不同建模区域下的建筑群风环境模拟探究

鲜 鑫，李晓虹，游 诚，钟天兰，蒋 鹏

(西华大学 土木建筑与环境学院，四川 成都 610039)

0 前 言

合理选择计算区域和建模区域将有助于减少计算量和加大模拟结果的准确性，选择多大的计算区域和建模区域进行计算求解才能对建筑群中的流场进行详细描述，是许多学者及组织关注的问题。

对于计算区域的选取，同济大学李峥嵘[1]针对学校内学生宿舍6栋在不同风向作用下对建筑群风环境进行数值模拟研究，计算区域根据AIJ指导手册[2]选取建筑群内最高建筑的高度作为特征长度H，建筑群上游、上部以及两侧的计算区域为5H，建筑群下游的计算域长度为15H。温昕宇[3]在室外风环境CFD模拟小区规划建设中沿来流方向取一矩形区域；建筑高度为H，计算区域高度为3H，来流方向为3H，出流方向为4H，计算区域宽度为6H。《民用建筑绿色性能计算标准》(JGJT449—2018)[4]在关于计算域指出“对象建筑(群)顶部到计算域上边界的垂直高度应大于5H；对象建筑(群)的外缘至水平方向的计算区域边界的距离应大于5H；与主流方向正交的计算断面大小的阻塞率应小于3%；流入侧边界至对象建筑(群)外缘的水平距离应大于5H，流出侧边界至对象建筑(群)外缘的水平距离应大于10H；”而对于建模区域的选取《民用建筑绿色设计规范》(GJ/T229—2010)[5]中规定目标建筑边界H范围内应该以最高细节要求再现，在AIJ指导手册[2]中规定目标建筑边界1H～2H范围内细节再现，在《民用建筑绿色性能计算标准》(JGJT449—2018)[4]中规定“进行物理建模时，对象建筑(群)周边1H～2H范围内应按照建筑布局和形状准确建模”。

综上，国内在进行建筑群室外风环境模拟时，计算区域和建模区域范围的选取存在一定的差异，且多数学者都只以目标建筑群作为一个孤立的单体进行建模分析，并未考虑实际周边建筑群对目标建筑的影响。为了分析建模区域的大小对目标建筑室外风环境的影响，本文在民用建筑绿色设计规范中关于建模区域规定的基础上逐步扩大周边建筑群范围，把目标建筑群周边的街道、高层建筑考虑进模拟范围，利用绿建斯维尔通风Vent软件[6]对比分析建模范围的选取对于目标建筑群风环境模拟结果的影响，以期为合理选择模型范围提供参考建议，使风环境模拟结果更加准确。

1 模型设置

1.1 建筑概况及风速测点设置

本次建筑群室外风环境模拟以成都市某一新建小区为例，小区区域规划总建筑面积187 445.37 m2，本小区建筑主要为居住建筑共计12栋，兼3栋商业建筑和1栋垃圾房。建筑1～8栋建筑高度为50.23 m，9～12栋建筑高度为50.28 m，3栋商业楼建筑高度为9.3 m。在建筑群内1.5 m人行高度处主要活动区域设置11个测点。小区总平图及测点分布图见图1，图2为目标建筑周围概况图。

图1 小区总面及测点分布

图2 目标建筑群周围建筑概况三维视图

1.2 计算模型及边界条件设置

本次模拟采用标准K-ε两方程模型，计算域入口采用速度入口，风速按指数率分布，风廓线幂指数根据地面类型为城市取值为0.30。出流面上空流动按湍流充分发展考虑，出口选择压力出口，出口静压为大气压，两侧边界及顶部边界均采用对称性边界条件，计算区域地面以及建筑物外围护结构设置为无滑移壁面边界。采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式来划分网格，因为室外风场分析更加关注靠近建筑物的风场特性，近场的地面网格需要采用结构化网格加密，对应地面细分级数较大，而远场地面采用较稀疏的非结构网格，地面细分级数较小。

1.3 四种模拟区域设置

本项目位于成都市，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012)[7]确定夏季模拟工况主导风向为NNE，平均风速为2.0 m/s，限于篇幅，本文只做夏季的模拟分析。按《民用建筑绿色性能计算标准》(JGJT449—2018)[6]中的规定建模分析并以此为基础扩大建模范围。以目标建筑为中心，分别考虑半径为1H、3H、5H、10H范围内的周边建筑建模分析，模型外场尺寸按照AIJ指导[2]手册给出设定，四种计算区域平面图见图3。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(c)10H

2 室外风环境模拟结果对比分析

通过逐渐扩大覆盖周边建筑范围，得到人行高度1.5 m人行高度处风速分布云图(见图4)，区域测点数据见表1。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(d)10H

表1 区域测点速度数据表

由表1可知，考虑周边建筑对目标建筑群的影响，采用建模区域1H和3H时，该目标建筑群室外风环境模拟结果差值较大，随着覆盖周边建筑范围的逐渐增大，采用建模区域5H和10H时，该目标建筑群室外风环境模拟结果误差均小于10%，对结果影响不大且趋于稳定。从理论上讲，建模区域范围选取越大，模拟结果越接近实际值，但是考虑到计算机性能，根据实际情况，针对本实际项目的模拟结果，笔者得出在进行室外风环境数值模拟分析时，以“目标建筑为中心，半径为5H范围内为建模区域覆盖周边建筑”为最佳建模范围，这表明在进行风环境模拟用以辅助设计时，需要考虑周边环境的影响，但是也不能完全依照民用建筑绿色性能计算标准中建模范围的选取要求，需要根据具体的实际项目情况，适当扩大研究范围，才能得出相对准确的结论。

3 结 论

本文对不同建模区域下建筑群室外风环境模拟探究，从模拟结果来看，可以得出以下结论：在对实际建筑项目室外风环境模拟分析时，考虑周边建筑对目标建筑群的影响，不能完全依照民用建筑绿色性能计算标准中关于周边建筑区域选定范围进行建模，应该结合目标建筑与周边建筑群的实际情况，适当扩大研究范围，才能得出相对准确的结论。结合本文实际案例，随着周边建筑覆盖区域范围的增大，目标建筑群室外风环境逐渐趋于稳定，并且最终得出“以目标建筑群为中心，半径为5H范围内为建模区域覆盖周边建筑”为最佳建模范围进行室外风环境分析。

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