基于CFD模拟的混合式住宅小区布局对风环境改良的研究

■张亦弛，王 宽，黄春华,2,3

（1.南华大学松霖建筑与设计艺术学院，湖南衡阳 421200;2.湖南省健康城市营造工程技术研究中心，湖南衡阳 421200;3.生态型区域-城市规划与管理衡阳市重点实验室，湖南衡阳 421200）

随着我国城市化进程的不断推进，城市建筑密度逐渐增大。然而，过于密集的建筑往往伴随着不良的风环境。本文以衡阳市为研究对象，通过分析其卫星影像数据，选取了8个典型居住区作为研究样本。这些样本包括高层建筑与低层建筑混合类型、高层建筑类型和低层建筑类型，以及它们各自的不同围合形式。结合湖南省冬季和夏季的平均风速和风向，本研究采用Ansys Fluent（2022R1）计算流体力学软件进行模拟。

目前，已有大量学者对CFD模拟技术进行了研究。庄智等[1]对比了各类CFD模拟相关软件，指出了它们各自的优缺点及其适用领域。他们总结了建筑风环境模拟技术在问题简化、计算模型、网格处理、边界设置、方程求解和模拟工具选择等方面的研究成果。李绥等[2]提出了在研究居住区规划中考虑风环境对人体舒适度和绿地释氧的影响，并以此优化园区空间布局。刘丽珺[3]将CFD技术与ArcGIS相结合，预测了城市中的热气流。

本研究的基本假设是，合理地配置建筑的高低排列和形式能够使建筑适应衡阳本地的风速条件，从而获得更好的风环境。本文创新点在于重点关注冬季和夏季两个季节的气象条件对风环境的影响。以往的研究很少以不同季节的气象条件来分析同一建筑区的情况。通过对各种不同类型建筑布局周围的风环境特点进行研究，本研究总结并提出了能够提供更好的风环境和舒适性的住宅小区形式。本研究对居住小区风环境改良的目的在于避免小区中存在过多高风速的区域，影响居民通行安全。

1 风环境与CFD模拟

1.1 风环境的分析方法

对于建筑物周围风环境的分析，目前有三类方法，即现场观测法、风洞实验法、计算流体力学模拟法[4]。现场观测法可以收集到第一手资料，有利于研究人员掌握现实情况。但是如果研究区域面积很大，要准确测量风环境就比较困难。这种方法往往需要多部仪器和多名人员花费数十日参与监测。通过风洞进行实验则对研究团队使用的基础设施要求较高，需要建有室内风洞的实验室，风洞试验首先要将需要测定的建筑物和周围环境制成实体模型。再将其以模拟所需的风向角度放入风洞平台的中心。这种方法需要完备的风洞实验室，相对于其他方法有着更高成本。计算流体力学计算机模拟的方法应用在住宅小区风环境的分析上存在难度，主要是需要对参与模拟的建筑物进行三维建模，并根据模拟面积确定计算范围。

建筑周围的风环境直接影响居民的日常生活[5]。当人们在建筑周围的环境中行走时，风速太大，吹起来会不舒服，如果出现狭管效应则会导致风速更快，造成不适感并留下安全隐患。风速过小，空气污染物容易积聚，空气质量可能下降。风量大，容易发生冷空气渗入，又不利于室内保温。正确利用自然通风，可以降低建筑能耗，改善建筑周围的空气质量。在当今的城市环境下，由于城市建筑用地面积的缺乏，人们转而向天空索要空间。这也就导致了今天的住宅小区高楼林立。然而由于住宅小区落成年份不同，小区中可能存在着不合理的风环境规划。因此，研究既有建筑周围的风环境，对于推动建筑周边风环境舒适性的发展具有重要意义。近年来，计算流体力学（CFD）模拟法已成为分析建筑风环境的主要方法之一。CFD方法具有精度高、操作简单、省时省钱等优点，因此仿真方法在许多领域得到广泛应用。在建筑领域，CFD方法可以有效地模拟不同条件下的风环境，具有广阔的应用前景。

1.2 模拟所用湍流模型

当下建筑环境CFD模拟中，常用的湍流模型有三种，分别是standard k-epsilon Model，RNG（Renormalization Group）k-epsilon Model，Realizable k-epsilon Model。在CFD模拟的计算中一般使用标准k-ε模型，标准k -ε模型在计算时对硬件的性能开销更低，在数值计算中波动小、精度高，有很好的收敛速率和相对较低的内存要求，在建筑模拟中的应用较为常见[6]。k表示湍流动能，ε（epsilon）表示湍流动能耗散率。它对于复杂几何周围外部流动问题的求解效果好（图1）。本研究在模拟中使用Realizable k-epsilon模型，可实现Realizable k-epsilon模型针对时均应变率较大的情况，为了使流动符合湍流的运动规律，对正应力进行约束。旨在保证计算结果的可实现性，并以此来避免标准模型中出现的问题（图2）。

■图1 k方程与ε方程

■图2 Realizable k-epsilon模型方程

1.3 建筑模型与边界条件

衡阳市区中的建筑以东西朝向为主，有部分朝向西南、东南方向的建筑。在本研究中，将不同住宅小区分为几个典型。依照其不同的组合方式进行归纳。按照布局形式（图3）分为围合式布局、行列式布局、混合式布局和点群式布局。根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）5-1-1条，按民用建筑高度和层数可分为单、多层民用建筑和高层民用建筑[7]。按高度组合类型分为多层、高层、多高混合类型（表1）。

表1 不同住宅小区情况表

表2 各方案在面向北及东南两种风向下的不同风速区的占比

■图3 所选建筑的排列形式示意图

湖南省衡阳市位于中南地区凹形面轴带部分，有典型的盆地地势，属于亚热带季风气候。夏季高温，冬季湿冷。在风环境模拟的边界条件设置中，风速和风向设置如下：以湖南的夏季平均风速(风向：SE；风速 ：4.35m/s) 及冬季平均风速 ( 风向：N；风速 ：5.64m/s)进行模拟。

首先要按照建筑的实际尺寸在计算机中建立三维模型，为了减少计算时间加快收敛，一般要对模型进行一定的处理，将其表面过于细致的凹凸变化进行简化[8]。而一般的建筑，接近于正方体的就将其简化为立方体方便计算。进行简化之后，在ICEM CFD（2022R1）中进行网格划分，在出流面一类位置可以设置较低密度的网格，这样做可以减少计算机运算所需要的时间。同时这类位置远离研究关注的主体，出流面高密度网格和低密度网格所模拟的结果差异很小。而在主体建筑，边界层这一类位置上则需要给网格分配更高的密度。更密集的网格能使计算结果更为准确可靠，但根据实践，网格尺寸要与所研究的建筑尺寸保持一定比例，这一比例过小会使得建筑在与地面交界处产生低质量的网格，这会影响导入至fluent的网格质量。在网格划分后，如果低质量的网格仍占用过多空间，模拟结果会发生畸变。

CFD模拟的面积大小与结果相关，模拟的面积小会使得气流发展不充分，进而使得结果不可靠。而模拟的面积过大又会导致计算机承担过大负担，运算需要很长时间。若研究区域面积固定，而只增大模拟区域的面积是无意义的。研究区域模拟的结果在计算面积大到一定水平后便不会再有明显改变。选择合适的计算区域有助于减少设备进行模拟计算所需要的时间，在建模中设置多少区域进行模拟计算才能对建筑群中的气流运动做到详细的展现是目前CFD模拟技术这一领域中许多学者与研究人员所关注的问题。在软件设置中，有进风边界、出风边界、顶部边界、地面边界和侧面边界这五部分[9-13]。在本模拟中将研究区域模型的进风方向设置为Fluent中的速度进口边界条件Velocity-inlet，在夏季和冬季平均风速下进行计算。本研究中定义出口为Outflow（自由出流边界），假定出流面上的流动已充分发展，流动已经恢复为无建筑阻碍时的正常流动。建筑物表面和地面是固定不发生移动的，故采用无滑移的壁面条件Wall（墙壁），Wall是用来区别于Fluid（流体）和Solid（固体）区域的一种边界条件[14-18]。

1.4 计算范围的确定

本研究在所选的各个地块中沿来风方向截取矩形区域，确保住宅建筑的主体位于矩形区块中心[19-21]。根据CFD模拟，将矩形区块的高度为建筑高度的3倍，风的来流方向保留的空间为建筑高度的3倍，出流方向为建筑高度的4倍，计算区域宽度为建筑物高度的6倍，按以上规格设定参数可以满足计算需求[22-29]。之后进行模拟计算，通过对模拟区域的Z轴进行切片，以建筑物周围行人区1.5m高度进行测量。

2 模拟结果与分析

以湖南地区的夏季主要风向和冬季主要风向进行模拟，由于风速与风压的关系。风速越高，产生于每平方米的风压就越大。在冬季条件下多以0度风向角的北风为主，平均风速5.64m/s。通过冬季平均风速模拟结果的可知（图4），在各模拟方案迎风面的第一排建筑处均出现了不同程度的狭管效应。即由于空气的质量限制，随着空气运动受到建筑物的阻拦，来自开阔区域的空气流入建筑之间的狭窄区域时会加速通过，气流通过之后速度又会放缓。但这种情况会影响到行人高度的舒适。由于建筑布局的特性，在住宅小区内的横向通道上，风速明显放缓。在建筑外形规则，布局有规律的行列式住宅小区中，风流动的变化更少。而在同一小区内建筑外形有不同种类，也会影响小区内部的空气流通，产生更多的涡流[30]。

■图5 基于冬季平均风速的风流向图

在夏季条件下多以135度风向角的东南风为主，平均风速4.35m/s。在此情况下，进行模拟的几个住宅小区都产生了大面积较大风速的区域（图7）。

■图7 基于夏季平均风速的风流向图

基于对已建成小区的模拟，可以得出衡阳市区几种典型住宅小区在冬季与夏季典型风速条件下，小区中的风速分布情况。行列式住宅小区由于其规整的围合形式，出行相对便捷。但其前排并列的建筑与建筑之间会产生较强的穿流区。点群式的建筑之间穿流区面积相对较少，但是会有较大的占地面积。围合式住宅小区中，除了具有行列式小区的问题外，距离迎风面越远，通风也越差。而在混合式小区中，围合形式相对规整的小区整体风速更高，通风效果更好。由于其多种形状的建筑相组合，建筑之间的穿流区风速相比行列式更低[31]。

3 典型住宅小区室外风环境优化策略

3.1 相关规定及环境

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）中有两个标准与本研究相关，在冬季风的气象条件下，建筑物周边人行区距地面高1.5m处风速小于5m/s。以此参数为参考标准，进行模拟与方案设计。夏季风气象条件下，场地内行人高度的活动区不出现涡流区或无风区。本研究所选的城市衡阳位于我国的亚热带气候区，该地区冬季寒冷潮湿、夏季炎热的特点较为显著。随着城市发展与工业的发展，全球范围的气候变化都在近些年越发明显。因此该地区夏季出现极端高温的现象在近年来频频出现。因此，本研究认为在考虑冬季利用建筑布局减速强风的基础上，还应根据小区所在城市中的位置，优选夏季有利调节风环境的住宅布局模式，争取有更好的通风效果。具体来说，按照冬季和夏季对建筑风环境的不同需求。根据不同季节来风方向的不同，选择不同的住宅小区建筑布局模式。在空气容易滞留的地区增强建筑周边的通风。在风速较大容易发生狭管效应的地区，调整建筑规划时的间距和朝向，以此减缓风速来保证住宅小区内部的行人高度上有更少的涡流区和无风区。

3.2 改良形式

通过计算机进行CFD模拟，可以得出更为直观的不同形式住宅小区中的风环境图，便于研究何种建筑组合形式才能给住宅小区建筑周边更好的风环境。本研究中的建筑区块全部选自衡阳市，基于湖南省的风速数据，也能够为其他城市和地区在规划不同形式住宅小区时提供一定的参考。在住宅小区风环境的研究与改善中也应考虑当地气候与居民需求，因地制宜。

根据对衡阳市八种住宅小区的建筑围合形式研究，为了避免单一方案缺乏客观性的问题，总结出以下六种类型的建筑围合形式。由于不同的住宅小区有不同形状的地块，而且随着城市之中的建筑用地越发紧张，住宅小区的形式会以混合型为主。以下六种住宅小区类型在围合形式上全部采用混合式。所有方案中所用的建筑占地总面积与总体积为相同的值，建筑占地面积均为83000m2，建筑的总体积均为1005000m3。所有方案的计算域范围是相等的，模拟的计算范围统一为850m*682m*150m。以此将唯一的变量控制为建筑围合形式。为了满足人口密集的城市地区的住宅需要，总结出的模拟方案没有采用多层建筑，全部以同一高度（50m）的高层建筑进行模拟。

根据提出的六种方案，分别在面向北风和南风的情况下进行模拟得出云图（图8）。基于云图所示结果，以图形方法，在相等分辨率进行进一步处理。从低风速到高风速分占比，分别计量在相同建筑面积（占9%）下的风场变化。根据对每种布局4m以上风速两种风向下的平均值的对比，得出一、三种方案更为适宜。

■图9 提出的改进方案1至6在北风与东南风条件下的云图b

4 讨论

本文在衡阳市住宅小区优化方面提出了改进方案。研究对象为湖南省衡阳市8个典型住宅小区。通过对这些小区的分析，研究发现建筑布局和围合形式对风环境有着显著的影响。因此，作者提出了针对冬季和夏季不同风向的优化方案，以改善住宅小区内部的风环境和通风情况。

首先，作者对衡阳市冬季主要风向为北风的情况进行了分析。在城市北方的建筑布局应优先保证适应冬季风的条件。本研究提出了方案一，这种布局有最少的湍流区，并能有效地降低住宅小区内部的风速。同时，避免了行人高度在冬季的风速过于快速，影响人们的出入便利。

其次，作者对衡阳市夏季主要风向为东南风的情况进行了分析。在城市东侧及南侧的建筑布局应优先保证适应夏季风的条件。作者提出了方案三，此方案保证了夏季的通风，同时最大风速的占比相对更低。通过对围合形式和布局的分析，结合冬夏两季当地气象数据的风速条件进行研究，作者成功地减弱了住宅小区中的穿流风。此项改良是为了减少强风影响出行的情况出现的几率，过强的风速也可能为老年人的出行带来安全隐患。同时本研究的改良方案也减少了低风速的区域，促进了住宅小区建筑周围环境的通风。

针对冬季和夏季不同风向的优化方案，作者提出了方案二和方案四。这两个方案分别针对不同的情况，以改善住宅小区内部的风环境和通风情况。方案二是针对衡阳市冬季主要风向为北风的情况提出的。在城市北方的建筑布局应优先保证适应冬季风的条件。作者提出了一种围合形式，这种围合形式能够有效地降低住宅小区内部的风速，并减少行人高度在冬季的风速过于快速，影响人们的出入便利。此外，作者还考虑了建筑的高度、密度等因素对风环境的影响，并提出了一些具体的改进措施。例如，我们可以采用低矮的建筑和合理的建筑密度来降低风速，提高通风效果。方案四是针对衡阳市夏季主要风向为东南风的情况提出的。在城市东侧及南侧的建筑布局应优先保证适应夏季风的条件。本研究提出了一种围合形式，此方案保证了夏季的通风，同时最大风速的占比相对更低。此外，作者还考虑了建筑的材料、形状等因素对风环境的影响，并提出了一些具体的改进措施。例如，我们可以采用透气性好的材料和流线型的形状来提高通风效果，降低风速。

然而，作者也意识到本研究在综合因素的考量上仍有欠缺。在今后的研究中，应当注意多种因素复合情况下对风环境的影响。例如，建筑的高度、密度等因素也会对风环境产生影响。此外，我们还需要考虑建筑的材料、形状等因素对风环境的影响。因此，未来的研究可以进一步深入探讨这些因素对风环境的影响机制，并提出更为全面和科学的优化方案。

5 结语

本文通过对衡阳市8个住宅小区的风环境进行研究，提出了针对冬季和夏季不同风向的优化方案，以改善住宅小区内部的风环境和通风情况。通过运用CFD模拟技术，研究发现建筑布局和围合形式对风环境有着显著的影响。因此，我们提出了方案一、方案二、方案三和方案四，分别针对不同的情况，以改善住宅小区内部的风环境和通风情况。

通过对这些方案的分析比较，作者发现方案一最适宜冬季情况，方案三最适宜夏季情况，而方案二和方案四则适用于特定情况下的优化。因此，在未来的研究中，我们可以根据具体情况选择合适的方案进行优化设计。

综上所述，本文的研究结果表明，合理的调整建筑布局能显著优化其周围的风环境，有助于我们更好地理解衡阳市区的住宅小区在冬季和夏季不同风速条件下的风环境分布情况，改善通风并缓解局部风速过快的问题。证明CFD技术在未来住宅小区的规划上能够提供更为科学合理的方案。希望本研究能为未来的同类型研究提供参考。可以帮助我们更好地理解住宅小区在不同气候条件下的风环境特性，从而为城市规划和建筑设计提供依据。同时，这些研究也有助于提高我们对气候变化影响的认识，以及如何在设计中考虑到这些因素。