■ 趙 群 ZHAO Qun 趙晉鵬 ZHAO Jinpeng 李崢嶸 LI Zhengrong

0 引言

隨著城市的迅速發(fā)展和建筑技術(shù)的提升，源自對(duì)稱之美的雙子樓、雙子塔成為眾多城市的靚麗風(fēng)景線，如紐約雙子塔、吉隆坡雙子塔、廈門(mén)雙子塔等。雙子辦公樓在城市建筑群中屢見(jiàn)不鮮，兩棟建筑之間連接形成的大空間區(qū)域提升了空間利用率，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)之美。為保證辦公人員獲得更好的觀察視角，雙子辦公樓之間往往存在一定的錯(cuò)位距離，因而在兩棟平行建筑之間區(qū)域（街通道）形成了獨(dú)特的風(fēng)環(huán)境，建筑之間的風(fēng)速大小和通風(fēng)效果成為關(guān)注的重點(diǎn)。

自20世紀(jì)80年代起，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)平行建筑之間區(qū)域的流場(chǎng)特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。Oke[1]等人提出當(dāng)來(lái)流方向垂直于建筑街通道方向時(shí)，背風(fēng)街通道內(nèi)的流形可以分為爬越流（skimming flow）、尾流擾流(wake interference flow)和孤立粗糙流(isolated roughness flow)等3類; 隨后，Chan[2]等人在此基礎(chǔ)上分析了街通道幾何參數(shù)（高寬比、長(zhǎng)高比及建筑相對(duì)高度比）對(duì)流場(chǎng)特征和污染物擴(kuò)散作用的影響；劉朔[3]研究了兩棟并列布置的建筑在不同建筑間距和建筑高度下周圍速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化情況，指出相鄰建筑存在強(qiáng)烈相互影響的臨界間距為兩倍的建筑高度。Bolcken[4]則通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了迎風(fēng)街通道在不同的建筑間距下的速度分布情況，指出當(dāng)建筑間距過(guò)小或過(guò)大時(shí)迎風(fēng)街通道內(nèi)的文丘里效應(yīng)均不再顯著。顯然，目前的主要研究集中于來(lái)流風(fēng)與街通道平行或垂直兩種極端情況，而對(duì)其余風(fēng)向角情況和雙子樓之間存在錯(cuò)位的研究相對(duì)較少。

本文采用數(shù)值模擬方法研究在不同來(lái)流風(fēng)向下兩棟平行建筑之間的風(fēng)環(huán)境，分析不同布局下的雙子樓之間區(qū)域內(nèi)行人高度處的舒適性和通風(fēng)效果。

1 數(shù)值模擬

1.1 建筑模型的選取

本文選取長(zhǎng)（L）、寬（W）均為20m、高（H）為60m的建筑為研究對(duì)象，兩棟建筑間距（M）確定為20m。如圖1所示，為闡述簡(jiǎn)潔，先給出風(fēng)向角α和錯(cuò)位距離S的定義。風(fēng)向角反映了來(lái)流風(fēng)的方向，定義正北向來(lái)流風(fēng)的風(fēng)向角為0°，沿順時(shí)針?lè)较蛑饾u增大。錯(cuò)位距離反映兩棟建筑在南北軸向上的相對(duì)位置，東側(cè)建筑偏北時(shí)的S為負(fù)值，反之為正值。本研究中，選取α＝0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°；S＝0，（±1/4W），（±1/2W），（±3/4W），（±W）。

1.2 邊界條件的確定

依據(jù)AIJ[5]規(guī)定，選取最高建筑的高度作為特征長(zhǎng)度H，建筑群上游、兩側(cè)及上部的計(jì)算域長(zhǎng)度均為5H，下游計(jì)算域長(zhǎng)度為15H（圖2），圖中陰影區(qū)域代表兩棟研究建筑。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格。計(jì)算域入口采用速度入口，出口選擇壓力出口，兩側(cè)邊界及頂部邊界均采用對(duì)稱性邊界條件。來(lái)流邊界條件選用指數(shù)型：

式中，us—參考高度zs=10m處對(duì)應(yīng)的風(fēng)速；

u—任意高度z處的風(fēng)速；

α—大氣邊界層厚度指數(shù)。

湍流動(dòng)能kz的垂直分布可由湍流強(qiáng)度Iz的垂直分布估算得到。大氣邊界層中：

式中，zG—由周圍地形確定的大氣邊界層厚度。

湍流耗散率εz的垂直分布由公式（4）確定：

依據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019—2015）規(guī)定，選取上海市冬季平均風(fēng)速作為參考高度10m處的來(lái)流風(fēng)速，速度值為3m/s。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）選取高層高密建筑群的大氣邊界層厚度指數(shù)為0.3，由地形確定的大氣邊界層厚度為550m。湍流計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；差分格式為二階迎風(fēng)差分。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的k、ε殘差達(dá)到10-6，速度殘差達(dá)到10-3，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度值趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

圖1 不同錯(cuò)位距離及風(fēng)向角的定義

圖2 計(jì)算域的俯視圖

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文以風(fēng)向角15°、建筑錯(cuò)位距離0m作為基本條件，以中等網(wǎng)格的速度模擬結(jié)果為參照，分別計(jì)算粗糙網(wǎng)格和精細(xì)化網(wǎng)格帶來(lái)的模擬結(jié)果與中等網(wǎng)格模擬結(jié)果之間的平均相對(duì)誤差（S1、S2），并根據(jù)結(jié)果確定本文采用的網(wǎng)格數(shù)量。其中，中等網(wǎng)格數(shù)目約為110萬(wàn)個(gè)，粗糙網(wǎng)格尺寸為其數(shù)量的一半，而精細(xì)化網(wǎng)格為中等網(wǎng)格數(shù)量的兩倍。選取1.5m、10m、30m和50m高度平面內(nèi)均勻分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖3）作為計(jì)算點(diǎn)，S1、S2計(jì)算公式如下：

式中，vi,coarse、vi,medium、vi,fine分別為在粗糙網(wǎng)格、中等網(wǎng)格、精細(xì)化網(wǎng)格條件下，第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度值。結(jié)果顯示：S1＝3.5%，S2＝2%。說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)目和網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響不顯著。出于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)的考慮，本文模擬均采用中等網(wǎng)格。

2 風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

本研究旨在滿足行人舒適感的前提下，提高建筑間氣態(tài)污染物衰減速度，為雙子樓的建筑布局設(shè)計(jì)提供參考。因此，本部分選取以下4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 放大因子

放大因子體現(xiàn)了建筑相對(duì)位置對(duì)風(fēng)速大小的影響情況，用于衡量行人舒適感：

圖3 不同高度平面及測(cè)點(diǎn)的選取

式中，Ai—不同位置的放大因子；

Ui—不同位置行人高度的風(fēng)速；

Uref—未受到建筑影響的參考位置處自然來(lái)流風(fēng)速。

同時(shí)，定義Aavg為特定區(qū)域內(nèi)平均放大因子，Amax為特定區(qū)域內(nèi)的最大放大因子。ShiX等[6]總結(jié)了眾多學(xué)者對(duì)放大因子的研究成果，提出行人舒適的平均放大因子臨界值為1，最大放大因子臨界值為1.5。

2.2 無(wú)量綱空氣流量

無(wú)量綱空氣流量反映了建筑群中的空氣流動(dòng)情況，該值越大，反映群中氣態(tài)污染物衰減速率越高。在特定來(lái)流風(fēng)向條件下，流入或流出建筑之間特定界面的無(wú)量綱空氣流量可由以下公式計(jì)算：

式中，u—建筑間氣流截面上不同位置的速度矢量；

n—截面的法線方向；

A—該截面所對(duì)應(yīng)的面積；

2.3 冠層平均速度和界面交換速度

當(dāng)來(lái)流風(fēng)與雙子樓街通道呈現(xiàn)較大夾角時(shí)，因建筑間相互遮擋作用顯著，流入或流出的空氣流量較小，難以準(zhǔn)確反映內(nèi)部的通風(fēng)效果差異性，宜采用冠層平均速度UC和界面交換速度UE來(lái)表征背風(fēng)街通道的通風(fēng)情況。

冠層平均速度UC是基于建筑群內(nèi)建筑表面前后壓差等效得到的平均速度，具體計(jì)算公式如下：

式中，ρ—空氣密度；

FP—建筑前后表面的壓力差；

CD—建筑阻力常數(shù)，依據(jù)多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果，立方體建筑的阻力常數(shù)一般為1；

AF—建筑迎風(fēng)面積。

界面交換速度UE反映了建筑街通道頂部與外界的動(dòng)量交換情況，具體計(jì)算公式為：

AC—建筑群頂部任意區(qū)域的面積；

Uref—參考高度為2.5H（H為建筑群的平均建筑高度）處的速度。

3 結(jié)果分析

本部分重點(diǎn)討論錯(cuò)位距離S和風(fēng)向角α對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

3.1 放大因子

圖4反映了錯(cuò)位距離S和風(fēng)向角α對(duì)平均放大因子（Aavg）的影響情況。

（1）當(dāng)α在0°～45°范圍內(nèi)變化時(shí)，Aavg隨S的變化規(guī)律基本一致：隨著S的增加，Aavg先增后減，在S＝0時(shí)達(dá)到最大。其原因在于風(fēng)向角較小時(shí)，建筑之間的相互阻擋作用并不顯著，相同的來(lái)流條件下流入街通道的空氣流量差異不大，而S的增加導(dǎo)致建筑作用區(qū)域增大，因而街通道內(nèi)的平均速度（即Aavg）減小。

（2）隨著α的進(jìn)一步增大，特別是當(dāng)α達(dá)到75°及以上時(shí)，Aavg則變?yōu)橄葴p后增；當(dāng)α達(dá)到90°時(shí)，以S＝0的狀態(tài)為對(duì)稱，形成鮮明的陡增陡降趨勢(shì)。其原因在于迎風(fēng)街通道轉(zhuǎn)變?yōu)楸筹L(fēng)街通道的過(guò)程中，建筑之間的相互遮擋作用增強(qiáng)，而為正的錯(cuò)位距離增加又削弱了建筑之間的遮擋作用，使Aavg隨即增加迅速。

圖4 錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)平均放大因子的影響

圖5 錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)最大放大因子的影響

圖5 給出了最大放大因子（Amax）隨錯(cuò)位距離和風(fēng)向角的變化情況。當(dāng)α在0°～45°范圍內(nèi)變化時(shí)，Amax的總體趨勢(shì)是隨S的增加而增加，且從S＝0開(kāi)始，Amax增加迅速。這是因?yàn)镾為正時(shí)，角流作用和文丘里效應(yīng)的疊加使Amax顯著增大。當(dāng)α在60°～90°之間變化時(shí)，其基本規(guī)律與圖4一致，這里不再贅述。

根據(jù)圖4和圖5顯示，當(dāng)α=0°～15°時(shí)，僅僅在錯(cuò)位距離S＝W情況下，Aavg＜1且Amax＜1.5，滿足人員的風(fēng)舒適要求。但此種情況下，建筑之間的錯(cuò)位距離過(guò)大，在高層高密建筑中對(duì)土地的利用相對(duì)較小。當(dāng)α=30°或45°，且錯(cuò)位距離S為0或負(fù)值時(shí)，Aavg＜1，Amax則接近1.5，滿足人員的舒適性要求。當(dāng)α＞45°時(shí)，任意錯(cuò)位距離條件下的Aavg＜1且Amax＜1.5，同樣滿足人員的舒適性要求。

圖6 錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)頂部空氣流量的影響

3.2 無(wú)量綱空氣流量

圖6 為不同風(fēng)向角和錯(cuò)位距離下的頂部無(wú)量綱空氣流量（q*）的變化情況。

當(dāng)α在0°～90°變化時(shí)，除了0°和90°這兩種對(duì)稱情況外，無(wú)量綱空氣流量q*隨著S的增加總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且當(dāng)S為正時(shí)，增加速率明顯。當(dāng)α＝45°時(shí)，q*在不同S條件下達(dá)到最大，這是因?yàn)楫?dāng)α較小時(shí)，建筑之間的相互遮擋區(qū)域較小，隨著α的增加，建筑棱角的影響導(dǎo)致頂部脈動(dòng)情況增強(qiáng)，建筑頂部的空氣流量顯著增加；而當(dāng)α＞45°時(shí)，建筑之間的遮擋面積增大，建筑爬越流或尾流擾流作用顯著，通過(guò)建筑頂部的空氣流量減少。如表1所示，在錯(cuò)位距離S＝0的條件下，相比于風(fēng)向角α=0°，α分別為15°、30°、45°時(shí)，對(duì)應(yīng)的頂部無(wú)量綱空氣流量q*分別增加18.8%、57.7%、74.7%；而α=60°、75°、90°時(shí)，對(duì)應(yīng)的q*分別減小28.3%、79.1%、90.3%。

圖7 錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)冠層平均速度UC的影響

圖8 錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)界面交換速度UE的影響

3.3 冠層平均速度和界面交換速度

圖7 和圖8反映了錯(cuò)位距離和風(fēng)向角對(duì)冠層平均速度UC和界面交換速度UE的影響。顯然，隨著S的增加，UC和UE呈現(xiàn)不同程度的先抑后揚(yáng)趨勢(shì)，且拐點(diǎn)處的S值略有不同。尤其是S＞0時(shí)，S的存在削弱了建筑之間的遮擋作用，冠層平均速度UC和界面交換速度UE均隨著S的增加而迅速增大。負(fù)錯(cuò)位距離S的存在強(qiáng)化了建筑之間的遮擋作用，UC和UE均處于較低水平。但是，當(dāng)α＞75°時(shí)，負(fù)向錯(cuò)位距離過(guò)大反而弱化了建筑之間的相互遮擋作用，下游建筑能夠直接面對(duì)來(lái)流風(fēng)的作用，UC/Uref隨著錯(cuò)位距離的增大而增大；當(dāng)α＝90°這一極端情況時(shí)，正錯(cuò)位距離和負(fù)錯(cuò)位距離的存在均有效促進(jìn)了建筑之間的通風(fēng)效應(yīng)。

表1 不同風(fēng)向角下q*的變化情況

基于以上分析，我們可以得出下面結(jié)論：①對(duì)于α=0°～15°的情況，只有當(dāng)雙子樓的錯(cuò)位距離足夠大，使之完全成為兩棟獨(dú)立的建筑時(shí)，兩棟建筑之間區(qū)域內(nèi)的風(fēng)環(huán)境滿足行人舒適性要求，但此時(shí)頂部空氣流量相對(duì)較小，且此種布局方式對(duì)于土地的利用率極低；②對(duì)于α=30°或45°的情況，當(dāng)錯(cuò)位距離為0或負(fù)值時(shí)，雙子樓之間的風(fēng)環(huán)境滿足行人舒適性要求，但負(fù)向錯(cuò)位距離較大時(shí)，頂部空氣流量相對(duì)較小，因此，此種情況下的錯(cuò)位距離應(yīng)該位于（-1/4W）～0之間；③對(duì)于α＞45°的情況，任意錯(cuò)位距離下的雙子樓之間的風(fēng)環(huán)境均滿足舒適性要求，但錯(cuò)位距離為正值時(shí)，頂部空氣流量、冠層內(nèi)平均速度和界面交換速度均明顯增大，同時(shí)，考慮對(duì)土地的利用率，推薦錯(cuò)位距離在1/4W～1/2W之間。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文采用數(shù)值模擬方法，研究不同風(fēng)向角和錯(cuò)位距離條件下兩棟平行建筑之間的風(fēng)環(huán)境，并采用放大因子、無(wú)量綱空氣流量、冠層平均速度和界面交換速度對(duì)不同布局形成的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)風(fēng)向角α＜45°時(shí)，隨著正錯(cuò)位距離的增加，平均放大因子減小，而最大放大因子增大，流出建筑之間頂部的空氣流量增大；當(dāng)風(fēng)向角α＞45°時(shí)，隨著正錯(cuò)位距離的增加，平均放大因子、最大放大因子、冠層平均速度和界面交換速度均明顯增大，流出建筑之間頂部的空氣流量同樣增大。當(dāng)錯(cuò)位距離S=0時(shí)，隨著風(fēng)向角α的增加，平均放大因子、最大放大因子、流出建筑之間頂部的無(wú)量綱空氣流量先增大后減小，且基本均在α=45°時(shí)達(dá)到最大值。

由于雙子樓一般均采用坐南朝北的并排布局方式，其布局主要結(jié)合不同城市的主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行設(shè)計(jì)。我國(guó)各個(gè)城市夏季的主導(dǎo)風(fēng)向基本為東南風(fēng)，通過(guò)對(duì)稱性分析可得當(dāng)城市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)良好的風(fēng)環(huán)境，可將雙子樓進(jìn)行偏轉(zhuǎn)使建筑之間的通道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角在30°左右；當(dāng)城市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)時(shí)，雙子樓之間的錯(cuò)位距離應(yīng)該在0～1/4W之間選取；而當(dāng)城市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟掀珫|60°～90°時(shí)，雙子樓之間的錯(cuò)位距離應(yīng)該在（-1/2W）～（-1/4W）之間選擇。