建筑与风环境的关系及案例分析

建筑与风环境的关系及案例分析目录Contents(一).收集并分析2-3个通过设计、规划手段改善外部风环境的实例。（风环境案例）(二).收集并分析2-3个通过设计、规划手段改善城市热岛效应的实例。（热岛效应案例）(四).参考文献(三).寻找西工大新校区室外风环境的不利地点，并从规划及设计的角度，提出改进的意见和建议。（校园风环境）风对建筑室内外环境，人员舒适度都有重要的影响。一个设计完善的建筑规划设计应该能够充分利用自然通风，改善区域的微气候，周密的规划布局以及合理的建筑空间设计可以达到良好的风环境。自然通风同时也是一种最简便和容易实现的节能技术，其主要作用包括提供新鲜空气，生理降温，释放建筑结构中蓄存的热量，通过改善通风条件提高人员的舒适度和建筑品质。建筑群和构筑物会显著改变近地面风的流程。近地风的速度，压力和方向与建筑物的外形，尺度，建筑物之间的相对位置及周围地形地貌有着很复杂的关系。再有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风，如果强风出现在建筑物入口，通道，露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适，甚至形成风灾。因此，需要分析建筑之间位置与室外风环境的影响。同时，室外风环境影响室内风环境，特别是对建筑防风和自然通风有着决定性影响。冬季建筑防风，有效减少气流渗透，降低采暖能耗，而夏季与过渡季节的自然通风则能有效降低空调能耗。(一).风环境案例WindEnvironment考虑冬夏季主导风向建筑布局不同建筑布局方式的风影示意1.1.场地设计对风向的考虑(一).风环境案例WindEnvironment1.2.高层建筑和室外风环境的关系(一).风环境案例WindEnvironment高层建筑周围风环境的形成机理:由于高层建筑阻挡了主要风向的流动，在和高层建筑碰撞时，一部分风越过高层顶部和侧边，流向建筑后部。另外一部分风向下流动，形成下冲风，下冲风风速较快，会对地面人行高度处风环境产生影响，同时形成迎风面涡流区。同时建筑周边不同区域形成了风压差：在迎风面上由于空气流动受阻，速度降低，风的部分动能变为静压，使建筑物迎风面上的压力大于大气压，从而形成正压；在背风面、侧风面(屋顶和两侧)由于气流曲绕过程形成空气稀薄现象，该处压力小于大气压从而形成负压，这两种气压差造成气流快速流动。换句话说，高层建筑物较大程度改变了建筑物周围的局地风场，从而形成高层风。(图1)。高层建筑风根据气流流动方向大体可分为两大类型：分流风和回流风。其中分流风又可分为边角侧风、下冲风、开口部风、穿堂风。回流风又可分为迎风面逆风和风影区涡流(表1)。(图1)风环境的形成机理(表1)高层建筑风分类1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment（一）削弱“边角强风”优化设计策略:边角强风发生在建筑的边角处，会产生涡漩分流的现象，造成建筑物边角两侧有较强的风速。削弱“边角强风”的根本在于通过高层建筑边角的形态优化来弱化气流或者增加表面阻尼。以下是在此基础上提出的一些优化策略。RWEAG大楼1.建筑边角圆润化从弱化气流的角度出发，并且外界微气候环境最小影响程度来说，建筑边界越是圆润，光滑，建筑背风向形成的压力越趋于稳定，边角强风影响程度也就越小。例如RWEAG大楼，边角圆润的形体能较大的削弱强风，降低风荷载。高层建筑应具有符合空气动力学的圆弧状轮廓，并尽可能将窄边面向冬季的主导风向或与其成一定的角度。杨经文、罗斯福、福斯特等利用生物气候原理进行设计的建筑师，他们常用的高层平面形式大都呈圆形、椭圆形等。1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment2.设置遮风板为化解高层建筑角部的强气流，增加建筑边角处阻尼，可以在转角部位阳台的角部设置遮风板，可以有效地减弱边角风的强度。图2为未设置遮风板和在建筑的转角部位设置遮风板时的气流模拟比较。图中可以看出，未设置遮风板时阳台内出现强风，而在设置遮风板后，建筑转角附近的风速大幅度下降，设置遮风板是非常有效的防强风对策。另外重视建筑细部的处理。如建筑物的墙面利用、阳台或线脚的凹凸变化等，也可以减弱边角强气流的干扰。图2转角处阳台内部气流CFD模拟（左：无挡风板，右：有挡风板）1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment3.扭转的形体扭转的形体可以引导边角强气流的走向，依附于形体盘旋上升，从而化解了周边的强气流对于建筑的冲击。通过剖面风速模拟，可以看到经过扭转后的形体风速明显小于未扭转的形体，同时，越是表面圆滑，越是能化解边角强风。比较典型的案例是上海中心的形体设计。上海中心位于浦东陆家嘴中心区域，金茂大厦，环球金融中心三者的空间关系形成较大的风压。经试验数据可知，上海中心的主体部分的扭转可以减小三者之间的风阻影响。具有柔和轮廓120°的扭转形态不仅具有动态的美感，同时和通常的方锥体相比，还可减少24%的风荷载，不管对于上海中心本身化解边角强风还是和其他两个建筑之间的风环境关系，是比较好的形体选择。上海中心分解图上海中心周边环境1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment4.切割的形体根据风环境的研究结果显示，折线的切割方式比直线更能有效的弱化风速，切割的形体能使迎面吹来的强风折向不同的方向，化解气流的过于集中，切割的形体同时也具有一定的导风作用，对化解边角强风比较有利。AlHamraFirdousTower(哈姆拉菲尔杜斯大厦)高度达412m，是目前科威特最高的建筑。功能包含了办公空间、健身俱乐部、剧院、美食广场的高端商业中心的商业综合体。AlHamra塔地处科威特半岛中心的黄金地段。沿着海岸线感受城市全景，超高层塔楼的形象强烈地突出于城市的天际线。在规划阶段，设计师根据基地边界，设定了60mX60m的塔楼平面，采用旋转削减25%周边楼板的方法满足了对建筑面积的控制要求。太阳能分析的结果表明建筑应切掉西南转角，而风环境的研究结果显示折线的切割方式能有效地缓和风速，化解强气流的干扰。因此，建筑的最终形式是在底层平面西南角切除楼板1/4的面积，并渐变至顶层平面的东南角，这是由风环境模拟分析过程推导而来的最优化设计。哈姆拉菲尔杜斯大厦1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment（二）化解“迎风面涡旋”优化设计策略:化解“迎风面涡旋”的根本在于使位于迎风面的建筑形体呈错落状，来达到缓冲下冲涡旋气流的目的。韩国汉城综合贸易中心1.迎风面为外凸的平面形式建筑迎风面的平面形式是外凸或者内凹，将会产生不同的涡旋气流走向。如果高层建筑迎风面的平面是外凸的形式，将把更多的高层建筑周围的气流转移开来，化解一部分迎风面涡旋的气流。2.台阶状形体为了减小上部风受到高层建筑界面阻挡后下行，对地面及街道造成的影响，高层建筑的形体还可以依据高度做退台处理。相关城市规划法规中规定，沿街建筑高度应依据街道宽度而定，满足一定的比例关系。随着建筑不断增高，形体上应做退台处理，减小高层建筑对街道形成的压抑感。这种退台处理缓解了高层建筑迎风面涡漩气流，下风向的能量，在退台处风力不断的受阻，进而能量不断衰竭。高层上部退台后，街道底部峡谷风力有所减弱，并化解了街道上不利的风环境状况。韩国汉城综合贸易中心是单面台阶体形的实例。作为综合贸易中心主体建筑的贸易大厦，高达228m，建筑面积约10.8万m2。建筑的形态设计采用了一侧为阶梯状的设计造型，并将阶梯部分分为两条，该立面面向城市主干道，从风环境的角度，弱化了高层下冲气流对于主要街道的干扰，同时建筑的退台状设计也不会让街道显得压抑。1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment3.半开敞竖向庭院半开敞竖向庭院作为软质景观引入建筑，形成多方位、多层次的绿化系统。绿化的引入增加高层建筑表面对气流的阻尼，粗糙的建筑表面质感增加了建筑对气流运动的摩擦阻力，使气流朝各不同方向反射，对高层建筑上部水平向强气流具有一定的缓冲作用，化解部分迎风面涡流，使风速及风压在室内空间满足人的生活及工作需求。半开敞竖向庭院的引入也赋予了高层建筑特定的外形特征，如立面强烈的虚实对比，大平台的出现等。福斯特设计的位于德国法兰克福的CommerzBankHeadquaters(法兰克福商业银行)，平面是三角形的，以其竖向绿化的引入和拔风效应为整座建筑提供自然通风。福斯特自称这一设计是“世界上第一座活着的，能自由呼吸的高层建筑”。同时这座建筑也可以有效化解“迎风面涡旋”。法兰克福商业银行平面图法兰克福商业银行中庭法兰克福商业银行1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment(三)减小“建筑物风影区”优化设计策略建筑风影区平面范围的大小与高层建筑的平面特征、建筑体量高宽比、气流的流向等有关。以下是相应的一些优化策略。横滨标志性塔楼1.倾斜面形体利用倾斜面造型也是高层建筑体形塑造的常用手段。斜面所带来的动感和韵律感可以使建筑外观舒展、流畅而富有个性。高层建筑高度较高，但是考虑到消防分区的面积要求，标准层平面尺寸相对较为固定，所以利用一定的斜面处理可以减小高层建筑的体量感。倾斜面体形一般采取下大上小，随着高度的增加逐渐减小平面的特点，整个建筑的形体形成内收的特征，这样所形成的建筑物风影区范围也相应的减小。横滨标志性塔楼高70层，它的倾斜方式又有所不同，由正方形平面在四个边的中间挖槽，切割形成平面上突出的四个角，方形的塔身分三段向中心退台，每段的标准层平面不变，底下一二段的四个凸角向内收进，形成倾斜面。这一组合减小了建筑的风影区的范围，同时在造型上形成收束的效果，简洁中有变化。1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment高层形体周边气流走向2.贯通的洞口高层建筑随着高度和宽度的加大，会受到风振效应和背部涡流区等众多不良风环境的影响，为了避免高层建筑由于过于封闭的形体而造成强大气流的互相混合，可以在高层建筑形体处理上预留出贯通整个建筑的洞口，又可称之为“掏空”的处理，化解从正面各个方向吹来的风力，弱化了强风对高层建筑的破坏力，同时也缩减了高层建筑背面风影区的范围，加强了空气的流动。日本的NEC总部大楼是一个很好的案例，该大楼由日本现代主义建筑师丹下健三设计，建于1970年代的日本电信大厦形体经过反复推敲，对风环境的考虑成为建筑方案最终敲定的关键因素，建筑体量关系分为上下两部分，以斜面形体过渡处理上下体量之间的联接，上部体量的缩小是在综合评定几种体量关系所造成的风环境状况后做出的最后选择，中部斜面的处理成为上部气流下行的缓冲并顺势改变了气流运动方向，减弱上部气流对下部体量中屋顶带来的压力。方案中最为典型的是在建筑的下部体量中部挖出一个极大的透空门洞，透空处理一方面相当于减小了建筑垂直于迎风面的跨度，减小体量过大造成的风影区范围及对下风向建筑通风带来的影响，通过建筑底层下部空间的屋顶开洞，创造了一个有顶光的多层地下大厅，使建筑物地下空间通风更通畅。NEC总部大楼1.3.高层建筑形态优化设计策略(一).风环境案例WindEnvironment3.平面布局的优化设计针对基本几何形体关系，可以进行以下的布局优化策略：高层建筑平面布局优化策略1.4.常见的防止强风的措施(一).风环境案例WindEnvironment1.使高大建筑物的小表面朝向盛行风向[图1]2.建筑物之间的相互位置要合适3.改变平面形状4.设防风围墙[图2]5.种植树木于高层建筑周围[图3]6.在高楼的底部周围设底层部分[图4]7.在近地面的下层处设置挑棚等[图1][图3][图2][图4]城市热岛效应(Urbanheatislandeffect),就是因城市化的发展,导致城市中气温高于外围郊区的现象。在近地面大气等温线图上(图1),郊外的广阔地区气温变化很小,如同一个平静的海面,而城区则是一个明显的高温区,如同突出海面的岛屿,由于这种岛屿代表着高温的城市区域,所以就被形象地称为城市热岛。(二).热岛效应案例UrbanHeat