沈煉，唐春朝，韓艷，汪闊，李春光，蔡春聲

(1.長沙學院 土木工程學院，長沙 410022；2.長沙理工大學 橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，長沙 410076；3.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082)

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，建設(shè)用地緊張的問題愈發(fā)凸顯，越來越多的高層建筑應(yīng)運而生。這些高層建筑周圍氣流易產(chǎn)生下沖、繞流、渦旋、穿堂等現(xiàn)象，從而引發(fā)人行高度風環(huán)境不舒適性問題[1]。目前對城市建筑風環(huán)境研究的主要手段有現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬?，F(xiàn)場實測最能直接反映建筑周圍的風場分布，但由于測試周期長，耗費大量人力物力，從而得不到廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬可以精確顯示流場的詳細信息，受到了越來越多學者的青睞[2-5]，但不足的是，數(shù)值模擬因計算參數(shù)較多，其計算結(jié)果的正確性有待商榷，往往需要風洞試驗對其進行驗證。近年來，風洞試驗由于具有實施方便、試驗條件可控等優(yōu)點，在風工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如關(guān)吉平等[6]利用風洞試驗對群體風環(huán)境干擾效應(yīng)做了研究，得到了高層建筑尾流區(qū)域風場的分布特性；Ricci等[7]基于風洞試驗得到了意大利文化區(qū)街道峽谷內(nèi)城市邊界層的演變過程；金海等[8]、王成剛等[9]、劉立創(chuàng)[10]分別通過風洞試驗對高層建筑行人高度風環(huán)境進行了研究，并對周圍的風環(huán)境舒適度進行了定量評估。這些試驗研究得到了寶貴的試驗數(shù)據(jù)，可為日后數(shù)值模擬提供借鑒。但不足的是，這些研究主要針對單體建筑或理想排列建筑群，對實際小區(qū)新增高聳建筑后的風環(huán)境研究還相對較少，加上現(xiàn)有小區(qū)風洞試驗研究采用的風洞尺寸一般相對較小，風洞壁與建筑模型相互影響，且當前大多試驗只模擬了小區(qū)核心位置，并沒考慮小區(qū)外圍建筑的邊界效應(yīng)，故很難精確、全面地捕捉小區(qū)流場信息。

當獲取小區(qū)流場信息后，需對其風環(huán)境進行評估，目前學者們還未達成統(tǒng)一的標準和規(guī)范，常見的評估方法主要有風速比評估法、相對舒適度評估法和超越閥值概率評估法。風速比評估法由于缺乏對行人感受的考慮，存在明顯的局限性。相對舒適度法[11]則是以人的舒適性需求為出發(fā)點，通過人對風的不舒適程度以及不舒適發(fā)生的次數(shù)進行分級，其不足是人為主觀性因素太大，具有一定的不確定性。近年來，超越概率評估方法由于可同時考慮不舒適性、危險度的閥值風速，得到了廣泛應(yīng)用，如陳勇等[12]基于超越概率方法對不同評估標準進行比較，得到了各個標準的相對寬嚴程度；李朝等[3]基于超越概率對開敞式大跨空間建筑進行了分析；陳伏彬等[13]利用該方法對城市綜合體進行了研究，取得了較好結(jié)果。雖然超越概率近年來多次運用在小區(qū)風環(huán)境的評估當中，但利用超越概率方法分析高聳建筑影響的針對性分析還未曾報道。筆者針對當前試驗研究的不足，以長沙通用時代小區(qū)為研究對象，利用大尺度風洞(10 m×3 m×21 m)對有無高聳建筑的小區(qū)風環(huán)境進行全方位、多工況試驗研究，從而揭示小區(qū)人行高度風場、豎向風剖面與湍流度剖面的分布規(guī)律，并結(jié)合當?shù)貧庀筚Y料利用超越概率方法對有無高聳建筑的小區(qū)風環(huán)境進行定量評估，相關(guān)研究結(jié)論可供日后小區(qū)規(guī)劃設(shè)計參考。

1 風洞試驗介紹

1.1 大氣邊界層風洞

試驗在長沙理工大學風工程與風環(huán)境研究中心進行，如圖1所示，試驗風洞尺寸為10 m×3 m×21 m，風速范圍在1.0～18.0 m/s可調(diào)，且風機具有可變的扇葉角度，確保了低風速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)盤直徑為5.0 m，風洞還安裝了二維移側(cè)架系統(tǒng)，可在風洞橫向及豎向移動風速探頭。

圖1 風洞實驗室

1.2 風速測量儀器

在水平方向，采用歐文探針測量人行高度風場，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中探頭直徑15 mm，在探頭中心開槽，槽中心穿插一根直徑1 m中空鋼針(A端)，開槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針(B端)。根據(jù)歐文探針原理可知，風速與A、B端的壓差成正比關(guān)系。

圖2 歐文探針

(1)

其中：pA、pB分別為探頭兩端的風壓；a、b為探頭的標定系數(shù)；Uh為距離底面標高h處(即A端)的風速；h對應(yīng)實際2 m高度處。

試驗前需對探針進行標定，特制了一5 mm厚的鋼板，通過鉆孔固定探針，每個相鄰孔位間距為12 cm，如圖3所示。標定時，采用眼鏡蛇風速儀測量探頭頂部風速，在4、6、8、10、12 m/s風速來流下測得探針風速與壓差的關(guān)系，如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)探針擬合系數(shù)均大于0.99，說明風速與壓差具有很好的線性關(guān)系。風壓測量采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥，測量精度為0.06%，采樣頻率350 Hz，試驗過程中采樣時間為1 min。

圖3 歐文探針標定圖Fig.3 Calibration of Irwin

圖4 探針標定系數(shù)Fig.4 Calibration coefficients of

豎向風速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra 探頭(眼鏡蛇風速儀)，該探頭能夠同時測量u、v、w三向壓力或風速時程，風速測量誤差小于3%，采樣頻率500 Hz，采樣時間為1 min。

1.3 試驗?zāi)Ｐ图皽y點布置

試驗對象位于長沙市，其航拍圖如圖5(a)所示，試驗過程中，為消除周邊建筑對小區(qū)風場的邊界效應(yīng)，模擬了小區(qū)外圍600 m半徑范圍內(nèi)的周邊建筑，縮尺比為1∶250，阻塞率小于5%，高聳建筑V立方大廈150 m(模型高0.6 m)，位于小區(qū)正北方，如圖5(b)所示。試驗過程中布置了多個歐文探針，覆蓋了室外開闊區(qū)域、廣場、人行道等場所，歐文探針布置如圖5(c)所示。

圖5 長沙通用時代小區(qū)Fig.5 Changsha Tongyong Shidai

利用尖劈、粗糙元、橫桿模擬出C類地貌，試驗參考高度為1.6 m，風速為8 m/s，入口平均風速和湍流度的表達式分別為

(2)

(3)

式中：z為離地高度，模擬的風速剖面和湍流度剖面如圖6所示。試驗過程中，模擬了16個風向角，間隔22.5°，風向角通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)，其中0°、90°、180°和270°分別代表北風、西風、南風和東風，如圖7(a)所示。

圖6 風洞試驗入口參數(shù)Fig.6 Wind tunnel test entrance

試驗過程中，在小區(qū)內(nèi)部布置了64個歐文探針，對小區(qū)人行高度風場進行實時監(jiān)測，監(jiān)測點位如圖7(b)所示。同時，對0°，90°，180°和270°風向角作用下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點位進行風剖面和湍流度剖面監(jiān)測，具體監(jiān)測位置如圖7(c)所示。

圖7 監(jiān)測點布置圖Fig.7 Layout of monitoring

1.4 試驗工況

為獲取V立方大廈對小區(qū)風環(huán)境的影響，對有無V立方大廈的人行高度風進行了多工況試驗分析，并對典型工況下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點風剖面與湍流度剖面進行了詳細研究，各工況匯總?cè)绫?所示。

表1 模擬工況匯總Table 1 Summary of simulation conditions

2 試驗結(jié)果及分析

分別對上述工況進行試驗，獲取了不同工況下監(jiān)測點所在位置的風速時程，取平均后得到小區(qū)人行高度風場、豎直風剖面和湍流度剖面的詳細分布。

2.1 風速整體分布

研究顯示，在大雷諾數(shù)作用下，流場的分布不隨入口風速的變化而變化，即在對應(yīng)某一風向下建筑物周圍流場是相對固定的，定義風速比MVR為

(4)

式中：Vi為i號測點行人高度平均風速大小；V0為實際高度未受建筑干擾的來流平均風速。

通過風洞試驗得到不同風向作用下小區(qū)行人高度風速，限于篇幅，展示了0°、90°、180°、270°風向下的風速比云圖，如圖8所示。由于小區(qū)內(nèi)高樓錯綜復雜，各樓棟之間又有相互干擾，使得內(nèi)部流場十分復雜。如0°風向角下，9棟(如圖7(c)所示)西側(cè)、6棟周圍以及13棟東側(cè)風速都出現(xiàn)了明顯的加速效應(yīng)，其原因是這幾棟建筑在來流風向前方并無高大密集建筑遮擋，在高層建筑側(cè)邊形成了加速效應(yīng)。從圖中還可以看出，在有V立方情況下，1棟左側(cè)出現(xiàn)了明顯加速效應(yīng)，說明V立方的建成改變了其周圍風環(huán)境。90°風向角下，“峽谷效應(yīng)”明顯，主要由于西側(cè)周邊建筑呈平行式排列且相對較高，構(gòu)成了一道人工的“街道峽谷”，風匯合在街道導致風速加大，出現(xiàn)局部強風，如圖8(b)、(f)所示。180°風向下，小區(qū)6棟、13棟轉(zhuǎn)角區(qū)域也出現(xiàn)加速效應(yīng)，但在9棟和11棟背風面出現(xiàn)了明顯的低風速區(qū)，風速比接近于0。在270°風向角下，由于建筑迎風面積大，導致小區(qū)內(nèi)整體風速較小。整體而言，在有V立方時，小區(qū)1棟所在區(qū)域風速比出現(xiàn)了顯著提升，說明V立方在一定程度改變了附近區(qū)域風環(huán)境。

圖8 不同風向作用下小區(qū)人行高度風場分布云圖Fig.8 Contours of wind field distribution of pedestrian height in different wind

2.2 人行高度風環(huán)境

試驗過程中，對大廈周圍300 m區(qū)域范圍內(nèi)有無V立方的小區(qū)風環(huán)境進行了詳細對比分析，如圖9所示。圖中不同顏色表示不同區(qū)域范圍的測點，其中，黑色、紅色和藍色分別代表0～100 m、100～200 m、200～300 m區(qū)域范圍，落在虛線右下角區(qū)域的測點表示有高聳建筑時該測點區(qū)域風速大于無高聳建筑，落在虛線左上角區(qū)域則相反。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在0°風向角下，由于來流方向前面并無密集建筑，小區(qū)內(nèi)風速普遍較大，此時V立方位于小區(qū)正北方，影響最為明顯，在V立方附近100 m范圍內(nèi)多處出現(xiàn)加速效應(yīng)。在90°和270°風向角時，小區(qū)位于V立方側(cè)邊，對小區(qū)內(nèi)的人行高度風影響較小。在180°時，V立方大廈在小區(qū)的尾流區(qū)域，大于100 m位置風場不受V立方影響?？傮w而言，新增V立方后，在0～100 m范圍內(nèi)人行高度風場具有較大改變，且大部分測點風速在有V立方時明顯大于無V立方時。

圖9 人行高度歸一化平均風速比較Fig.9 Comparison of normalized average wind

為定量了解V立方大廈對小區(qū)人行高度風場的影響范圍，引入均方根誤差(RMSE)評估有無V立方大廈小區(qū)人行高度風場偏差，RMSE定義為

(5)

式中：ai、bi分別為工況A、B每一點的無量綱風速比；N為監(jiān)測點數(shù)目。4個風向角作用下,不同范圍均方根偏差如表2所示，從表2可以發(fā)現(xiàn)，300 m范圍內(nèi)所有測點的RMSE值在0.2左右，說明V立方對小區(qū)人行高度風場產(chǎn)生了較大影響，通過分析4個風向下RMSE值與距離的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，V立方對周邊的影響逐漸減小。

表2 不同范圍風速比均方根誤差Table 2 RMSE of wind speed ratio in different range

V立方建筑位于小區(qū)正北側(cè)，0°風向時，小區(qū)風場受V立方影響最為顯著，對圖9(a)中3種不同距離散點圖分別進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)100、200、300 m范圍內(nèi)的擬合值分別為0.75、0.94、0.98，說明高聳建筑對小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風速造成了25%、6%和2%的加速作用。

2.3 風剖面

在豎直方向，對小區(qū)內(nèi)部典型區(qū)域的風剖面進行了詳細探討，給出了不同來流風向下測點(見圖7(c))的無量綱平均風速剖面，如圖10所示。對每個測點風剖面指數(shù)進行擬合，擬合值如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)，各測點風剖面指數(shù)均大于C類地貌風剖面指數(shù)，說明城市冠層相比規(guī)范的C類地表具有更大的地表粗糙度，由于測點4和測點12距離V立方較近，其風剖面指數(shù)受建筑影響較大，其余點離V立方相對較遠，風剖面指數(shù)無明顯變化。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，在0.4 m(實際100 m)高度以下，風速受地面及建筑物影響，其值要小于入口風速，說明地表粗糙度對風場產(chǎn)生了拖曳作用。當高度達到0.6 m后，風剖面指數(shù)的規(guī)律性逐漸明顯,并漸漸與入口風速重合。在0°風向下，由于V立方對來流的阻擋作用，1、2號測點的風速剖面略小于無V立方的情況；測點3由于距V立方相對較遠，風剖面曲

表3 風剖面指數(shù)擬合值Table 3 Fitting value of wind profile index

圖10 不同風向角風剖面圖Fig.10 Wind profile of different wind

線與無V立方情況基本重合。在90°風向下，測點4變化最大，因為它處于V立方的背風側(cè)且緊鄰V立方；在180°風向下，由于V立方大廈與鄰近建筑共同產(chǎn)生的狹管效應(yīng)，測點8風速明顯大于其他測點，類似現(xiàn)象也在270°風向下測點12出現(xiàn)。

2.4 湍流度剖面

湍流強度也是風環(huán)境舒適度評價的重要影響指標，其定義為湍流脈動風速均方根與平均風速的比值，反映了風速隨時間變化的程度。試驗過程中，對上述12個測點的湍流度剖面進行監(jiān)測，如圖11所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在0.8 m(200 m)以下，各測點的湍流度剖面遠高于入口湍流度剖面，再次驗證了城市冠層具有較大的地表粗糙度。圖中大部分測點最大湍流度一般出現(xiàn)在0.35～0.4 m 位置處，該高度與小區(qū)建筑平均高度接近，說明小區(qū)建筑頂部造成的剪切流區(qū)域是高湍流形成的主要原因。同樣，對測點的湍流度剖面進行指數(shù)擬合，如表4所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，湍流度剖面衰減值要遠大于規(guī)范值，說明了規(guī)范所描述的湍流度剖面并不適用于建筑高密的城市小區(qū)，對其湍流度擬合值分析發(fā)現(xiàn)，4號與12號點相差較大，其余位置由于與V立方相隔較遠，其值無明顯變化。

表4 湍流度剖面指數(shù)擬合值Table 4 Fitting value of turbulence profile index

續(xù)表4

圖11 不同風向角湍流度剖面圖Fig.11 Profile of turbulence at different wind

3 小區(qū)風環(huán)境超越概率評估

3.1 評價指標及方法

行人高度風環(huán)境超越概率評估主要包括舒適性與安全度評價[14]。評估風舒適度時取等效風速閾值和峰值因子分別為VTHR=6 m/s和g=1；評估風危險度時，取等效風速閾值和峰值因子分別為VTHR=20 m/s和g=3。風速閾值主要用來界定人的不舒適和危險，而不舒適與危險的“度”則由可接受概率大小來評判，考慮陣風的等效風速閥值判斷形式為

Vg=V+gδV>VTHR

(6)

其中：V為行人高度平均風速；g為峰值因子；δV為脈動風速標準差；Vg為行人高度等效風速；VTHR為不舒適或危險閾值風速。

利用超越閥值概率方法對小區(qū)風環(huán)境進行評估時，不僅需要知道建筑周邊的流場分布，還需要知道當?shù)爻Ｄ甑娘L速、風向概率分布函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)[15]，近地面某高度處各風向角下的風速均可以采用Weibull雙參數(shù)分布形式進行表述，對于給定風向θi下的超越概率計算表達式可表示為

(7)

式中：Pθi為θi風向風速超過VTHR的超越概率；Aθi為θi風向的發(fā)生頻率；Cθi為θi風向風速概率分布函數(shù)的尺度參數(shù)；Kθi為θi風向風速概率分布函數(shù)的形狀參數(shù)。通過分析長沙地區(qū)常年逐時風速、風向統(tǒng)計資料，得到了長沙城區(qū)16個風向角作用下的Weibull分布參數(shù)，如表5所示。

表5 氣象觀測資料的統(tǒng)計和威布爾參數(shù)估計結(jié)果Table 5 The statistics and Weibull parameters estimation of meteorological data

3.2 小區(qū)風環(huán)境評估

建筑周邊的流場分布一般采用風速比表示，評估過程中采用2.1節(jié)所述風速比。由于試驗建筑場地類別為C類地表，而氣象監(jiān)測站的風速為B類地表，因此，試驗入口10 m高度風速與觀測站10 m高度的風速存在一個轉(zhuǎn)換系數(shù)，可表示為

(8)

其中：B類梯度風高度為350 m，粗糙度指數(shù)為0.16；C類梯度風高度為400 m，粗糙度指數(shù)為0.22。故建筑物場地中風速閾值VTHR與觀測站的風速VO,i,THR的關(guān)系為

(9)

將式(9)代入式(7)中，并就各風向下等效風速超越舒適度或危險度閾值的概率求和，即可得到全風向該區(qū)域風速超越閥值概率，如式(10)所示。

(10)

基于上述理論對小區(qū)域測點進行超越概率分析，得到各測點全風向下行人不舒適和危險閥值風速超越概率云圖，如圖12所示。

圖12 各監(jiān)測點超越概率云圖Fig.12 Contours of exceedance probability of each

采用Bottema評估標準對其風環(huán)境舒適度進行評定，標準規(guī)定：對于快步而言，當超越概率低于10%為優(yōu)，10%～20%為中，大于20%為差。由圖12(a)、(b)可以看出，該小區(qū)的大部分區(qū)域行人風舒適度等級為優(yōu)，在小區(qū)西側(cè)和東南側(cè)部分區(qū)域風舒適度等級為中，主要原因是這些位置房屋相對較高，其樓棟朝向與長沙地區(qū)盛行風速一致。同時，在圖12中還可發(fā)現(xiàn)，有V立方時，在V立方后側(cè)超越概率值出現(xiàn)了明顯提升，其值達23%，評級為差，主要原因是V立方與1棟之間形成“峽谷效應(yīng)”，說明此區(qū)域不宜人類活動。在評估危險度時，Bottema標準規(guī)定，超越概率只要大于0.05%就有一定危險，從圖12(c)中可以看到，在有V立方情況下，測點3超越危險閾值風速概率為0.06%，說明該區(qū)域有一定危險，這也與風舒適度評估結(jié)果相對應(yīng)。在小區(qū)的其他區(qū)域，有無V立方危險度超越概率最大值分別為0.013 8%和0.019 1%，遠小于下限概率0.05%，說明該小區(qū)其他區(qū)域不存在危險性。同時，為定量獲取高聳建筑對風環(huán)境的影響，對小區(qū)內(nèi)64個測點的舒適度超越概率和危險度超越概率進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖13所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，離V立方較近的1、2、3、15、16號測點，由于V立方的建成，使得該區(qū)域出現(xiàn)了廊道效應(yīng)，惡化了其風環(huán)境，離V立方較遠區(qū)域風環(huán)境好壞無明顯變化。

圖13 各監(jiān)測點超越概率Fig.13 Exceedance probability of each monitoring

4 結(jié)論

基于大尺度風洞試驗研究了高聳建筑對其周邊小區(qū)風環(huán)境的影響，獲取了小區(qū)內(nèi)部風場的詳細分布，并基于超越概率對小區(qū)行人高度風環(huán)境舒適性和危險度進行定量評估，獲得以下結(jié)論：

1)基于大尺度風洞試驗消除了風洞壁對模型風場的擠壓作用，在考慮外圍建筑對小區(qū)風場的邊界效應(yīng)后獲取了小區(qū)內(nèi)部流場的詳細分布。研究顯示，小區(qū)建筑對平均風場產(chǎn)生了拖曳作用，其內(nèi)部風場脈動劇烈，風剖面與湍流度剖面指數(shù)值均大于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有更大的地表粗糙度。

2)通過對有無高聳建筑作用下的小區(qū)平均風場分析發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑會顯著改變其鄰近區(qū)域風環(huán)境，如高聳建筑對通用時代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風速分別造成了25%、6%和2%的加速作用。

3)通過對小區(qū)人行高度風環(huán)境進行超越概率評估發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑較大程度改變了其附近區(qū)域風環(huán)境舒適度與危險度，如在增加高聳建筑后通用時代小區(qū)風環(huán)境舒適度與危險度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。