王 頌 李金寶 蔣新波 熊倪倪 朱 銳

(南華大學(xué)建筑學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，我國的各項產(chǎn)業(yè)都得到了迅速的發(fā)展，城市居民對生活環(huán)境的舒適度要求也逐漸提高，特別是對城市建筑也不僅僅滿足于其基本的需求，城市居民對良好人居環(huán)境的愿望更加迫切，但是在城市化的發(fā)展過程中也隨之產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題[1]。其中以城市建筑風(fēng)環(huán)境問題尤為顯著，這些問題已經(jīng)嚴(yán)重的影響到了城市居民的生活質(zhì)量和城市發(fā)展。城市建筑作為城市中的一個空間子集，是城市居民工作生活以及對城市空間環(huán)境感受最直觀的場所，適宜的室外風(fēng)環(huán)境對城市良好生活空間構(gòu)建具有重要作用。近些年來，為更好治理城市風(fēng)環(huán)境問題，一些國家和地區(qū)都發(fā)布了與風(fēng)環(huán)境相關(guān)的規(guī)劃條例或規(guī)劃準(zhǔn)則。德國在城市風(fēng)環(huán)境治理這一方面走在了前列，自20世紀(jì)90年代開始，德國研究人員通過對斯圖加特城區(qū)風(fēng)環(huán)境研究制定了《山坡地帶規(guī)劃框架指引》，日本是亞洲區(qū)域最早開始城市風(fēng)環(huán)境研究的國家，2004年，日本政府環(huán)境省頒布了《熱島效應(yīng)的措施憲章》，建立了建筑環(huán)境綜合評價體系(CASBEE)，對城市通風(fēng)和建筑通風(fēng)提出了相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)。2016年，中國香港地區(qū)《規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》也對城市空氣流通設(shè)計內(nèi)容做出了相應(yīng)的要求。2014年，中國住建部門研究發(fā)布關(guān)于建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展的專項文件《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》及GB/T 50378—2014綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)。對城市室外建筑室外風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速和表面風(fēng)壓等方面都作出相應(yīng)要求。這些標(biāo)準(zhǔn)和條例的頒布，都標(biāo)志著城市建筑室外風(fēng)環(huán)境研究在城市規(guī)劃和設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 室外風(fēng)環(huán)境的概念

風(fēng)是一種天氣現(xiàn)象，是指大規(guī)模空氣質(zhì)點的水平運動，各個空氣層面的氣壓不同，由于壓強影響而產(chǎn)生了空氣流動，從而形成了風(fēng)[2]。當(dāng)風(fēng)由開闊處經(jīng)過城市某一處時，風(fēng)受到城市建筑物的阻擋，由于建筑物的圍護結(jié)構(gòu)以及建筑物布局方式的不同等各種因素，造成空氣流動方向發(fā)生改變和空氣溫度的分布不均勻?qū)е碌臍鈮禾荻劝l(fā)生變化，使局部區(qū)域產(chǎn)生一種與其環(huán)境、地形相適應(yīng)的空氣流動方式，造成局部氣候的改變，表現(xiàn)為該區(qū)域的風(fēng)向于風(fēng)俗特征這種氣候下風(fēng)的變化，它是城市氣候環(huán)境中重要的構(gòu)成之一。

3 國內(nèi)外相關(guān)研究進展及主要研究方法

自2001年以來，對于城市室外風(fēng)環(huán)境的研究廣泛受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于室外風(fēng)環(huán)境的論文也呈現(xiàn)出上升趨勢，對于城市室外風(fēng)環(huán)境的研究理論和方法也趨于豐富和完善，目前研究人員對室外風(fēng)環(huán)境的研究方法主要為實地測試和模擬實驗兩種。

3.1 實地測量法

實地測量法是實驗者研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的測量設(shè)備，通過設(shè)備觀測出該研究區(qū)域的風(fēng)環(huán)境特征，實地測量法的結(jié)果相對于模擬實驗法是最為準(zhǔn)確可靠的，但同時由于實地條件限制，對一些長期觀測數(shù)據(jù)的獲取比較困難，只能描述實時性風(fēng)環(huán)境情況，因此一般將實地測量實驗實時結(jié)果作為其他實驗的驗證和參考。

3.2 模擬實驗法

模擬實驗主要分為物理實驗和計算機數(shù)值模擬兩種，物理實驗是在實驗室中用等比例縮放的模型模擬實際風(fēng)環(huán)境特征的實驗方法，主要分為風(fēng)洞試驗和水洞實驗兩種類型，物理實驗法可以更直觀的觀測實驗數(shù)據(jù)，得到的實驗數(shù)據(jù)成果較為準(zhǔn)確，但是其對實驗室的要求較高，且制造模型花費較大，在實際案例中應(yīng)用較少。

計算機數(shù)值模擬實驗是基于對建筑物周圍風(fēng)流動遵循的動力學(xué)方程式進行數(shù)值求解，從而仿真模擬實際風(fēng)環(huán)境，稱為計算流體力學(xué)，簡稱CFD(Computational and Fluid Dynamics)，是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。相對于傳統(tǒng)的物理實驗，其具有方便、高效、成本低、不受模型尺度影響等優(yōu)點，其分析結(jié)果也更為直觀，清晰。近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用計算機數(shù)值模擬方法對建筑風(fēng)環(huán)境的研究開展的比較多，且取得了一系列研究成果。

4 計算機數(shù)值模擬相關(guān)軟件

隨著計算機硬件水平的飛速發(fā)展和CFD技術(shù)的不斷完善，計算機數(shù)值模擬已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究建筑室外風(fēng)環(huán)境的強有力工具。CFD軟件因為其準(zhǔn)確性和有效性，在建筑室外風(fēng)環(huán)境研究中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。計算機模擬風(fēng)環(huán)境分析軟件多種多樣，建模和計算分析方法都各不相同，但是它們都有一個相同的流程，即建模、設(shè)置、計算分析、模擬結(jié)果輸出四個必要的功能，目前國內(nèi)外學(xué)者對于研究城市建筑室外風(fēng)環(huán)境研究應(yīng)用較多的主要為Fluent系列、Phoenics以及建筑通風(fēng)軟件VENT系列軟件。

4.1 Fluent系列軟件

Fluent系列軟件在建筑室外風(fēng)環(huán)境研究中有著很廣泛的應(yīng)用，它包含豐富的物理模型，能夠精確地模擬無黏流、層流、湍流等一系列流體運動。它對于建筑室內(nèi)外風(fēng)速計算的準(zhǔn)確度較高，且計算速度很快，是一種比較易用、模塊化的建筑通風(fēng)軟件。

4.2 Phoenics軟件

Phoenics軟件是世界上第一款計算流體與計算傳熱學(xué)的商用軟件，開放性是Phoenics最大的特點。Phoenics最大限度地向用戶開放了程序，用戶可以根據(jù)需要添加程序和用戶模型。與其他CFD軟件相比它計算能力強、模型建立相對簡單，對計算機內(nèi)存、運算速度等指標(biāo)要求相對較低，便于模擬前期的參數(shù)初值估算。但其后處理設(shè)計尚不完善，軟件的功能總量少于其他軟件。

4.3 VENT軟件

建筑通風(fēng)軟件VENT是由綠建斯維爾公司開發(fā)研制的。VENT是一款專門為綠色建筑設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的軟件，它以Auto為構(gòu)筑平臺，具有建模、網(wǎng)格劃分、流場分析和結(jié)果瀏覽等功能，軟件方便易用、界面一目了然，便于初學(xué)人員快速上手。針對建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的特點，VENT對CFD很多邊界條件參數(shù)進行了固化，操作簡單，降低了使用門檻，設(shè)計師都可以輕松操作，為其設(shè)計方案服務(wù)。該軟件方便建筑師與工程師對建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境進行分析與設(shè)計，大大的提高了建筑師與工程師的工作效率。

5 國內(nèi)外學(xué)者進行的相關(guān)研究

在城市建筑室外風(fēng)環(huán)境方面，國內(nèi)外學(xué)者在計算機數(shù)值模擬技術(shù)方面進行了長期的探索和研究。最先使用計算機數(shù)值模擬技術(shù)來對室外風(fēng)環(huán)境進行分析的是美國麻省理工大學(xué)，通過系統(tǒng)的計算機模擬分析，模擬出了室外風(fēng)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，該研究成果為建筑室外環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，推動了室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的研究進展，在此之后CFD技術(shù)逐漸趨于成熟和完善，并被逐漸運用到了實際項目當(dāng)中。Yim SHL通過CFD-FLUENT模型，研究了城市建筑中街道污染物的擴散問題，并量化了在兩個通風(fēng)風(fēng)向(0°和25°)的風(fēng)速污染物擴散對環(huán)境的影響[3]。Hugh Bartond模擬研究了城區(qū)建筑中各自的布局方式對風(fēng)流動的影響，根據(jù)其布局特點來調(diào)整城區(qū)規(guī)劃方案，以期達(dá)到建筑的自然通風(fēng)，改善城市住區(qū)風(fēng)環(huán)境的目的。這些研究成果都為計算機數(shù)值模擬的方法和運用積累了大量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

在國外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者對于計算機數(shù)值模擬技術(shù)的研究方法也進行了廣泛的探索，我國在20世紀(jì)90年代開始就已經(jīng)開始了CFD技術(shù)方面的研究，取得一定進展。

胡曉峰通過CFD技術(shù)研究城市建筑室外風(fēng)環(huán)境特征，并根據(jù)模擬實例，總結(jié)了評價室外風(fēng)環(huán)境的方法[4]。李瓊通過CFD數(shù)據(jù)模擬，探討了建筑密度、建筑高度等與建筑室外風(fēng)環(huán)境相互關(guān)聯(lián)性[5]。劉少鋒等對某已設(shè)計建筑群風(fēng)環(huán)境分別進行了模擬分析，并提出優(yōu)化建議[6]。這些相關(guān)研究為國內(nèi)同類型建筑工程提供量化依據(jù)，也為室外風(fēng)環(huán)境模擬評價提供相關(guān)實踐經(jīng)驗。但是相對來說，與國外進行的室外風(fēng)環(huán)境計算機數(shù)值模擬研究相比還存在一些局限性，對室外風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)的探討還不夠深入，這也從側(cè)面反映出目前國內(nèi)對于室外風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究還有待加強。

6 結(jié)語

室外風(fēng)環(huán)境作為城市健康環(huán)境中的一個重要評價指標(biāo)，作為建筑物理環(huán)境中的重要一環(huán)，在城市中營造一個良好室外的風(fēng)環(huán)境對改善人居環(huán)境、節(jié)約建筑能源消耗具有重要促進作用。在城市建設(shè)過程當(dāng)中，通過計算機模擬技術(shù)即時模擬出區(qū)域相應(yīng)風(fēng)場變化，依據(jù)風(fēng)環(huán)境對建筑形態(tài)進行優(yōu)化設(shè)計。為建筑師和工程師設(shè)計和施工提供參考方法，可以極大地提高建筑工程的施工效率，對營造良好人居環(huán)境具有重要意義，隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)計算機風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)與良好風(fēng)環(huán)境的營造的兩者聯(lián)動會有較高的可行性，兩者的結(jié)合研究將有更為廣闊的前景。