夏热冬冷地区板式高层周边冬季防风策略

夏热冬冷地区板式高层周边冬季防风策略武汉理工大学土木工程与建筑学院李传成季群峰何闻周怡摘要：夏热冬冷地区冬冷问题没有得到应有的重视，板式高层建筑引起风压聚集，使得周边室外风环境在冬季极不舒适，本文通过问卷调查和CFD模拟方法研究夏热冬冷地区高层板式建筑风环境，探求其产生的原因并寻求解决或改善途径，提出策略，并对其效果加以验证。关键词：夏热冬冷，高层，风环境，CFD模拟Thewinterwindproofstrategiesofthesurroundingofboardtypehigh-risebuildinginhotsummerandcoldwinterzoneAbstract：Inhotsummerandcoldwinterzone,thewinterproblemshavenotpaidasmuchattentionasitshould.Thewindpressuregatheredcausedbyboardtypehigh-risebuildingmakesbadoutdoorWindenvironment.ThispaperresearchthewindenvironmentofhotsummerandcoldwinterzoneusingquestionnairesandCFDsimulationandtrytofigureoutthereasonorfindsomewaytosolveit,finallycomeupwithsomesuggestionsandvalidateit.Keyword：Hotsummerandcoldwinter;high-risebuilding;windenvironment;CFDsimulation引言近年来，建筑风环境已经和热环境、声环境、光环境一样，越来越多地引起人们的重视。风是构成室外环境的重要因素之一。随着城市化进程的加快，城市高层建筑和超高层建筑逐渐增多，由此带来的风环境问题已十分明显。在夏热冬冷地区，从城市规划和管理部门到建筑师都更加关注夏季建筑防热问题，往往忽视建筑冬季防寒问题。虽夏热冬冷地区冬季气候没有寒冷地区恶劣，但夏热冬冷地区的冬季气候对人体舒适也具有较大影响，在建筑规划和设计过程中缺乏对冬季风环境的考虑，所以研究夏热冬冷地区建筑冬季风环境十分紧迫。1改善夏热冬冷冬季建筑风环境的重要性夏热冬冷地区包括长江流域的重庆、武汉、上海等15各省市自治区，是中国经济和生活水平高速发展地区。夏热冬冷地区主要指长江中下游及周边地区,该地区夏天高于35℃的有15～30天,冬天低于5℃的天数长达2个月,夏天闷热、冬天阴冷。冬季气候条件导致夏热冬冷地区冬季建筑热环境较差，虽然气温比寒冷地区高，但日照相对不足。如冬季日照率，北京为67%，而夏热冬冷地区中上海为43%，武汉为39%，长沙为27%，重庆仅为13%。[1]冬季人在户外活动时，在有太阳照射的地方人体舒适度能够提高，加上自身在行走等活动中人体能量消耗较快，体温高于久坐时，这时的人体舒适度也能够在寒冷冬季得到缓解。但在高楼林立的城市中心区，由于建筑物的高大，造成了对太阳直射光的遮挡，形成巨大的阴影区，在这些阴影区中由于缺乏太阳辐射人体舒适度会降低，与此同时，高层建筑形成的阴影区也大多为狭长的街道或高楼间的空隙，这些地方也容易形成“狭道效应”，风速比一般空旷地方大，会大大降低在这里活动的行人的舒适度，在某些极端天气情况下甚至可能带来伤害和危险。评价风环境好坏的主体是人，关于如何评价风环境的好坏国内外相关规范中都没有一个统一的标准。国内外的相关研究为此作了大量的现场测试、调查研究和风从实验。在同时考虑平均风速和脉动风速的情况下，提出了行人的舒适感与风速之间较为具体的关系。表格1风速与人的感受的关系风速人的感觉V5m/s舒适5m/sV10m/S不舒适，行动受影响10m/sV15m/s很不舒适，行动受严重影响15m/sV20m/s不能忍受V20m/s危险调查统计显示:在建筑物周围行人区，若平均风速V5m/s出现频率小于10%，行人不会有什末抱怨；频率在10%~20%之间,抱怨将增多；频率大于20%,则应采取补救措施已减小风速。另外，行人在风速分布不均匀区域活动时，若在小于2m的距离内平均风速变化达70%，即从低风速区突然进入高风速区，人对风的适应能力将大减.所以，人在某位置是否安全、是否舒适，取决于该位置风速的大小及周围风速分布。通过风洞模拟试验，测量近地面人可涉足的一些位置，在不同来流风向影响下的平均风速和气流方向，据此计算舒适参数。[2]2高层建筑周边风环境问题本次实测的研究对象选取为武汉理工大学鉴湖校区主教学楼周围风环境。之所以选取这个对象，是因为鉴湖主教学楼为高层板式建筑，共20层，是武汉理工大学鉴湖校区的主要教学地点。鉴湖主教学楼紧邻校区大门，其北面的道路也是校区出入的重要通道，各方原因造成了这里人流量集中，在极端天气条件下时，这里更容易出现风环境不舒适的情况，在鉴湖主教学楼周边还分布着不同用途的5-7层的多层建筑，其正北面是平面为六边形的青年教师宿舍，西北面为学生公寓楼，东西两侧为教学楼，南侧则为开敞的广场。上课日期间进入和通过场地人数约为4000人，聚集高峰主要在中午和下午放学时间，人数为千人左右。平面图中已标出人行流线，并按人数的多少用相应线宽标示。如图1、2所示。图1研究范围主要分流示意图图2研究范围示意3前期问卷调查在进行CFD模拟研究前，我们对经常出入于主教学楼和频繁过往人群进行了初步的风环境舒适度问卷调查，通过调查问卷访问人群，确定风速较大区域和风速是否会引起人体的不舒适感。具体的调查结果如下：图3风速最大和温度最低研究点饼状图本次调查样本为30人，图3中左图表示在30份抽样中过往行人对1-4研究点风环境的感受并填写出感觉风速最大点（各研究点位置如图1所示）。如图1中人行流线可以看出，1、2研究点均为人流密集区，同时图2看出在2、4点附近建筑间距较小，容易形成较大风速气流，研究点3场地较其他开阔且朝南，冬季晴朗天气常有学生在此聚集，而研究点1处背阴，阳光被20层高的主教雪楼遮挡，风速较大又无直射阳光使人感觉到寒冷。在调查结果中得到印证：有43%的人认为点2处的风速最大，其次是1处。而温度最低处有55%认为是点1处，其次是点2和点4，没有人选择测点3，说明点3处的温度较高。通过调查问卷，可以为CFD模拟预测提供参考，也同时通过问卷调查了在这一区域经常活动的人对该地区风环境舒适度的体验，为研究提供了有效的参考。4模拟研究4.1模型的建立以及计算域的确定计算区域是指人为选定的包围建筑物在内的大气边界层内的一个立方体区域(当然也可根据实际建筑的特点用其它形状)，它的大小将直接影响模拟准确性和计算时间。由于计算机性能的限制，计算区域大小及与其相应的网格数不可能太大，实际上，太大也没有必要。本次实测的研究对象选取为某校区主教学楼以北场地的风环境，采用犀牛建模保存为.SAT格式后导入GAMBIT中划分网格，整个所研究区域的建筑物尺寸达LXBXH=200mx150mx80m,经过多次试算，最终选择计算流域为5LX6BX10H(1000m×900mx800m)，建筑物置于流域前沿1/3处。同时主教学楼表面模型按照建筑实际尺寸建模，并对细部尺寸进行了适当的简化，整个研究区域的建筑模型在计算流域中的位置如图4和所示。图4模型尺度示意图图5模型网格划分图4.2网格划分高层建筑风环境的模拟属于钝体扰流流场的数值模拟，风绕建筑物的流动是一种复杂的运动过程，现今的实际工程中，人们感兴趣的往往是时均速度场、压力场、以及湍流脉动的时均特性等，并不需要知道湍流产生与发展的细节问题，因此过细的模拟对于工程应用并不十分必要。[3]本文选择商用软件Fluent6.3进行模拟，由于它本身并不带MIT模型，需要通过自定义设置进行模型的添加.本文采用了结构网格和非结构网格的结合进行计算。建筑物的表面网格利用GAMBIT的sizefunction进行加密，远离建筑物网格尺寸逐渐增大，如图5所示，经过网格无关性验证表明网格数量为139万左右对研究结果影响不大。4.3边界条件及湍流模型的确定（1）进口边界条件采用velocity-inlet速度入口边界，根据气候资料统计，武汉冬季平均风速大小为3.8m/s，风向多为北风和东北风，本文先后设定来流大小为3m/s和5m/s进行模拟，方向为北风。（2）出口边界条件出口采用完全发展出流边界条件outflow。(3)壁面边界条件流域顶部离建筑物壁面较远，并且来流风速为水平方向，可以认为速度沿切线方向的梯度为零，沿法向的值为零，故通过指定剪切应力(ShearStress)为零来模拟“滑移”的流域两侧及顶部。建筑物表面和地面，采用无滑移(NoSlip)的壁面条件。5模拟实验结果（1）来流速度为5m/s时图6Z=2m处Y方向速度图7Z=0处Y方向速度图8Z=2m处速度矢量图由图8可以看出，2m高度处的风速最大值可达12m/s左右，但此位置偏离主教楼。在主教学楼两侧2处和4处，风速均较大,接近10m/s，在4处活动的人数较少，而2处大部分学生都会在此经过，在冬季行走时会感到不舒适。1处处于坡道上，风速也比较大，但行人较少。由于教学楼群体建筑的遮挡，研究范围内风速分布规律大致是北部风速快，而南部风速慢，在建筑物南面3处还会形成蜗旋气流。在建筑物间的通道位置，风速明显高于其他区域。（2）来流风速为3m/s时图10Z=2处Y方向速度图11Z=0处Y方向速度图9Z=0处速度矢量图图12Z=0处速度矢量图图13Z=2处速度矢量图来流风速为3m/s时，最大风速高达为5.6m/s，最大风速比约为1.87，局部区域会出现大于5m/s的风速，会造成人体的不舒适。且出现最大风速区域也同时是气流容易出现涡旋的区域，风向不稳定，这也是造成行人不舒适的主要原因之一。通过两次不同的来流速度模拟，我们可以看出即使是在低于武汉冬季平均风速的情况下，行人也会出现不舒适感，因此有必要进行冬季防风问题的考虑。根据前期的问卷调查风速不舒适处将最容易发生于点2和点4处，CFD模拟结果与问卷调查结果基本一致。6改进和优化策略6.1优化平面布局建筑平面布局是影响高层建筑风环境状况的一个主要因素。不当的建筑布局容易导致“狭道效应”，从而对行人造成不舒适，或形成“涡流死区”。以本文研究对象为例，鉴湖主教学楼与之相邻的东西两座教学楼间的距离分别仅为10m和11m，在风速较大的极端天气下，教学楼间容易形成较大风速的“狭道效应”。当来流风速达到5m/s时，鉴湖主教学楼与相邻两教学楼间的道路地面高度2m处的最大风速可达10m/s，风环境非常不舒适。[4]调整建筑群的平面布局对改善风环境具有明显作用。合理增大建筑物之间的间距可以有效避免“狭道效应”的产生。在既有建筑条件下可以在主要风道上不影响其他建筑前提下增设小型建筑，以减缓过快风速。6.2优化建筑形态及表皮建筑自身的形态也是影响建筑周围风环境的主要原因之一。夏热冬冷地区的板式建筑为争取好地朝向和温和季的室内通风效果，一般在主导风向方向面宽较大，对来流风阻挡明显，气流在建筑迎风拐角和尖角处都发生了分离，容易在建筑物背风面形成漩涡。应适当考虑当地气候特点，尽量避免建筑形体中存在与主导风向垂直的墙面面积，也应避免在建筑形体中出现明显锐利的尖角，尽量使用光滑倒角或切角等措施减弱分离流的影响。在既有建筑条件下，可以考虑在不影响建筑原有功能的情况下在原有建筑外围护结构表面特别是建筑尖角处增设起到缓冲风速作用的表皮，以减缓过快风速甚至衰减建筑尖角所引起的气流涡旋现象。6.3增加近地面绿化景观在易形成“狭道效应”和风涡流区设置绿化，主要是种植一些乔木和灌木，在保证正常通风前提下可以对延缓过快气流起到一定的作用。有绿化情况下的风速比无绿化情况下的近地面风速低，在来流速度为5-8m/s时，植物可以使风速减小1～2m/s。在有绿化的情况下，风速和风向都会受到植物的影响发生一定程度的变化。树木通过树冠与气流产生摩擦，使得风速