基于风环境的高层与周围低层、多层建筑的布局方式选择

王泰 ，李培 （上海市政设计研究总院（集团）有限公司，天津 200092）

0 前言

随着城市化进程的加快城市人口的增加，城市土地资源日益紧张，大量人口涌入城市直接导致了城市建筑的竖向发展，多层、中高层和高层建筑也如雨后春笋般涌现。低层、多层住宅居住舒适度较之高层住宅具有优势，但是开发商出于经济效益和房型多样化考虑，现代住宅小区中往往高层、多层和低层建筑同时存在，并且组合形式越来越多。

居住区中建筑与周边物理环境共同组成一个微环境，其中风环境是居住区微环境的重要构成因素，对室外行人活动及其身体健康有十分显著的影响[1]。良好的室外风环境能够创造宜人、舒适的室外活动空间，一些西方国家在居住区设计方法上明确提出了气流设计环节[2]，国内也逐渐意识到风环境研究的重要性，并展开了一系列的研究。

目前，日本对该方向的研究较为深入，现阶段对于此问题的研究主要集中在3个方面：第一种是研究两栋建筑之间的相互影响[3-6]；第二种是研究一栋高层建筑与低层建筑群体之间的影响[7-8]；第三种是研究带有多栋高层和低层建筑的实际街区风环境状况[1]。目前尚缺少考虑多栋高层建筑与周边低层建筑相对位置、建筑高度的风环境影响的研究。

本文基于ANSYS FLUENT平台，对上海前滩地区居住小区的同一地块中3种不同建筑布局方式进行模拟，并对结果进行评价，研究了高层建筑和周围低层、多层建筑在不同布局形式下风环境的差异性，给出当前模拟环境下的最优布局形式选择。

图1 三种布局方式的立体模型

1 工程概况

研究地块地处上海浦东新区，西北侧方向紧邻黄浦江，北侧紧邻前滩大道，南侧为梁月路，西侧为桐晚路，东侧紧邻高青西路，地块由南北向芋秋路和东西向晓会路分割为4个较小地块，规划总用地面积5123m2，现在共有3种形式设计方案，详细信息总结如下表。

2 风环境模拟

2.1 模型建立

模型建立过程，根据天津市规划局给出的资料，将各个方案建筑实际尺寸由CAD软件画出建筑外轮廓，将其导入到ICEM软件生成立体图，如图1。

2.2 建筑网格划分

本文采用全尺寸模型，考虑到建筑物对风的阻挡作用，模型计算域大小取为3500m×4000m×500m，满足建筑物横断面阻塞率小于3%的要求。划分网格过程中，网格尺寸应控制在较为合理的区间内，使用ICEM网格划分软件，模型全局尺寸最小网格设置为50m；流体出、入口面以及计算域四周最小网格尺寸为50m；建筑物最小网格尺寸为2m，网格增长速率为1.1，三种模型各自总网格数为200万～250万之间，网格质量0.35以上。

2.3 边界条件设定

根据中国建筑热环境分析专用气象数据集提供的上海气象数据为基础，并结合研究地块的实际位置，考虑黄浦江对所研究区域的影响，取北偏西32°为冬季主导风向，南偏东32°为夏季主导风向。模拟设定离地面10m高度处，风速为V=3.4m/s，采用介质为空气，风速分布采用指数分布形式，应用FLUENT软件的UDF接口编程实现。研究主要考虑建筑布局形式对风场的影响，排除气象条件的温度因素和建筑外围护结构、下垫面种类等对模拟的影响。

建筑3种布局形式及其主要经济技术指标

2.3.1 入口边界条件

风速设定：采用速度入口边界条件（velocity-inlet），模拟大气边界层风速剖面指数分布，即：

式中，U为入口处任意点高度风速；Z为该点的高度值；Z0为参考高度，；U0为参考点的风速；α为地面粗糙度指数，D类场α=0.30。

参照日本规范[1][11]湍流强度的定义，湍流强度取值如下：

式中，B 类风场下，I0为 0.23，β 为0.2，Zb取 5m，ZG取 350m；D 类风场下，I0为 0.31，β 为 0.25，Zb 取 5m，ZG取450m。

计算中，来流湍流特性通过在进流处直接给定湍流动能k及湍流耗散率ε公式如下：

k=1.5×（I×U）2

ε=0.090.75k1.5/l

式中，l为湍流尺度，l=0.07L，L 为建筑特征尺寸，湍流尺度一般按照经验取值，本文取为0.4。

2.3.2 其余边界条件

出口边界条件设置为压力出口（pressure-outlet），相对静压值设置为0。计算域顶面和侧面分别采用对称边界条件（sym），对称边界条件所有流量变量的通量为0，在粘性计算中对称面条件也可以被称为“滑移”壁面。建筑表面采用无滑移光滑壁面，忽略表面材质对风的粘滞作用。计算域底面模拟水泥地面，采用无滑移粗糙壁面，粗糙度指数D类场取0.30。

2.4 模拟设置

湍流模型选用RNG K-e模型，近壁面采用标准壁面模型公式，求解方法采用simple算法，有限体积单元，压力和动量采用二阶迎风格式，湍流动能和湍流扩散率采用一阶迎风格式。

2.5 风环境评价标准

建筑物周围行人高度处风速是随来流风速变化而变化的，在风洞试验或者数值模拟中，某一点的风速值对实际工程应用中意义不大，而无量纲参数风速比Ri是指在行人高度处某一点的风速与相同高度来流风速的比值，能够表示由于建筑物的存在引起的风速在某一点的扩大或者缩小系数，研究证明风速比一般不随来流风速的变化而变化[10]。风速比Ri定义为：

式中，Ri是指i点位置处的风速比（无量纲）；

vi是指i点位置行人高度出处的实际风速，单位m/s；

v0是指行人高度处未受扰动的来流风速，一般取初始风速，单位m/s。

Tetsu的研究表明当某一区域风速比大于2.0时，行人会感觉不适；风速比小于0.5时，该区域风速过低，不利于空气流动[11]。因此本文中评价风环境标准为风速比介于0.5～2.0之间，另外还应考虑地块的使用属性。

3 模拟结果分析

3.1 风速云图和风速比图

图2 1.5m高风速云图

图3 10m高风速云图

图2和图3分别为3种布局形式的1.5m高和10m高风速分布图，在3种布局中，最大风速均出现在居住区的中间南北向街道的前端，且随着高度的增加，风速有增大的趋势。波士顿后湾式和前滩花园式布局由于具有贯通的内部道路通风条件，好于新月花园式布局。此外，比较3种布局方式中部东西道路两旁建筑及其之间的风速分布情况大小可以发现，当高层建筑前后紧邻排布时，会对之间风速有较强的阻挡作用，而当建筑交错排布或者前后高度成一定的阶梯状分布时，风速有明显增强，风速整体情况有所改善。

图4 1.5m高风速比图

将距离地面1.5m高度处各位置风速与同一高度处不受扰动的进口风速相比得到风速比图，由图4可知，建筑对区域内风速阻挡效果明显，比较,3种布局形式可以发现，新月花园式布局中绝大部分区域风速比为0.2左右，而另外2种布局形式风速比则大部分介于0.2～0.4之间，甚至迎风面部分区域达到0.6左右，建筑布局围合程度越高挡风效应越严重，而居住区采用开放式或者半围合式有利于居住区内通风作用。

3.2 测点图

测点主要布置在居住区及周围主要人行、车行区域以及居住区出入口、广场等位置。以上位置人流量较大，对周围环境要求较高，是住区规划中需要重点考虑的区域。测点布置示意图如图5。

图5 测点分布图

3.2.1 区域周围主要道路

居住区周围有6条主要街道，将其划分为3个区域，测点1～7为住区中央南北向街道，测点8～14、15～21分别为住区西侧和东侧两条南北向街道，测点22～27、28～33、34～39 分别为由北到南3条东西向街道。3个区域各有不同的特征：从区域一的测点可以发现，3种布局在此区域最大风速和变化趋势基本相同，而新月花园式测点最大风速出现位置相比其他2种布局略微滞后，因为新月花园式布局中部街道处向里凹陷，呈喇叭口状，而且街道长度与其它两种布局形式相比较短，因而引起最大风速偏后；区域二中3种布局变化趋势均不同，新月花园式布局中风速由北到南呈先增大后减小的趋势，图形表现为2个驼峰状分布，波士顿后湾式则正好相反，由北到南呈先减小后增大的趋势，图形表现为“W”状，而前滩花园式则为先减小后增大，再减小再增大的趋势，图形表现为“WW”状，此区域，新月花园式平均风速最大为1.67m/s，其次为波士顿后湾式平均风速1.14m/s，前滩花园式平均风速最小为0.88m/s，因为高层建筑对风的阻挡和引流作用，使得风速在周围街处风速有增大趋势，而波士顿后湾式与前滩花园式相比在周围分布有较多低层建筑，对风的增当效果较弱，因而波士顿后湾式风速相对略大于前滩花园式；区域三的测点可以看出，由北到南3条街道风速均呈增大趋势，且测点风速波动越来越大，表明在居住区迎风侧的街道区域风速大小情况好于背风侧的区域，但是迎风侧建筑周围测点和出入口周围测点之间风速波动较大，会给行人行走带来不便，可以在出入口附近种植树木，或者适当减小位于迎风区出入口的尺寸以减小风速的波动。

图6 测点编号及风速折线图

图7 广场及休息区平均风速

3.2.2 小区主要出入口

出入口是住区与外部连接的重要空间，其风环境的优劣对人的出行活动有十分重要的影响。根据相对舒适度（Beaufort）评估标准，出入口风速宜控制在1m/s～2.6m/s之间较为合适，3种布局方式中前滩花园式有较多的出入口风速在此区间内。

风速较大区域集中在居住区右侧空旷的区域的出入口处，当迎风面处出入口风速较大时，在其周围相邻出入口风速也会较大，具有关联性，所以布置出入口时，应当尽量避免其受到遮挡，并且当某一区域风速较小可以通过适当增加出入口数量或者加大出入口尺寸来改善通风。

3.2.3 广场及休憩区

广场及绿地休息区是人们在住区内的重要停留地，通过在3个区域内均布测点，可以监测区域内平均风速，图7表示的是3种布局下分布在4个区域的广场平均风速折线图。由图可以看到：波士顿后湾式风速变化最平缓，但是同时平均风速也最小的，为0.54m/s；前滩花园式变化相对较为平缓，平均风速也是3种布局方式中最大的，为0.98m/s；新月花园式布局中，风速变化较大，北部和南部区域风速相差较大，平均风速为0.88m/s，介于另外2种之间。通过比较广场面积和平均风速发现，两者之间有正相关性，广场面积越大平均风速相对较高。

4 结论

综合以上分析，本文得到以下几点结论。

①高层建筑对低层建筑围合度越高，住区内平均风速越小。当高层建筑在居住区周围围合度较高时如新月花园式，会将风导流向住区四周的街道，对住区内部有较强的遮挡作用；而高层建筑对内部较低建筑围合度较小时，能够引起内部道路风速的增加，住区内通风情况更好。

②高层建筑位置不同对住区内风场也有较大的影响且成因复杂，当高层建筑集中在居住区中部平行风向排布时风速稍差于其垂直风向排布时的情况。

③住区内部随着离地面高度的增加，风速逐渐增大，尤其体现在南北向的贯通的街道处，并且街道宽度越宽风速越大，很多区域超过人体舒适度承受范围，因此在临街建筑应有一定的防风措施。

④高层建筑前后紧邻排布时，对建筑之间风速有较强的阻挡作用。通过对比居住区内部，可以看出建筑之间错开一定的距离或者减小前后建筑的高度，可以有效的改善此处区域风速。