王東紅

(安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

在現(xiàn)實(shí)生活中，街道的走向與城市街道風(fēng)場(chǎng)環(huán)境有著密不可分的關(guān)系，當(dāng)主流風(fēng)向與街道走向相向時(shí)，街道內(nèi)的風(fēng)受到擠壓使得街區(qū)內(nèi)的氣流起到“強(qiáng)風(fēng)”的效果，尤其對(duì)于較為狹窄的街道來說，強(qiáng)大的亂流渦旋風(fēng)再加上升降氣流就形成了街道風(fēng)暴，對(duì)行人產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。此外，污染物在城市中的擴(kuò)散也受到城市風(fēng)場(chǎng)的直接影響，例如霧霾、沙塵暴隨風(fēng)進(jìn)入城市的過程。因此，對(duì)城市建筑群風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究是必要的，良好的城市風(fēng)場(chǎng)廊道有利于營(yíng)造合理的自然通風(fēng)環(huán)境，以此提升居民舒適度，同樣也是解決城市微氣候問題的重要方法。

在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，若完全以經(jīng)濟(jì)效益為導(dǎo)向，則過高的建筑容積率將不利于營(yíng)造良好的城市風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，因此在方案階段將風(fēng)環(huán)境這一重要因素納為評(píng)估條件，將有利于項(xiàng)目落地后全生命周期的可持續(xù)發(fā)展，尤其對(duì)良好城市空間形態(tài)的營(yíng)造有一定的指導(dǎo)意義[2]。與此同時(shí)，自然通風(fēng)作為一種有效的被動(dòng)式策略，對(duì)改善城市熱島效應(yīng)、降低環(huán)境溫濕度有著重要意義，在保證人體熱舒適性的前提下，能夠減少空調(diào)的使用時(shí)間，從而有效降低建筑能耗達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的[3]。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)位現(xiàn)狀

蚌埠市位于安徽省北部，是全國(guó)重要的交通樞紐，也是推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要陣地。蚌埠經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)是2001年8月21日經(jīng)省政府批準(zhǔn)設(shè)立的省級(jí)開發(fā)區(qū)，位于蚌埠城市中心。位于蚌埠經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的臨港產(chǎn)業(yè)園西接蚌埠主城區(qū)，南連高鐵新區(qū)，東臨鳳陽(yáng)縣城，北與沫河口工業(yè)園隔河相望，占地面積約53 km2，規(guī)劃面積約40 km2，規(guī)劃人口13萬人。設(shè)有京滬高鐵蚌埠南站、行政辦公中心、城市客廳-淮河文化廣場(chǎng)、國(guó)家4A級(jí)風(fēng)景區(qū)龍子湖風(fēng)景區(qū)、大學(xué)城、科技園等，區(qū)內(nèi)交通便捷，環(huán)境優(yōu)美，宜業(yè)、宜居、宜游。

臨港產(chǎn)業(yè)園重點(diǎn)選擇智能制造、現(xiàn)代物流、外向型產(chǎn)業(yè)等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)發(fā)力，以“高端智能、現(xiàn)代服務(wù)、綠色生態(tài)”為發(fā)展方向，大力發(fā)展以裝備制造、硅基新材料、電子信息、現(xiàn)代物流、現(xiàn)代服務(wù)為重點(diǎn)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。目前已入駐的企業(yè)有嘉和綠色建筑產(chǎn)業(yè)園、中誠(chéng)國(guó)際港、比亞迪產(chǎn)業(yè)園、臨港智能制造產(chǎn)業(yè)園、馨聯(lián)動(dòng)力新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)園、奧福精細(xì)陶瓷產(chǎn)業(yè)園等多家企業(yè)。

1.2 氣候特征

蚌埠市的氣候?qū)儆诒眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)與南暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的過渡帶，全年氣溫變化的特點(diǎn)是夏熱冬冷，春秋季節(jié)較為溫和[4]。按照《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50178—93)的規(guī)定，蚌埠屬于Ⅲ建筑氣候區(qū)，即夏熱冬冷地區(qū)。蚌埠市季風(fēng)明顯，四季分明。安徽省氣候可行性論證中心發(fā)布的蚌埠地區(qū)各季節(jié)風(fēng)向頻率數(shù)據(jù)顯示，項(xiàng)目所在的蚌埠地區(qū)風(fēng)環(huán)境氣候特征為：冬季室外平均風(fēng)速為2.96 m/s，以偏東北風(fēng)為主；夏季室外平均風(fēng)速為2.84 m/s，以東風(fēng)為主；過渡季室外平均風(fēng)速為2.27 m/s，以東北東風(fēng)為主(表1)。本文主要以蚌埠的典型風(fēng)氣候作為研究基礎(chǔ)。

圖1 臨港經(jīng)開區(qū)區(qū)位圖

表1 風(fēng)向數(shù)據(jù)表

2 研究方法與模型建立

城市通風(fēng)廊道除了應(yīng)該考慮本地區(qū)空氣污染物擴(kuò)散和通風(fēng)良好之外，還應(yīng)考慮到空氣污染物對(duì)下風(fēng)向地區(qū)的影響。本項(xiàng)目采用CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)建筑的風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，其方法是通過搭建建筑物的數(shù)學(xué)物理模型，通過求解流體流動(dòng)控制方程，利用數(shù)字風(fēng)洞模擬實(shí)際的流動(dòng)和通風(fēng)情況[5]。

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次模擬采用的是斯維爾VENT 2020綠色建筑通風(fēng)軟件，該軟件是一款為建筑規(guī)劃布局和建筑空間劃分提供風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析工具，軟件構(gòu)建于AutoCAD平臺(tái)，集成了建模、網(wǎng)格劃分、流場(chǎng)分析和結(jié)果瀏覽等功能于一體。軟件操作簡(jiǎn)單，極易上手，特別針對(duì)綠色建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境分析的要求量身定做，把深?yuàn)W復(fù)雜的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)用淺顯易用的可視化方式予以展現(xiàn)。

軟件采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬[6]。

空氣的湍流流動(dòng)可用能量方程、動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、組分方程和k-ε方程共同來描述。這些方程都有共同的形式，如下式:

式中四項(xiàng)分別為時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。其中，φ為通用變量，Γ為擴(kuò)散系數(shù)。

具體方程可用表2表示：

表2 模型控制方程組

表中的常數(shù)如下：

2.2 物理模型

根據(jù)項(xiàng)目概況以及對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地周邊情況的了解，本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)主要包括住宅、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)建筑，因此在進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬分析時(shí)因考慮了上述因素。根據(jù)總平面圖、衛(wèi)星圖，建立室外風(fēng)環(huán)境模型，如圖2所示。

圖2 臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)模型

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分決定著計(jì)算的精確程度并影響計(jì)算速度，網(wǎng)格太密會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度下降并浪費(fèi)計(jì)算資源；網(wǎng)格太疏導(dǎo)致計(jì)算精度不足結(jié)果不夠準(zhǔn)確，合理的網(wǎng)格方案需要考慮對(duì)計(jì)算域中不同的部分采用不同的網(wǎng)格方案。對(duì)于建筑周圍、遠(yuǎn)離建筑的區(qū)域、建筑物輪廓有明顯特征的局部(如尖角、凹槽、凸起等細(xì)微的外裝飾)、貼近地面的區(qū)域等處，都需要采用不同的網(wǎng)格方案。下面為本項(xiàng)目所采用的加密方案：

(1)普通網(wǎng)格：指除靠近地面和建筑以外的網(wǎng)格，通常不需要特別加密處理。

(2)地面網(wǎng)格：靠近建筑物的區(qū)域稱為近場(chǎng)，遠(yuǎn)離建筑物的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)的地面網(wǎng)格需要加密，對(duì)應(yīng)地面細(xì)分級(jí)數(shù)較大；而遠(yuǎn)場(chǎng)地面對(duì)應(yīng)網(wǎng)格較疏，地面細(xì)分級(jí)數(shù)較小。

(3)附面層網(wǎng)格：貼近地面/建筑壁面的空氣流動(dòng)，因?yàn)榭諝庾陨眇ば远艿降孛?建筑表面阻滯作用，緊貼地面/建筑壁面的空氣流動(dòng)速度幾乎為0，且速度隨著與地面/建筑壁面距離的增加而增加，使得靠近地面的一定厚度空氣層的流速呈現(xiàn)梯度分布，最終達(dá)到主流速度，而這層空氣層通常稱為流動(dòng)邊界層或者附面層。在做計(jì)算流體力學(xué)分析時(shí)，為了獲取邊界層/附面層內(nèi)的空氣流動(dòng)特征，提升分析精度，宜對(duì)其中的網(wǎng)格進(jìn)行分層加密，形成附面層網(wǎng)格。

2.4 邊界條件的設(shè)定

當(dāng)氣流穿過不同的地區(qū)和地形帶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力而使風(fēng)的能量減少、風(fēng)速降低，其本身的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。在近地面，來流風(fēng)因?yàn)榈孛娴挠绊?，是按無限大平板的邊界層規(guī)律分布的，即呈梯度風(fēng)，其沿高度方向的速度分布滿足下式[7]：

式中：Vh為高度h處的風(fēng)速，m/s；V0為高度h0處的風(fēng)速，m/s，本文取10 m/s；n為指數(shù)，市區(qū)取0.2～0.5，本文n值取0.22。

梯度風(fēng)示意圖如圖3所示。

圖3 梯度風(fēng)示意圖

除此之外，項(xiàng)目室外風(fēng)模擬中，冬季、夏季和過渡季的來風(fēng)方向和大小取自本文1.2節(jié)中的風(fēng)速風(fēng)向表格。

2.5 風(fēng)環(huán)境判斷依據(jù)

經(jīng)斯維爾VENT軟件模擬將得到風(fēng)速云圖、風(fēng)速矢量圖、風(fēng)壓等多個(gè)指標(biāo)，參考《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2019)、《綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》等建筑標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)研究文獻(xiàn)，對(duì)室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣提出具體判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(1)在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，建筑物周圍人行區(qū)距地高1.5 m處風(fēng)速小于5 m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2，建筑體迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間的差值應(yīng)控制在5 Pa以內(nèi)。

(2)夏季和過渡季，場(chǎng)地內(nèi)活動(dòng)區(qū)沒有無風(fēng)區(qū)和渦旋出現(xiàn)，50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差應(yīng)大于0.5 Pa[8]。

3 模擬結(jié)果與分析

對(duì)本項(xiàng)目在不同季節(jié)典型風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 場(chǎng)地整體風(fēng)環(huán)境云圖

從冬季場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果來看，本場(chǎng)地內(nèi)在建成后室外場(chǎng)地最高風(fēng)速為5.53 m/s，最大風(fēng)速處為地塊中側(cè)沿湖商業(yè)區(qū)域、南側(cè)工業(yè)園區(qū)域、西側(cè)住宅區(qū)域，風(fēng)速放大系數(shù)最大不超過2.78。從本項(xiàng)目建成后迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓圖可看出，本項(xiàng)目除第一排外迎風(fēng)面風(fēng)壓約為3.23 Pa，背風(fēng)面風(fēng)壓約為-2.17 Pa。從夏季、過渡季場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果來看，住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)內(nèi)的人行區(qū)域通風(fēng)良好，整體風(fēng)環(huán)境質(zhì)量較為良好，但局部風(fēng)環(huán)境應(yīng)該采取優(yōu)化措施，尤其是黃泥山附近、淮秀湖兩岸較其他位置而言，該區(qū)域冬季風(fēng)壓差較大，夏季和過渡季容易出現(xiàn)渦旋等不利因素。黃泥山、淮秀湖風(fēng)速矢量云圖如圖5所示。地塊東側(cè)住宅區(qū)域南側(cè)為二類工業(yè)用地，易對(duì)該地塊周邊產(chǎn)生不利影響，因此該區(qū)域應(yīng)采取措施優(yōu)化室外風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。

圖5 黃泥山、淮秀湖場(chǎng)地局部風(fēng)環(huán)境云圖

4 結(jié) 論

城市通風(fēng)廊道的構(gòu)建是提升城市空氣流通能力、緩解城市熱島、改善人體舒適度、降低建筑物能耗的有效措施，對(duì)局部氣候環(huán)境的改善也起到重要作用[9]。本項(xiàng)目以改善人行區(qū)舒適度為基本點(diǎn)提出以下建議：

(1)本地塊內(nèi)的項(xiàng)目從整體規(guī)劃階段開始即應(yīng)該考慮室外風(fēng)廊的建立，通過調(diào)整社區(qū)開口方向、梳理社區(qū)與周邊場(chǎng)地關(guān)系、建立建筑之間夾角等方式，控制社區(qū)內(nèi)部風(fēng)的走向，住宅地塊開口應(yīng)平行于夏季主導(dǎo)風(fēng)向。

(2)建筑群的總體規(guī)劃應(yīng)考慮減輕熱島效應(yīng)。建筑的總體規(guī)劃和總平面設(shè)計(jì)應(yīng)有利于自然通風(fēng)和冬季日照。建筑的主朝向宜選擇蚌埠市最佳朝向或適宜朝向，且避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向。

(3)建筑群優(yōu)先采用錯(cuò)位排列、斜向排列及自由式排列。常見建筑群平面布局形式如圖6所示。當(dāng)受地形限制時(shí)，可選用斜向排列和自由式排列方式，就具體地形、地勢(shì)和朝向靈活布置周邊排列方式，以此加強(qiáng)自然通風(fēng)效果[10]。黃泥山南坡建筑利用山勢(shì)進(jìn)行臺(tái)地式布局設(shè)計(jì)，北高南低布局，以此減少平地日照間距；且氣候條件佳，利于通風(fēng)散熱，冬暖夏涼，可以達(dá)到節(jié)地與節(jié)能的最大化。與南坡不同，北坡在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以錯(cuò)開式點(diǎn)狀布局為主，建筑之間的間距應(yīng)比平地之間的間距增大，豎向設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短北坡的長(zhǎng)度，并布置日照要求低的次要建筑，以減少建筑物之間的日照遮擋。

圖6 常見建筑群平面布局形式

(4)由場(chǎng)地的風(fēng)速云圖、風(fēng)速矢量圖可分析出淮秀湖兩岸的風(fēng)速較其他位置而言，該區(qū)域冬季風(fēng)壓差較大，夏季和過渡季容易出現(xiàn)渦旋等不利因素。因此該區(qū)域的建筑體不宜過高，在湖邊也應(yīng)當(dāng)多種植些樹木以減少湖風(fēng)對(duì)該區(qū)域的影響；黃泥山東側(cè)住宅區(qū)域受黃泥山影響較大，夏季和過渡季無法形成良好的通風(fēng)環(huán)境，因此該區(qū)域可以利用地形差，使其產(chǎn)生氣壓梯度，形成地形風(fēng)，并將地形風(fēng)導(dǎo)入架空層，形成舒適的活動(dòng)空間；場(chǎng)地的東側(cè)用地主要為工業(yè)用地，尤其該地住宅區(qū)域南側(cè)為二類工業(yè)用地，易對(duì)該地塊產(chǎn)生不利影響，因此沿湖住宅用地在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用變截面和高差引風(fēng)的方法改善住宅環(huán)境。