武漢城市住宅小區風環境的數值模擬及分析

摘 要：隨著中國城市化的快速發展，住宅小區的風環境越發得到人們的重視。對于夏熱冬冷的武漢市，城市住宅小區的冬季防風以及夏季自然通風顯得尤其重要。通過Airpak3.0軟件建立武漢未建小區模型，采用 湍流物理模型求解住宅小區內風速及風壓的方法來研究建筑布局與風場的關系。研究表明，計算機數值模擬能準確模擬小區風流場，建筑布局和風向角對小區風環境影響較大。采用數值模擬方法，結合城市風玫瑰圖進行合理建筑規劃布局可為武漢住宅小區建筑布局的規劃建設提供指導和優化。

關鍵詞：住宅小區；風環境；計算機模擬；建筑布局

中圖分類號：TU17 文獻標識碼： A

1 引言

城市住宅小區作為城市不斷擴大、人口日趨密集的現代人居環境形式，其相關環境狀況的優劣被越來越多的人所認識與關注。住宅小區已不僅滿足其居住功能，同時還應強調居住者的健康舒適性以及環境質量的優越性。在住宅區的各種環境中，和人們生活最為緊密的就是住宅小區的風環境和熱環境，良好的室外風環境對節約能源和創造健康舒適室內外生活具有重要意義：利用自然通風解決夏季或過渡季的熱舒適性問題，取代或部分取代空調；適宜的冬季防風設計，防止冬季冷風帶走住宅周圍結構的熱量以降低建筑能耗，實現住宅節能；良好的風環境設計不僅改善居住的舒適度，還可以提高居住環境的空氣品質；通過創造適宜的小區風環境便于為人們提供舒適的室外活動和行走空間。因此，為了營造健康舒適的居住區微氣候環境，住宅小區的風環境研究顯得尤其重要。

日本學者Azli Abd Razak研究了建筑布局迎風面面積比例對行人風環境舒適度影響，研究推導出行人風速和建筑正面面積之比的函數。住宅小區風環境的研究工作在國內也有不少。重慶大學Yafeng Gao通過計算機模擬研究了建筑布局對城市風環境影響，研究指出不同風速風向和不同的建筑布局形式是影響行人的舒適度的兩個重要因素。天津大學杜曉輝等對天津高層住宅小區風環境進行了模擬和分析，結合建筑規劃設計提出了改進高層住宅群不利風環境的相應措施。武漢作為中國中部城市，是典型的夏熱冬冷城市，因而對武漢地區住宅小區的研究很有必要。利用夏季的自然通風以減少室內空調的使用和室外熱環境對行人的不舒適感；同時武漢市冬季寒冷，通過合理的建筑群布局有利于冬季的防風以減少小區熱量的散失達到綠色節能。

2 武漢風環境

武漢市地處中低緯度，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，光照充足，熱富水豐，雨熱同季，冬冷夏熱，無霜期長。武漢市年平均氣溫為16.2～16·7℃，冬季多東北風，夏季盛行東南風，在廣闊湖面沿岸有“海陸”風，在黃陂北部山區有山谷風。據武漢氣象資料顯示，年平均風速為2.5～2.9米/秒，一年中有30%的日數，平均風速可達3米/秒以上，多年平均最大風速為14～19米/秒。武漢多年分月主要風向及頻率情況見下表1所示。

3 模型的建立

本案例研究為絲寶房地房開發（武漢）有限公司開發的聽濤觀海三期未建小區。建筑面積為228455m2，建筑密度為18%，容積率1.3。其詳細規劃平面圖如下圖3所示。規劃小區位于武漢市黃陂區，距城區12公里左右。本建筑群為低層，多層，高層混合普通住宅小區。低層別墅區3層高共計22幢，位于小區北部；多層住宿區6層高共計19幢，位于小區中部；沿路為25-27層的高層區，共計14幢，所有建筑基本均朝南坐北布置。根據規劃小區內每棟建筑的長、寬、高實際尺寸并簡化對風環境影響很小的拐角、凸起等建立起聽濤觀海小區的三維模型如下圖4所示。

4 數值模擬和分析

4.1 模擬計算指標

根據近年來武漢市的風資料可以得出全年日平均風速為2.8m/s左右，在模擬中取夏季風速為2.8m/s，來流方向為東南方向；冬季為3.0m/s；來流方向為東北方向。計算模型參考高度為10m，研究離地面1.5m行人高度小區建筑群周圍在不同方向下的平均速度場與風壓場分布。根據綠色奧運建筑評估體系對小區風環境提出的明確要求對小區風環境模擬進行分析和評價，即：

（1）在建筑物周圍行人區1.5m處風速小于5m/s；

（2）冬季保證建筑物前后壓差不大于5Pa；

（3）夏季保證75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右壓差，避免局部出現漩渦和死角，從而保證室內有效的自然通風。

4.2 計算邊界條件

由于建筑和小區周圍的空氣流動屬于大氣邊界層的低速不可壓湍流流場，所以風場的基本控制方程為流體的連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。同時作為穩態流場，還需引入湍流模型。選取RNG 模型作為計算模型，這種模型在低速湍流計算中較為常用，計算速度和精度較高，而且對近壁地區和邊界地區等湍流發展不完全區域的計算精度也能令人滿意。

入口邊界采用大氣邊界層，設置好大氣邊界層的大小，迎風方向，風速，以及當地區域類型，也可根據實際情況選擇離地Z和地面粗糙指數α的數值。本研究案例中選用的地面粗糙類別為C類：即地面粗糙指數為0.22，邊界層厚度Z的值為400m。建筑物附近的風速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下的風速梯度也不一樣，根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2001，地面粗糙度可分為A、B、C、D 四類，其相應值見下表2所示。模擬中將側面出口邊界設置為環境壓力出口邊界；將地面和頂面均設為固定不動無滑移的壁面條件。

4.3 冬夏兩季風環境模擬

武漢住宅小區夏季主導方向為SE， 數值模擬時，取室外平均風速2.8m/s。下圖5～6為距地面1.5m處的夏季風速和風壓分布圖。住宅小區冬季主導方向為NE， 數值模擬時，取室外平均風速3.0m/s。下圖7～8為距地面1.5m處的冬季風速和風壓分布圖。

4.4 小區風環境模擬分析

通過對武漢住宅小區夏季與冬季室外風環境的模擬結果分析，我們可以得到以下幾點結論：

（1）通過對小區內低層，多層，及高層建筑在1.5m處的風速、壓強的比較與分析，可以得出場內的最高風速比來流風速高40%左右，且最高風速主要出現在來流方向的狹窄通道上和建筑群的迎風端口處，如圖5～8中的紅色區域。

（2）從模擬結果可以看出，小區內絕大部分行人的風速為0.2m/s～0.8m/s，風速均小于5m/s。但在小區建筑群迎風面拐角處，局部風速加大，在風速較大的天數里，有可能出現風速過大，建議在此位置處種植行道樹等景觀綠化植物形成擋風構筑物，降低小區行人高度處的風速，避免風速過大造成行人安全問題和不適感。

（3）建筑周圍空間環境中最大風速比（當地風速/來流風速）均小于2，因此，不會出現導致行人行走困難的突發性高風速情況。

（4）從模擬結果可以看出，大部分小區建筑前后壓差不超過5Pa，滿足《綠色建筑評價標準》中的規定。

（5）通過夏季小區建筑群風壓模擬圖（圖6）中可以清晰的看出：絕大部分板式建筑前后壓差保持在1.5Pa左右，有利于夏季建筑室內的自然通風。小區建筑群的北部，低層建筑密度過高加上來流方向建筑群的遮擋會影響夏季的自然通風，可通過降低建筑密度或布置水體綠化來改善通風狀況。

5 結論

本文參考氣象資料對夏熱冬冷城市武漢某住宅小區風環境進行了研究，分別考慮夏季和冬季的年平均風的作用下，該住宅小區風環境情況。對武漢住宅小區風環境的研究，我們得到如下結論：

（1）城市住宅小區的風環境與城市氣象參數和建筑布局有關。從模擬結果可以看出，風速的大小和來流方向對小區風環境影響較大；建筑間距是風流動的通道，可通過調整建筑間距來促進冬季的防風和夏季的通風設計。

（2）城市住宅小區建筑群的規劃設計在方案實施之前，應根據當地的風玫瑰圖做適當的調整。對于夏熱冬冷中部城市武漢而言，冬季主導風向是東北風，但是在通風要求較高的夏季，風向卻是東南風，在小區規劃階段，可以通過CFD 數值模擬該小區風環境，并做出相應調整；

（3）在建筑設計工程中，以數值方法預測建筑群的風環境是一種簡便、快捷、有效的方法，可為規劃階段的方案優化提供科學的依據，有效地避免在建筑建成之后可能出現的建筑物理環境問題，為創造綠色節能舒適的小區建筑風環境提供直觀的數據參考。

參考文獻：

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（本文審稿 符永正）