某城市綜合體行人高度風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)研究

趙敬義 盧啟財(cái) 周晉芳

（1.濟(jì)南歷下控股集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

0 引言

在城市土地資源日益緊缺的情況下，城市的發(fā)展逐步向節(jié)約化、復(fù)合化方向發(fā)展，形成了酒店（hotel）、寫 字 樓 （office）、 生態(tài) 公 園 （parking）、 會(huì) 議 會(huì) 展（convention）、高尚公寓（apartment）等多種都市功能集合在一起的城市綜合體（HOPSCA）。成為城市功能的混合使用中心，延展了城市的空間價(jià)值。同時(shí)，隨著城市建筑的不斷增多，建筑物造成氣流下沖、縮流、旋渦、穿堂風(fēng)等現(xiàn)象，使得建筑周圍附近的局部風(fēng)速增大，影響行人的舒適性甚至安全性。

評價(jià)風(fēng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的主要感受對象是人，如何評價(jià)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣,國內(nèi)外建筑規(guī)范對城市環(huán)境的舒適風(fēng)速和危險(xiǎn)風(fēng)速都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外研究人員為此作了大量的現(xiàn)場測試、調(diào)查統(tǒng)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)，已有一些文獻(xiàn)建立了評估風(fēng)對人體作用力以及行人舒適和安全的準(zhǔn)則[1-8]。風(fēng)繞建筑物的流動(dòng)非常復(fù)雜，包含了湍流、分離流、三維流動(dòng)等，空氣動(dòng)力學(xué)在理論上還難以完全解釋，目前主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)[5-6]或數(shù)值模擬[3-8]完成相關(guān)的研究工作。

本文以濟(jì)南歷下總部商務(wù)中心為研究對象，詳細(xì)研究大型城市綜合體行人風(fēng)環(huán)境問題，研究結(jié)果為建設(shè)大型綠色城市綜合體提供條件保障。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)在湖南大學(xué)建筑與環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞為直流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸為 3.0m（寬）×2.5m（高），風(fēng)速范圍為 0～20.0m/s。 流場性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5度。

在試驗(yàn)之前，首先以二元尖塔、擋板及粗糙元以及擋板分別模擬臺(tái)風(fēng)風(fēng)場和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]規(guī)定的C類地貌風(fēng)場。C類風(fēng)場的平均風(fēng)速剖面及湍流度剖面分別如圖1。

圖1 C類流場條件

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯肁BS板制成的剛體模型，模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似，縮尺比為1:300。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)風(fēng)向測量一組數(shù)據(jù)。風(fēng)向角間隔為 15°，以西面的來流定義為0°風(fēng)向，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，總共有 24個(gè)風(fēng)向，如圖 2所示。

為了詳細(xì)測量建筑物局部區(qū)域風(fēng)速的大小，評估行人高度風(fēng)環(huán)境的舒適性和安全性，在城市綜合體整個(gè)區(qū)域共布置了16個(gè)測點(diǎn)，具體布置如圖2所示。用以測試在24個(gè)不同風(fēng)向下足尺高度2米處的平均風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速。從而獲得測點(diǎn)的平均風(fēng)速比、陣風(fēng)風(fēng)速比以及陣風(fēng)等效風(fēng)速比，計(jì)算時(shí)參考點(diǎn)定為10米高度。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，行人高度風(fēng)的測量采用行人高度風(fēng)測量艾文探頭，這種探頭對流場干擾很小，沒有方向性，可測量各個(gè)方向的風(fēng)速。行人高度實(shí)際取為2m，對應(yīng)模型為 0.67cm。

圖2 行人高度風(fēng)環(huán)境測點(diǎn)布置圖

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 數(shù)據(jù)分析

對于離地2米高度處，平均時(shí)間為10分鐘至1小時(shí)的平均風(fēng)速V，行人的舒適感與平均風(fēng)速之間較為具體的關(guān)系見表1。

表1 行人舒適度與平均風(fēng)速關(guān)系表

風(fēng)速比Ri=Vi/V0反映了由于建筑物的存在而引起風(fēng)速變化的程度，通過風(fēng)速比可以判斷建筑物周圍的局部強(qiáng)風(fēng)區(qū)。此指標(biāo)表示強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速增長的倍數(shù)。是風(fēng)環(huán)境評價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)。

風(fēng)速比Ri定義為：

其中Vi是流場中第i點(diǎn)行人高度處 （近似人體高度H=2m）的平均風(fēng)速，V0是行人高度處未受干擾來流的平均風(fēng)速。對應(yīng)某一方向，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)建筑物周圍的流場相對固定，也就是說，風(fēng)速比Ri一般不隨來流風(fēng)速而變。

3 結(jié)果分析

3.1 全風(fēng)向風(fēng)速比分布

根據(jù)上文公式（1），對 16個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)進(jìn)行分析，得到了全風(fēng)向下各個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)的風(fēng)玫瑰圖，如表2、圖3所示。從表2與圖3上可以看出，隨著來流風(fēng)向的變化，測點(diǎn)的風(fēng)速比出現(xiàn)明顯的變化；當(dāng)來流受到建筑的阻擋時(shí)風(fēng)速降低，當(dāng)形成峽谷風(fēng)時(shí)風(fēng)速明顯增大；測點(diǎn)風(fēng)速比介于0.34～1.57之間，其中有8個(gè)測點(diǎn)區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的風(fēng)速放大效應(yīng)，這在區(qū)域行人風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意，可通過設(shè)置景觀樹等措施加以緩解。

3.2 全風(fēng)向最大風(fēng)速比及舒適性評估

將24個(gè)風(fēng)向下的風(fēng)速比進(jìn)行求最大值，獲得全風(fēng)向下測點(diǎn)最大風(fēng)速比，如表2所示。為了更為直觀的體現(xiàn)不同區(qū)域的風(fēng)環(huán)境的舒適性結(jié)果，將綜合體當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件（月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速）引入，如表 3。從表3可以看出，對于本綜合體區(qū)域，風(fēng)速比最大值為1.57，月最大平均風(fēng)速為5.1m/s，滿足城市區(qū)域行人舒適性標(biāo)準(zhǔn)中的舒適標(biāo)準(zhǔn)。表明該城市綜合體有良好的行人高度風(fēng)環(huán)境舒適度。

表3 各測點(diǎn)全風(fēng)向最大值

4 結(jié)論

本文基于濟(jì)南歷下總部商務(wù)中心行人高度風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對于城市綜合體，建筑密集，出現(xiàn)了明顯的干擾效應(yīng)。當(dāng)來流受到前方建筑阻擋時(shí)風(fēng)速明顯降低；同時(shí)也由于峽谷風(fēng)效應(yīng)，出現(xiàn)明顯的風(fēng)速加速現(xiàn)象。

（2）針對本項(xiàng)目周邊建筑具體情況，測點(diǎn)的風(fēng)速比隨著來流風(fēng)向變化明顯，最大的風(fēng)速比達(dá)到了1.57。

（3）根據(jù)城市綜合體當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，月平均最大風(fēng)速及年平均最大風(fēng)速均為超過5m/s，達(dá)到行人高度風(fēng)環(huán)境舒適的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 測點(diǎn)風(fēng)速比

圖3 測點(diǎn)風(fēng)速比風(fēng)玫瑰圖