段忠誠 方煥煥 李佳珺 王善行

1 中國礦業(yè)大學(xué)

2 江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心

在現(xiàn)有研究中，多數(shù)學(xué)者根據(jù)風(fēng)在高層建筑周圍繞流情況，對高層建筑易引發(fā)的建筑下行風(fēng)、大面積風(fēng)影區(qū)、街道峽谷風(fēng)等風(fēng)環(huán)境問題進(jìn)行過研究，也從高層建筑單體、建筑群布局、景觀綠化等方面提出了改善高層建筑室外風(fēng)環(huán)境的設(shè)計策略。

Quan Yong、李傳承等人采用問卷調(diào)查和CFD模擬相結(jié)合的方法，研究了夏熱冬冷地區(qū)板式高層建筑冬季室外防風(fēng)策略[1，2]；Zhang、王輝、馬劍、Blocken等人對高層建筑室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了定量研究，分析了室外風(fēng)環(huán)境的特征及成因，并提出相應(yīng)改善措施[3-6]。目前對建筑室外風(fēng)環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場實測、風(fēng)洞實驗以及CFD數(shù)值模擬技術(shù)三種。王福軍認(rèn)為通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量分布以及這些物理量隨時間變化的情況，CFD數(shù)值模擬技術(shù)與CAD聯(lián)合還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等[7]。歐洲COST、日本AIJ的研究機(jī)構(gòu)以及國內(nèi)的李魁山、莊智、韓沐辰等人研究了CFD模擬軟件中模型簡化、計算模型、網(wǎng)格處理、邊界設(shè)置、方程求解、模擬工具選擇等模擬技術(shù)要點(diǎn)[8-12]。

由此可見，國內(nèi)外已經(jīng)對建筑室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了深入研究，然而大多數(shù)風(fēng)環(huán)境研究采用CFD軟件模擬的方法，現(xiàn)場實測研究方法使用甚少。我們認(rèn)為CFD軟件模擬是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，而建筑室外風(fēng)環(huán)境實際情況很復(fù)雜。因此，我們先對徐州地區(qū)阿爾卡迪亞、紫金東郡兩個小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場實測，定量分析各測點(diǎn)風(fēng)速并對比軟件模擬結(jié)果，以探究現(xiàn)場實測法與軟件模擬法所得結(jié)果的差異與關(guān)聯(lián)。

1 研究對象

阿爾卡迪亞是以高層為主的居住社區(qū)，輔以部分小高層，該地塊建筑排列錯落有致，有利于住區(qū)內(nèi)部通風(fēng)（圖1）。紫金東郡總建筑面積約45萬m2，綠化率約48%；紫金東郡二期內(nèi)部建筑以高層、小高層為主，且以行列式分布為主（圖2）。根據(jù)住區(qū)規(guī)模，每個住區(qū)選擇若干個測點(diǎn)，測點(diǎn)選擇原則：1）行人活動頻率較高的場所，如住區(qū)主入口、公共活動場地、主要交通道路等；2）容易產(chǎn)生不良風(fēng)環(huán)境的場所，如高層建筑側(cè)面道路、建筑圍合度較高的場地等；3）影響建筑室外微氣候的區(qū)域，如景觀綠地區(qū)域。

2 研究方法

2.1 實測法

我們于2016年6月29、30日對阿爾卡迪亞、紫金東郡兩個小區(qū)開展室外風(fēng)環(huán)境現(xiàn)場實測，測試儀器選擇了手持式熱式風(fēng)速儀、GG-WDS2二維風(fēng)速風(fēng)向儀器與多通道風(fēng)速風(fēng)向記錄儀（顯示與記錄GG-WDS2二維風(fēng)速風(fēng)向測試儀獲取的風(fēng)速風(fēng)向）對住區(qū)各測點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行了測試（圖3）。

儀器記錄方法：手持式熱式風(fēng)速儀可顯示5s內(nèi)的平均風(fēng)速，在實測的時間段內(nèi)，將儀器感應(yīng)探針放置在1.5m高處記錄，測量同學(xué)每隔10min連續(xù)讀一組數(shù)據(jù)，每組120個數(shù)據(jù)，一共記錄10組共1 200個數(shù)據(jù)（圖4）。GG-WDS2二維風(fēng)速風(fēng)向儀器與多通道風(fēng)速風(fēng)向記錄儀可不間斷記錄測點(diǎn)風(fēng)速與風(fēng)向，測試過程中將GG-WDS2二維風(fēng)速風(fēng)向儀器同樣放置在1.5m高處。

1 阿爾卡迪亞各測點(diǎn)定位圖

2 紫金東郡各測點(diǎn)定位圖

3 測量儀器示意圖

4 手持式熱式風(fēng)速儀實測現(xiàn)場

5 阿爾卡迪亞風(fēng)環(huán)境實測數(shù)據(jù)

6 紫金東郡風(fēng)環(huán)境實測數(shù)據(jù)

2.2 模擬法

對調(diào)研小區(qū)夏季室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行軟件模擬分析，嘗試探討實測與軟件模擬結(jié)果間的關(guān)系。模擬使用的風(fēng)參數(shù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，為6月29、30日現(xiàn)場實測時間段內(nèi)的大氣平均風(fēng)速與主導(dǎo)風(fēng)向，詳情如表1。

3 研究結(jié)果

3.1 現(xiàn)場實測結(jié)果

3.1.1 阿爾卡迪亞實測結(jié)果

2016年6月29日下午15:20～18:30對阿爾卡迪亞（A區(qū)）住區(qū)進(jìn)行室外風(fēng)速實測，通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得測試時間段內(nèi)大氣平均風(fēng)速為2.4m/s。實測時對4個測點(diǎn)1.5m高處風(fēng)速進(jìn)行了同步測量。在15:20～18:30時間段內(nèi)對每個測點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行了10組測量，每組測量持續(xù)時間為10min，將每組120個數(shù)據(jù)取平均值，各測點(diǎn)可獲得10組平均風(fēng)速（圖5），將獲得數(shù)據(jù)整理如表2。

對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)整合后，運(yùn)用風(fēng)速大于1m/s的概率和平均風(fēng)速兩個指標(biāo)來比較各測點(diǎn)風(fēng)速的情況。從表2中可以看出，測點(diǎn)1的10組數(shù)據(jù)中風(fēng)速大于1m/s的概率僅為40%，平均風(fēng)速僅為0.86m/s，該處風(fēng)速不利于夏季空氣散熱和污染物排放，通風(fēng)效果不佳；測點(diǎn)2和測點(diǎn)3處風(fēng)速大于1m/s的概率皆為70%，且平均風(fēng)速為1.35m/s和1.21m/s，滿足夏季基本通風(fēng)需求；測點(diǎn)4風(fēng)速大于1m/s的概率為0，平均風(fēng)速為0.71m/s，該處風(fēng)速不滿足夏季通風(fēng)最低要求，通風(fēng)效果較差。4個測點(diǎn)的通風(fēng)效果為測點(diǎn)2>測點(diǎn)3>測點(diǎn)1>測點(diǎn)4。結(jié)合前期分析，我們認(rèn)為測點(diǎn)1、2、3處通風(fēng)效果皆受建筑布局影響，測點(diǎn)4處通風(fēng)效果主要受植物景觀影響。

3.1.2 紫金東郡實測結(jié)果

2016年6月30日下午15:10～18:20對紫金東郡住區(qū)進(jìn)行室外風(fēng)速實測，通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得測試時間段內(nèi)大氣平均風(fēng)速為2.1m/s。對4個測點(diǎn)1.5m高處風(fēng)速進(jìn)行同步收集，實測持續(xù)3h，每個測點(diǎn)收集了10組數(shù)據(jù)（圖6），將獲得數(shù)據(jù)整理得到表3。

將各測點(diǎn)數(shù)據(jù)整理后，以風(fēng)速大于1m/s的概率和平均風(fēng)速兩個指標(biāo)來比較各測點(diǎn)風(fēng)速的情況。通過表3可知，測點(diǎn)3風(fēng)速大于1m/s概率為40%，測點(diǎn)2、4風(fēng)速大于1m/s的概率為30%，但僅有測點(diǎn)3的平均風(fēng)速大于1m/s，滿足夏季基本通風(fēng)需求。測點(diǎn)1風(fēng)速大于1m/s的概率為0，通風(fēng)效果表現(xiàn)不佳。綜合來看，四個測點(diǎn)通風(fēng)效果為測點(diǎn)3＞測點(diǎn)2>測點(diǎn)4>測點(diǎn)1。

3.2 軟件模擬結(jié)果

3.2.1 阿爾卡迪亞室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析

通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)日風(fēng)環(huán)境條件下阿爾卡迪亞大部分區(qū)域風(fēng)速偏低，小區(qū)南部出現(xiàn)大面積低風(fēng)速區(qū)域，僅東門入口廣場處和綜合樓周圍風(fēng)速較理想（圖7）。由于風(fēng)向為162°、南偏東，而最南側(cè)一排建筑8、9、10、11號樓樓層較高，分別為18層、17層、17層以及16層，高層建筑對來流風(fēng)遮擋嚴(yán)重，導(dǎo)致小區(qū)南部大部分區(qū)域風(fēng)速較低且出現(xiàn)大面積靜風(fēng)區(qū)域（圖8，空白部分為靜風(fēng)區(qū)域），而靜風(fēng)區(qū)不利于空氣循環(huán)流通。

表1 實測當(dāng)日風(fēng)參數(shù)

表2 阿爾卡迪亞各測點(diǎn)風(fēng)速情況

表3 紫金東郡各測點(diǎn)風(fēng)速情況

7 阿爾卡迪亞夏季1.5m 處風(fēng)速云圖

8 阿爾卡迪亞夏季1.5m 處靜風(fēng)區(qū)域

9 阿爾卡迪亞實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

10 紫金東郡室外1.5m 高度風(fēng)速云圖

11 紫金東郡夏季1.5m 處靜風(fēng)區(qū)域

12 紫金東郡實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

再對實測結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對比。在實測中測點(diǎn)1位于南門處，測點(diǎn)2位于東門廣場上，測點(diǎn)3位于綜合樓與3號樓間的人行道處，測點(diǎn)4位于5號樓和8號樓間的景觀綠地中。將這些測點(diǎn)對應(yīng)到模擬結(jié)果中，如圖7中紅點(diǎn)所示。模擬結(jié)果中測點(diǎn)1位于靜風(fēng)區(qū)，風(fēng)速最小為0.89m/s；測點(diǎn)2與測點(diǎn)3所在位置風(fēng)速較好，分別為2.66m/s和2.34m/s；測點(diǎn)4風(fēng)速為1.72m/s，小于測點(diǎn)2、3?？傮w情況為測點(diǎn)2>測點(diǎn)3>測點(diǎn)4>測點(diǎn)1。而實測結(jié)果為測點(diǎn)2>測點(diǎn)3>測點(diǎn)1>測點(diǎn)4，測點(diǎn)1和測點(diǎn)4的風(fēng)速在模擬中結(jié)果不同于實測（圖9）。我們認(rèn)為主要原因在于測點(diǎn)4位于景觀綠地中，四周植物對風(fēng)速遮擋效果明顯，而模擬中并未考慮植物影響，導(dǎo)致測點(diǎn)4結(jié)果優(yōu)于測點(diǎn)1。從結(jié)果數(shù)據(jù)對比來看，模擬結(jié)果普遍大于實測結(jié)果，從各測點(diǎn)數(shù)值比較來看，模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定相關(guān)性。

3.2.2 紫金東郡室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析

通過模擬發(fā)現(xiàn)，紫金東郡在當(dāng)日的風(fēng)環(huán)境下小區(qū)內(nèi)部風(fēng)速普遍很低，僅南側(cè)第一排建筑間風(fēng)速較高（圖10）。由于主導(dǎo)風(fēng)向為191°，建筑后方形成了大面積風(fēng)影區(qū)。在建筑的影響下，整個小區(qū)北側(cè)都處在低速風(fēng)的控制中，形成大面積靜風(fēng)區(qū)（圖11）。

在實測中測點(diǎn)1位于西門停車庫東側(cè)，測點(diǎn)2位于小區(qū)北側(cè)主要活動場地中，測點(diǎn)3位于小區(qū)東部居民健身活動場地，測點(diǎn)4位于小區(qū)南側(cè)活動廣場上。將這些實測點(diǎn)對應(yīng)到模擬結(jié)果中，如圖10中紅點(diǎn)所示。發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)1完全處于靜風(fēng)區(qū)中，測點(diǎn)2與測點(diǎn)4在靜風(fēng)區(qū)邊緣，僅測點(diǎn)3處風(fēng)速大一些。結(jié)合紫金東郡風(fēng)環(huán)境軟件模擬圖得出，測點(diǎn)1風(fēng)速為0.62m/s，測點(diǎn)2風(fēng)速為1.12m/s，測點(diǎn)3風(fēng)速為1.41m/s，測點(diǎn)4風(fēng)速為1.09m/s（圖12）。模擬結(jié)果為測點(diǎn)3>測點(diǎn)2>測點(diǎn)4>測點(diǎn)1，與實測結(jié)果相同。對比二者結(jié)果數(shù)值可知，模擬結(jié)果普遍大于實測結(jié)果，但二者結(jié)果中各測點(diǎn)大小的關(guān)聯(lián)性是一致的。

3.3 優(yōu)化策略

從阿爾卡迪亞實測結(jié)果中可以看出，測點(diǎn)4通風(fēng)效果較差是由于建筑周圍的綠化過多，不利于建筑的自然通風(fēng)。應(yīng)根據(jù)徐州的氣候特征選擇合適的樹種，并在形狀、高度方面進(jìn)行配合。喬木、灌木與樹籬在引導(dǎo)氣流運(yùn)動方面作用也各不相同，高大的喬木底部敞開，能使吹過的風(fēng)向上移動。建筑的南側(cè)種植落葉喬木，在炎熱的夏季茂密的樹葉可遮擋太陽福射，而在寒冷的冬季也可保證良好的日照。

從紫金東郡實測結(jié)果中可以看出，夏季由于東風(fēng)的作用，居住區(qū)內(nèi)部風(fēng)壓呈現(xiàn)東大西小，導(dǎo)致測點(diǎn)1完全處于靜風(fēng)區(qū)中，不利于空氣流動，容易發(fā)生污染物沉積。這種情況下，可通過調(diào)整建筑布局、間距、朝向使小區(qū)內(nèi)風(fēng)速得到提高。

4 研究結(jié)論

通過對比阿爾卡迪亞與紫金東郡室外風(fēng)環(huán)境的現(xiàn)場實測結(jié)果與軟件模擬結(jié)果，探索兩種結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，得出以下結(jié)論：1）軟件模擬數(shù)值普遍大于實測數(shù)值，我們認(rèn)為實測時數(shù)據(jù)結(jié)果會受到周圍植物遮擋、行人甚至操作者的影響導(dǎo)致數(shù)值偏小，而軟件模擬則在一個較為理想的條件中模擬出結(jié)果；2）實測與模擬結(jié)果具有關(guān)聯(lián)性。通過分析兩居住區(qū)的實測與模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)之間的大小關(guān)系基本是一致的；3）植物配置是改善風(fēng)環(huán)境設(shè)計較為靈活的方式之一，植物可隨著季節(jié)的變化而生長改變，在不同的季節(jié)起到不同的作用，同時植被對氣流具有引導(dǎo)作用，高密度的植物分布能夠改變空氣氣流的運(yùn)動方向，植物的合理布置可形成夾道，對風(fēng)進(jìn)行引導(dǎo)或者根據(jù)需要改變氣流路徑。