李 炯

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，超大城市的人口數(shù)量也不斷增加，進(jìn)而高層建筑的發(fā)展成為解決未來城市人口爆發(fā)的重要條件，大量密集的建筑群不僅改變了城市的地貌和天際線，也使得建筑與城市物理環(huán)境之間存在不可調(diào)和的沖突［1-2］。建筑間距的變化會使外部空曠區(qū)域進(jìn)入的氣流加速進(jìn)而產(chǎn)生巷道風(fēng)，而巷道風(fēng)與高層表面的下行風(fēng)疊加重合又會導(dǎo)致氣流的紊亂，從而影響區(qū)域內(nèi)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性和安全性［3-5］。

為改善城市中心區(qū)風(fēng)環(huán)境，提高復(fù)雜周邊建筑下高層建筑區(qū)域居住的舒適度，有必要從宏觀的角度對高層建筑群區(qū)域的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析及評估［6-11］，以此改善行人風(fēng)環(huán)境舒適性和安全性。

1 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的建立

本文將以某城市中旬城區(qū)密集建筑區(qū)域一棟高層建筑為研究對象，結(jié)合CFD 模擬軟件進(jìn)行復(fù)雜周邊建筑下高層建筑行人風(fēng)環(huán)境分析。該項目包含一棟塔樓、一棟裙樓，其中塔樓建筑高度為150 m，塔樓平面呈現(xiàn)三角形，在塔樓近地面區(qū)域及塔樓上部區(qū)域均存在行人活動區(qū)域，塔樓建筑平面如圖1所示。

圖1 塔樓建筑平立面示意圖Fig.1 Plan and Elevation Diagram of Tower Building （mm）

1.1 風(fēng)環(huán)境物理模型的建立

依據(jù)建筑模型圖和周邊建筑實際分布進(jìn)行風(fēng)環(huán)境計算建模，在前處理軟件中建立主體建筑幾何模型。為了保證后續(xù)網(wǎng)格劃分的可行性，幾何建模時在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下，對建筑局部構(gòu)件等進(jìn)行了簡化處理，簡化后的建筑物模型分別如圖2 所示。在計算過程中建立了全尺度模型，計算域總尺寸為1 500 m× 1 000 m×450 m（分別對應(yīng)x、y、z軸）。同時對模型進(jìn)行計算網(wǎng)格劃分。

圖2 復(fù)雜周邊高層建筑模型Fig.2 Complex Surrounding High-rise Building Models

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格數(shù)量較非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格好，故本文將計算域劃分為內(nèi)外兩部分，采用混合網(wǎng)格技術(shù)。在靠近建筑形體較為復(fù)雜的部分采用尺寸較小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在入口及交界面處采用較大尺寸的網(wǎng)格，中間運用前處理軟件實現(xiàn)由密到疏的過渡，得到了質(zhì)量較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；在遠(yuǎn)離建筑物的外部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；最后將兩部分網(wǎng)格進(jìn)行組合，形成混合網(wǎng)格劃分。模型的總網(wǎng)格數(shù)約為830萬，網(wǎng)格劃分示意如圖3所示。

圖3 復(fù)雜周邊高層建筑網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of Complex Surrounding High-rise Buildings

1.2 風(fēng)環(huán)境CFD模擬

本項目采用基于時間平均的雷諾均值方程（RANS）模型，該模型是適用最廣泛的RNGk-ε雙方程湍流模型。入口定義為速度入口（velocity-inlet），其入口風(fēng)速為10；出口定義為完全發(fā)展出流邊界條件（out-flow）；流體域頂部和兩側(cè)定義為自由滑移的壁面條件；建筑物表面和地面定義為無滑移的壁面條件。

采用耦合式求解器（Coupled）。在數(shù)值模擬中模擬間隔角度為22.5°，具體風(fēng)向角示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)環(huán)境風(fēng)向圖Fig.4 Wind Direction Map of Wind Environment

2 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果分析

為定量分析復(fù)雜周邊下高層建筑風(fēng)環(huán)境結(jié)果，基于建筑高度，將高層建筑劃分4 個區(qū)域：近地面區(qū)域、裙樓頂部區(qū)域、高空泳池區(qū)域和塔樓頂部區(qū)域，同時設(shè)定56個監(jiān)測點，具體監(jiān)測點平面位置如圖5所示。

圖5 風(fēng)環(huán)境監(jiān)測點平面位置示意圖Fig.5 Schematic Diagram of the Plane Location of Wind Environment Monitoring Points

提取4 個區(qū)域各監(jiān)測點在16 個風(fēng)向角下的最大風(fēng)速值（見圖6～圖7），由圖8可得，受到周邊建筑遮擋效應(yīng)的影響，17 個監(jiān)測點的最大風(fēng)速值低于10 m/s；39 個監(jiān)測點的最大風(fēng)速值超過10 m/s，占比達(dá)到70%，其中最大風(fēng)速出現(xiàn)在157.5°風(fēng)向下21 號點，達(dá)到26.5 m/s，結(jié)合圖6?分析，主要由氣流在裙樓拐角處發(fā)生分離導(dǎo)致。 由此表明在復(fù)雜周邊建筑的干擾會增加目標(biāo)建筑行人區(qū)域的風(fēng)速。

圖6 近地面區(qū)域速度云圖Fig.6 Near Ground Velocity Cloud Map （m/s）

圖7 塔樓頂部區(qū)域速度云圖Fig.7 Velocity Cloud Diagram of the Top Area of the Tower （m/s）

圖8 各區(qū)域不同風(fēng)向下最大風(fēng)速Fig.8 Maximum Wind Speed under different Wind Directions in Different Regions

挑選建筑典型區(qū)域監(jiān)測點1#、4#、11#、30#、50#、54#作為分析對象。同時，為定量研究復(fù)雜周邊下高層建筑對行人的影響，采用行人高度處的風(fēng)速比作為研究指標(biāo)?；谀M分析結(jié)果，繪制典型6個監(jiān)測點在16個風(fēng)向角下風(fēng)速比變化趨勢圖，如圖9所示。

圖9 各區(qū)域不同風(fēng)向下最大風(fēng)速比Fig.9 Maximum Wind Speed Ratio under Different Wind Directions in Different Regions

結(jié)合圖9分析可得，在城市復(fù)雜周邊干擾下，建筑不同區(qū)域的風(fēng)速比隨風(fēng)向變化有較大差異，整體風(fēng)速比的變化范圍為0.02～2.65，以157.5°風(fēng)向為例，塔樓前門1#點風(fēng)速比為1.52；建筑拐角處4#點和地面廣場30#點由于氣流分離加速，其風(fēng)速比分別為2.27 和1.77；塔樓和裙樓連接處11#點由于狹縫效應(yīng)，風(fēng)速比達(dá)到2.65；裙樓屋頂50#點和高空泳池54#點的風(fēng)速比分別為0.65、0.18。

通過對比建筑不同區(qū)域風(fēng)速隨風(fēng)向變化圖表，在同一行人高度下，塔樓前門、建筑拐角、塔裙樓連接處和地面廣場等近地面區(qū)域風(fēng)速比整體隨風(fēng)向變化趨勢較為接近，風(fēng)速比大值區(qū)域出現(xiàn)在90°～225°處；不同建筑高度下的裙樓頂部和高空泳池區(qū)域風(fēng)速比隨風(fēng)向變化與近地面區(qū)域有較大差異。

3 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果評估

基于目標(biāo)建筑所在地氣象站近20 年歷史測風(fēng)資料統(tǒng)計，建筑所在地年平均風(fēng)速為2.17 m/s，出現(xiàn)概率最大的風(fēng)向為東北向（NE），其次為西南向（SW），出現(xiàn)概率分別為16.1%和16.0%，同時繪制累年日最大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖，如圖10所示

圖10 累年日最大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖Fig.10 Rose Chart of Daily Maximum Wind Speed and Direction over the Years

結(jié)合建筑所在地累年日最大風(fēng)速和前文所分析建筑各區(qū)域監(jiān)測點的風(fēng)速比，對各監(jiān)測點進(jìn)行風(fēng)環(huán)境舒適性評估。風(fēng)環(huán)境評估基于日最大風(fēng)速的年超越次數(shù)進(jìn)行，舒適度分類如表1所示。

表1 風(fēng)環(huán)境的舒適度分類Tab.1 Comfort Classification of Wind Environment

結(jié)合行人高度處風(fēng)環(huán)境評估準(zhǔn)則，統(tǒng)計4 各區(qū)域共56 個監(jiān)測點在不同最大風(fēng)速下的年超越次數(shù)（見圖11），4 個監(jiān)測點（3#、4#、11#、39#）在3.6 m/s 和5.4 m/s的最大風(fēng)速年超越次數(shù)大于52 次，判定為舒適度Ⅲ類，且該監(jiān)測點的環(huán)境類別適用于表1 中場景，行人在該區(qū)域行走的風(fēng)環(huán)境整體感覺較好；11 個監(jiān)測點（2#、10#、12#、13#、16#、21#、23#、25#、28#、38#、45#）在在3.6 m/s 或5.4 m/s 的最大風(fēng)速年超越次數(shù)大于52 次和12 次，判定為舒適度Ⅱ類，且該監(jiān)測點的環(huán)境類別適用于表1 中場景，行人在該區(qū)域行走的風(fēng)環(huán)境整體感覺良好；其余41 個監(jiān)測點均滿足Ⅰ類舒適度判定標(biāo)準(zhǔn)，行人在該區(qū)域行走的風(fēng)環(huán)境整體感覺舒適。

圖11 不同最大風(fēng)速下的年超越次數(shù)Fig.11 Annual Exceedance Frequency under Different Maximum Wind Speeds

綜上分析，在在城市復(fù)雜周邊干擾下，本目標(biāo)建筑各區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境舒適性整體滿足評估準(zhǔn)則，行人在該區(qū)域行走不會產(chǎn)生風(fēng)環(huán)境不適感。

4 結(jié)論

通過建立復(fù)雜周邊建筑下高層建筑數(shù)值分析模型，對行人區(qū)域風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究分析及評估，得到以下結(jié)論：

⑴復(fù)雜建筑的干擾會明顯增加目標(biāo)建筑大部分區(qū)域行人區(qū)域的風(fēng)速，特別是在建筑造型突變處，其風(fēng)速增大倍率達(dá)到兩倍以上。

⑵受周邊建筑影響，同一高度下，目標(biāo)建筑行人區(qū)域的風(fēng)速比隨風(fēng)向變化趨勢較為一致，不同高度處風(fēng)速比隨風(fēng)向變化趨勢有較大差別。

⑶針對本文特定研究對象，目標(biāo)高層建筑在復(fù)雜周邊情況下，各區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境舒適度均滿足評價準(zhǔn)則，整體上有較好的舒適性。