基于CFD的山地城市建筑格局對風(fēng)速和氣溫微環(huán)境影響研究

陳國慧，鄧仕虎

（1重慶市北碚區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，重慶 400700；2重慶市地理信息中心，重慶 401121）

基于CFD的山地城市建筑格局對風(fēng)速和氣溫微環(huán)境影響研究

陳國慧1，鄧仕虎2

（1重慶市北碚區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，重慶 400700；2重慶市地理信息中心，重慶 401121）

該文利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對重慶典型的行列式、錯列式、周邊式、點群式建筑格局下的風(fēng)速和氣溫微環(huán)境進(jìn)行模擬，分析不同建筑格局對山地城市微環(huán)境的影響，為山地城市建筑設(shè)計提供參考。

CFD；建筑格局；山地城市；微環(huán)境；自然通風(fēng)；城市熱環(huán)境

0 引言

我國是一個多山的國家，山地面積約占全國土地面積的三分之二，約三分之一的人口居住在山地城鎮(zhèn)。由于建筑物特別是高層建筑的布置所形成的城市空間，對建筑群中的 “建筑風(fēng)”具有重要的影響，不僅可造成一個建筑小區(qū)的強(qiáng)弱風(fēng)區(qū)，甚至可形成區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向[1]。建筑格局對城市微環(huán)境的影響主要對自然通風(fēng)、城市熱環(huán)境產(chǎn)生影響。我國對城市微環(huán)境的研究多在北京、上海及沿海等大中型城市，Karrner、周淑貞、陳沈斌、楊凱、張一平等都作過這方面的研究。城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域研究和實踐者已經(jīng)將關(guān)注的重點放在如何通過城市自身的合理空間配置（包括空間格局、建筑布局形式、自然地理環(huán)境等）來緩解因城市化引起的大氣環(huán)境問題。

國內(nèi)也陸續(xù)開展了一些針對單體建筑或群體建筑的大氣環(huán)境影響評估研究。湯廣發(fā)等進(jìn)行了城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的數(shù)值分析[2]，張寧等進(jìn)行了城市街區(qū)內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究[3]，歐陽琰等利用風(fēng)洞試驗研究城市小區(qū)大氣環(huán)境流場及污染物擴(kuò)散的問題[4]，黃成等應(yīng)用CFD技術(shù)對小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，馬劍進(jìn)行了群體建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值研究[5]，汪光燾等進(jìn)行了城市規(guī)劃大氣環(huán)境影響多尺度評估技術(shù)體系的研究與應(yīng)用等[6]。然而在研究中對地形地貌的考慮較少，地形地貌對城市微環(huán)境的影響在平原城市或許可以省略，但在山地城市卻是必須要考慮的因素。

1 建筑格局對山地城市微環(huán)境影響模擬分析

重慶屬于靜風(fēng)頻率較高的山地城市，一般建筑群的平面布局可分為：行列式、錯列式、周邊式以及點群式（如圖1所示）。本文利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，利用ANSYS軟件對重慶典型的行列式、錯列式、周邊式、點群式建筑格局下的微環(huán)境進(jìn)行模擬，分析不同建筑格局對山地城市微環(huán)境的影響，并提出適宜重慶特殊氣候環(huán)境的建筑格局形態(tài)。

圖1 不同的建筑格局示意圖

本文采用四面體網(wǎng)格，將城市空間劃分為近地面區(qū)、建筑區(qū)和氣流區(qū)，首先用較大的網(wǎng)格對整個區(qū)域進(jìn)行計算，然后對近地面區(qū)和建筑區(qū)進(jìn)行加密，在計算中實現(xiàn)了良好的收斂效果。參數(shù)設(shè)置是CFD數(shù)值模擬的核心，在城市微環(huán)境模擬中，主要由城市氣候、下墊面、出入口等設(shè)置組成。（1）入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，溫度、速度、湍流強(qiáng)度、湍流粘性比根據(jù)重慶市實際情況設(shè)置，氣象初始風(fēng)速設(shè)定為2m/s，溫度取夏季平均氣溫28℃；（2）出口邊界條件：使用自由出口邊界條件來模擬出口處的流體流動；（3）固體壁面邊界條件：建筑物表面采用無滑移的壁面邊界條件；（4）對稱邊界條件：由于計算域兩側(cè)的邊界離建筑物較遠(yuǎn)，采用自由滑移而且絕熱的壁面邊界條件。

為研究不同建筑格局對山地城市微環(huán)境的影響，分別對平地和典型山地城市建筑的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡微環(huán)境進(jìn)行模擬。山地城市受地形條件限制，建筑多半需根據(jù)地形建造，本研究結(jié)合重慶山地城市建設(shè)實際，按照建筑物垂直于等高線呈階梯式布置的情況進(jìn)行模擬。由于篇幅原因，本文重點針對行列式格局和點群式格局對微環(huán)境的影響進(jìn)行分析，周邊式格局和錯列式格局不做詳細(xì)闡述。

1.1 行列式格局

近地面風(fēng)速模擬結(jié)果（如圖2），在不考慮山地地形影響的情況下，建筑區(qū)平行式布局時氣流受建筑物阻礙向建筑物兩側(cè)和中部廊道繞流，風(fēng)速得以加強(qiáng)，兩側(cè)風(fēng)速最大處可達(dá)到3m/s。與此同時建筑區(qū)內(nèi)部和下游區(qū)域尾部風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成多個渦流區(qū)，導(dǎo)致氣流滯留，大部分區(qū)域風(fēng)速在1.5m/s以下，對通風(fēng)不利。建筑布局在迎風(fēng)坡時（如圖3），氣流遇到山體發(fā)生爬升和繞流，將建筑區(qū)兩側(cè)和通風(fēng)廊道的氣流更多地引入到建筑區(qū)，建筑區(qū)內(nèi)部的渦流區(qū)減少，與此同時通風(fēng)口處的“狹管效應(yīng)”變?nèi)酰植扛唢L(fēng)減弱。但因臺地阻隔，建筑區(qū)局部風(fēng)速放緩，形成局部氣流死角。

圖2 行列式格局下的平地近地面速度分布圖

圖3 行列式格局下迎風(fēng)坡近地面速度分布圖

圖4 行列式格局下的平地豎直剖面速度分布圖

圖5 行列式格局下的迎風(fēng)坡豎直剖面速度分布圖

從平地建筑物溫度分布情況來看（圖6），在平地情況下建筑區(qū)兩側(cè)受繞流影響高溫得到緩解，整個建筑區(qū)內(nèi)部溫度呈中間高、兩端低的態(tài)勢，兩側(cè)大部分溫度在29.8℃左右，中間高溫區(qū)可達(dá)到31.5℃。同時，后排建筑比前排建筑顯示出更高的溫度。從迎風(fēng)坡建筑物溫度分布來看（圖7），相較平坦區(qū)域高溫區(qū)有所緩解、平均氣溫稍低，但臺地迎風(fēng)面與建筑體背風(fēng)面之間顯示出較高的溫度。

圖6 行列式格局下的平地近地面溫度分布圖

圖7 行列式格局下的迎風(fēng)坡近地面溫度分布圖

從背風(fēng)坡模擬的結(jié)果，從中可以看出受山體阻隔背風(fēng)坡風(fēng)速明顯放緩，同時受背風(fēng)坡繞流、臺地綜合影響，建筑區(qū)兩側(cè)和通風(fēng)廊道形成滯留區(qū)。溫度分布顯示，相較平坦區(qū)域、迎風(fēng)坡氣溫上升較為明顯，通風(fēng)廊道和建筑區(qū)兩側(cè)顯示出較高的溫度。

1.2 點群式格局

近地面風(fēng)速模擬結(jié)果（如圖8），在不考慮山地地形影響的情況下，建筑區(qū)點群式布局時建筑迎風(fēng)面小、建筑間距大，氣流經(jīng)過建筑區(qū)的情況與單體建筑差別不大，建筑區(qū)通風(fēng)效果好，同時建筑風(fēng)影區(qū)較小。建筑布局在迎風(fēng)坡時（如圖9），從中可以看出靠近坡底處受山體阻擋氣流有所放緩，但隨著高度的增大氣流爬升產(chǎn)生加速，整個建筑區(qū)內(nèi)的流速普遍比平地大。

圖8 點群式格局下的平地近地面速度分布圖

圖9 點群式格局下的迎風(fēng)坡近地面速度分布圖

圖10 點群式格局下的平地豎直剖面速度分布圖

圖11 點群式格局下的迎風(fēng)坡豎直剖面速度分布圖

圖12 點群式格局下的平地近地面溫度分布圖

圖13 點群式格局下的迎風(fēng)坡近地面溫度分布圖

近地面風(fēng)速模擬結(jié)果（如圖12）溫度分布圖顯示，點群式格局對建筑區(qū)及下游區(qū)域的高溫有明顯的改善作用。而在當(dāng)建筑布局在迎風(fēng)坡時（如圖13），山地地形下點群式格局對建筑區(qū)及下游區(qū)域的高溫仍有明顯的改善作用。

從中可以看出受山體阻隔背風(fēng)坡風(fēng)速明顯放緩，形成多個渦流區(qū)，受兩側(cè)繞流影響建筑區(qū)內(nèi)部通風(fēng)得到一定緩解。溫度分布情況顯示，相對平坦地區(qū)、迎風(fēng)坡而言，背風(fēng)坡建筑區(qū)整體氣溫升高，出現(xiàn)兩個明顯的高溫區(qū)。

1.3 綜合分析

通過不同建筑格局對山地城市微環(huán)境影像模型分析，得出如下結(jié)論：

（1）城市氣流遇到建筑物受阻而壅塞形成向上下、左右各個方向的偏轉(zhuǎn)氣流，頂面、兩側(cè)風(fēng)速加大，并誘導(dǎo)背風(fēng)面氣流形成漩渦。

（2）城市山地對氣流同樣有阻礙作用，氣流受到擠壓后產(chǎn)生加速，山頂及兩側(cè)空氣層風(fēng)速增加顯著，而在背風(fēng)坡形成回流死區(qū)。

（3）周邊式格局的風(fēng)影區(qū)較大，氣流受建筑物阻礙向中部廊道和建筑區(qū)兩側(cè)繞流，局部風(fēng)速提高；而建筑區(qū)內(nèi)部風(fēng)速變緩、產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致氣流滯留，對通風(fēng)不利，溫度顯示建筑區(qū)內(nèi)部溫度較高。

（4）行列式、錯列式格局比周邊式格局稍好，氣流從兩側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入建筑區(qū)從而對內(nèi)部通風(fēng)有一定改善，這種情況錯列式的效果更為顯著。

（5）點群式格局比行列式、周邊式、錯列式格局的通風(fēng)條件好。點群式格局建筑相互擋風(fēng)較小、風(fēng)影區(qū)也較小，同時解決了其它格局無法克服的地勢局限問題，可根據(jù)地形、地勢和朝向等條件靈活布置，是一種山地城市適宜運(yùn)用和推廣的建筑布局形式。

（6）山地城市臺地布置會改變氣流方向，在一定區(qū)域內(nèi)改善氣流滯留情況，但同時會形成新的回流死區(qū)。地形對行列式、錯列式、點群式格局的建筑區(qū)有降溫作用，而周邊式格局的熱島效應(yīng)反而更為顯著。

2 結(jié)論與討論

本文主要圍繞建筑格局與山地城市微環(huán)境的關(guān)系展開研究，城市建筑與山地城市環(huán)境息息相關(guān)，并通過各種方式對山地城市微環(huán)境產(chǎn)生影響。本文提出山地城市微環(huán)境模擬的數(shù)字化方法，在建筑格局對山地城市微環(huán)境的影響方面做了具體而深入的分析和總結(jié)。為了創(chuàng)造良好的山地城市微環(huán)境，結(jié)合本研究的主要結(jié)論，山地城市的建筑布局形式可以從下列幾個方面考慮：

（1）在建設(shè)項目與山地地形的適應(yīng)性方面，建設(shè)項目宜采用背山面水的居住模式，這樣的居住模式有利于形成舒適宜人的微環(huán)境。由分析和模擬可知，“背山”——能降低山背后的風(fēng)速，阻擋冬季寒冷的北風(fēng)，同時朝向南方又能享有充足的陽光；“面水”——由于水面和陸地吸熱及加溫速度不同而形成水陸風(fēng)，這樣就非常有利于建筑的通風(fēng)散熱，特別是炎熱夏季的晚上，常有從水面吹到陸地上來的涼爽的水陸風(fēng)。

（2）在建設(shè)項目內(nèi)部的具體建筑布局方面，建筑的迎風(fēng)面宜垂直于夏季的盛行風(fēng)，前排建筑宜采用點群式、前后錯列、斜列、前短后長、前疏后密、底層架空等形式布局低矮和體量小的建筑，從而有利于夏季自然通風(fēng)。

（3）在建設(shè)項目的設(shè)計和審批方面，可以充分利用相關(guān)微環(huán)境模擬軟件或本研究成果對建設(shè)項目的建筑布局、高度、體量等進(jìn)行模擬和評估，并針對評估結(jié)果不斷修改和完善，以達(dá)到充分利用山地地形和自然通風(fēng)目的，使建筑布局更加科學(xué)合理。

[1]張一平，何云玲，劉玉洪，等.城市區(qū)域下墊面性質(zhì)和位置差異對太陽輻射平衡的影響[J].熱帶氣象學(xué)報，2004（2）：97-101.

[2]湯廣發(fā)，趙福云，周安偉.城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003（4）：86-90.

[3]張寧，蔣維楣.城市街渠內(nèi)氣流的數(shù)值模擬與分析[J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000（11）：760-771.

[4]歐陽琰，蔣維楣，胡非，等.城市小區(qū)環(huán)境流場及污染物擴(kuò)散的風(fēng)洞實驗研究 [J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003（11）：770-779.

[5]馬劍.群體建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值研究[M].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6]汪光燾，王曉云，苗世光，等.城市規(guī)劃大氣環(huán)境影響多尺度評估技術(shù)體系的研究與應(yīng)用[J].地球科學(xué)，2005（35）：145-

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Impactof CFDBased Architectural Pattern in Mountainous City on Wind Speed and Temperature Micro-environment

Wind speed and temperature micro-environmentof architecturalpatterns like determinanttype,staggered type,peripheral type and cluster type in Chongqing is simulated with CFD numericalsimulation technology,so thatthe impact of differentarchitectural patterns on the micro-environmentin mountainous cities can be analyzed.Itcan offer some references for architecturaldesign in mountain cities.

CFD;architecturalpatterns;mountainous city;micro-environment;naturalventilation;urban thermalenvironment

TP311.52

：A

：1671-9107（2014）03-0024-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.03.024

2013-12-19

陳國慧（1979-），女，四川西昌人，碩士，工程師，主要從事建筑設(shè)計與建筑管理研究。

鄧仕虎（1981-），男，四川德陽人，碩士研究生，高級工程師，主要從事3S與城鄉(xiāng)規(guī)劃應(yīng)用研究。