基于三维GIS的室外风环境的研究与应用

摘 要 高层建筑的密集化现象在香港已经引起了一系列自然环境问题，其中室外风环境的恶化已困扰市民多时。利用三维GIS技术对城市区域进行三维建模，并以数字正射影像和数字高程模型为基础构建精确地形模拟，三维建筑模型与地形信息结合构建三维可视化场景，最后对研究区域的风环境进行数值模拟与分析;与以往的研究相比，在建筑模型的基础上增加了地形信息，并利用三维GIS技术将建筑空间、属性信息引入三维模型中，以便在数值模拟中获得更为科学、精确的结果，具有传统手段不可比拟的优势，可为城市的规划与发展提供有益参考。

关键词 室外风环境;三维GIS;三维可视化;数值模拟

前言

香港作为全球人口最为密集的城市之一，因为城市土地面积的限制，为了尽可能地在有限的面积内容纳足够多的居民，香港建筑通常呈现出楼密且高的状态。近年来，各大城市的高层建筑密集化发展已经产生了一系列城市环境问题，包括自然通风问题、城市噪音、日照问题等。而香港在改革开放后的飞速发展中，大量的尾气、废弃也被排放并聚集在空气中，更为严重的是，由于过去缺乏科学合理的城市规划和建筑结构设计，香港城区的空气环境质量日趋恶劣。

室外空气环境在城市的微气候中有着重要的作用。不同方向的流通空气在城区聚集将会严重影响我们日常生活。而风速过小，易造成废弃废热在不通风的地方堆积污染。人们已经意识到室外空气环境对于日常生活的重要影响，香港政府如今也将建筑室外空气环境作为一个重要因子应用于城市规划中。

1三维建模

近年来，随着传统二维（2D）数据的扩展，三维（3D）模型变得非常流行。3D模型可提供更好的可视化效果并提供3D信息。但是，由于数据收集的限制，3D模型在建立和更新方面需要做更多的工作。由于数据采集的巨大投资和技术要求，城市三维模型的应用被束缚。一般来说，选择哪种数据或建模方法取决于数据的准确性，项目预算和建模时间。

City Engine：由Esri R&D Center Zurich（以前称为Procedural Inc.）开发的3D建模软件City Engine，以过程建模方法在电影、建筑物和视频游戏的城市场景创建中的应用而闻名。City Engine根据可理解规则的一组层次结构从头开始创建城市环境，这些规则可以根据用户的需求进行扩展[1]。这种方法可以在较短的时间内有效地创建详细的大型3D城市模型。City Engine提供了从不同数据集中提取、使用和管理地理信息的方法，包括文件地理数据库格式和shape file。此外，它允许执行多个GIS任务，例如数据编辑、地图绘制、空间分析、数据管理和在线信息共享。City Engine的主要优势是基于现有GIS数据创建3D城市模型。考虑到这一点，本研究采用City Engine软件进行3D建模。

2室外风环境模拟分析

CFD解决了一些偏量守恒方程（Navier-Stokes方程）、能量、质量、化学物质浓度和湍流守恒。它提供了室内和室外空间的空气速度、压力、温度和湍流参数的场分布。尽管模型仍然存在一些不确定性并且需要高性能计算机，但CFD在通风模拟和评估中越来越受欢迎。

2.1 数值模型

当前的数值模拟是基于控制方程的解，该方程描述了建筑物周围和内部空气运动产生的流场，即传质的连续性方程以及动量和湍流建模方程式。CFD解决方案技术采用迭代或重复过程来不断重复解决方案，直到达到收敛为止。在稳定模拟状态下，当收敛线趋于平行且斜率变为零时，则认为解决方案已收敛。计算后，通过使用独立或内置的后处理程序获得的结果，可以同时提供定量和定性的输出。

2.2 评估标准

对于风环境的评估标准有很多种，可以通过建筑物周围强气流的出现来评估环境影响。仅考虑风速的风力尺度具有局限性，因为风对人的影响不仅取决于风速作为影响因素，还取决于频率、瞬时强风等。此后，Penwarden提出了新的风环境评估标准，即如果风速超过5m/s的频率小于0.2%，则风速是可以接受的。在本研究中，我们将风速超过5m/s的区域视为“不舒适区域”。

2.3 模拟软件

如今，各种CFD软件包可用于市区的室外风流模拟。但是，由于缺乏对适用性、准确性和标准化方面的系统和全面研究，CFD软件包需要进一步发展。常用的仿真工具有Airpak、Phoenics、WindPerfect、Star-CD和Fluent等。本研究根据研究区域所在建筑群特征，根据软件的普适性、多模型选择性、网格划分的易用性、计算的高效性及结果稳定性选用CFD-Phoenics进行室外风环境的模拟。

3项目实施

3.1 研究区域及数据准备

红磡地区拥有高密度建筑和人口。它可以看作是长期受室外风环境问题影响的整个城市的缩影。因此，本文选取香港红磡地区的黄埔花园建筑群作为研究区域。

基本地图数据包含数字地形模型（DTM），数字正射影像（DOM）和2D GIS数据。为了精确建模，所有比例为1∶1000的原始数字数据都是从香港地政总署测绘处获取的。在将数据导入City Engine之前，必须将特定属性添加到GIS数据中。由于原始数据中的属性丢失或不足，因此必须在ArcGIS中对其进行数据处理，以增加属性以用于之后的建模工作。

3.2 三维建模

在建模阶段，只需将DTM和DOM数据导入City Engine。该软件将DTM和DOM分别视为地形和纹理底图。同时，在导入数据时可以显示DTM的最大和最小高程信息。接下来，将建筑物数据导入City Engine。由于建筑物地图没有高程值，因此建筑物GIS底图数据被地形底图覆盖。可以进行“将形状与地形对齐”和“将地形与形状对齐”的操作来解决此问题。但是，某些建筑物形状可能仍在地形下，可以在City Engine中手动进行。如前所述，当将GIS数據引入City Engine时，我们可以同时看到对象属性。根据建筑物高度的属性，只需使用拉伸操作即可创建CGA规则。然后，将创建的CGA规则应用于建筑物形状，然后快速生成整个研究区域中的建筑物模型（如图1）。

3.3 数值模拟与分析

本部分旨在分析黄埔花园所在的红磡区黄埔花园建筑群室外的典型风况。尽管风在速度和方向上处于不稳定状态，但夏季或冬季存在明显的风向。因此，在分析期间讨论了一种盛行风的情况并使用CFD-Phoenics软件进行数值模拟。

模拟区域大小：区域的大小会影响仿真精度和计算结果。因此，正确设置域大小至关重要。在这种情况下，x，y和z轴的长度分别设置为1200、1200和700m。网格生成：计算网格是CFD中的关键元素，因为它确定了流场的分辨率级别。如果太大，则无法获得精确的气流分布计算;另一方面，如果太大，则分析将花费大量时间。因此，在这种情况下，已应用非结构化网格，并分别为x，y和z轴设置了180、180和120个网格。夏季盛行风向为东南风，风速为3 m/s。湍流模型：标准k-ε模型。

在行人高度1.5m处，气流以3 m/s的速度从东南方向流入。从速度等高线的结果可以看出，大部分区域的气流速度低于2.5 m/s，有些地方甚至成为无风区域。这是因为建筑结构过于密集，无法保持气流交换。受密集的建筑群影响，建筑物周围某些区域的气流速度几乎为零（如图2a所示，用红色圆圈表示）。这表明夏季的风况对空气流通极为不利。这可能会导致污染物收集和该地区不舒适的风环境。此外，结果还显示了计算区域中的最小和最大速度，最小速度出现在北部区域两座建筑物之间的狭窄廊道中。

气流经过建筑群时，传入的风将改变方向。在建筑的一角，气流速度迅速增加（如图2b所示）。在图中带有红色圆圈的位置，速度范围介于3m/s和5m/s之间。根据Penwarden的风力评估标准，风速为1.5m/s至5m/s的位置适合在夏季体验舒适的户外风环境。

夏季，盛行风来自东南，对迎风建筑立面的压力很高。图2c显示，在行人水平处，压力达到上风建筑立面的6 Pa，而在另一侧，压力值保持为负。由图可知，迎风建筑物的前后压力差较大。在行人级别，其余所有建筑物的压力在所有立面中均保持为负，并且前后侧之间的压差保持在1到5Pa。这种风压下，它为打开窗户通风提供了良好的风力条件。

在50米的高度处，压力轮廓线指示建筑迎风面承受的压力高于1.5米处的水平。随着建筑物高度的增加，压力差越来越大。在建筑群的高层，由于气流压力差大，人们在打开窗户时可能会感到不适。根据模拟结果，在本研究区域，夏季室外通风环境不足以使市区降温，该区域远离海边，处于高温环境。

从模拟结果来看，风环境问题主要出现在高层建筑旁边，这导致建筑物间隙廊道的高风速产生，而由于该建筑群楼宇过高、过密导致区域内相当多的无风区产生。过大和不足的气流速度严重影响了居民生活的舒适和健康。

4结束语

本文提出了一种将3D GIS与CFD相结合的预测和分析室外风环境的方法。首先，介绍了在City Engine软件中基于3D GIS的3D建模方法。其次，一旦获得研究区域三维模型，建筑模型的选定部分将被导入到CFD-Phoenics中以进行数值模拟。最后，根据数值模拟结果，对通风环境进行了分析和预测。结果表明，红磡区黄埔花园区域，由于建筑物的密集化、高度化等缺乏科学合理的建筑结构导致红磡黄埔花园居民区出现大量无风区，并将导致大量废气废热的聚集，且不利于室内空气交换流通，进而在该区域产生不健康的居住环境。

事实证明，室外通风在人们的日常活动中对自然环境起着重要作用。过去，由于对室外风的了解不足，人们忽视或较少关注高层建筑和密集建筑物导致的通风不良。对于城市规划师和建筑设计师而言，創建绿色建筑和舒适的环境始终被视为至关重要的问题。因此，在规划和设计之初，应充分注意风环境，以考虑建筑群的影响。尽管过去几十年来在香港建造了大量的高层建筑，但是相应的风环境评估标准仍然缺乏经验。幸运的是，近年来人们已经意识到户外通风的重要性。可以预见，越来越多的研究工作将集中在室外风环境问题上。

参考文献

[1] Pascal Müller， Peter Wonka， Simon Haegler， et al. Procedural modeling of buildings[J].ACM Transactions on Graphics（TOG），2006，25（3）：614-623.

作者简介

郑翮（1989-），男：学历：硕士研究生，职称：助教;现就职单位：江西应用技术职业学院，研究方向：摄影测量与遥感。