城市与建筑风环境(1)

城市与建筑风环境及自然通风研究•如何在建筑室内各部分维护良好通风的同时避免废气回流，在室外环境规划中维护“风道”，促进城市空气流通更新与人们聚集区域的风速舒适与减轻污染，是设计建筑风环境的基本考虑。城市与建筑风环境及自然通风研究•建筑群风环境与建筑室内通风是营造人体生理舒适性的主要因素，而且通风效率与建筑节能直接相关，因此成为可持续发展的“绿色建筑”的重要主题。城市与建筑风环境及自然通风研究•而且类似中国的广大地区的气候环境差异，造成北方、长江流域及亚热带地区完全不同的风环境考虑，居住小区布局如何适应当地的气流条件，以及采暖节能与制冷节能对风环境的完全不同的要求等等，都对建筑风环境设计提出了更富于挑战性的要求。城市与建筑风环境及自然通风研究•我国城市遭受风灾害影响严重，每年强风导致建筑结构损毁造成的财产损失十分巨大。城市与建筑风环境及自然通风研究•仅举几例，1999年9月中旬“约克”台风登陆香港期间，湾仔税务大楼、入境事务大楼及湾仔政府大楼等数栋大楼400多块玻璃幕墙被吹毁；2002年8月，苏州新建的尚未投入使用的体育场和体育馆屋顶被强风掀去4000多平方米；2003年8月2日，上海大剧院大屋盖屋顶一块覆面材料被强风撕裂成两段，造成损坏面积250平方米。城市与建筑风环境及自然通风研究•极端风灾害气候并不经常发生，与我们的日常生活更加息息相关的是建筑风环境。当一栋大楼矗立起来，不可避免地改变了原来吹经此处的风的正常走向，也即改变了当地的风环境，这种变化有时可能产生不良后果。例如，在繁华的商业中心街道两旁，高低错落的建筑群构成了一道人工的“街道峡谷”，风汇合在街道里，由于“峡谷效应”，风速加大，出现局部强风，加上建筑物的阻滞，形成涡旋和强烈变化的升降气流等复杂的空气流动现象。在大风天气，“街道峡谷效应”加强了风的作用，强大的乱流、涡旋再加上变化莫测的升降气流形成了街道风暴，殃及行人。城市与建筑风环境及自然通风研究•不仅群体建筑会形成这种不良的区域性风气候，在单独的高层建筑附近往往也出现不利的风环境。研究表明，高层建筑趋于将高空的高速气流引至地面，特别在建筑转角处，流动加速，并在建筑前方形成停驻的漩涡，将恶化建筑周围行人高度的风环境，危及过往行人的安全。国外曾报道了因“高楼风”造成人员伤害的案例。在一栋高层建筑附近，由于高层建筑的存在改变了风的正常走向，使建筑周围的风速突然增大数倍，突如其来的旋风将两名经过该处的老妇人刮倒并导致死亡，被法院判决该建筑的建设者赔偿责任。又如在北京，曾有报道200米高的京广中心附近出现行人屡被大风吹倒的现象。因此在大风天气，行走在高楼大厦附近，行人特别是老人与儿童应特别注意安全。城市与建筑风环境及自然通风研究•风环境还涉及健康和节能•风环境不仅和人们的安全有关，也和健康密切关系。建筑设计对风环境因素考虑不周，会造成局部地区气流不畅，在建筑物周围形成漩涡和死角，使得污染物不能及时扩散，直接影响到人的生命健康。香港淘大花园因为密集的高楼之间形成的“风闸效应”加剧了SARS病毒的扩散与传播就是一例，并引发了人们对“健康住宅”的广泛关注。又据有关部门监测，北京崇文门和宣武门一带，沿街两排东西走向的板楼挡住了北京常见的南北风，形成的涡旋阻滞了污染物的正常扩散，造成空气质量的不良。城市与建筑风环境及自然通风研究•风环境还涉及建筑节能。住宅小区室外风环境不良，在夏季可能阻碍室内外自然通风的顺畅进行，增加空调的负荷；在冬季又可能会增加维护结构的渗透风而提高采暖能耗。因此，设计良好风环境品质的建筑能有效地降低建筑能耗。城市与建筑风环境及自然通风研究•由于建筑风环境涉及行人的安全和舒适，小区气候和居民健康，绿色建筑与节能，污染物的扩散与空气自净等问题，建筑风环境问题在发达国家已经引起了相当的重视。不仅运用先进的技术手段开展对建筑风环境的系统研究，而且上升到立法规范管理的层面上。许多城市制定专门的法规来管理和监督新建或改建城市街区和住宅小区的建筑风环境问题，对于较大型的工程项目都要进行风环境的强制性评估，通过行政和司法手段有效控制城市不良建筑风环境的产生。城市与建筑风环境及自然通风研究•在国外，行人风环境问题早已成为公众关注的问题。日本的建筑开发商与居民之间因风环境问题引起的争端时常发生，甚至引发诉讼。一些地方政府例如东京都颁布政府条例规定，高度超过100m的建筑与占地面积超过10万m2的开发项目，开发商必须进行包括行人风环境在内的对周边环境影响的评估。日本不仅有这些强制性的要求，当住户对发展商提出要求时，也经常要进行行人风环境的调查，时常发生居民因附近新建建筑改变了当地的风环境而引发的诉讼。在澳大利亚，每一栋3层以上的建筑都需要进行风环境评估，住户因风环境提请的诉讼频仍，风环境问题成为一个公众严重关切的问题。一个开发项目如果风的问题没处理好，那么开发商绝不可能获得建设许可。在北美，许多大城市如波士顿、纽约、旧金山、多伦多等，新建建筑方案在获得相关部门批准之前，都需要进行建前和建后该地区建筑风环境的考察，以对新建建筑对区域行人风环境的影响进行评估。城市与建筑风环境及自然通风研究•当前，我国城市兴建高层建筑的热潮还在不断上升，在中心城区，大量高层、超高层建筑不断涌现，如不加以规范，势必会造成城市建筑风环境问题越来越严重。在北京和其他城市，意识先进的开发商和设计单位已在个别住宅小区及高档写字楼的开发建设中开始考虑建筑风环境问题。但整体来看，建筑风环境问题还尚未引起足够的重视，还没有一个地方政府和权威机构将此问题的管理提升到立法与规范的层面上。有识之士已认识到建筑风环境在城市建设中的重要性，呼吁通过立法等手段对城市建筑风环境加以规范。城市与建筑风环境及自然通风研究•通过风洞试验与计算机模拟手段可以预测建筑建成之后的风环境状况。中国建筑科学研究院等国家科研机构借助先进的数值仿真技术，正在开展建筑风环境的研究与评估，为设计具有良好风环境品质的建筑提供科学的指导。通过对建筑风环境问题的关注，加上科技工作者的努力，将有助于提高城市建筑的规划和设计水平，改善人居环境，并有利于环境保护和节约能源。城市与建筑风环境及自然通风研究•一方面，随着钢铁、机械、电气及电梯工业技术的进步，在技术上为高层建筑的进一步发展提供了可能性。另一方面，伴随着城市用地的进一步紧张，发展商不断要求提高建筑容积率，造成目前城市中的建筑越来越高，密度越来越大，而由高层建筑引发的建筑风环境问题已引起广泛的注意。城市与建筑风环境及自然通风研究•人、自然、建筑、城市一直是紧密相关的概念，而风与它们都有关系，风是构成环境，尤其是室外环境的重要因素之一，在城市•中，近地风的特性非常复杂，它不仅依赖于建筑物本身的外形、尺寸和某些建筑物特征(如开口、通道等)，而且依赖于周围建筑物的相对位置、外形以及四周地形的粗糙程度。随着建筑物的增高、布局的密集，近地面大气层对建筑的影响也越来越明显。在近地面大气层内，空气的流动是很容易突变的，在某一点上的风向和风速，短时间内可能会有很大的变动，理论上认为是一种湍流现象。在高大建筑物周围变化更为剧烈，往往会引起局部地区风速的增大和紊乱，产生强烈的气流变化，引起风环境的恶化。在一般的气象条件下，都市风影响着城市建筑环境的小气候。而高层和超高层建筑的问世，产生了尖锐突出的再生风环境和二次风环境，成为城市环境公害的一个重要方面，高层建筑周围强烈的湍流会对行人产生强烈的影响，直接影响到风环境的舒适感，在高层建筑林立的“山谷”之中，经常可以看到举步为艰，迎风前进的行人们。城市与建筑风环境及自然通风研究•不良风环境的影响:.人造成人们活动的障碍有不舒适、寒冷的感觉行走不稳、摔倒手持物易脱手.建筑物广告牌吹坏、玻璃破碎、门窗开关困难屋顶掀翻建筑的给排气、通风性能不好强风造成的建筑尖锐噪音或挤轧声等噪音.自行车车骑不快、费劲、不易控制.其他植物倾倒、受伤害晾晒在外的物品易被吹掉商店等的陈列品翻倒、飞散灰尘、垃圾飞散，影响环境风大时气温下降，无风时闷热异常等对环境温度产生的影响大量的事例，不断发生的纠纷、诉讼都在提醒着有关政府部门、规划师、建筑师和风工程学家:风环境和再生风环境已是不可回避的尖锐问题，必须从立法、规划、设计、实验、理论诸方面进行深入研究，从而提出必要的对策，而近些年来国内外对这一领域的研究也己开展起来。城市与建筑风环境及自然通风研究•建筑物周围风环境的空气动力学性质自然风的性质与建筑物周围的风环境在大气边界层中的自然风，由于受到处于风场中建筑钝体的阻挡，使得在建筑物的周围区域风场产生很大的变化。实际的建筑钝体本身具有各种复杂的三维几何体形状，而处于大气边界层中的自然风来流本身沿铅直高度有不同的风速，这些都造成了建筑物周边的气流在空间和时间上都具有非常复杂的非定常流性状。城市与建筑风环境及自然通风研究•建筑物的存在改变了其周围的气流分布，造成局部扰动，由此而引起速度场和压力场的变化，发生空气动力学畸变，建筑物对上游的气流具有阻挡作用，在下游形成下洗现象，使周围的流场变得非常复杂，尤其是随着城市建筑密度的增加，建筑物之间的气流影响也增大，建筑物与主导风的角度、建筑物之间的距离、排列方式等产生的各种风效应对建筑物和周围的环境影响很大，大多数建筑物的形状都是非流线形体，各个方向的气流流经建筑物时都将引起振动问题。城市与建筑风环境及自然通风研究•风场实测表明，对建筑物绕流特性影响最显著的是近地面风，而近地面风是有着显著的紊乱性和随机性。在一定的时间间隔内，各个高度的平均风速几乎是不变的，但实际绕流风速平均值是脉动的，且风速的平均值随高度的增加按指数律增大，故通常认为风速是由不变的平均风速和变化的脉动风速两部分组成的。作用在建筑物上的风压也可归结为由静态的平均风压和动态的脉动风压两部分组成。•在风力作用下，高层建筑表面风压分布的测定，目前多在模拟大气边界层风场的风洞中对模型进行动态测量试验获得。但也有些对已建成的建筑物进行实测，以收集可贵的风荷载资料，供日后设计时参考或改造原设计之用。为阐明风力对高层建筑及其周边环境的影响，下面对一座较为典型的高层建筑模型在风洞试验中观测到的典型绕流状况作简单介绍。城市与建筑风环境及自然通风研究•由图1可见，在迎风墙面上气流受阻，动压降低，静压增高，约在对称中心线上3/4高处，存在一点风速为零，即驻点O，其压强最大。由于迎面风速随高度增加而增大，相应其阻滞的静压也相应增大。故在驻点O下存在一个递降的静压梯度，迫使一股风向下流动。若建筑物下部有拱廊（过道），则有些风就加速穿过拱廊流向背风面的负压区，在拱廊里形成一股强劲的穿堂风；若建筑物整个是密封的，则在下部形成一个类似于二次流的固定旋涡，而后分两股成马蹄形流向建筑物两侧，并向背风面的负压区流去，增强背风面的吸力。由驻点O向两侧和屋顶方向，由于三维效应，静压也逐渐降低，至拐角棱边处风速急剧增大，气流沿棱边分离，伴生旋涡，造成侧壁及屋顶形成较为均匀的负压区。一般而言，近侧负压绝对值稍大些，远侧则稍小些城市与建筑风环境及自然通风研究•顺流而下在建筑物背风面形成尾流区，尾流区的负压绝对值，一般边缘处略大，中心区略小。这种绕流特性对建筑物本身的搭盖物、覆盖饰物、幕墙玻璃……等的影响在后面阐述，而对近地面2米高度行人处环境风速的影响程度，经实测，一般实际情况大致如表1所示（设高层建筑物的高度为其周边建筑物高度的4～8倍情况）。城市与建筑风环境及自然通风研究•1、外部风环境问题•长期以来，人们通过试验，观察制定了一个在人行街道、广场对人类活动感到不舒适的指标-“不舒适参数”Ψ，来测评近地面风环境的优劣。当Ψ≥1时，人们步行开始感到不适，伞难撑，眼难睁。步行者受风影响情况判别如表2所示。可见，仅当风速u∞≤5m/s（或Ψ＜1）是舒适的，4～7级是不舒适的，8级以上则认为是危险的。城市与建筑风环境及自然通风研究•根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值是不同的。常见几种高层建筑群体，布局间相互干扰而引发的不舒适风环境的试验值Ψ如下。•