拟建建筑对周围区域风环境影响研究

冯建东，葛健，汪世杰，冯帅，蒋腾武

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

随着时代发展，人、建筑以及环境之间的联系越来越紧密，由于建筑外形和布局趋向多变，可能引发一系列问题。在区域建筑扩建时，因新增建筑的影响，局部风环境会发生较大改变，行人高度水平风PLW(Pedestrain-level wind)直接对行人带来不利影响，国内外都曾发生过由于不良风环境造成人员伤亡的事件；另一方面，风速较小也会造成污染物沉积，引起建筑周围空气质量的持续恶化。通过对历史风环境进行CFD模拟表明，城市风损逐年增加，城市空气通风对城市形态设计愈发重要；因此，建筑对区域风环境的影响已成为优化规划布局设计评判的重要指标。

国内外自20世纪70年代以来即开展了对行人风环境的研究，对于群体建筑风环境：Murakami等人通过对高层建筑被低层建筑包绕情况的研究，表明高层建筑会显著改变建筑群内的风环境，PLW速度将提高到孤立单体情况时的2～4倍；Qureshi M.Zahid Iqbal等人研究了滞流区和尾流区对建筑周围通风能力和风舒适度的影响，揭示了建筑的朝向和间距对再入角处风循环的重要性；马剑比较8种不同布局型式的建筑群周边行人风高度的风速比和矢量场，获得风环境状况与建筑平面布局之间的一些定性和定量影响关系；Janssen等人针对不同建筑群内风环境评价准则，通过比较表明不同的评价准则会导致风舒适性评价结果的不同，为建筑群风环境评价准则的选取提供了借鉴意义。然而，已有研究主要针对建筑固定布局，对于拟建建筑对周边风环境影响，以及行人风的舒适度研究甚少。

对建筑风环境的研究方法通常有三种：实地测量、风洞试验、数值模拟。其中实测所需实验条件过高，风洞试验可以在一定程度上模拟建筑风环境变化，但风洞试验模型测得的结果往往与实际结果有一定差距，而CFD数值模拟可以获得详细的环境气动信息，与传统模式相比具有分析时间短、人力成本低、投资较少的优势。针对拟建建筑对区域风环境影响，以某校区内建筑群体布局为对象，考虑当地实际季风情况，模拟分析布局内拟建建筑对PLW分布的影响，以期对指导布局规划设计，改善局部微气候（行人舒适度）提供科学参考。

2 流动控制方程以及风环境评价准则

2.1 流动控制方程

采用Realizable k-ε模型进行风场计算，利用湍流统计理论处理瞬时的NS方程，将基础方程中的物理量分为平均值和脉动值，求解平均值和脉动值得统计量对应的方程式，将瞬态的脉动量进行时均化处理。

Realizable k-ε模型通过修正耗散率ε方程使ε方程的产生项与k方程的产生项独立，从而更好地反映能量在谱空间中的传播。该模型广泛应用于边界层流动、剪切流、射流和腔流流动问题，特别在平板射流问题中能给出较好的射流张角，其输运方程为：

式中：G为湍动能生成项；C=1.9，σ=1.0，σ“ =1.2”。

2.2 风环境评价准则

考虑行人舒适感以及建筑间气态污染物衰减速度，选取放大因子作为风环境舒适性评价指标。

式中，A——不同位置处的放大因子；

U——不同位置处行人高度（取1.5m）的风速；

U——取60m高度处未受建筑群影响的来流风速作为参考风速。

由于风速的随机性及不确定性，评价行人高度风舒适性多采用概率统计的方法。对于多数风舒适性评价准则，概率公式的基本形式为：

风舒适性标准表 表1

式中：p——风速大于舒适性临界值的概率；

v——空间中某一位置的实际风速；

v——预先设定的临界风速；

p——全年条件下行人在特定活动中能够接受的概率。

采用Verkaik等人提出的风舒适性标准，如表1，对风环境舒适性进行评价。

3 数值模拟

3.1 计算模型

选取某校区局部建筑群作为研究对象，对该区域建筑编号（见图1），其中拟建建筑C、D的位置位于图1（a）黄色边框内。

图1 拟建建筑区域示意图

按照全尺进行CFD模型建模（见图1（b）），其中红色建筑表示拟建建筑，蓝色建筑表示已有建筑。以逆时针旋转为正，考虑正北风（0°）、西北风（45°）、正南风（180°）和东南风（225°）四种风向（见图1（c））。

3.2 计算域及网格剖分

计算域的设置见图2所示。计算模型采用Robust（Octree）式的四面体网格生成方式（Tetra/Mixed），对壁面区域网格适度进行加密。图3为0°风向下计算区域的网格剖分。

图2 计算域

图3 计算域网格划分

3.3 边界条件

①计算域入口设为速度入口，如图4所示。

图4 计算域速度入口风剖面示意图

采用指数型风剖面：

式中：Z表示离地高度(m)；Z表示参考高度(m)；V表示Z高度处的风速(m/s)；V表示参考高度处（10m）的平均风速(m/s)，风场计算取用10m/s；α表示不同地貌代表的地面粗糙度指数，本文涉及的地貌类型设为C类，α取0.22。

②入口处湍流强度边界条件采用湍动能和湍流耗散率描述：

式中，I为入口处湍流强度剖面；L为入口处湍流长度尺度，一般选择为最高建筑物高度；C=0.09，K=0.42。

上述入口处风速和湍流强度等风场边界条件均采用自定义函数（User-Defined Function）编译运行。

③计算域顶面和两侧面，由于距离建筑物较远，建筑对风场的扰动可忽略不计，设为滑移壁面，且两侧面对称设置。

④计算域出口设为自由出流。

⑤地面和建筑物壁面均设为无滑移壁面。

4 结果分析

4.1 放大因子分布

对四种风向下有无拟建建筑的布局进行模拟，获得区域放大因子的分布云图（见图5）。由图表明，180°风向下，拟建建筑对周边风场的影响极小；0°、45°以及225°风向下，拟建建筑对周边风场影响显著，导致局部放大因子出现较大变化，如45°风向下C、D建筑间局部区域放大因子由0.42增大至0.98（见图5（c）（d）），且拟建建筑C、D周边狭管效应显著增强。

图5 不同风向下区域放大因子分布云图

0°风向下C建筑物北侧壁面边缘放大因子较大，壁面中间放大因子较小。C建筑物南侧以及D建筑物附近放大因子普遍较小。C建筑物和D建筑物整体东侧比西侧放大因子更大。新建C和D建筑物之后，B建筑C建筑之间的放大因子变大。D建筑与E建筑物之间放大因子变小。

45°风向下，C建筑物东北角以及CD建筑物之间的放大因子大幅增大。且新建CD建筑物之后GF建筑物之间的区域放大因子整体增大。

225°风向条件下，C、D建筑之间的狭管以及B建筑物的南侧区域放大因子明显增大。新建C、D建筑物之后，A建筑物的西侧放大因子明显减小，缓解了A建筑物与其西侧整体区域之间的狭管效应。

4.2 风场流线分析

图6给出了拟建建筑周边风场流线。由图表明，在0°以及180°风向条件下，拟建建筑存在时，将引起原有区域出现更多旋涡。

图6 不同风向条件下拟建建筑周边风场流线图

分析有拟建建筑情况，0°风向下，相对于无拟建建筑情况，虽然B建筑背风处的涡流消失，取而代之的是拟建建筑立面边缘处风速显著增大，且在背风处形成较多涡流和低压区；180°风向下，原无新增建筑情况下B与E之间空地的大涡流消失，B与C、C与A之间形成小涡流，F背风处的涡流更加贴近建筑。在以上两种风向条件下，新建建筑后，建筑周围涡流数量明显增加，风环境趋于复杂，由于空气流通不畅，导致污染物滞留，行人舒适度也明显下降。

4.3 风环境舒适性评价

依据中国气象数据网给出的所在地区全年日平均风速分布图（见图7），统计获得全年80%时间内来流风速小于2.9m/s，即p(ν≥2.9m/s)≤20%。

图7 某市全年日平均风速

基于风舒适性标准，给出拟建建筑周边风舒适性区划图（见图8）。

图8 不同风向条件下拟建建筑区域舒适性区划图

除180°风向下E、F两栋高大建筑基本阻挡住来流风，其余三个风向下拟建建筑均对区域风环境产生显著变化，C、D建筑建成前舒适性等级以Ⅰ为主，建成后出现大面积Ⅴ级区，对行人舒适性产生负面影响。有拟建建筑，0°风向下B、C中间舒适度下降为等级Ⅴ，G内部也有不同程度的下降；45°风向下，A、C、D区域附近舒适度严重下降，变为以Ⅴ为主；225°风向未建建筑前舒适性就很差，以Ⅴ为主，新建建筑后未有改善，且在C、D之间的通道至G南侧由等级Ⅰ降至等级Ⅴ。新建建筑后，区域内除180°风向外，其余三个风向整体风舒适度有明显下降。

5 总结

针对实际建筑群区域，模拟分析拟建筑建成前后周边风环境，以及行人高度处风环境的舒适性，获得以下结论：

①当建筑群体总体朝向与来流风向一致或相反时，拟建建筑影响下的区域涡流数量增加，拟建建筑周边区域放大因子整体较小，行人高度处舒适性较高，满足行人在三种状态下的舒适性要求；

②当来流风向与建筑总体朝向有偏角时，拟建建筑周边涡流数量较少，且由于狭管效应的作用，其周边放大因子按片状呈现增大的现象，导致该区域内行人舒适性较差。