从《绿色建筑评价标准》看建筑风环境模拟与优化的思路*——以广西百色某商业综合体为例

Study on the Wind Environment Simulation and Optimization Based on the Evaluation Standard for Greening Building —Taking the Commercial District in Baise City of Guangxi Province as an Example

管毓刚 陈 宏 甘月朗

GUAN Yugang, CHEN Hong, GAN Yuelang



从《绿色建筑评价标准》看建筑风环境模拟与优化的思路*——以广西百色某商业综合体为例

Study on the Wind Environment Simulation and Optimization Based on the Evaluation Standard for Greening Building —Taking the Commercial District in Baise City of Guangxi Province as an Example

管毓刚 陈 宏 甘月朗

GUAN Yugang, CHEN Hong, GAN Yuelang

摘 要运用流体模拟计算软件Fluent对广西百色地区某商业综合体进行风环境模拟，并结合《绿色建筑评价标准》（GB/ T50378-2014）进行分析判定，对于夏季工况风环境不佳的状态提出优化思路，以期为类似项目的绿色设计提供参考。

关键词CFD；风环境；绿色建筑；性能模拟；环境优化；建筑设计

管毓刚, 陈宏, 甘月朗. 从《绿色建筑评价标准》看建筑风环境模拟与优化的思路——以广西百色某商业综合体为例[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(01): 119-123.

* 华中科技大学自主创新研究基金资助项目（2015QN057）

Abstract:Fluent, a CFD software, could be used to calculate wind environment simulation of a commercial district in Baise city of Guangxi Province. The results are analyzed based on the Evaluation Standard for Greening Building. The simulation method is discussed in detail, and some suggestions for wind environment optimization are put forward, which might be helpful for similar research.

Keywords:CFD; Wind Environment; Green Building; Performance Simulation; Environment Optimization; Building Design

0 引 言

城市下垫面人工化现象严重，城市中心区杂乱无章的建筑次序，严重影响城市内自然通风。城市内部较好的自然通风有助于缓解城市“热岛效应”。本文运用流体模拟计算软件Fluent对广西百色地区某商业综合体进行风环境模拟，并结合《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）[1]进行分析判定，对于夏季工况风环境不佳的状态提出优化思路，以期为类似项目的绿色设计提供参考。

建筑群将改变风场结构。建筑群的外形、尺寸及地形关系与周边风环境关系密切。如果建筑群设计不合理，会导致，风速放大系数过大，将使人感觉不舒适。如果风速放大系数过大的区域出现在建筑物的出入口、通道、楼台等区域，则会使得附近行人的极度不舒适。如果建筑周边的风场，存在较大涡流区或无风区，则在该建筑周围由于汽车尾气、空调外机等产生的废气、废热则得不到缓解，城市热岛效应则会加剧。因此，在建筑与规划初期，应对建筑群体周边的风环境状况进行模拟与分析，优化建筑及规划的布局情况[2]。

在《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）中，规定了风环境优化的具体要求，可以作为风环境优化的指导性意见，具体条文如下。

“第4.2.6条 场地内风环境有利于室行走、活外动舒适和建筑的自然通风评价，总分值为6分，并按下列规则分别评分并累计：

在冬季典型风速和风向条件下，按下列规则分别评分并累计：

（1）建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于 2，得 2分；

（2）除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5Pa，得1分；

过渡季、夏季典型风速和风向条件下， 按下列规则分别评分并累计：

（1）场地内人活动区不出现涡旋或无风区，得 2 分；

（2）50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于 0.5Pa，得1分。

本文中以广西百色地区某大型商业综合体项目为例，讨论在绿色建筑评价标准指导下的风环境优化思路，以期为类似项目提供参考[3]。

1 技术路线

本文主要对百色地区某商业综合体项目周边的风环境状况进行模拟与分析，并结合《绿色建筑评价标准》（GB/ T50378-2014）提出设计修正思路。

1.1 预测手段

目前，对于风环境的预测的主要采用方法有风洞试验、网络法及数值模拟计算的方法。风洞试验存在着诸如模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案等缺点，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能反映全比例结构的各方面特征，另外，在测点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决[4-6]。网络法主要用于自然通风建筑设计初期的风量预测。它利用质量、能量守恒等方程计算风压和热压作用下的自然通风量[7]。进入数字时代后随着计算机技术的飞速发展，数值计算已成为评价方法的主流。

对该项目采用计算流体力学的手段对百色地区某商业综合体项目的微环境进行模拟分析，评价室外流场分布状况。计算软件选择商用软件Fluent，该软件有较好的收敛速度与求解精度[8]。本报告根据建筑周围环境以及其他相关资料建立百色鼎盛中央城项目的室外风环境模拟模型。分析模型包括百色鼎盛中央城和其周边可能对风环境产生影响的建筑物，项目周边建筑物高度根据总图进行设置。模型外场尺寸选择主要以不影响建筑群边界气流流动为准，根据相关工程经验并做模拟试算后，确定设置外场计算尺寸为1800m× 1400m×450m（长×宽×高），模型及网格效果分别如图1-2所示。

图1　百色某商业综合体模型效果图Fig.1 the model picture for the project

图2　百色某商业综合体模型网格效果图Fig.2 the grid image for the project

1.2 参数设定

（1）来流边界条件

根据目前计算流体力学的研究理论，来流风速与地表的形态有很大的关系，其大小沿着竖向高度会呈指数倍数增加，称之为梯度风，指数大小与地表粗糙度关系较大[9]。指数的选择方式,如图3所示。

图3　不同地形大气边界层曲线图Fig.3 different terrain atmospheric boundary layer graph

因此，风速与竖向高度的关系可以用如下公式描述：

Vh=V0（h/h0）n

在上述公式中：

Vh代表竖向高度为h处的风速（m/s）；

V0代表基准高度h0处的风速（m/s），一般取10m处的风速；

h0代表梯度指数。一般情况下，在市区梯度指数值取0.20～0.50；在空旷地区n值取0.14左右。百色鼎盛中央城项目处于广西中心区，模拟计算时梯度指数取0.25。

（2）出风口边界条件设定

出风口按照理想状况考虑，即湍流发展充分,设定为自由出口。

（3）收敛判断

CFD数值模拟代数方程的终止标准按连续性方程与能量方程残差为1.0E-4以下，收敛曲线及观测点的值如图4所示。

图4　 CFD计算的收敛曲线Fig.4 CFD calculation convergence curve

1.3 模拟工况

（1）气候状况

百色气候特点是亚热带季风气候，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[10]和中国气象科学数据共享服务网提供的相关气象数据将其室外用气象参数统计如表1。

表1　设计用室外气象参数Tab.1 outdoor meteorological parameters

从上表可见，无论是冬季、夏季及全年，风向均为SE，仅由于季节的不同，风速略有不同，因此在进行风环境模拟时，取两个工况，即夏季工况与冬季工况，对于全年最多风向，如若夏季风满足要求，那么全年工况也应自然满足要求。模拟工况设定见表2。

工况1主要对夏季主导风向平均风速条件下，建筑前后压差、建筑周围风环境情况进行分析，判断自然通风情况，周边是否会形成涡流、滞风区域从而影响周边空气品质。工况2主要对冬季主导风向平均风速条件下，建筑周边周边流场、风速进行分析，判断是否会影响形成风速过大区域[11]。

2 模拟结果分析

2.1 工况1模拟结果与优化分析

工况1设定为夏季工况，风向为SE（南偏东45°），风速为1.8m/s。

2.1.1 1.5m处风速云图及优化思路

图5为夏季主导风向为SE时平均风速条件下，百色某商业综合体周边1.5m高度处的风速云图。图中主要街道空间风环境良好，建筑街道走向及区域划分较为合理。局部区域风环境较差，较差区域已在图中用红色方框圈出，由于夏季主导风向及全年主导风向均为东南风（SE方向），那么在区域体形的塑造上需要降低东南向迎风面密度，降低有效迎风面宽度，减小背后风影区，在图中1号区域右上角体块可适当调整，一字型排开，南侧预留开敞空间，可做集中活动场地，左上角体块。可在东南侧适当开口，减小迎风面密度，下部两个体块右侧部分可适当更改开口方向，开口向右。2号、4号、5号区域可以在东南侧预留适当风口。3号区域可以适当更改开口方向，并在中间联系体部分适当预留风口。

图5　夏季主导风向距地1.5 m 高度风速云图Fig.5 summer wind speed image of 1.5 m level

2.1.2 5.7m处风速云图及优化思路

图6为夏季风向为SE时平均风速条件下百色某商业综合体周边5.7m高度处的风速云图。图中可见二层商业部分风环境整体较好，弱风区较少，三处较差部分的风环境受一层的影响较大，通过一层的体块调整，二层风环境会有所改善。

图6　夏季主导风向距地5.7 m高度风速云图Fig.6 summer wind speed image of 5.7 m level

2.1.3 12m处风速云图及优化思路

图7为夏季风向为SE时百色某商业综合体周边12m高度处的风速图，上部高层区域遮挡较少，整体风环境较好，不用考虑体型优化问题。图8为夏季风向为SE时百色某商业综合体在纵剖面上的风速云图，从剖面图中不难发现，风环境的优化重点在商业裙房部分，作为裙房之上的板式高层，间距较大，且与来流风向呈一定角度，风影区、涡流区较小。

图7　夏季主导风向距地12m高度风速云图Fig.7 summer wind speed image of 12 m level

2.1.4 迎风面与背风面风压统计与室内通风潜力判定

从建筑物能耗角度来看，合理运用自然通风一般有两种目标：一是加强自然通风以达到降温除湿的目的；二是防风以减少热损失。就某一建筑或建筑群而言，可能着重于加强自然通风或防风，也可能需要在不同时段实现不同的目标。而对于中国大部分地区而言，常常需要实现两个目标：一是在夏季、温和季和过渡季加强自然通风；二是在冬季合理防风。那么在工况1中，需要判定建筑前后压差大小来确定通风潜力。从图9及图10中可以看出，上部板式高层建筑迎风面及背风风压差大于1.5Pa，具有良好的通风潜力，但在底部裙房部分，建筑迎风面遮挡较为严重，需要重新组织商业裙房部分的建筑形体。

图8　夏季主导风向纵剖面风速云图Fig.8 summer wind speed image of profile

图9　夏季主导风向下迎风面风压图Fig.9 summer wind pressure image of the former

图10　夏季主导风向下背风面风压图Fig.10 summer wind pressure image of the back

2.2 工况2模拟结果与优化分析

工况2设定为冬季工况，风向为SE（南偏东45°），风速为2.1m/s。根据绿色建筑评价标准，冬季工况主要判定建筑周边风场及风压差[12]。

根据绿色建筑评价标准，在冬季典型风速和风向条件下，需要考量建筑物周围人行区风速及室外风速放大系数与风压差[13]。所谓风速放大系数即建筑物周围离地面高1.5m处最大风速与开阔地面同高度风速之比。在本项目的设计阶段可以看到，建筑周边1.5m内风速最大为2.1m/s，风速放大系数的最大值为1.05，符合设计要求，风压差的平均值约为3.1Pa，符合绿色建筑评价标准的规定[14]。

3 结 语

通过上述两个工况的模拟，可以进行总结与归纳。

图11　冬季季主导风向1.5m风速云图Fig.11 summer wind pressure image of 1.5 m level

图12　冬季主导风向1.5m风压云图Fig.12 winter wind pressure image of 1.5m level

首先，对于建筑周边风环境的模拟与优化，可以利用CFD的手段，进行模拟与预测，并以Fluent为例，介绍了数值模拟软件的边界条件设定方法。

其次，详细解析了《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）关于风环境模拟的判定方法，并以实际项目为例进行解析。

最后，在设计阶段风环境优化的思路角度来看，中国大部分地区而言，常常需要实现两个目标：一是在夏季、温和季和过渡季加强自然通风；二是在冬季合理防风。本文的案例中，讨论了在设计阶段夏季风优化的可能性，即从迎风面建筑密度及建筑覆盖率两个角度进行优化，减少风影区，提升环境质量[15]。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 绿色建筑评价标准 GB/T50378-2014[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2014.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 中华人民共和国行业标准（JGJ/T 229-2010·备案号J 1125-2010）：民用建筑绿色设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[3] 马京涛, 袁朵. 绿色办公建筑创作研究——以南京某绿建大厦为例[J]. 生态城市与绿色建筑, 2011(01): 78-87.

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图表来源：

图1-2, 4-12：作者绘制

图3：刘念雄，秦佑国. 建筑热环境[M]. 北京:清华大学出版社, 2005: 66.

表1-2：作者绘制

（编辑：申钰文）

收稿日期：2015-11-06

作者简介管毓刚： 华中科技大学建筑与城市规划学院，讲师，15308629977@163.com 陈 宏：华中科技大学建筑与城市规划学院，教授甘月朗： 华中科技大学建筑与城市规划学院，博士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160121

文 章 编 号2095-6304(2016)01-0119-05

文献标识码B

中图分类号TU-023