胡寧寧 王夢娜

（林州建筑職業(yè)技術學院，河南 安陽 455000）

良好的室外建筑環(huán)境不僅可以促進室內(nèi)自然通風以減少能耗，并避免“二次風”傷害，還可以提供舒適的室內(nèi)外環(huán)境。例如，冬季建筑物所在區(qū)域風速過大，會增大冷風滲透和采暖負荷，同時影響戶外人員的正?；顒樱伙L速過小，則不利于室內(nèi)自然通風和空氣污染物的擴散。根據(jù)《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2014）[1]要求，在冬季氣候條件下，建筑周圍人行區(qū)風速不要超過5 m/s，且室外風速放大系數(shù)不應超過2，建筑迎風面和背風面的風壓差異不應大于5 Pa。在過渡季和夏季，場地活動區(qū)不應出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)，且室內(nèi)外表面的風壓差應大于0.5 Pa。盡管氣象條件無法改變，但良好的建筑布局形式可以減少外界環(huán)境對建筑節(jié)能的負面影響。本研究以某高校待建多層民用建筑為對象，并對其建筑周圍風環(huán)境進行綜合分析評價。

1 建筑風環(huán)境的分析方法

建筑風環(huán)境評價主要有3種方法：建筑設計者根據(jù)從業(yè)經(jīng)驗粗略估算法、風洞試驗法和計算流體力學仿真模擬法（CFD）。CFD仿真模擬法不需要實體模型，只需要通過模型計算模擬結果。因此，CFD仿真模擬計算周期短、計算成本低、計算快捷簡便，不受模擬環(huán)境的影響，可以進行多種方案的模擬對比，是目前主流的建筑風環(huán)境評估方法。

2 基于CFD軟件的風環(huán)境模擬分析

2.1 模型簡化

物理模型的建立是模擬試驗的基礎，為了減少計算的節(jié)點以及加快收斂速度，在不影響模擬結果的情況下，對計算模型進行的合理簡化必不可少。本文利用AutoCAD和Google Sketchup建立了項目區(qū)域的物理簡化模型。

2.2 計算區(qū)域的確定

風環(huán)境模擬受計算區(qū)域大小的影響較大。計算區(qū)域過小，流場結果會失真；計算區(qū)域過大，會增加網(wǎng)格劃分數(shù)量，增加計算量和計算成本[2]。

流體模擬計算的關鍵在于網(wǎng)格劃分和計算區(qū)域的確定。網(wǎng)格的劃分質(zhì)量優(yōu)良與否直接影響模擬結果的準確性和可靠性，合理的網(wǎng)格劃分能極大提高計算速度，增加計算模擬的穩(wěn)定性、收斂性[2]。根據(jù)《綠色建筑設計標準》（DB 11/938—2012）[3]要求，本研究模型基地整體劃分為244×327×92個網(wǎng)格，對研究的建筑群區(qū)域進行局部加密，加密部分網(wǎng)格劃分為97×182×62個網(wǎng)格。網(wǎng)格間隔設置為0.5～1.0 m的大小，相鄰網(wǎng)格的膨脹率為1.2。

2.3 邊界條件的設置

合適的邊界條件的選擇是建筑風環(huán)境模擬結果準確性的因素之一，包括入口、出口、側邊和頂邊。氣流流過大地下墊面層時會受到摩擦阻力的影響，風速會在垂直方向下降。越接近地面的氣流受到的摩擦阻力越大，所以邊界層內(nèi)風速沿垂直方向上存在風梯度現(xiàn)象[4]。

本試驗模擬出口邊界條件設置為自由流出邊界，出口壓力設為大氣壓。對于側邊界和頂部邊界，莊智等[3]認為距離建筑足夠遠，空氣流動不會受到影響，可以視為自由滑移表面。

3 模擬結果分析

3.1 建筑布局風速模擬結果分析

夏季工況下3種建筑布局對室外風環(huán)境的影響如圖1所示，冬季工況下3種建筑布局對室外風環(huán)境的影響如圖2所示。

圖1 夏季3種建筑布局方式風環(huán)境云圖

圖2 冬季3種建筑布局方式風環(huán)境云圖

行列式布局的平均風速為1.70 m/s，斜列式布局的平均風速為1.84 m/s，周邊式布局的平均風速為1.82 m/s，斜列式布局的平均風速比行列式略大，與周邊式相似。在夏季南向風占主導的情況下，當風迎上B、C、D建筑時，在建筑背風面形成風影區(qū)，在行列式布局中，建筑A、B、C、D之間的距離相對較近，建筑迎風面截面相對較大，因此會在建筑的兩側和后方形成一部分滯留區(qū)和渦流區(qū)，特別是A建筑的西側面渦流區(qū)較大。在斜列式布局中，由于錯開布置，建筑B、C、D與建筑A的距離逐步遞增，建筑群的周圍風影區(qū)較小，也沒有明顯的渦流區(qū)，僅在建筑A和D背風面有較小的渦流區(qū)。周邊式布局指根據(jù)地形特點進行建筑布局的一種方式。在周邊式布局中A、B、C三棟建筑的背風面都受到了一定的風影響，尤其是建筑C，因為建筑B、D的角風區(qū)對建筑C背后的區(qū)域產(chǎn)生了影響，形成了一個大的渦流區(qū)，區(qū)域內(nèi)風速較低，污染物的擴散受到了不利影響。

研究表明，在室外行人高度區(qū)（室外地面1.5 m高度區(qū)域），當風速在1≤v≤5 m/s時，人們感覺最舒適；當風速v＜1 m/s時，污染物容易在建筑區(qū)內(nèi)滯留，對人的健康產(chǎn)生不利影響。根據(jù)圖1的風速范圍圖，分別統(tǒng)計了夏季、行人高度室外風速范圍占比值。在3種建筑布局風環(huán)境模擬中，斜列式建筑布局中風速1≤v≤5 m/s范圍區(qū)域占比最高，達到85%，行列式和周邊式建筑布局依次為81%和79%。

行列式建筑布局在冬季人行區(qū)（室外地面1.5 m高度）平均風速約為3.25 m/s，在鄰近建筑B的西南方向，風速較大，最大風速值約為6.08 m/s；斜列式建筑布局冬季行人區(qū)平均風速約為3.41 m/s，在鄰近建筑B的西南方向，風速較高，最大值約6.51 m/s，高風速的區(qū)域面積也較大；周邊式建筑布局（冬季行人區(qū)平均風速為3.34 m/s，在鄰近建筑A的西南方向，風速較高，風速值約為6.48m/s。無論是哪一種建筑布局形式，在建筑A和B之間、建筑A和北側斜坡處及鄰近建筑B西南側的下斜坡處都有大于5 m/s的強風。其原因是建筑A和圖書館北側的斜坡形成了巷道風，形成了狹管效應。此外，由于圖書館的高度比較高，在圖書館東南側的背風面形成了較大區(qū)域的風影區(qū)，該處風速較小，冬季室外人行舒適度較好，但不利于氣污染物的擴散。

3.2 建筑布局風壓模擬結果分析

根據(jù)《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2014）的規(guī)定，夏季工況中，要求超過50%的建筑迎風面與背風面表面壓差不得小于0.5 Pa，以便建筑室內(nèi)自然通風。夏季、冬季3種建筑布局方式建筑室外風壓云圖如圖3所示。

圖3 夏季、冬季3種建筑布局方式建筑室外風壓云圖

夏季工況下，行列式建筑布局中建筑B、C的前后風壓范圍均在0.2～0.7 Pa之間，建筑D風壓為-1.2～0.7 Pa，但建筑A的迎風面和背風面風壓差較小，約為0.1 Pa，不符合評價標準的要求。斜列式建筑布局中建筑A的前后風壓在-0.2～1.7 Pa范圍，建筑B、C迎風面和背風面風壓范圍都在-0.2～0.7 Pa之間，建筑D的前后風壓為-1.2～0.7 Pa。周邊式建筑布局中建筑A的前后風壓為-0.2～1.7 Pa，建筑B風壓為-0.2～0.7 Pa，建筑C和D風壓范圍均為-0.2～1.7 Pa。

冬季工況下，行列式建筑布局中建筑A和B的風壓范圍主要分布在-4.8～5.2 Pa之間，建筑C和D的前后風壓范圍在-1.6～1.7 Pa之間。斜列式建筑布局中，建筑A表面的主要風壓在-11.6～1.7 Pa之間，建筑B、C、D建筑的前后風壓范圍分別為-14.9～-4.8 Pa、-8.1～-4.8 Pa和-4.7～-1.5 Pa。周邊式建筑布局中，建筑A的迎風面和背風面的風壓范圍在-14.7～1.7 Pa之間，建筑B的風壓范圍為-14.6～1.7 Pa，建筑C的風壓范圍為-8.2～1.6 Pa，建筑D前后風壓范圍主要分布在-4.7～-1.5 Pa之間。

綜上所述，周邊式建筑布局中的建筑迎風面和背風面風壓差值較大，最大值約為1.9 Pa，該布局中風壓差大的建筑數(shù)量也是最多的。建筑前后風壓差值相對較小的是斜列式布局，行列式布局建筑前后風壓差值最小。

綜合分析3種建筑布局的風環(huán)境優(yōu)劣，分別對舒適度區(qū)域面積和建筑風壓差兩項指標進行評分權重賦值w。

綜合評分值計算：

式中：Q1——v＜1 m/s風場面積占比值；Q2——1≤v≤5 m/s風場面積占比值；Q3——v＞5 m/s風場面積占比值；Q4——夏季建筑風壓大于0.5 Pa或冬季建筑風壓小于5 Pa房間數(shù)；w1、w2、w3、w4——對應權重，分別取0.2、0.7、0.1、0.6。

代入數(shù)據(jù)可得，行列式布局風環(huán)境綜合評價值為26.72，斜列式布局風環(huán)境綜合評價值為28.95，周邊式布局風環(huán)境綜合評價值為27.99。由此可見，3種建筑布局中斜列式建筑布局風環(huán)境評價值最高，建筑周圍風環(huán)境適宜，更有利于降低建筑能耗。

4 結語

在綜合考慮夏季和冬季工況下，斜列式建筑布局的風環(huán)境評估分值最高，建筑風環(huán)境更利于建筑節(jié)能。因此，建議在多層民用建筑的布局設計中采用斜列式布局，以提高建筑的節(jié)能性能和風環(huán)境舒適度。研究結果對于規(guī)劃設計符合綠色節(jié)能建筑標準的多層民用建筑具有重要的指導意義。