典型高层住区风环境模拟研究

王忆晨

【摘 要】针对近年来高层住区风环境这个热点问题，本文以相同容积率与建筑密度为条件，通过PHOENICS软件对五种常见布局方式的风环境进行模拟。并依据我国现有的风环境评价标准对其进行风环境优劣的量化评价。以期运用这种规律来对高层住区建筑布局的规划与风环境量化评价方面有指导作用。

【关键词】高层住区；布局方式；风环境；数值模拟；量化评价

随着城市化建设的发展，城市中心城区不断扩张。为了解决城市人口膨胀与用地紧缺给城市带来的问题，我国自上世纪90年代起兴起的高层建筑热至今，高层住区的建设已经发展到了高峰期。在高层住区逐渐增多，建筑高度不断增加的同时，也带来也许多负面影响。高层住区不利的风环境影响住区内居民生活的舒适性，而且干扰城市上空的整体风环境。因此，如何在住区有限的容积率中，综合运用布局方式来考虑风环境就显得尤为重要。

1. 高层住区布局方式与风环境研究现状

从现状来看，关于本研究课题的研究主要体现在两个方面：高层群体建筑与风环境的关系、建筑布局方式与风环境的关系，并且都有了一定量的积累。如Tetsu等以风速比平均值作为定量评价对不同风向下建筑密度相同的22个低层、高层住区人行高度风环境进行研究。马剑等对6栋相同建筑为基础，对组成的围合式、排列式等8种布局方式进行风环境评价。王旭等研究建筑前后间距与左右间距对3×4行列式布局方式风环境的影响规律。龚晨等设计了76组模型研究风向角和建筑尺寸对四种布局方式风环境的影响。在对这些研究现状进行简要归纳后，不足之处可概括为研究表面化和简单化。

针对以上两点问题，提出本文的研究方法。首先，总结五种常见布局方式，再运用PHOENICS软件模拟的方法，对建立的典型高层住区的几何模型进行模拟分析。最后以新版《绿色建筑评价标准》中对室外风环境的评价标准为主要依据，对模拟结果进行量化分析。

2. 高层住区风环境模拟：

2.1物理模型的建立

通过对天津高层住区的调研和分析后，简化风环境几何模型，得出本文研究的5种布局方式。在综合考虑容积率、布局方式、防火间距等控制因素下，建立了典型高层住区几何模型。各种布局方式的基底均为5公顷，在250m×200m的范围内，建立12栋长×宽×高均36m×12m×60m住宅，层高为3m，共20层。模型详细参数见下表。

2.2计算边界条件

计算区域的大小直接影响到模拟结果的真实性，计算机区域过大会增加计算时间，过小又会降低计算结果的准确性。因此，本文设定的计算区域为；以建筑最大高度（H）为基准，来流方向距前排基底距离为5H，出流方向距后排基底距离为10H，两侧距左右基底距离约为5H，边界高度为5H。风向选择NNS，風速按照3.64m/s设置。来流边界选用大气梯度变化的指数来流风速进行设置，即U = U0（z /z0）α。参考高度z0=10；参考高度风速U0根据蒲福风力等级表，取U0=2.5m/s；地形粗糙程度幂指数α，按照C类地面取值，α=0.22。出流面上假定其上面的空气已充分发展，边界条件按自由出口设定。数值迭代的设置一般要求随着迭代的进行，计算残差稳定减小，并且到达指定的理想程度为止，方程迭代次数设置为1000步。

2.3室外风环境评价标准

目前，针对室外风环境的评价一般从风速和风压两方面进行考虑。新版《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）中对建筑室外风环境评价提出了更为详细具体的标准，重点关注场地内风环境是否有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风。本文在参考新标准的基础上，主要对建筑群体的风环境特性进行定量研究，为使室外风环境的评价更加全面，适用于衡量住区的舒适性、安全性与空气品质。经调研整理，总结出两大类风环境评价指标：风速相关指标和涡流相关指标，同时又将两大类指标分支出详细具体的二级指标：风舒适区（1m/s—5m/s）、平均风速、低风速比区、平均风速比（0—0.15）。

3 模拟结果分析

3.1布局方式定性分析

行列式布局迎风面的第一排建筑，阻挡了较多的来流风。建筑山墙间的风速有所增大，廊道内最大风俗比为1.8，满足了小于2的标准。虽然在第一排建筑的巷角处出现的最大风速为5.4m/s，但区域内部整体风环境较好，没有产生复杂的涡流现象。斜列式布局迎风面的第一排建筑对来流风起到阻挡效应，山墙间的廊道和建筑的巷角处受到风流体的作用最大，风速在4.5m/s-5.5m/s之间。前排建筑的狭道风被后排建筑有所阻挡，进而后排建筑的通风。所以后排建筑的较大区域处于低风速区，且涡流现象不明显。山墙错落的布局方式，降低了对冬季寒风的防御能力，前排山墙处的风速增加较大，风速比在1.5-1.9之间。但由于前排建筑的阻挡和摩擦作用使后排建筑所受风作用逐渐减小，低风速风影区多集中在下风区建筑附近。从围合式布局方式区域内风速最大值为5.5m/s，出现在迎风面的第一排建筑巷角处。两排建筑间的风影区面积较大，由于中间区域没有建筑物的遮挡，故可形成较好的风环境。综合式布局结合几种布局的特点。北侧建筑对来流风起到一定的遮挡作用。并且产生斜向的压力，使前后排建筑间的涡流较为复杂。建筑围合的中心区域风环境较好。

3.2布局方式定量分析

综上所述，对高层住区五种布局方式的风环境评价指标进行统计后，对风速矢量图和风速比云图以及风环境指标中的数据进行对比分析可得出以下结论：

（1）就五种布局的平均风速来看，围合式（1.92）>行列式（1.91）>错落式（1.88）>综合式（1.85）>斜列式（1.81），可以看出平均风速的差别不是很大。

（2）舒适风区比例S值的排列顺序为：围合式（78.2%）>行列式（76.9%）>综合式（75.7%）>错落式（73.4%）>斜列式（73.2%），可以看出围合式舒适风区占比最大，行列式与综合式S值也能大于75%。

（3）就五种布局的平均风速比来看，行列式（0.80）>围合式（0.77）>错落式（0.75）>综合式（0.74）>斜列式（0.73），可以看出与平均风速的排布顺序较相似。

（4）低风速比的比例顺序为：斜列式（76.2%）>错落式（75.5%）>围合式（75.1%）>综合式（74.6%）>行列式（70.5%），可以看出，通风最顺畅的住区布局方式为行列式，围合式与综合式次之，其他两种方式较差。

3.3布局方式对高层住区风环境影响小结

综合四项风环境指标来看，较为适合的天津地区高层住区布局方式为围合式和行列式。对于综合式、错落式和斜列式由于区域内受多种风环境作用，对其开放空间风环境舒适性有很大影响。五种布局方式在建筑的背风面均存在低风速比区域，且后排建筑所受风作用逐渐减小。由于角隅风作用，最大风速比均出现在迎风面第一排建筑的巷角处。计算区域内均产生涡流现象，前后排建筑间的涡流区域大部分为两个或两个以上组合而成。

4 结论：

本文在容积率和建筑密度一定的条件下，研究五种常见布局方式的风环境规律，然后依据四项风环境评价指标对其进行风环境优劣的量化评价。总结出五种常见布局方式下高层住区的最佳布局方式，为实际高层住区布局方式提供理论基础。

参考文献：

[1]马剑，陈水福. 平面布局对高层建筑群风环境影响的数值研究[J]. 浙江大学学报（工学版），2007，09：1477-1481.

[2]王旭，孙炳楠，陈勇，楼文娟. 基于CFD的住宅小区风环境研究[J]. 土木建筑工程信息技术，2009，01：35-39.

[3]龚晨，汪新. 建筑布局对住宅小区风环境的影响研究[J]. 建筑科学，2014，07：6-12.