牛盛楠，張欣宜，黃成，辛振宇

(1.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092;3.萬(wàn)科企業(yè)股份有限公司，廣東 深圳 518083;4.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103)

0 引言

CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。隨著CFD技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)對(duì)居住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬研究成為評(píng)價(jià)居住區(qū)規(guī)劃好與壞的一個(gè)必要有效的手段[1]。CFD技術(shù)方法包含3個(gè)主要環(huán)節(jié)——建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化輸出。[2]

目前CFD在應(yīng)用研究方面主要是研究室內(nèi)濕度和結(jié)露分布、對(duì)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬(美國(guó)MIT和香港大學(xué)借助大渦模擬工具研究自然通風(fēng)問(wèn)題[3])、置換通風(fēng)的數(shù)值模擬 (美國(guó) MIT、丹麥Aalborg大學(xué)和中國(guó)清華大學(xué)在地板置換通風(fēng)、座椅送風(fēng)方面進(jìn)行研究[3])、高大空間的數(shù)值模擬(中國(guó)清華大學(xué)以體育場(chǎng)館為主的高大空間的氣流組織設(shè)計(jì)及其與空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的關(guān)系研究[3])。

文章利用CFD應(yīng)用基礎(chǔ)研究的前期成果來(lái)研究居住區(qū)的自然通風(fēng)，對(duì)建筑物室外氣流組織進(jìn)行模擬，并通過(guò)對(duì)建筑物布局等進(jìn)行良好規(guī)劃進(jìn)而影響建筑物室外流場(chǎng)，達(dá)到最佳流場(chǎng)分布需求[4]。首先針對(duì)居住區(qū)建筑室外布局的特點(diǎn)，使用Airpak軟件在計(jì)算機(jī)中形成簡(jiǎn)化模型，在此基礎(chǔ)上分析居住區(qū)建筑室外流場(chǎng)以及風(fēng)速度場(chǎng)、風(fēng)壓力場(chǎng)分布，研究相鄰建筑間風(fēng)環(huán)境影響參數(shù)，討論了建筑物高度、間距以及寬度等因素對(duì)于高層建筑室外風(fēng)環(huán)境的影響[5]。

1 風(fēng)環(huán)境與采光評(píng)價(jià)方法與依據(jù)

1.1 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)方法與依據(jù)

在風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)中，風(fēng)環(huán)境的主要感受對(duì)象是人。研究表明:在同時(shí)考慮平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的情況下，行人的舒適感與風(fēng)速之間的關(guān)系如表1所示。本研究中對(duì)居住區(qū)行人高度風(fēng)環(huán)境性能的評(píng)估將利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果按照 Law son標(biāo)準(zhǔn)[7－8]進(jìn)行。按Law son評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)需要從舒適性水平和危險(xiǎn)性水平兩個(gè)方面對(duì)行人高度風(fēng)環(huán)境條件進(jìn)行評(píng)估[9]。

表1 行人的舒適感與風(fēng)速的關(guān)系表格[6]

調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示:在建筑物周圍行人區(qū)，若平均風(fēng)速V＞5m/s的出現(xiàn)頻率小于10%，行人少有抱怨;頻率在10% ～20%之間，抱怨將增多;頻率大于20%，則應(yīng)采取補(bǔ)救措施以減少風(fēng)速。另外，行人在風(fēng)速分布不均勻區(qū)域活動(dòng)時(shí)，若在小于2m的距離內(nèi)平均風(fēng)速變化達(dá)70%，即從低風(fēng)速區(qū)突然進(jìn)入高風(fēng)速區(qū)，人對(duì)風(fēng)的適應(yīng)能力將大減[6]。

居住區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)研究主要依據(jù)《中國(guó)生態(tài)住宅技術(shù)評(píng)估手冊(cè)》[10]中有關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段改善住區(qū)微環(huán)境條款中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)在建筑物周圍行人區(qū)1.5m高度風(fēng)速小于5m/s;

(2)冬季保證建筑物前后壓差不大于5Pa;

(3)夏季保證75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右的壓差，避免局部出現(xiàn)漩渦和死角，從而保證有效的自然通風(fēng);

(4)并參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50180－93《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范(2002 版)》[11]及 GB/T50375 －2006《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[12]中的條款。

本居住區(qū)的風(fēng)環(huán)境模擬分析主要針對(duì)以下3個(gè)內(nèi)容進(jìn)行:

(1)首先對(duì)整個(gè)規(guī)劃地塊風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，給出總體風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)論，篩選內(nèi)部不利風(fēng)環(huán)境區(qū)域。

(2)針對(duì)小區(qū)入口、道路節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行模擬分析。

(3)給出居住區(qū)中劣勢(shì)風(fēng)環(huán)境區(qū)域的改進(jìn)建議。

依據(jù)甲方提供的規(guī)劃圖紙，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察及測(cè)試，應(yīng)用CFD相關(guān)軟件Airpak建立建筑組團(tuán)模型，在此次建模過(guò)程中只考慮小區(qū)內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境，小區(qū)周圍暫不考慮。對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析工作，主要完成了居住區(qū)1.5m高度處夏季、冬季的風(fēng)速矢量分布圖、風(fēng)壓等值梯度分布圖。

1.2 居住區(qū)采光評(píng)價(jià)方法與依據(jù)

根據(jù)我國(guó)GB50180－93《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范(2002版)》的規(guī)定，住宅日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表2中以大寒日在8:00—16:00的有效日照時(shí)間帶內(nèi)滿足2h日照時(shí)數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 城市居住區(qū)日照標(biāo)準(zhǔn)

2 實(shí)例模擬分析—天津某居住區(qū)采光模擬分析

圖1 居住區(qū)總規(guī)劃圖(注:80#～86#—原有建筑;淺灰色—新建建筑)

根據(jù)GB50180－93《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》住宅日照標(biāo)準(zhǔn)，本案例居住區(qū)日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合天津地區(qū)大寒日陽(yáng)面日照累積時(shí)數(shù)≥2h的要求。

本研究運(yùn)用清華斯維爾軟件對(duì)居住區(qū)建筑的日照情況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如下:

圖2 居住區(qū)建筑的等日照線

(1)圖2、3中白色粗實(shí)線范圍表示日照時(shí)間少于2h。從圖2中可得知居住區(qū)的80#～85#樓均滿足天津地區(qū)大寒日陽(yáng)面日照累積時(shí)數(shù)不小于2h的國(guó)家住宅日照要求。

圖3 86#樓等日照線

(2)從圖2、3中可以看出居住區(qū)中的新建建筑對(duì)周圍原有建筑形成了較為嚴(yán)重的遮擋，建議在新建建筑單元房型設(shè)計(jì)中進(jìn)一步調(diào)整。

(3)對(duì)圖3、4綜合分析顯示86#樓的部分住戶位于白色粗線以內(nèi)，日照要求沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分別是:86#樓西端自西往東約8.7m處的一層到六層、東端自東往西約15m處的一層到六層，累積日照時(shí)數(shù)不到2h，建議新建建筑可降低建筑層數(shù)，提高86#樓的采光質(zhì)量。

本居住區(qū)所包含的居住建筑物能夠較好地滿足采光要求，住宅之間較好地考慮了視覺(jué)衛(wèi)生因素，避免視線干擾，保證了住戶的私密性。窗戶外有良好的視野，便于居民直接眺望外面的景色。

圖4 86號(hào)樓立面等日照線分析圖

基于以上分析結(jié)果，結(jié)合以下居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)。

3 實(shí)例分析—天津某居住區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬分析

3.1 當(dāng)?shù)貧夂蚪榻B

天津位于華北平原東北部，處于北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。4—10月份多偏南風(fēng)，其余各月多西北偏北風(fēng)，但8—12月均以靜風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。市區(qū)風(fēng)速的總體變化趨勢(shì):春季(4月)，秋季(10月)主導(dǎo)風(fēng)向是西南偏南風(fēng)，夏季(7月)是東南偏南風(fēng)，冬季是西北偏北風(fēng)，而且在冬季，市區(qū)靜風(fēng)頻率出現(xiàn)頻率高達(dá)18%。天津市區(qū)春季平均風(fēng)速最大，為3.5m/s。天津大風(fēng)天氣(≥17m/s為大風(fēng))較多，市區(qū)全年大風(fēng)日數(shù)多達(dá)40天，大風(fēng)多發(fā)生在每年的11月份到來(lái)年的5月份。

3.2 數(shù)值計(jì)算條件

表3 各高度風(fēng)速理論計(jì)算值表格

由上述對(duì)天津當(dāng)?shù)貧夂驐l件的分析可知，天津地區(qū)四季分明，冬天冷，夏天熱，因此，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮冬季避風(fēng)、夏季通風(fēng)。同時(shí)，天津多大風(fēng)天氣，應(yīng)考慮由此，造成的人身傷害和建筑物周圍主要通道處大風(fēng)對(duì)人行走的影響。根據(jù)天津各個(gè)季節(jié)風(fēng)向分布概率，對(duì)建筑周圍風(fēng)環(huán)境的分析應(yīng)從夏季東南風(fēng)、冬季西北偏北風(fēng)、春季西南偏南風(fēng)三個(gè)方面來(lái)考慮。對(duì)于大風(fēng)造成的影響從冬季主導(dǎo)風(fēng)向西北偏北風(fēng)和春季主導(dǎo)風(fēng)向西南偏南風(fēng)兩個(gè)風(fēng)向來(lái)分析。

CFD中采用的氣象條件參數(shù)各個(gè)風(fēng)向計(jì)算條件(如表3所示)分析:氣象條件參數(shù)——東南風(fēng):來(lái)流風(fēng)速取夏季平均風(fēng)速2.6m/s(10m高度平均風(fēng)速);西北風(fēng):來(lái)流風(fēng)速取冬季平均風(fēng)速3.1 m/s。

3.3 風(fēng)環(huán)境分析評(píng)價(jià)及建議

3.3.1 夏季風(fēng)環(huán)境模擬評(píng)價(jià)

夏季風(fēng)環(huán)境模擬主要評(píng)價(jià)露天公共活動(dòng)空間的風(fēng)向、風(fēng)速是否適宜人們戶外活動(dòng)的散熱。圖5中白色實(shí)線圓圈區(qū)域形成了居住區(qū)的風(fēng)口，風(fēng)速相對(duì)較大，從圖中右側(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)上可知此風(fēng)口的風(fēng)速是周圍風(fēng)速的2倍以上，風(fēng)速適宜，比較適合夏季人們?cè)诖藚^(qū)域進(jìn)行戶外乘涼。

圖5 夏季東南風(fēng)1.5m處水平截面風(fēng)速圖

3.3.2 采光與風(fēng)環(huán)境綜合模擬分析

圖6 采光、風(fēng)環(huán)境綜合模擬圖

圖6中白色實(shí)圈區(qū)域顯示在夏季的下午太陽(yáng)輻射相對(duì)不強(qiáng)烈，陰涼舒適，且風(fēng)速相對(duì)較大，是人們傍晚散步、納涼、進(jìn)行戶外活動(dòng)的合適區(qū)域，根據(jù)風(fēng)速數(shù)值可知，尤其以85#樓和84#樓之間的區(qū)域?yàn)樽罴褢敉饣顒?dòng)場(chǎng)所。除此區(qū)域以外的其它區(qū)域應(yīng)配合植樹(shù)等人工遮陽(yáng)措施，可充分利用風(fēng)資源營(yíng)造理想的生活活動(dòng)環(huán)境。

通過(guò)以上居住區(qū)夏季風(fēng)環(huán)境模擬分析可以得出，夏季居住區(qū)整體氣流分布合理，各處行人高度平均風(fēng)速在3m/s以下，無(wú)較大渦流風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)。居住區(qū)主入口處、規(guī)劃道路地段、在點(diǎn)式高層間的行人高度風(fēng)速約為2.5 m/s，均滿足人們舒適性要求。

居住區(qū)規(guī)劃的中部風(fēng)速偏低，因此中部區(qū)域不適合夏季人們的乘涼活動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速低于0.4m/s時(shí)，從環(huán)境衛(wèi)生方面考慮，空氣中的污染物不容易擴(kuò)散，在建筑群中，污染物在此聚集，影響環(huán)境衛(wèi)生。如果出現(xiàn)這種情況，則需要調(diào)整建筑物的間距或相對(duì)位置，從而使得建筑物間通風(fēng)通暢。

3.3.3 冬季風(fēng)環(huán)境模擬評(píng)價(jià)

冬季風(fēng)環(huán)境模擬主要評(píng)價(jià)交通要道上是否存在不利風(fēng)場(chǎng)，人們公共活動(dòng)區(qū)域是否充分避風(fēng)。

(1)冬季風(fēng)對(duì)交通出行的影響

圖7中白色實(shí)線圓圈區(qū)域形成風(fēng)口，圖8中顯示冬季寒風(fēng)對(duì)小區(qū)幾個(gè)入口影響很大，大部分入口恰好處在風(fēng)口，會(huì)給人們的日常生活帶來(lái)不便，并會(huì)對(duì)居住區(qū)人們的出行造成一定的影響。

(2)風(fēng)、陽(yáng)光、積雪對(duì)戶外活動(dòng)的影響

圖7 冬季西北風(fēng)1.5米處水平截面風(fēng)速圖

圖8 冬季水平1.5m處風(fēng)速等值梯度分布圖

圖9 采光、風(fēng)環(huán)境綜合分析圖

圖10 水平1.5m階梯布局風(fēng)速矢量分布圖

圖11 水平1.5m階梯布局風(fēng)壓等值剃度分布圖

圖9中居住區(qū)用白色實(shí)線圍合區(qū)域表示冬季日照缺乏(少于3h)，容易產(chǎn)生積雪且結(jié)冰，且場(chǎng)地開(kāi)闊致使寒冷氣流暢通無(wú)阻，在冬季寒風(fēng)，缺乏日照、積雪的情況，此區(qū)域并不適宜戶外活動(dòng)。圖10左中處于最上方的原有建筑的北面來(lái)襲風(fēng)速大，且南面被新建建筑遮擋缺乏陽(yáng)光，因此，此建筑在冬季處于十分不利的位置。

3.3.4 風(fēng)環(huán)境建議

天津地區(qū)夏季盛行東南季風(fēng)，冬季盛行西北偏北風(fēng)，冬、夏季風(fēng)向基本相反，因此居住區(qū)建筑布局應(yīng)遵循東南低、西北高，呈階梯狀布局(如圖10所示);夏季小區(qū)內(nèi)不容易出現(xiàn)風(fēng)影區(qū)(如圖11所示)，由于下沉橫風(fēng)作用，建筑之間風(fēng)速反比建筑兩端大，且建筑前后易于形成風(fēng)壓差，有利于自然通風(fēng)。

圖12 水平1.5m階梯布局風(fēng)速矢量分布圖

圖13 水平1.5m階梯布局風(fēng)壓等值梯度分布圖

建筑冬季西北高樓可以阻擋寒風(fēng)入侵(圖12)，西北高大建筑有力阻擋寒風(fēng)來(lái)襲，可使居住區(qū)內(nèi)風(fēng)速低至無(wú)風(fēng)(圖13)，除西北高樓前后風(fēng)壓差較大外，居住區(qū)內(nèi)建筑前后風(fēng)壓差很小，不易形成冷風(fēng)滲透，有利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季保溫。

通過(guò)以上模擬分析可知:我國(guó)天津地區(qū)或者北方嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)居住區(qū)的整體規(guī)劃布局應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)氣候條件進(jìn)行合理的規(guī)劃布局(階梯狀或環(huán)狀)，避開(kāi)冬季寒風(fēng)，利用夏季季風(fēng)。小高層、高層北立面應(yīng)盡量避免內(nèi)凹面或凹角，應(yīng)避免小高層、高層北向的環(huán)狀、漏斗狀建筑布局。適度控制小高層、高層南向環(huán)狀、漏斗狀布局，以及南立面出現(xiàn)較大凹角或凹面。

4 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出適合建筑師使用的風(fēng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，可利用本模擬系統(tǒng)對(duì)不同建筑物外型、尺寸、間距及不同來(lái)流角度情況下建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)分布進(jìn)行模擬。

文章通過(guò)采光模擬軟件分析了濱海城市居住區(qū)建筑的自然采光效果，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。而在居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化上則應(yīng)通過(guò)合理控制風(fēng)速、風(fēng)壓差、合理調(diào)整住棟間距和迎風(fēng)角度，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件避風(fēng)或者導(dǎo)風(fēng)。在居住區(qū)的局部區(qū)域要靈活運(yùn)用綠化、地面粗糙度、建筑擋風(fēng)以及建筑單體的吸風(fēng)口等手法，提高居住舒適度。

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