基于风热环境下城市建筑群的风场优化设计策略——以蚌埠临港经开区为例

王东红

(安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

在现实生活中，街道的走向与城市街道风场环境有着密不可分的关系，当主流风向与街道走向相向时，街道内的风受到挤压使得街区内的气流起到“强风”的效果，尤其对于较为狭窄的街道来说，强大的乱流涡旋风再加上升降气流就形成了街道风暴，对行人产生严重影响[1]。此外，污染物在城市中的扩散也受到城市风场的直接影响，例如雾霾、沙尘暴随风进入城市的过程。因此，对城市建筑群风场进行研究是必要的，良好的城市风场廊道有利于营造合理的自然通风环境，以此提升居民舒适度，同样也是解决城市微气候问题的重要方法。

在城市规划设计时，若完全以经济效益为导向，则过高的建筑容积率将不利于营造良好的城市风场环境，因此在方案阶段将风环境这一重要因素纳为评估条件，将有利于项目落地后全生命周期的可持续发展，尤其对良好城市空间形态的营造有一定的指导意义[2]。与此同时，自然通风作为一种有效的被动式策略，对改善城市热岛效应、降低环境温湿度有着重要意义，在保证人体热舒适性的前提下，能够减少空调的使用时间，从而有效降低建筑能耗达到节能环保的目的[3]。

1 研究区概况

1.1 区位现状

蚌埠市位于安徽省北部，是全国重要的交通枢纽，也是推动制造业高质量发展、建设制造强国的重要阵地。蚌埠经济开发区是2001年8月21日经省政府批准设立的省级开发区，位于蚌埠城市中心。位于蚌埠经济开发区的临港产业园西接蚌埠主城区，南连高铁新区，东临凤阳县城，北与沫河口工业园隔河相望，占地面积约53 km2，规划面积约40 km2，规划人口13万人。设有京沪高铁蚌埠南站、行政办公中心、城市客厅-淮河文化广场、国家4A级风景区龙子湖风景区、大学城、科技园等，区内交通便捷，环境优美，宜业、宜居、宜游。

临港产业园重点选择智能制造、现代物流、外向型产业等主导产业精准发力，以“高端智能、现代服务、绿色生态”为发展方向，大力发展以装备制造、硅基新材料、电子信息、现代物流、现代服务为重点的战略性新兴产业。目前已入驻的企业有嘉和绿色建筑产业园、中诚国际港、比亚迪产业园、临港智能制造产业园、馨联动力新能源汽车动力系统产业园、奥福精细陶瓷产业园等多家企业。

1.2 气候特征

蚌埠市的气候属于北亚热带湿润季风气候区与南暖温带半湿润季风气候区的过渡带，全年气温变化的特点是夏热冬冷，春秋季节较为温和[4]。按照《建筑气候区划标准》(GB 50178—93)的规定，蚌埠属于Ⅲ建筑气候区，即夏热冬冷地区。蚌埠市季风明显，四季分明。安徽省气候可行性论证中心发布的蚌埠地区各季节风向频率数据显示，项目所在的蚌埠地区风环境气候特征为：冬季室外平均风速为2.96 m/s，以偏东北风为主；夏季室外平均风速为2.84 m/s，以东风为主；过渡季室外平均风速为2.27 m/s，以东北东风为主(表1)。本文主要以蚌埠的典型风气候作为研究基础。

图1 临港经开区区位图

表1 风向数据表

2 研究方法与模型建立

城市通风廊道除了应该考虑本地区空气污染物扩散和通风良好之外，还应考虑到空气污染物对下风向地区的影响。本项目采用CFD数值模拟的方法对建筑的风环境状况进行模拟评价，其方法是通过搭建建筑物的数学物理模型，通过求解流体流动控制方程，利用数字风洞模拟实际的流动和通风情况[5]。

2.1 数学模型

本次模拟采用的是斯维尔VENT 2020绿色建筑通风软件，该软件是一款为建筑规划布局和建筑空间划分提供风环境优化设计的分析工具，软件构建于AutoCAD平台，集成了建模、网格划分、流场分析和结果浏览等功能于一体。软件操作简单，极易上手，特别针对绿色建筑室内外风环境分析的要求量身定做，把深奥复杂的计算流体力学(CFD)用浅显易用的可视化方式予以展现。

软件采用标准k-ε模型对室外风环境进行数值模拟[6]。

空气的湍流流动可用能量方程、动量方程、连续性方程、组分方程和k-ε方程共同来描述。这些方程都有共同的形式，如下式:

式中四项分别为时间项、对流项、扩散项和源项。其中，φ为通用变量，Γ为扩散系数。

具体方程可用表2表示：

表2 模型控制方程组

表中的常数如下：

2.2 物理模型

根据项目概况以及对项目场地周边情况的了解，本项目场地内主要包括住宅、工业园区、商业建筑，因此在进行室外风环境模拟分析时因考虑了上述因素。根据总平面图、卫星图，建立室外风环境模型，如图2所示。

图2 临港经济开发区模型

2.3 网格划分

网格划分决定着计算的精确程度并影响计算速度，网格太密会导致计算速度下降并浪费计算资源；网格太疏导致计算精度不足结果不够准确，合理的网格方案需要考虑对计算域中不同的部分采用不同的网格方案。对于建筑周围、远离建筑的区域、建筑物轮廓有明显特征的局部(如尖角、凹槽、凸起等细微的外装饰)、贴近地面的区域等处，都需要采用不同的网格方案。下面为本项目所采用的加密方案：

(1)普通网格：指除靠近地面和建筑以外的网格，通常不需要特别加密处理。

(2)地面网格：靠近建筑物的区域称为近场，远离建筑物的区域称为远场。近场的地面网格需要加密，对应地面细分级数较大；而远场地面对应网格较疏，地面细分级数较小。

(3)附面层网格：贴近地面/建筑壁面的空气流动，因为空气自身黏性而受到地面/建筑表面阻滞作用，紧贴地面/建筑壁面的空气流动速度几乎为0，且速度随着与地面/建筑壁面距离的增加而增加，使得靠近地面的一定厚度空气层的流速呈现梯度分布，最终达到主流速度，而这层空气层通常称为流动边界层或者附面层。在做计算流体力学分析时，为了获取边界层/附面层内的空气流动特征，提升分析精度，宜对其中的网格进行分层加密，形成附面层网格。

2.4 边界条件的设定

当气流穿过不同的地区和地形带时，会产生摩擦力而使风的能量减少、风速降低，其本身的结构也发生变化。在近地面，来流风因为地面的影响，是按无限大平板的边界层规律分布的，即呈梯度风，其沿高度方向的速度分布满足下式[7]：

式中：Vh为高度h处的风速，m/s；V0为高度h0处的风速，m/s，本文取10 m/s；n为指数，市区取0.2～0.5，本文n值取0.22。

梯度风示意图如图3所示。

图3 梯度风示意图

除此之外，项目室外风模拟中，冬季、夏季和过渡季的来风方向和大小取自本文1.2节中的风速风向表格。

2.5 风环境判断依据

经斯维尔VENT软件模拟将得到风速云图、风速矢量图、风压等多个指标，参考《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)、《绿色建筑评价技术细则》等建筑标准及相关研究文献，对室外风环境优劣提出具体判断标准。

(1)在冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区距地高1.5 m处风速小于5 m/s，且室外风速放大系数小于2，建筑体迎风面与背风面之间的差值应控制在5 Pa以内。

(2)夏季和过渡季，场地内活动区没有无风区和涡旋出现，50%以上可开启外窗室内外表面的风压差应大于0.5 Pa[8]。

3 模拟结果与分析

对本项目在不同季节典型风场下的风环境进行模拟计算，得到结果如图4所示。

图4 场地整体风环境云图

从冬季场地风环境模拟结果来看，本场地内在建成后室外场地最高风速为5.53 m/s，最大风速处为地块中侧沿湖商业区域、南侧工业园区域、西侧住宅区域，风速放大系数最大不超过2.78。从本项目建成后迎风面与背风面风压图可看出，本项目除第一排外迎风面风压约为3.23 Pa，背风面风压约为-2.17 Pa。从夏季、过渡季场地风环境模拟结果来看，住宅区、商业区、工业区内的人行区域通风良好，整体风环境质量较为良好，但局部风环境应该采取优化措施，尤其是黄泥山附近、淮秀湖两岸较其他位置而言，该区域冬季风压差较大，夏季和过渡季容易出现涡旋等不利因素。黄泥山、淮秀湖风速矢量云图如图5所示。地块东侧住宅区域南侧为二类工业用地，易对该地块周边产生不利影响，因此该区域应采取措施优化室外风场环境。

图5 黄泥山、淮秀湖场地局部风环境云图

4 结 论

城市通风廊道的构建是提升城市空气流通能力、缓解城市热岛、改善人体舒适度、降低建筑物能耗的有效措施，对局部气候环境的改善也起到重要作用[9]。本项目以改善人行区舒适度为基本点提出以下建议：

(1)本地块内的项目从整体规划阶段开始即应该考虑室外风廊的建立，通过调整社区开口方向、梳理社区与周边场地关系、建立建筑之间夹角等方式，控制社区内部风的走向，住宅地块开口应平行于夏季主导风向。

(2)建筑群的总体规划应考虑减轻热岛效应。建筑的总体规划和总平面设计应有利于自然通风和冬季日照。建筑的主朝向宜选择蚌埠市最佳朝向或适宜朝向，且避开冬季主导风向。

(3)建筑群优先采用错位排列、斜向排列及自由式排列。常见建筑群平面布局形式如图6所示。当受地形限制时，可选用斜向排列和自由式排列方式，就具体地形、地势和朝向灵活布置周边排列方式，以此加强自然通风效果[10]。黄泥山南坡建筑利用山势进行台地式布局设计，北高南低布局，以此减少平地日照间距；且气候条件佳，利于通风散热，冬暖夏凉，可以达到节地与节能的最大化。与南坡不同，北坡在规划设计时，应以错开式点状布局为主，建筑之间的间距应比平地之间的间距增大，竖向设计时应尽量缩短北坡的长度，并布置日照要求低的次要建筑，以减少建筑物之间的日照遮挡。

图6 常见建筑群平面布局形式

(4)由场地的风速云图、风速矢量图可分析出淮秀湖两岸的风速较其他位置而言，该区域冬季风压差较大，夏季和过渡季容易出现涡旋等不利因素。因此该区域的建筑体不宜过高，在湖边也应当多种植些树木以减少湖风对该区域的影响；黄泥山东侧住宅区域受黄泥山影响较大，夏季和过渡季无法形成良好的通风环境，因此该区域可以利用地形差，使其产生气压梯度，形成地形风，并将地形风导入架空层，形成舒适的活动空间；场地的东侧用地主要为工业用地，尤其该地住宅区域南侧为二类工业用地，易对该地块产生不利影响，因此沿湖住宅用地在设计时应利用变截面和高差引风的方法改善住宅环境。