珠海市某标志性超高层建筑群的室外风环境及舒适性模拟

夏冬，王静，孙丽烨，涂建文，孙弦

(珠海市公共气象服务中心，广东 珠海 519000)

截至2017年底，我国的城市化率已达58.5%[1]，城市人口数量暴增、可利用土地资源短缺使得高层建筑的发展已成为主流[2]。目前人们对生活质量及环境品质的需求越来越高，不仅考虑建筑内部的居住环境，同时也开始关注建筑周边活动区域的舒适性，其中高层建筑对人体舒适性影响中，风环境问题尤其重要[3]。在国外，发达国家已经对建筑风环境设计推行了一系列的标准和条例，我国对室外风环境的研究起步较晚但发展较快，浙江省在2015年就发布了《居住建筑风环境和热环境设计标准》[4]。高层建筑对风环境的影响有很多[5-6]，例如高层建筑迎风面大，对城市风有较强的阻挡作用，不利于城市的自然通风；高层建筑的拐角处易出现局部风速过大的现象，影响人们的出行安全；高层建筑的背风处存在风影区，空气不流通，易造成污染物聚集。因此，评估高层建筑的室外风环境，是非常必要的。

建筑物室外风环境研究始于20世纪60年代，Baines[7]于1963年通过风洞实验和实地考察得出了高层建筑的风环境影响特征，自此，风洞实验在城市建筑风环境的模拟中逐步得到应用。Stathopoulos和Wu[8]通过风洞实验法从街道空间密度、周边建筑高度、相对位置、风向角讨论了对风速的影响情况；姜瑜君等[9]通过风洞法测量数据以及数值模拟结果进行分析，利用舒适度评估标准，对摩根中心的风环境进行了预估评价；陈德江等[10]在风洞中对某高层建筑风环境进行了模拟试验，通过测量其人行高度处风速，介绍了适合的数据处理方法，并对高层建筑风洞试验结果进行分析。但是，在风洞实验中，无法同时满足所有的物理量，并且准备时间长，实验花费高，模型制造耗时费力，无法被广泛应用[11]，随着计算机技术和模拟软件的不断发展，CFD数值模拟是现阶段应用较广泛的研究方法[12-14]。相较于风洞实验，数值模拟更加方便与高效，其可行性和准确性也已经被很多学者证实，例如Blocken和Persoon[15]在2009年采用风洞实验和CFD数值模拟对某体育场周围风环境进行平均，并对比实验结果和模拟结果，发现两者结果吻合度极高。回顾之前的文献，发现之前的学者们在研究过程中，很多都未考虑当地气候条件，而不同地区的气候条件和舒适度指标必然有所区别；另外，目前的研究还比较单一，对于不同风向下高层建筑群的风环境研究还较少。因此，本文针对珠海市某标志性超高层建筑群(以下简称研究区)，考虑本地的气候条件，利用PHOENICS软件对其风环境进行CFD数值模拟，以便得出超高层建筑群对风环境舒适性的影响。

1 资料与方法

1.1 资料

本文选用的气象资料来自珠海市某标志性超高层建筑群附近，气象观测站是位于研究区西北方向2 km处的红旗站(图1)，图中给出了研究区和红旗站附近的海拔高度。从图中可以看出，红旗站距离研究区较近，两地之间没有高大山体相隔，地理地形条件基本一致，并且红旗站的有效数据完整率高于90%，因此可以用红旗站测得的风速来代表研究区所在地的背景风速。

图2a和图2b分别为研究区建筑物的三维立体模型图和俯瞰图，包括高度分别为210 m和139.5 m的两座超高层塔楼，以及高度较低的1#～4#商业楼和3#～8#住宅楼。

1.2 相对舒适度评价标准

风环境评价的最主要因素是人的感受，因而距地面1.5 m行人高度处的舒适度可以作为评价风的“好”、“坏”的一个重要的指标。Soligo等[16]在细分不同活动类型的情况下，将风环境按不同程度进行划分，并通过大量实验给出每种程度人们可以接受的最高发生频率。本文主要讨论在研究区附近平常状态下的舒适度，即短时间或长时间的站与坐是否会感觉舒适，因此列出了这两种状态下的风环境舒适度标准，具体见表1。

图1 研究区位置及其附近海拔高度Fig.1 The elevation around the research district

图2 研究区的三维立体模型图和俯瞰图Fig.2 Three-dimensional model diagram and bird’s-eye view of the research district

活动类型舒适风级 风速/(m·s-1)可以忍受 风级风速/(m·s-1)不舒适风级风速/(m·s-1)短时间站或坐33.4～5.445.5～7.958.0～10.7长时间站或坐21.6～3.333.4～5.445.5～7.9可以接受的发生频率-<1次/周<1次/月

表1中的相对舒适度由蒲福风力等级表示，表中的单位“次”指的是刮一场风，历时约为1.7～2.5 h[17]。某些地方尽管有强风发生，但发生频率不大，人们也觉得是可以接受的；而有些地方虽然风速不大，但经常刮风，人们同样也会产生不舒适的感觉，认为此地的风环境比较差，是不能接受的[18]。另外，人们的活动类型不同，对风环境舒适度的感受也是不相同的，例如，风速为3级时，对于“短时间站或坐”的人来说是舒适的，而对于“长时间站或坐”的人每周超过1次就会觉得不能忍受。

1.3 CFD数值模拟

CFD领域中有多个软件可用于模拟流体流动情况的分析软件，其中CHAM研究所开发的PHOENICS软件[19]凭借其模拟结果的可靠性、真实性和实用性，在对城市环境与风场的模拟中得到了广泛的应用[20]。

PHOENICS内置了很多种湍流模型，包括雷诺应力模型、通量模型、多流体湍流模型和k-ε模型的各种变异，而建筑的风流动一般属于不可压缩、低速湍流，符合Boussinesq假设，因此本文选用k-ε模型对建筑附近风场进行模拟[21-23]。风场类型选择为WIND，入口边界层速度界面设置为高于地面的幂指数函数，幂指数为0.3，而出流面上假定风的流动已经恢复到了没有建筑物阻挡时的状态，出口压力设为大气压。

研究区的CFD风环境模拟包括两部分，一是考虑周边地形的风环境模拟，二是周边建筑群及内部的风环境模拟，由于范围大小不同，网格设置也不一样。第一部分地形对研究区的影响范围以研究区为中心，长为26.4 km，宽为19.9 km，高度设置为0.6 km，水平分辨率为100 m，垂直分辨率为10 m，X、Y、Z方向分别有264、199、60个格点，Y指向正北；而第二部分关于周边建筑群及内部风环境的模拟，则以研究区为中心，将周围1km范围内的建筑全部体现，计算区域长和宽分别为2.5 km和2.3 km，高度为0.4 km，水平分辨率设为10 m，垂直分辨率为5 m，X、Y、Z方向分别有250、230、80个格点，同样地，Y指向正北。

2 研究区的风环境气候特征

图3a为2004～2017年研究区风速的年变化，年平均风速为3.4 m/s，2005年为历年最大，达4.6 m/s，2014、2015和2017年为历年最低，为2.7 m/s。期间风速整体呈下降趋势，其中2005～2007年风速呈显著下降，2008～2012年风速变化较平缓，2013年起风速呈缓慢下降。图3b为研究区风速的多年同期平均的月变化，风速具有显著的季节变化特征，冬季较大，夏季较小，其中12月的风速最大，为4.2 m/s，8月的风速最小，为3.0 m/s。图3c为研究区风速的多年同期平均的日变化，一天中的风速变化是有规律的，夜间风弱，白天风强，凌晨前后风速最弱，中午12时前后风速达到最大，从凌晨到早晨7点前后风速是呈缓慢上升，8～12时风速明显加大，16～23时风速逐渐下降。总的来说，该研究区基本吹2～3级风，从相对舒适度的评价标准来看，人们短时间停留，或在室外长时间的站或坐，都是比较舒适的。

除了风速大小外，风还有另外一个重要指标是风向。风向对人们舒适度的影响也很大，例如高频风向会使得该朝向的建筑有更好的通风效果。从研究区的年平均风向频率图(图4)可以看到，年风向以N和ENE为最多，风向频率分别为13.9%和13.4%，其次为NNW、NNE和SSW，风向频率分别为12.3%、9.8%和7.6%。以W和WNW为最少和次少，风向频率分别为1.4%和1.9%。近十几年来该研究区的主导风向为偏北和东北偏东风，其次是东北偏北风，累计风向频率约为36.2%，西北偏西和西北风最少。

图3 2004～2017年研究区风速的时间变化Fig.3 The variation of wind speed around the research district during 2004～2017

图4 2004～2017年研究区风速年平均风向频率玫瑰图(单位：%)Fig.4 The rose diagram of average annual wind direction frequency around the research district during 2004～2017 (units:%)

进一步分析逐月的风向频率玫瑰图(图5)，可以发现1月和10～12月的风向以偏北风为主，1月的风向以NNE为最多，10～12月频率最大的风向为N，这4个月份偏北风向(N、NNW、NNE)的频率总和均超过60%，占绝对的主导作用。说明该研究区在冬季主要受北方冷空气影响。

2～5月的风向均以ENE为主导风向，风向频率分别为17.8%、21.2%、21.0%和16.2%，其中2月的偏北风向频率仍较大，但相比1月已有所下降，3月和4月偏北风向频率进一步减小，到了5月份偏南风向频率明显加大。从风向的变化我们可以看出2～5月属于过渡期，北方冷空气活动开始减少，而南方暖湿气流逐渐增多，该研究区的主导风向逐渐由偏北风转向偏南风。

6～8月的风向以SSW为最多，说明夏季风趋于活跃，西南季风爆发，偏南风将海上水汽源源不断向陆地输送，使得夏季雨水充沛。9月的主导风向变成了ENE，偏北风分量明显增加，北方冷空气活动开始增多，但强度较弱，天气开始转凉，也是一个过渡月。

总的来说，研究区各个季节的主导风向有所不同，冬季主要吹偏北风，夏季主要吹偏南风，过渡季节则以东北偏东风为主。因此，在接下来的CFD风场模拟中，需针对不同季节进行不同风向的模拟，而不能一概而论。

与情节悬念和身份悬念密切相关的还有人际关系悬念。在文学作品中，人际关系悬念指的是在社会交往中所形成的人际关系因个体因素复杂而难以认知的悬念。在这类悬念中，人与人之间的真实思想、背景、态度、个性、行为模式和价值观处于不明朗的状态，这种状态只能在情节的进一步发展中才能得以消解。（Beaumont 2015：124）石黑一雄在《被掩埋的巨人》里主要从三个方面建构了人际关系悬念：误会式悬念、映衬式悬念和豹尾式悬念。

3 研究区的CFD风环境模拟

地形对风环境的影响非常大，如山脉对风力具有明显的阻挡削弱作用，当风越过山脉随着地势的抬高而在迎风坡被迫抬升，产生分支和绕流，越过山脉又会形成背风波；在复杂地形下，风的流动容易受地形影响形成狭管效应，狭管效应不仅会改变风力的大小，还会改变风向。为体现该研究区周围的地形对风环境的影响情况，利用CFD对各个月份及全年的地形模型进行模拟计算，模拟情景见表2的情景01～04。另外，为了评估高频风向下研究区附近及内部的通风情况，不仅充分还原了本文所要研究的超高建筑群的外观和高度，同时还将其周围1km范围内的其他建筑全部实现，利用高频风向进行三维风环境模拟，模拟情景见表2的情景05～07。其中背景风速一律使用多年平均风速3.4 m/s，可以体现不同风向下通风情况的差异。

表2 研究区周围地形及周边1km内建筑的三维风环境模拟情景Table 2 Three dimensional wind environment simulation of terrain and buildings around the research dstrict

图5 2004～2017年多年平均的研究区风速各月风向频率玫瑰图(单位：%)Fig.5 The rose diagram of wind direction frequency in every month around the research district during 2004～2017 (units:%)

3.1 研究区周围地形的CFD风环境模拟

图6为情景01～04的模拟结果，从图中可以看出，模拟的风速分布基本随地势的高低而变化，东北侧、西北侧、南侧的山脉风速显著高于平地，而该研究区周围以平地为主，距离偏北一侧的小山脉又有一段距离，风速基本不受高地势的影响。由情景01、02、03模拟结果可知，6～8月的平均风模拟该研究区所在地的结果相对较小，约为3.2 m/s，10月～次年1月平均风速模拟结果较高，接近4 m/s，其他月份适中。而对于04模拟全年平均风速的结果，该研究区所在地的风速为3.5 m/s左右。由此可见，该研究区所在地的模拟结果和背景风速极为接近，基本吹2～3级风，人们在此短时间停留，或在室外长时间的站和坐，都是比较舒适的。

图6 研究区周围地形的CFD风环境模拟Fig.6 CFD wind environment simulations of terrain around the research district

3.2 情景05偏北风下的CFD风环境模拟

由情景05模拟的地面风速分布图(图7a)可知，在吹北风的情况下，研究区和周围小区皆有一段距离，普遍远于100 m，因此该研究区附近的风速基本不受周边建筑的遮挡或者其他影响。具体来看，1#塔楼底层、2#塔楼底层和1#商业楼组成的“商务区”裙楼(约为1#商业的高度20.9 m及以下)部分，由于建筑密度较高，在吹偏北风时1#商业恰恰被两座塔楼底层所阻挡，因此内部通道风速较小并接近0.6 m/s，基本吹1级风，通风效果不好，人体会感到很闷，各种活动都不适宜。而商务区在偏北风迎风面两侧，即1#塔楼东北侧和2#塔楼西北侧，处于迎风拐角处，风速局地增大并接近3.7 m/s，吹3级风，通风环境优良，人们在此短时间站或坐，以及一周一次的长时间站或坐，都会感觉到舒适。

2#商业～4#商业与3#住宅～8#住宅组成的“住宅区”部分，从迎风方向看，3#商业挡住了3#住宅和4#住宅，4#商业挡住了5#住宅和6#住宅，但商业楼垂直高度(2～3层，即9.1～13.6 m)显著低于住宅楼(17层，即54.0 m)，水平风向通过低层建筑物之后以绕流作用再次影响地面，仍然形成了通风廊道，3#住宅和4#住宅之间、5#住宅和6#住宅之间，局地风速接近3.1 m/s，与背景风相差较小，通风环境优良，人们在此长时间的站或坐，会感觉舒适。而在3#商业和4#商业之间，以及4#住宅和5#住宅之间风速通过廊道时候产生了狭管效应，使得风速增大，局地风速有超过4.6 m/s的显示结果，略高于背景风，通风效果较好，但仍在3级风的范围内。

除了考虑地面风环境外，同样需要考虑不同高度的建筑表面风环境，以便了解人们在建筑内部的舒适性，图7b和图7c分别为该研究区正面和背面的建筑表面风速分布及地面风向流线图。对于商务区来说，裙楼部分较为密集，偏北风向下1#商业被两座塔楼的裙楼所遮挡，立面风速较小，低于1.2 m/s(1级)，通风环境较差，人体舒适度都较低。1#塔楼和2#塔楼属于超高层建筑，迎风两侧及拐角处风速较大，局部将有超过8.0 m/s的风速值，在此短时间或长时间的站与坐，也会感觉不舒适。而1#塔楼偏北侧的迎风面和偏南侧的背风面风速基本为2～3级风，人们在此站或坐，都会感觉舒适。总体来说，在1#塔楼和2#塔楼的迎风面、1#塔楼的大部分背风面，人们短时间或长时间的站与坐都会感觉较为舒适，两座塔楼的迎风两侧和拐角处风速较大，1#商业则由于受两座塔楼的阻挡，风速较小，这些地方都不舒适。而对于住宅区来说，风速普遍达到3.7 m/s，在此短时间停留，或一周一次的长时间停留，都会感觉比较舒适。

图7 情景05的研究区地面、正面和背面的CFD风环境模拟Fig.7 CFD wind environment simulation of floor, front and back for scheme 05

3.3 情景06偏东风下的CFD风环境模拟

在吹东北偏东风的情况下，由模拟的地面风速分布图(图8a)可以看出，研究区受到了东侧建筑群的阻挡，研究区附近的地面风速相对于偏北风的环境下略有削弱。具体来看，在东北偏东风环境下，商务区裙楼部分由于相互遮挡，建筑之间的内部通风和两座塔楼西南侧的局地风速低于0.9 m/s，在这些地方人们无论做什么活动，舒适度都不会太好。而在迎风面两侧，即1#塔楼和2#塔楼的北侧，风速局地增大并接近3.7 m/s，通风环境较优，人们可以做短暂停留。住宅区的通风环境普遍较好，如3#和4#住宅之间、5#和6#住宅之间，局地风速接近2.5 m/s，7#和8#住宅的偏南侧最大风速接近3.1 m/s，人们在此长时间的站或坐都会感觉较为舒适。

分析建筑表面风速分布及地面风向流线图(图8b和图8c)，可以发现住宅区风速在2.5 ～5.0 m/s的范围之内，是人们在此停留会感觉比较舒适的2～3级风。对于商务区来说，裙楼之间的立面区风速较小，普遍低于1.2 m/s；1#塔楼南北两侧100 m以上的地方，局部大风区风速超过8.0 m/s，人们在此停留也不会感觉到舒适。而1#塔楼南北两侧100 m以下的地方、2#塔楼的南北两侧以及1#商业的南侧表面风速则处于2～3级风之间，人们在此停留会感觉到舒适。

3.4 情景07偏南风下的CFD风环境模拟

利用夏季的高频风向-西南偏南风作为主导风向，模拟建筑附近的风速分布。从图9a可以看出，在西南偏南风环境下，研究区南侧基本空旷，并无其他建筑的影响，只有研究区内部各建筑相互遮挡的影响。对商务区来说，1#商业和2#塔楼之间的风速较小，低于0.6 m/s，其他地方通风环境都较好(2～3级风)，人体普遍感觉舒适。对于住宅区，在吹西南偏南风时，各个住宅楼由于不受南侧建筑物的阻挡作用，迎风较为顺畅的通过，使得内部廊道通风效果非常好，风速普遍在3.4 m/s左右，人们在此处停留会感到舒适。2#～4#商业楼受住宅楼阻挡，除了通风廊道风速较大外，南北两侧处于背风面的地方，风速都较小，普遍低于1.2 m/s，小于1级风，人们在此会感觉不舒适。

图8 情景06的研究区地面、正面和背面的CFD风环境模拟Fig.8 CFD wind environment simulation of floor, front and back for scheme 06

图9 情景07的研究区地面、正面和背面的CFD风环境模拟Fig.9 CFD wind environment simulation of floor, front and back for scheme 07

从建筑表面风速来看(图9b和图9c)，住宅区南侧绝大部分区域吹3级风，人们可以短时间站或坐都是很舒适的。住宅区北侧则有部分区域风速较小，局部风速(如5#住宅北侧)低于1级风，在此无论做什么都不会感觉舒适。对于商务区，1#塔楼的整个迎风面及两侧100 m以下的地方、2#塔楼的迎风面两侧基本吹2～3级风，而两座塔楼的迎风面底层、2#塔楼的南北两面风速都较小，通风较差。大风区主要出现在1#塔楼迎风面两侧100 m以上的地方，局部有超过8.0 m/s的风速值，这些地方都不适合多做停留。

4 结 论

目前高层建筑已成主流，而高层建筑带来的风环境问题尤为复杂，本文针对珠海市某标志性超高层建筑群，考虑本地的气候条件，利用PHOENICS软件对其风环境舒适性进行CFD数值模拟，以便得出超高层建筑群对风环境舒适性的影响。结论如下：

1)研究区的各个季节的主导风向有所不同，冬季主要吹偏北风，夏季主要吹偏南风，过渡季节则以东北偏东风为主。在不同风向下，研究区地面及建筑立面的风速分布是不同的，舒适度也不一样。因此在设计超高层建筑群时，需考虑当地背景风速的风向。

2)地面风速表示了人们在户外所受的影响。当风从低层建筑吹向高层建筑时，风通过低层建筑物之后以绕流作用再次影响地面，形成通风廊道，通风环境会较好。例如吹偏北风时，被2#商业阻挡的3#和4#住宅之间、被3#商业阻挡的5#和6#住宅之间，风力约为2级，舒适性较好。当风从高层建筑吹向低层建筑时，低层建筑会被高层建筑阻挡，高低层建筑间的内部通风会很差。例如吹偏北风时，1#商业被两座塔楼底层所阻挡，风力约为1级，舒适性较差。而在迎风面的两侧拐角处，以及通风廊道处，局地风速都会较大，通风较好，舒适度较高。

3)建筑表面风速可以表征人们在建筑内部的舒适程度。风由高层建筑吹向低层建筑时，低层建筑受到阻挡，立面风速较小，人体舒适度较低，比如偏北风下的1#商业楼，偏南风下住宅区的南侧。高层建筑的迎风面及两侧风速会较大，风速随高度的增加而增加，拐角处高层的风速易超高3级，此时人也会感觉不舒适。当风由低层建筑吹向高层建筑时，与前者有差别的地方在于低层建筑的迎风面，其他部分的风环境特征及舒适性与前者相似。

本文模拟了平均风环境下超高层建筑群的地面和立面风速，仅对人们最基本的短时间或长时间的站和坐的舒适度进行了探讨，而对其他活动例如快步行走、散步溜冰等的舒适度需求则没有进行考虑。另外，在极端情况下，超高层建筑群对风环境又会有怎样的影响，也值得我们进一步研究。