影响分别进行研究，旨在通过研究所得结论为今后利用建筑布局改善高层住宅小区的风环境提供一个思考方向。

关键词：高层住宅；风环境；建筑布局；数值模拟

随着我国城市化水平的提高，建筑领域也在不断的进步，出现了众多高层住宅建筑的住宅小区。这就加大了城市的建筑密度，并由此引发了许多关于风环境的问题。如建筑过于密集从而导致气体污染物无法迅速扩散消失，这引起了人们的高度关注，许多建筑规划和流体运动研究人员也对此进行了研究。国内一些研究机构开展了对不同风向时的空气流场分布、矩形截面建筑的群体风场、相邻高层建筑扰流的风流场的研究从中取得了一定的研究成果。国外的相关学者也对城市中不同的住宅小区的风环境进行了模拟和研究。本文以某严寒地区的高层住宅小区在冬、夏两季不同风向的风环境情况进行分析，得出了不同建筑物布局时的风速场的分布，从而得知了调整迎风面建筑的布局方式对高层住宅小区室外的风场分布产生的影响最显著。

1 室外风场相关模型的建立与CFD的相关数值模拟

1.1 模型的建立

我国东北某城市A位于气候类型I区，具有严寒地区的特点：冬季漫长寒冷，夏季短促凉爽，季节温差较大。如果室外风速很大则会使得小区有很冷的感觉，导致环境舒适性下降。本文选取城市A的某高层小区B建立物理模型，通过冬季、夏季两季室外的风速场分布对此高层小区的影响进行研究。小区B区域内共有十栋楼分布其中，1号楼至六号楼高度为60 m，其余各栋楼高30 m。建筑体型分为两种：1号、2号楼及7号至10号楼为板式建筑模式，其余各楼为塔式建筑模式。住宅楼房北侧为一主干道路。

夏季室外温度取A城市夏季平均温度24.6℃，室外风速取夏季平均风速3.0m/s，风向大致为南向。冬季温度取室外冬季平均温度-23℃，风速取冬季平均风速3.2m/s，风向大致为北向。计算域依据现实情况选取大约是小区3-4倍的宽度，背风面选取大致为3-6倍小区的宽度，高度方向选取2-3倍的建筑高度。几何建模及网格划分使用Fluent的前置处理器Gambit。速度入口为计算域的来流风，自由出流风为出口，使用压力耦合半隐法Simple来求解压力与速度的耦合问题，使用一阶迎风格式对压力、动量、紊流脉动动能和动能耗散率进行离散。

1.2 CFD数值模拟

Fluent是一种主要用于对复杂的流体流动及热的传导进行模拟的计算机程序，是目前应用较为广泛的一种流体力学计算软件。由于其采用了多种算法和多重的网格加速收敛技术，所以Fluent的收敛速度和求解精度都是最佳的。此外Fluent也提供了下列湍流模型：Spalart-Allmaras模型、标准k-￡模型、重组化群RNG k-￡模型、可实现模型、雷诺应力模型RSM和大涡模拟模型LES。其中湍流模型的选取和许多因素有关，如流体物理、特定问题的经验、精度级别和风速的特定条件。在本文中，主要考虑人的主要在地面附近活动，所以使用标准k-￡模型。

2 模拟结果的分析

通过对夏季、冬季三种不同的建筑布局方式进行模拟，得出了室外风速场的相关分布，进一步对三种形式的高层住宅小区室外风环境进行分析和对比。

2.1 夏季室外风速场分析

根据高层住宅小区布局一，即1号楼至六号楼，楼高60m.7号楼至10号楼，楼高30m对夏季室外风速场进行相关模拟。夏季风向大致为南风，距地距离大致为1.5m出速度分布参见图1。由图可知，夏季迎风向，气流从南侧建筑之间垂直进入小区，风速在入口处最大为3.23m/s，并且风主要在建筑物间南北向流动，形成一个导风巷，风速可到2.24m/s。每个楼房间有巷道风效应的存在，并且每个楼的背风侧形成了一个漩涡死角。其中，由于1号楼和2号楼挡风部分较大，楼房的南向风速大致为2.23m/s，在楼后形成了一个负压区。

由图1可知，小区风速很高，改变建筑物布局，降低了小区1号楼房和2号楼房的高度再进行对比分析，此时1号楼和2号楼楼高均为30m，其余各楼高度不变。小区地面高度1.5m处夏季风场分布参见图3，据此可知，夏季迎风方向，整个小区内风速无变化，但是改变1号楼和2号楼的高度后二者背风侧风速骤然降至1.4m/s，这说明建筑物的布局的改变对风速场会产生影响。

图2进一步验证了建筑的布局方式对室外风环境会产生影响。接下来进一步对建筑布局进行改变，此时设定此小区1号楼至6号楼高度为30 m，其余各楼高度设定为15 m。最高建筑高度降为30 m时，距地面高度1.5 m高度夏季风场分布参见图3。由图可知，建筑物高度降低的同时，夏季迎风方向前排建筑间通道内风速减小，最大风速降至2.62m/s，各楼之间的风速降至1.57m/s。气流自南向北形成一个导风巷，而且风速从入口到出口处递减。1号楼和2号楼在迎风面的风速降低，风速降至1.05m/s，楼后的负压区域减小。

2.2 冬季室外风速场分析

冬季风向大致为北风，建筑布局一距离地面高度为1.5 m处的风速分布参见图4。

图4布局方式一 冬季距地面1.5m室外风速场速度矢量图

由图可知气流由北侧建筑垂直进入小区，由北向南流动。气流的流速受1号楼与2号楼的阻隔，小区内风速较低，但是可看出，由于小区楼高度较高且入口狭小，入口处风速最大可至3.72m/s，使出入小区时感到不舒适，并且形成较大的漩涡区，风速为1.99m/s，因此污染物会聚集于此，而不消散。建筑物的拐角处迎风面有一个较大的风速区，风速达到4.38m/s，使人感到特别寒冷。值得一提的是在建筑物的背风面会形成涡流区，而导致漂浮物残留。

建筑以布局方式二时，气流向南流动，由于建筑物布局改变，入口处风速降至2.98m/s，降幅达0.74m/s，在1号楼和2号楼的迎风拐角处风速发生改变，降至3.40m/s。但由于其他楼高度未发生变化，所以风速场没有任何的改善。

建筑布局以方式三时，可以知道，随着楼高度的改变，小区内风速场发生明显变化。由此可知，建筑物布局的改变可以改善小区的风流场，使居住更加适宜。

3 结语

从相关模拟结果可以看出，位于寒冷地区的住宅小区，夏季时，建筑物之间风速较大，利于建筑物散热；在冬季时，小区建筑物之间的风速很大，这样必然导致冬季采暖的不利。同时住宅小区局部风速过大会产生涡流，影响相关区域的卫生。通过对小区出入口和主干道上建筑物的高度进行调整及布局，可以对室外风环境进行改善。由此可知，调整建筑物的布局方式对小区的室外风环境的影响很大。

参考文献

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