建筑布局对风环境影响的研究

陈惜墨

（浙江安防职业技术学院）

1 引言

通过控制城市建筑局部使通风效率提高，以实现对微环境的优化，是当前优化风环境的重要手段。近年来，在建筑设计中考虑室外风环境已成为研究热点。如国内的杨俊宴等人从风环境演变过程和评价体系出发，建立建筑室外风环境评价体系[1]，侯璐等人通过分析总结建筑风环境的方式，从建筑整体布局和单体设计等方面提出优化风环境的策略[2]，国外的Rajago palan等人研究了城市热岛效应的影响因素[3]，T.van Hooff等人研究了风环境不同时，建筑模型与周边环境的联系[4]。当前，虽然已有较多前人针对建筑布局与其风环境间的联系进行分析，但从建筑布局入手开展的研究仍较少。为填补研究内容的空缺，笔者以某Ⅱ类居民小区为研究对象，从建筑朝向以及裙房分布入手进行分析。

2 风环境数值模拟方法

2.1 软件介绍

通过建筑行业领域中有关流动和传热常用的CFD软件PHOENⅠCS[5]进行分析。建筑界常使用该软件中的FLAⅠR模块模拟计算室外风环境。

2.2 模拟流程

通过软件Sketch Up进行建模，基于建筑的实际高度，结合全景地图进行考虑。建模时拟定层高为3m。建模时在不影响所得结果的基础上尽可能简化，以提高模拟效率[6]。

使用CFD数值模拟软件进行分析时的核心在于通过计算机求解数学方程。因此在软件模拟过程中各项假定条件均可进行设置。在CDF软件中设置风环境的流动是核心，本文所使用的是RNGκ-ε模型。

建模时划分的计算网格分别为：目标建筑以0.5m～1m细间距进行网格划分、周边建筑以2.5m～10m的稍宽网格进行划分、整体区域以5m～15m的宽网格进行划分。

基于模拟计算得出风速云图，按照不同的颜色判断风速的大小。根据风速矢量图中的箭头方向确定风速方向，且可从建筑的表层压力云图中，根据不同的颜色判断风速大小，以统计分析风速数值。

本次研究以某二类建筑区为对象，该小区有975万m2的用地面积，东边与西边、南边与北边的距离分别为5265.46m、2885.3m。模型见图1。

图1 三维建模俯视图

3 建筑朝向对风环境的影响

3.1 小区建筑朝向分析

对城市微气候而言，小区室外的风环境是重要影响因素。而对小区建筑所处的风环境而言，建筑空间布局及建筑群体布局均会对其产生影响。因此，对风环境进行探讨，离不开对建筑朝向的分析。

从现场调研发现，小区行列间有规整的建筑单体，未出现错落曲折等情况，因此在其原有模型的基础上衍生出十四个模型，模型基准为南向（以s表示），以5°作为标准旋转角度，分别向西侧（以w表示）和东侧（以E表示）旋转，以改变建筑朝向，模型中不改变其他因素。模型中，建筑单体有四种不同的基本尺寸，长宽高分别为：80m×15m×33m、60m×15m×33m、80m×15m×54m、40m×15m×54m。

3.2 主导风向与建筑朝向夹角行人高度处风环境分析

以CDF数值模拟进行分析，模拟结果整理如下：在夏季环境东南偏东（ESE）的主导风向下，南偏西35°（SW35°）到正南（S）、南偏东35°（SE35°）到正南（S）的区域内，行人高度处的静风（0-0.5m/s）和弱风（0.5-1m/s）的区域逐渐变少，表明建筑朝向为正南的居住小区有更少的夏季静风面积，即其有着较好的夏季风环境；在1-2m/s间各个建筑朝向的数据分布较为均匀，正南方向有较大的2-3m/s以及最大风速的风环境，场地内有更好的风环境，表明空间布局更为合理。

在冬季环境西北偏北（NNW）的主导风向下，建筑拐角处的行人高度分布有较大的冬季风速，并且长度越长，迎风面建筑的第一排越是垂直于主导风向，拐角处风速越大。静风区域面积在南偏西35°（SW35°）到正南（-S）、南偏东35°（SE35°）到正南（-S）的区域内逐渐减小，但居住小区在SW（南偏西）方向有类似的静风区域，最大值和最小值的差值仅为3%，而SW（南偏东）方向静风区域有较大差值，两者约为16%。表明居住小区在SE方向有更多的冬季静风，即其舒适程度更高。在冬季环境下，相比于南偏西（SW），南偏东（SE）的平均风速更小，且0-0.5m/s和0.5-1m/s的风速区域面积均较小。因此，朝向为SE的居住小区有着更好的风环境，冬季环境下风环境最佳的是朝向为SE30°的居住小区。

3.3 建筑朝向对风环境的影响分析

基于上文所得结果，对夏季和冬季环境下的朝向角度最佳的建筑室外行人高度风环境以及建筑原型的室外风环境进行分析，所得结果见图2。

图2 不同建筑布局下的平均风速对比

从图2中可以看出，在SW10°到SW15°范围内居住小区建筑的平均风速有较大起伏。无论是夏季还是冬季，小区内部平均风速在正南向的数值均较大。采用Weather Tool工具，计算出有着相对均衡且适宜的热辐射建筑朝向。结果可知，基于热辐射的考虑，在平面规划布局上小区建筑的最佳朝向为SE25°。

针对所得的平均风速量化结果，综合室外风环境以及热辐射的影响，以降低冬季风速为目的，可得冬季环境在SE30°方向下有最小旋转角度下的数值——0.891m/s的最小风速。以提高夏季风速为目的，可得夏季环境在S方向下有最小旋转角度下的数值——1.642m/s的最小风速。从所得范围可知，SE10°到SE25°的范围内对建筑室外行人高度处的风环境有较大改善。因此，该地区的行列式小区建筑朝向的最佳范围为SE10°到SE25°。

4 裙房的影响

4.1 裙房分布在四周时对行人高度风环境的影响

结果如图3所示。无论是夏季主导风向或者冬季主导风向，随着不断增加的风速和平均风速的减小，变化趋势呈现指数性，有着最快变化的是4m-8m的风速，该值之后的风速变化趋于缓慢。

图3 裙房分布在四边时不同高度布局风速数据对比

建筑迎风面面积随着裙房高度的改变也随之改变。地块居住小区迎风面的“风墙效应”随着不断增加的裙房高度越发明显，导致地块居住小区内部的静风区（0-1m/s）面积逐渐增加，舒适程度逐渐降低。并且随着不断增加的裙房高度，居住小区在冬季有较强风速的角流区出现。因此可以通过建设裙房的方式，使居住小区建筑物不至于过高，确保建筑背风面能够被迎风面的下沉气流渗透，以此改善风环境。

4.2 西北向和东南向裙房影响分析

从CDF数值模拟结果可知，当裙房分布在西北向，即裙房分布在小区两个方向时。在不改变其围合度，只对裙房高度作出改变时，从其风速变化情况上看，随着不断增加的裙房高度，分布有裙房的建筑内部风场活动逐渐变弱。在夏季环境的主导风向下，相比于四周有裙房的情况，西北向分布有裙房时更为开敞，风的渗透性更强，在0-1m/s的风速范围内仅有较小的风速分布，原因在于小区建筑内部南部有通畅的风场，而裙房周边有涡流分布。在冬季环境的主导风向下，西北方向的建筑迎风面有较高围合度，使气流在朝向内部渗透时受到阻碍，导致行人高度处的风环境受到较大影响。

居住小区内部建筑迎风面在夏季环境下有较为通透的风场，且连续性较高。风场内部平均风速随着不断增加的高度也在不断增加。当裙房高度为16m时，建筑有大面积连续的迎风面，且下风位置的角流区风速较大，而小区的平均风速随这些较大的风速而增加，并且平均风速变化较不规则。风场在冬季环境下稳定性较强，平均风速随着不断增加的高度而逐渐变小。对比四边有裙房的情况可知，在东南方有裙房时，对风环境的影响与西北向有裙房时对风环境的影响相似，建筑内部风环境均比四边有裙房的好。

5 结语

建筑物长边平行于主导风向或与其保持30°以下夹角时，风环境对其产生的阻碍较小。但背景小区夏冬两季基本上都是90°的主导风向，研究所知，其最佳朝向角度为10°到15°范围。建议该Ⅱ类建筑区在满足日照以及室内通风的前提下，应按照南偏东10°-15°的长边排列方式进行设计。

在裙房的建设形式上应尽量避免连续且高层，避免建筑背风面小区内部被迎风面下沉气流渗透，对风环境产生影响。应适宜减少部分建筑面积，在西北向建设一至二层不连续的裙房；当小区进出口设置在西侧时，宜靠近南侧区域设置；当小区进出口设置在东侧时，宜靠近北侧区域设置，以减少冬季风产生的不舒适区域。