白潤(rùn)山董齊輝 卜娜蕊 張 煜

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000）

0 引言

城市化發(fā)展步伐的加快，土地資源日漸匱乏，為了滿(mǎn)足人們居住的需要，高樓林立，鱗次櫛比，建筑密度不斷增加。為使住宅小區(qū)的宜居性達(dá)到更好的水平，建筑物不僅要滿(mǎn)足基本的日照標(biāo)準(zhǔn)及場(chǎng)地生態(tài)與景觀的需求等，還要保證場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外舒適的行走或活動(dòng)。在冬季，室外行走或活動(dòng)要舒適，人行區(qū)距地高1.5m處的風(fēng)速就得小于5m/s，戶(hù)外休息區(qū)、兒童娛樂(lè)區(qū)風(fēng)速就得小于2m/s[1]。所以，研究小區(qū)風(fēng)環(huán)境關(guān)系到人們居住環(huán)境的舒適性。本文僅針對(duì)行列式布局的建筑小區(qū)，以建筑密度為變量，探究不同建筑密度對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響。

1 風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究

研究人員對(duì)風(fēng)環(huán)境做了大量的研究。Yafeng Gao等[2]通過(guò)在國(guó)外某高校內(nèi)進(jìn)行為期一年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，研究低層建筑群中建筑形式與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系。胡曉峰等[3]通過(guò)對(duì)深圳某小區(qū)環(huán)境的風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析，論證錯(cuò)列式、斜列式的排列方式對(duì)住宅小區(qū)的通風(fēng)情況要優(yōu)于其他（如圍合式等）類(lèi)型的排列方式；王珍吾等[4]通過(guò)對(duì)建筑物不同布局方式的模擬分析，詳細(xì)分析不同種類(lèi)的布局方式對(duì)風(fēng)環(huán)境造成的不同影響；梁濤等[5]通過(guò)對(duì)鄭州建筑群的建筑布局、建筑高度及到市中心距離等諸多因素的不同，布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)分析，確定出最佳風(fēng)環(huán)境效果；蒲增燕[6]通過(guò)對(duì)行列式、錯(cuò)列式兩種布局方式的住宅小區(qū)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬分析，分別對(duì)行列式及錯(cuò)列式布局的建筑群的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化提出可行性建議。黃文峰等[7]選取三種典型的建筑布局形式對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，并利用定量與定性的分析方法對(duì)建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，探究出不同風(fēng)向下的較好風(fēng)環(huán)境的布局形式為行列式布局；寧琬歆[8]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)邯鄲市建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行探究，通過(guò)改變?nèi)肟诘娘L(fēng)速，研究風(fēng)速對(duì)城市住區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響。王泰[9]對(duì)天津地區(qū)85處居住區(qū)的高層建筑的布局與形態(tài)進(jìn)行整理，并選取三種不同的建筑高度探究高層建筑的布局和高度對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響；并采用數(shù)值模擬分析常見(jiàn)布局的風(fēng)環(huán)境狀況，通過(guò)對(duì)比分析，詳細(xì)研究高層建筑在建筑區(qū)中不同的位置、高度及組合形式對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響。吳鑫[10]對(duì)烏魯木齊某待建居住小區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，以戶(hù)外行人活動(dòng)區(qū)舒適度、城市大氣污染物擴(kuò)散和城市熱島效應(yīng)為三大控制指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)方案風(fēng)環(huán)境的好壞進(jìn)行探究。并結(jié)合模擬結(jié)果，對(duì)居住區(qū)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化提出建議性改進(jìn)策略。蔡悅倩[11]運(yùn)用Fluent軟件研究建筑布局形態(tài)因素對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響?？偨Y(jié)對(duì)建筑布局形態(tài)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，并應(yīng)用于北京市某具體項(xiàng)目得以驗(yàn)證其可行性。潘斐[12]對(duì)西安市的不同建筑密度及開(kāi)窗面積的高層建筑的室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行研究。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，既驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，又探究了最佳通風(fēng)效果的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究了住宅建筑能耗與建筑密度及室外風(fēng)速之間的關(guān)系。

2 建立模型

隨著居民對(duì)居住環(huán)境的重視，對(duì)風(fēng)環(huán)境的探究和規(guī)劃也逐漸被引入設(shè)計(jì)要素之中，但風(fēng)環(huán)境的研究往往具備周期長(zhǎng)、耗資高的特點(diǎn)，且由于風(fēng)況規(guī)律的復(fù)雜性及不確定性，也為風(fēng)環(huán)境的研究增加了難點(diǎn)。但隨著科技水平的發(fā)展，科研者們將數(shù)值模擬分析運(yùn)用到這一領(lǐng)域，并經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，使其準(zhǔn)確性及可靠性完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。目前，市場(chǎng)上CFD模擬軟件的種類(lèi)越來(lái)越多，針對(duì)不同的適用范圍，它們有著各自的特點(diǎn)。本文所采用的Ansys模擬軟件具備的優(yōu)勢(shì)在于較為完善的分析功能，并且有著較為強(qiáng)大的三維建模能力。建筑物的選擇分別為5*5、5*7、7*7、7*9四個(gè)不同的密度，建筑物的尺寸設(shè)定為12m×12m×24m，計(jì)算域的確定根據(jù)綠色建筑計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，確定頂部區(qū)域?yàn)樽罡呓ㄖ叨鹊?倍，并在阻塞率小于2.5%的條件下，擬定風(fēng)場(chǎng)規(guī)格為1200m×1120m×72m，建筑物的布局采用行列式布局。模擬小區(qū)場(chǎng)地為150m×200m的理想?yún)^(qū)域，計(jì)算各模型得到的建筑密度分別為12%、16.8%、23.52%、30.24%。以北風(fēng)作為輸入風(fēng)向，模擬風(fēng)速為15m/s。

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)模擬小區(qū)的迭代計(jì)算，可以得到風(fēng)速軌跡在小區(qū)內(nèi)的分布情況，如圖1所示。

圖1 風(fēng)速軌跡圖

從圖1可知，比較5*7建筑群與7*7建筑群，保持其縱向間距不變，使橫向間距減小，可以看到在同位置，由于橫向間距的減小，風(fēng)速會(huì)有略微的增長(zhǎng)，這是由于狹管效應(yīng)的作用。當(dāng)自然風(fēng)從開(kāi)闊地域進(jìn)入小區(qū)時(shí)，由于建筑物的阻擋使風(fēng)壓增大，導(dǎo)致自然風(fēng)的流速加快，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為狹管效應(yīng)。它使自然風(fēng)變得毫無(wú)規(guī)則、起伏不定，形成湍流，而湍流的形成會(huì)造成污染物的聚集，降低行人行走時(shí)的舒適度，且受建筑密度的影響較大。比較5*5建筑群與5*7建筑群、7*7建筑群與7*9建筑群，保持其橫向間距不變，縱向間距減小，可以明顯看出，風(fēng)速有明顯的階梯性降低，這是由于上游建筑對(duì)來(lái)向風(fēng)的阻擋作用，使后方建筑的風(fēng)速大幅減小，但同時(shí)會(huì)出現(xiàn)反方向的風(fēng)速增加。原因是當(dāng)自然風(fēng)在遇到建筑物的阻擋時(shí)，會(huì)改變方向，并形成下沉或上升的氣流，這也是圖中出現(xiàn)逆向風(fēng)的原因。而下沉的風(fēng)在受到樓與樓之間的阻擋、疊加，會(huì)在行人高度處形成渦流區(qū)、穿堂風(fēng)和角流風(fēng)的現(xiàn)象。這些是造成行人體感舒適度較差的主要原因，甚至?xí)斐山ㄖ锉韺用撀涞娘L(fēng)險(xiǎn)，造成安全隱患。而行人高度處的風(fēng)速隨著建筑密度的增加也會(huì)發(fā)生變化，由于建筑的阻擋作用，在小區(qū)內(nèi)，道路走向與風(fēng)向方向一致區(qū)域的風(fēng)速會(huì)有很大的降低，一般維持在5m/s左右，能夠滿(mǎn)足人體舒適度要求的同時(shí)，自然風(fēng)的快速流動(dòng)也使建筑物之間的空氣得到置換，使空氣污染指數(shù)大幅度降低。而道路走向與風(fēng)向方向不一致的部分區(qū)域的風(fēng)速會(huì)驟增至20m/s左右，多發(fā)生在建筑物對(duì)來(lái)向風(fēng)阻擋的區(qū)域。相較于初始風(fēng)速，增大比例為1.33。不僅對(duì)行人造成行走阻礙甚至形成的湍流風(fēng)及角流風(fēng)引起高空墜物，對(duì)戶(hù)外活動(dòng)居民形成安全隱患。

由模擬結(jié)果局部細(xì)節(jié)的分析可以看出，建筑群第一排建筑與第二排建筑之間會(huì)產(chǎn)生較大的逆向風(fēng)速，自然風(fēng)經(jīng)過(guò)建筑物之間形成的狹管效應(yīng)并在建筑物的阻擋下產(chǎn)生氣流的疊加，使風(fēng)速有明顯的增強(qiáng)。而位于風(fēng)口上游的建筑風(fēng)速相對(duì)較穩(wěn)定，是由于自然風(fēng)在進(jìn)入建筑群之前的初始風(fēng)速是一定的，且沒(méi)有經(jīng)過(guò)建筑物之間狹管效應(yīng)的加成。但由于建筑物迎風(fēng)面對(duì)來(lái)向風(fēng)的阻擋作用，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的逆向風(fēng)，且橫向間距的減小會(huì)使逆向風(fēng)發(fā)生較大的變化。比較5*5與5*5、7*7與7*9可知，風(fēng)速的差值可達(dá)到5m/s左右。而隨著縱向間距的減小，風(fēng)速也有明顯的變化，比較5*7與7*7可以明顯看出，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速?zèng)]有明顯的差異，風(fēng)速大小在±7m/s的范圍內(nèi)波動(dòng)，而在經(jīng)過(guò)不同建筑物密度影響下，后方建筑間的風(fēng)速分別為4m/s和0.5m/s左右。由此可知建筑物的密度對(duì)風(fēng)速的影響，隨著密度的增大，對(duì)風(fēng)速的減弱程度越高。

流動(dòng)的風(fēng)在受到建筑物的阻擋時(shí)，使四周空氣受阻，動(dòng)壓下降，靜壓上升。這種靜壓的上升和降低統(tǒng)稱(chēng)為風(fēng)壓。換言之，風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到風(fēng)的壓力。因此風(fēng)壓的大小與風(fēng)速存在直接的關(guān)系，風(fēng)壓為風(fēng)速平方的1/1600。風(fēng)壓對(duì)建筑物的影響直接關(guān)系到建筑物夏季通風(fēng)與冬季取暖。風(fēng)壓過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致在冬季時(shí)冷風(fēng)侵入到室內(nèi)，而風(fēng)壓過(guò)小，又會(huì)使夏季時(shí)室內(nèi)悶熱，造成資源的浪費(fèi)。因此，合適的風(fēng)壓也是住宅小區(qū)居住舒適度優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）中，8.2.8條規(guī)定：“除迎風(fēng)第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面風(fēng)壓差不大于5Pa。”

由圖2建筑風(fēng)壓云圖可以明顯看出，迎風(fēng)面的風(fēng)壓在整個(gè)建筑群中達(dá)到最大值，且較為復(fù)雜。而隨著上游建筑物的阻擋，后方建筑風(fēng)壓急劇降低。而在建筑群的中心，風(fēng)壓逐漸趨于穩(wěn)定，迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差也基本在規(guī)定范圍內(nèi)，且存在大多數(shù)的0Pa風(fēng)壓的靜風(fēng)區(qū)域，靜風(fēng)區(qū)域的存在會(huì)使建筑物附近的空氣滯留，且不利于室內(nèi)的通風(fēng)。而在建筑群最外圍建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓差較大，大約在20Pa左右。除此之外，背風(fēng)面大部分風(fēng)壓為負(fù)壓區(qū)，強(qiáng)度區(qū)間在20～40Pa左右。

圖2 建筑風(fēng)壓云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著建筑群密度的改變，自然風(fēng)進(jìn)入小區(qū)后的風(fēng)速會(huì)得到相應(yīng)的改變，狹管效應(yīng)的存在會(huì)使風(fēng)速加劇，而建筑物對(duì)來(lái)向風(fēng)的阻擋作用會(huì)使風(fēng)向及風(fēng)速發(fā)生驟變，并形成湍流渦旋及角流風(fēng)等惡劣風(fēng)況，會(huì)使建筑物外墻掛件有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)定期檢查，避免安全隱患。而考慮到風(fēng)速的影響，外墻裝飾不建議采用外粘式裝飾，如瓷磚等，防止高空墜物。建筑群外圍的迎風(fēng)面會(huì)受到較大的風(fēng)速和風(fēng)壓影響，而建筑前后距離的減少也會(huì)使流入的風(fēng)受到阻擋，形成下沉或上升的氣流并經(jīng)過(guò)疊加形成更大的逆方向風(fēng)速。針對(duì)這種情況，可以考慮斜列式或點(diǎn)斜式等其他的布局形式降低這種影響。而橫向間距的減小會(huì)使狹管效應(yīng)加劇，另外可采取降低流向建筑群的自然風(fēng)的風(fēng)速，比如在保證街道寬度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，可選擇采取種植綠化的方式形成防風(fēng)隔斷，如此可以減少亂流、渦旋風(fēng)和升降氣流對(duì)人的侵害。本次研究的不足之處是沒(méi)有探究建筑群之間對(duì)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化效果的最佳間距及其他布局形式對(duì)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化效果，可作為下階段的努力方向。