基于CFD模拟的湖南湘雅医院室外风环境优化★

舒 阳,陈哲敏,董贺轩

(1.武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430000; 2.华中科技大学建筑与城市规划学院,湖北 武汉 430000)

1 背景与问题

医院作为城市空间中重要的传染源聚集区，其室外环境小气候对患者、医护人员乃至城市居民的生理和心理健康都具有较大影响。特别是当前新冠疫情在国际范围内持续蔓延的大背景下，营造更健康的医院室外风环境，减少污染物集聚、降低呼吸道疾病传播风险，对健康城市建设具有重要意义。 本文将以流体力学为理论基础，利用CFD模拟技术对湖南湘雅医院进行风环境模拟分析，重点分析医院室外空间风环境，针对易引发污染物集聚的现状突出问题，提出相应的空间设计优化策略。

2 研究方法及框架

2.1 CFD模拟技术应用

CFD(Computational Fluid Dynamics)即计算流体动力学，是一种将流体流动的数值进行模拟，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来的技术。该技术自1974年起被大量应用于制造业领域，近年来更被广泛应用于建筑环境的模拟研究工作，并取得了长足发展。CFD技术最初被运用于建筑单体的风环境模拟，如BERT B.，CARMELIET J.，STATHOPOULOS T.(2007)利用计算流体动力学评价建筑墙体粗糙度对风速的影响[1]；后期随着技术的愈发成熟逐渐被用于建筑群及更大范围的城市空间的风环境模拟，如Azli Abd Razak(2013)通过模拟建筑物阵列上的气流来评估城市风环境[2]；近年来更与人工智能相结合提升模拟精度，如田中秀行(2019)通过风环境模拟的计算优化与机器学习，更精准预测并缓解高层建筑周边局部强风[3]。

在国内研究中，CFD技术在建筑风环境的模拟应用也已从最初的室内风环境模拟向更复杂的室外风环境模拟发展。但目前室外风环境模拟的研究范围还集中于城市街道、住区等的污染物模拟与布局优化研究，例如在城市尺度上蒋德海(2006)对城市街道峡谷空间气流和污染物分布进行数值模拟[4]；街区尺度上陈伟、梁境(2011)对某小区建筑风环境进行模拟分析研究[5]，朱蕾(2014)对城市商业街的可吸入颗粒物进行扩散模拟并提出街区空间布局优化方案[6]；建筑单体方面姚佳伟、黄辰宇等(2021,2019)对建筑室外风环境综合评价方法的研究[7]等。利用CFD技术专门针对医院等重要公共建筑室外风环境的模拟研究目前还十分有限。特别是对医院建筑的风环境模拟主要还集中于室内风环境，且多应用于医院绿色建筑设计策略及评价中，如彭德健(2012)、张旻(2016)分别对广东和太原的医院绿色建筑进行了风环境模拟[8-9]。但是纵观以往的研究发现利用CFD模拟分析优化医院室外风环境、减少污染物集聚的相关研究鲜而有之，特别是在对院区室外风环境问题的整体把握和梳理，从模拟分析到空间优化策略生成的系统方法方面亟待更有针对性的深入研究。

2.2 CFD模拟软件工具

对院区的室外风环境模拟，拟采用整个工作流程以Rhino平台进行现状重建及方案优化，调用OpenFoam模拟，ParaView对结果进行可视化的方式，此流程能在方案修改的同时，同步模拟，并对优化方案进行快速准确的可视化呈现。

OpenFoam相对其他主流CFD商业仿真软件如Fluent，Phoenics，是一个免费的开源软件，同时，其SnappyHexMesh功能能对分析网格进行六面体划分，更好的贴皮分析网格，确保分析的精确性，同时OpenFoam支持多核心并行计算，缩短模拟时间，由于OpenFoam以代码编译，无可视化的窗口界面，存在着初学者不易上手的问题。

2012年由宾夕法尼亚大学的Mostapha基于Rhino的grasshopper平台上开发了Ladybug套件，使用户在Rhino计算机辅助设计软件上能直接调用OpenFoam，在保持OpenFoam优势的前提下，面向设计师方案阶段的可视化编程方式进一步减少使用者学习难度，同时具备同步参数修改和同步模拟能力。ParaView是一款开源的可视化软件，能将CFD结果进行可视化表达，可以处理数十亿个非结构化单元，并处理超过万亿个结构化单元，使用ParaView能快速清晰呈现模拟结果。

2.3 研究框架

研究框架图见图1。

3 CFD模拟分析

3.1 区域风环境特征

长沙位于亚欧大陆东南部，其地域范围为东经111°53′～114°15′,北纬27°51′～28°41′。由于长沙处于东亚季风气候区西侧，其气候为具有大陆性特点的亚热带季风湿润气候，夏季潮湿闷热，冬季阴冷。风向特征主要表现为平均风速2.3 m/s，主导风向为西北风135°。由于城市发展的历史原因，中心城区中破旧的两三层老建筑与百米高层建筑并存，各街区风热环境现状复杂。

3.2 医院场地概况

中南大学湘雅医院(Xiangya Hospital of Central South University)始建于1906年，如图2所示医院位于湖南省长沙市市中心开福区。院区东临城市主干道芙蓉中路，西邻蔡锷北路，南接留芳岭巷，北靠湘雅路。医院周边居民区环伺，公共建筑林立，所处城市环境复杂，区域内建筑高度差异大，建筑密度高，建筑间距较紧迫。

医院由西北部老院区和东南部新院区组成，如图3所示院区内新老建筑并存，总建筑面积51万m2，老院区北侧为湘雅红楼多层建筑群，陆续建于1915年—1955年，现已被列入第八批全国重点文保建筑，目前主要用于行政用房、儿科病房和部分门诊；南侧为外科楼和多层集体宿舍；另有一栋高层教学科研楼于2018年建于场地西南角。新院区则主要由多栋高层综合医疗楼相互连接而成：北侧为门诊大楼及A，B，C三栋综合医疗楼，南侧为南区大楼及D，E两栋综合医疗楼。院区主要患者入口通道和对外公共活动空间集中在场地东北角的门诊广场、新旧院区中间区域和东侧医技楼入口区域。

3.3 室外风环境模拟及现状问题

3.3.1 划定重点研究区域

根据医院建筑的布局特征以及风与气悬污染物之间的关系，此次对医院室外风环境的研究重点集中于门诊广场及各就诊主入口、各主楼之间以及传染病科室周边，具体包括以下三个区域：第一是图4中以门诊广场为代表的各门诊主入口，因其特殊的地理位置及功能属性，极易产生人流聚集，亦是多类细菌污染物发生交叉感染扩散的主要场所；第二是图5中的外科老干楼前后区域，这里是免疫力较薄弱人群的高频活动区，该区域对污染物的快速消散的要求更高；第三是图6中的传染病科室周边区域，作为院内传染源最密集的区域，其周边特别是下风区，是医院室外污染物最易集聚的区域，应予以重点关注。

3.3.2 建模与模拟

根据地块测绘资料及无人机三维倾斜摄影在Rhino建模软件中重绘场地，在grasshopper平台上启用butterfly插件，基于长沙的气候特征，以135°西北风为主要风向，2.3 m/s 为初始测算风值，构建风洞，风洞尺寸为1 200 m×1 200 m×300 m，开启SnappyHexMesh贴皮网格(细化网格)对Rhino模型自动进行六面体表面贴合细化，采用雷诺平均模拟，稳态不可压缩模型求解器，迭代次数4 000次，对医院进行室外风模拟分析，模拟结果使用Paraview进行可视化。

3.3.3 划定重点研究区域

对上述模拟结果进行分析梳理，发现易造成院区污染物集聚的室外风环境突出问题主要包括静风区、区域漩涡和缺乏有效通风廊道三方面，具体分析如下：

1)静风区问题。

在Paraview软件调整Clip至Z轴1.5，显示人行高度1.5 m处风环境情况，模拟结果显示老院区由于建筑布局不合理，建筑尺度失衡等问题，成为静风区产生最频繁的区域。如图7 所示其中院区的门诊广场，易产生人流集聚效应的各就诊和检查大楼主入口存在多处静风区，其中1号区域住院部入口及前广场风速约为 0.3 m/s；2号区域急诊入口前广场风速约为0.5 m/s,6号区域手术日间病房入口风速约为 1.4 m/s；7号区域D区入口及前广场风速约为 1.2 m/s；8号区域科研教学楼入口风速约为1.3 m/s。以上区域风速均小于1.5 m/s，属于蒲福风级1级软风，风速小不利于污染物消散，气悬污染物易聚集。

如图8所示门诊大楼北侧广场由于建筑连续面宽尺度大，建筑背风面做内凹设计，空气无法顺畅流动，由此形成了较为明显的静风区；老干楼前广场存在的静风区是由于建筑将部分空间围合遮蔽起来，封闭的建筑空间形态之内无法形成风压，空气流速变慢从而形成静风区；门诊大楼西侧及老宿舍东侧空间静风区产生的原因较为相似，均是因为建筑自身形态凹凸从而产生部分围合空间，导致空气流通不畅。教学科研楼南部入口由于空间狭窄，后方建筑挤压，同样存在静风区。从医院的功能布局来看，湘雅医院的呼吸道与传染病楼位于静风区聚集的老院区红楼，静风区内空气流速缓慢，不利于医院污染物以及传染病菌的消散，是医院目前亟需解决的问题。

2)区域漩涡问题。

风环境漩涡一般指城市建筑边界层中的梯度风场，受城市建筑的阻挡，而形成各种湍流。对医院现有环境的易感院区主楼室外进行风环境模拟分析，发现如图9所示院区老干楼(手术室/日间病房)前后均出现较大漩涡，其中：1号区域出现漩涡，直径约45 m；2号区域出现漩涡，直径约16 m,以上区域漩涡直径均大于10 m，影响范围较大，对易感院区主楼产生较大隐患。

院内漩涡区的出现多由于建筑物的拐角处未做流线化处理，存在棱角边，对于风流动的局部扰动较大，同时由于建筑空布不匀高低错落，复杂的建筑环境引起流场特性的变化而使住区流场发生畸变。院区漩涡区聚集在基地北侧及南侧，污染物在此处淤积，易影响北侧校区及南侧居民区。

3)缺乏有效通风廊道。

城市通风廊道是提升城市的空气流动性、缓解热岛效应和改善人体舒适度为目的，为城区引入新鲜冷湿空气而构建的通道，一般以大型空旷地带连成。通常情况下，为改善优化城市风环境，通风廊应沿盛行风的方向伸展，城市通风廊道对改善优化城市风环境有重要意义。如图10所示湘雅医院在区位上，东、西、北侧均有城市干道，其中芙蓉中路路宽约55 m，蔡锷北路路宽约20 m，具有良好的通风环境，但风模拟结果如图11所示医院并没有顺畅的通风廊道，传染病科室和大楼下风向区域的风环境模拟分析显示，传染病科室或大楼下风向区域通风不畅，北侧湘雅路被建筑挤压，道路偏窄，约20%来向的风被阻塞在北侧传染病科室和其下风向区域，不合理的建筑布局使得宽阔的城市干道未被利用起来，污染气体极容易在院区积淤。

4 空间优化策略

通过上文对湘雅医院风环境分析模拟的结果可知，静风区、区域漩涡和缺乏有效通风廊道是影响湘雅医院室外环境污染物自然消散的最突出问题[10]。下文将分别针对这三方面问题对医院的空间规划布局形态提出优化设计策略，并通过改善前后的室外风环境模拟对比，检验优化效果，为医院整体室外风环境改善提出切实可行的办法。

4.1 减少静风区的优化设计

针对医院院区内静风区大部分出现在老院区等一些狭窄及被周围建筑环绕的区域，或在大体量建筑的下风向区域，院区整体静风现象明显。在现有院区布局基础上，为改善静风现象，结合医院未来规划布局进行以下调整：

1)疏通格局，增加开敞空间。

梳理主要研究区域的静风现象特征，发现此类区域大多处于一些狭窄和被周围建筑环绕区域，或在大体量建筑的下风向区域，针对此类静风现象，考虑对问题区域周围格局进行优化，如图12所示增加开敞空间，加速空气流动，减少污染物聚集。

2)布置机械送风点。

结合医院实际情况及医患使用功能的特性，常出现体量布局较大的综合性大楼，如湘雅医院的门诊医技大楼，各功能联系紧密，布局不具备调整可能性，建议如图13所示采用机械送风优化此处静风现象，布置机械通风送风设施。

优化后1号、7号区域风速约为2.5 m/s；2号、8号区域风速优化约为2.4 m/s；以上区域风速值：1.6 m/s<风速值<3.5 m/s，属蒲福风级2级～3级，在保证人舒适条件下，有利于气悬污染物消散，如图14所示院区静风现象得到较大改善。

4.2 减少区域漩涡的优化设计

由上文模拟得知院区漩涡多出现在一些建筑分布不均质，广场、垫面与建筑尺度比例失衡的空间，这些区域建筑因其复杂的环境，引起流场特性的变化而使住区流场发生畸变，对于风流动的局部扰动较大，造成区域漩涡。针对此类漩涡产生的原因，拟对院区建筑进行优化处理，其中包括：

1)底层架空。建筑立面相对封闭，呈一矩形大面，前后风不贯通对流，易在其迎风面形成正压的迎风区，背风面形成负压的背风区，导致背风区处形成尾流区，其内湍流涡动明显。如图15所示为优化前后风压，考虑将建筑底层架空疏通，减缓背风面负压。

2)轮廓边线优化。如图16所示该建筑外型属于钝体形状，拐角处未做流线化处理，存在棱角边，对于风流动的局部扰动较大，引起流场特性的变化而使住区流场发生畸变来流受建、构筑物的阻挡，易产生涡旋。通过模拟发现如图17所示优化后院区漩涡现象得到较大改善，院区内的漩涡现象均明显减少，院内污染物无堆积条件。

4.3 改善区域通风廊道的优化设计

医院东、西、北侧虽然均有城市干道，但由于布局影响，医院没有顺畅的通风廊道。因此在结合湘雅规划的基础上，拟对院区建筑布局、新建建筑形体进行如下优化：

1)拓宽北侧道路。医院东、西、北侧虽然均有城市干道，但由于布局影响，医院没有顺畅的通风廊道，同时，院区北侧为传染病科室，需要避免污染物堆积影响此处易感人群，如图18所示拟拓宽北侧道路，减少风被阻塞的可能，湘雅路由原约15 m调整为约24 m，优化后，原约20%来向的风被阻塞现象降低至约12%。

2)控制建筑高度。结合院区未来发展，在避免造成不利条件的情况下，对院区布局进行调整。如图19所示其中3号区域建筑高度与街道之比超过100%，阻碍气悬污染物顺通风廊道进行消散，建议对此区域建筑高度进行控制，建筑高度控制在12 m以下。1号区域建筑高度与街道为7∶12，2号区域为1∶5，在不影响通风廊道的顺畅下，该区域建筑高度、尺度相对富余，结合院区发展，医院拓展区可结合上述区域进行设置，建筑可散落布置，避免较大体量单体出现，1号区域建筑控高50 m,2号区域控高40 m。

如图20所示优化后院区至道路通风流畅，气悬污染物在此种环境下可迅速消散，避免污染物堆积及热岛效应的产生，从而创造良好、健康的城市空气环境。

5 结语

本文以湖南湘雅医院为例，基于CFD技术，利用Rhino平台的grasshopper上的ladybug调用OpenFoam对研究目标进行高效计算，对风速、气悬污染物流动情况模拟及可视化。

在快速城镇化、中心城区建筑高密度化、疫情常态化等多重背景下的今天，医院室外风环境的安全对城市的正常运行至关重要。本文模拟分析的结果显示，对于城市中心区医院，针对其空间环境复杂、建筑密度高的特征，对其室外风环境的优化需重点关注静风区、漩涡区和院区通风廊道不畅等三方面问题。通过对建筑布局进行合理优化，可以有效加速气悬污染物消散，减少医院污染物的沉积。

在优化过程中，我们也发现对高密度城市中心区医院，由于其用地紧张、建筑布局相对紧凑、整体调整空间受限较大，应因地制宜地采用更灵活多样的优化方式。比如在静风区布置机械送风点缓解静风问题，通过底层架空优化建筑轮廓减少区域漩涡等。而合理引导组织通风廊道，则是城市中心区医院室外风环境优化的关键。在设计实践中可通过疏通拓宽下风向空间、控制院区建筑高度、合理组织绿化及道路等全方位措施，保证医院通风廊道的有效使用。

综上所述，本文通过模拟分析医院室外风环境特征，研究场地环境与污染物扩散之间的内在联系，快速准确的评估医院室外风环境特征，可为减少医院气悬污染物集聚，避免院区周边城市环境二次污染提供高效、准确的设计思路与技术手段参考，为营造更健康的城市风环境提出新的有益思考。