基于住宅底层架空的合肥地区点式布局高层住区风环境模拟分析

柯瑞 ，王礼飞 ，李文才 （安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

随着我国城镇化的发展，城市人口日趋密集，住区规模不断扩大，城镇住宅用地供应日益紧张。而住区是城市居民居住和生活的主要场所，随着住区建筑高度增加、密度增大，复杂的建筑群体带来的风环境问题逐渐受到人们的关注[1-2]。我国南方大部分位于夏热冬冷气候区，夏季闷热潮湿，冬季寒冷干燥，出于对这种特殊的地理气候的考虑，高层住区无论在建筑的群体规划设计还是单体设计时非常重视夏季自然通风与冬季防风避风，以求住区获得舒适的热湿环境[3-4]。高层住区考虑建筑之间的日照条件和建筑布局的活跃性，点式是高层住区布局的主要形式之一，在高层住区布局中得到了广泛应用。本文以合肥地区为例，通过PHOENICS软件，针对夏季和冬季主导风向下的点式布局高层住区分别进行数值模拟，分析比较了不同底层架空形式对点式布局高层住区风环境。

图1 项目总平面图

1 研究对象

本文选择的实例位于安徽省合肥市蜀山区，总用地面积为118543.00㎡，总建筑面积为338064.39㎡，其中地上建筑面积293712.00㎡，场地内采用点式布局方式规划25栋高层住宅，12栋多层配套公建，1栋幼儿园，6栋变电所。项目总平面图如图1所示。

2 数值模拟

计算流体力学(CFD)以其方便操作、结果准确、成本低廉等优点，得到了广泛的应用。在建筑设计领域，可利用CFD方法对室内外自然通风进行模拟和定量分析，并根据分析结果对室内外风环境进行布局优化。CFD模拟软件众多且各有适用范围及特点，其中PHOENICS是广泛运用在流动和传热等模拟计算中的商业软件，并且通过大量的试验验证了该软件仿真具有正确性和结果准确率高的优势[5-6]。因此，本文利用PHOENICS软件推出的FLAIR模块用于CFD模拟。

2.1 物理模型

本文选择研究的点式布局高层住区，25栋住宅楼按照南北中轴对称布置，东西沿街两排及中轴线上的住宅楼为18层，其余住宅楼为24层，住区效果图，如图2所示。为了使物理模型不过度复杂，加快计算收敛速度，需对住区模型进行简化处理。建立住区物理模型时尽量保留建筑体型上的凹凸变化，不考虑住区内多层公建、地面变电所、商住楼裙房、绿化植被、景观构筑物等因素对住区风环境的影响，而只对住宅底层架空与住区风环境的关系做模拟分析，以得到有针对性的结论。

根据该项目总平面图的布置情况，在SketchUp软件中将该项目高层住宅建筑按1∶1的比例建立室外通风几何模型，如图3所示。

图2 住区效果图

图3 室外风环境分析几何模型

本文在部分单体建筑底层设置完全架空区，架空面积均为该层建筑面积的100%，对无架空、S形架空、Y形架空、I形架空4种情况展开模拟分析，架空形式如图4所示。

图4 不同架空形式

2.2 模拟参数

合肥市位于夏热冬冷气候区，常年盛行风为东北到南向风，其年平均风速为2.35m/s，冬季盛行东北向风，夏季盛行南向风，具体参数详见下表。

2.3 数学模型

考虑到高层住区内部气流为不可压缩常物性牛顿流体，流动为单项低速湍流运动，符合Boussinesq假设，本文采用在工程上最常用的k-ε模型进行模拟，该模型具有模拟计算耗时少、数值计算波动小且精度高等优点[7]。

来流边界条件：住区来流方向风速均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向递减。模拟计算时来流风速按大气边界层理论采用来流面梯度风[8]。

出流边界条件：文本假定出出流面上空气流动已发展考虑，即空气的流动已经恢复到无建筑阻碍时的状态，边界条件按自由出口设定。

上空面及两侧面的边界条件：文本模拟所选的计算区域较大，故上空和两侧的空气流动几乎不受建筑物的影响，因此可以设为自由滑移壁面。

建筑壁面及下垫层的边界条件：建筑壁面及下垫面按静止壁面设定，壁面采用无滑移条件，沿壁面切向流体速度为零。

3 模拟结果分析

本文以合肥为例，模拟分析夏季和冬季主导风向下，不同架空形式对点式布局高层住区风环境的影响。高层住区风环境的优劣主要从室外人行区域风速及空气龄两个因素进行分析评价[9-10]。

3.1 夏季模拟结果分析

合肥市风环境条件

图5 不同底层架空形式1.5m高度处速度云图

如图4所示为夏季主导风向条件下分别采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，点式布局高层住区室外1.5m高度处速度分布云图。由图4未架空工况可以看出该住区南侧建筑对夏季自然通风遮挡明显，并在建筑拐角处风速放大，形成“狭管效应”，使得住区各栋住宅背风面易形成无风区。由图4中S形架空、Y形架空、I形架空工况可以看出，采用底层架空形式可使得建筑对自然风的遮挡效果减弱，建筑背风面1.5m高度处风速明显提升，架空楼栋附近形成穿堂风，住区内部人行区域风场均匀性得到明显改善。S形架空、Y形架空的楼栋较为均匀，使得整个住区内部风场均匀，I形架空，架空楼栋相对集中，易在住区北侧出现局部风速过大的情况。

图5所示为夏季主导风向条件下分别采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，点式布局高层住区室外1.5m高度处空气龄云图。由图5中未架空工况可以看出该住区南侧区域空气龄较小，表明住区南侧区域室外空气较为新鲜，无风区较少，由南到北随着各排建筑对自然风的阻碍作用，自然风在住区内流动不畅，建筑室外空气龄逐渐加大，住区北侧空气新鲜程度明显降低。由图5中S形架空、Y形架空、I形架空工况可以看出，采用底层架空形式使得自然风在住区内部人行高度区域流动更为顺畅，住区北部区域空气龄过大的现象得到改善。

3.2 冬季模拟结果分析

如图6所示为冬季主导风向条件下分别采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，点式布局高层住区室外1.5m高度处速度分布云图。由图6中未架空工况可以看出该住区东北侧建筑对冬季自然风起到了遮挡作用，住区内大部分区域风速分布较均匀且风速适中，但住区南侧建筑背风侧有部分无风区，基本能避免冬季室外风速过大影响人体舒适度，并保持室外空气流通，使空气中污染物及时扩散。由图6中S形架空、Y形架、I形架空采用底层架空形式的楼栋基本集中在住区内部及南侧，住区东北侧迎风面建筑均未采用底层架空，所以采用本文三种底层架空方式未引起冬季冷风扩散的现象，同时改善住区南侧风场均匀性。需要指出的是，I形架空，架空楼栋相对集中，易在迎风面出现局部风速过大的区域，沿架空住宅应加强乔木的布置，以免风速过大不利于冬季的防风节能。

图6 不同底层架空形式1.5m高度处空气龄云图

图7 不同底层架空形式1.5m高度处速度云图

图8 不同底层架空形式1.5m高度处空气龄云图

如图7所示为冬季主导风向条件下分别采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，点式布局高层住区室外1.5m高度处空气龄分布云图。由图7中未架空工况可以看出该住区东北侧区域室外空气龄较小，表明东北侧区域室外空气较为新鲜，由东北到西南方向，建筑室外空气龄逐渐增大，空气的新鲜程度适中。由图7中S形架空、Y形架空、I形架空工况可以看出，建筑室外空气龄稍有减小，但变化不大，整体仍然呈现出由东北向西南呈现出逐渐增大的现象。

4 结论

本文通过对合肥地区某点式布局高层住区分别采用S形、Y形、I形三种不同形式的架空方式进行模拟分析，得出如下结论。

①在合肥地区夏季S风向下，对于南侧第一排住宅底层宜架空，架空部分应南北通透，利于自然风流动。在合肥地区冬季NE风向下，避开场地东北角建筑进行底层架空，利于建筑的防风节能。

②S形、Y形、I形三种不同形式的底层架空相较于未架空处理，住区内部人行区域风场均匀性、空气新鲜程度得到明显改善，同时又兼顾了建筑冬季防风节能。

③I形架空处理易在自然风进入、离开住区处，出现局部风速过大的现象，建议沿架空住宅附近加强乔木的布置，以免风速过大不利于夏季的人行舒适性和冬季的防风节能。