基于住宅底層架空的合肥地區點式布局高層住區風環境模擬分析

柯瑞 ，王禮飛 ，李文才 （安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

隨著我國城鎮化的發展，城市人口日趨密集，住區規模不斷擴大，城鎮住宅用地供應日益緊張。而住區是城市居民居住和生活的主要場所，隨著住區建筑高度增加、密度增大，復雜的建筑群體帶來的風環境問題逐漸受到人們的關注[1-2]。我國南方大部分位于夏熱冬冷氣候區，夏季悶熱潮濕，冬季寒冷干燥，出于對這種特殊的地理氣候的考慮，高層住區無論在建筑的群體規劃設計還是單體設計時非常重視夏季自然通風與冬季防風避風，以求住區獲得舒適的熱濕環境[3-4]。高層住區考慮建筑之間的日照條件和建筑布局的活躍性，點式是高層住區布局的主要形式之一，在高層住區布局中得到了廣泛應用。本文以合肥地區為例，通過PHOENICS軟件，針對夏季和冬季主導風向下的點式布局高層住區分別進行數值模擬，分析比較了不同底層架空形式對點式布局高層住區風環境。

圖1 項目總平面圖

1 研究對象

本文選擇的實例位于安徽省合肥市蜀山區，總用地面積為118543.00㎡，總建筑面積為338064.39㎡，其中地上建筑面積293712.00㎡，場地內采用點式布局方式規劃25棟高層住宅，12棟多層配套公建，1棟幼兒園，6棟變電所。項目總平面圖如圖1所示。

2 數值模擬

計算流體力學(CFD)以其方便操作、結果準確、成本低廉等優點，得到了廣泛的應用。在建筑設計領域，可利用CFD方法對室內外自然通風進行模擬和定量分析，并根據分析結果對室內外風環境進行布局優化。CFD模擬軟件眾多且各有適用范圍及特點，其中PHOENICS是廣泛運用在流動和傳熱等模擬計算中的商業軟件，并且通過大量的試驗驗證了該軟件仿真具有正確性和結果準確率高的優勢[5-6]。因此，本文利用PHOENICS軟件推出的FLAIR模塊用于CFD模擬。

2.1 物理模型

本文選擇研究的點式布局高層住區，25棟住宅樓按照南北中軸對稱布置，東西沿街兩排及中軸線上的住宅樓為18層，其余住宅樓為24層，住區效果圖，如圖2所示。為了使物理模型不過度復雜，加快計算收斂速度，需對住區模型進行簡化處理。建立住區物理模型時盡量保留建筑體型上的凹凸變化，不考慮住區內多層公建、地面變電所、商住樓裙房、綠化植被、景觀構筑物等因素對住區風環境的影響，而只對住宅底層架空與住區風環境的關系做模擬分析，以得到有針對性的結論。

根據該項目總平面圖的布置情況，在SketchUp軟件中將該項目高層住宅建筑按1∶1的比例建立室外通風幾何模型，如圖3所示。

圖2 住區效果圖

圖3 室外風環境分析幾何模型

本文在部分單體建筑底層設置完全架空區，架空面積均為該層建筑面積的100%，對無架空、S形架空、Y形架空、I形架空4種情況展開模擬分析，架空形式如圖4所示。

圖4 不同架空形式

2.2 模擬參數

合肥市位于夏熱冬冷氣候區，常年盛行風為東北到南向風，其年平均風速為2.35m/s，冬季盛行東北向風，夏季盛行南向風，具體參數詳見下表。

2.3 數學模型

考慮到高層住區內部氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，流動為單項低速湍流運動，符合Boussinesq假設，本文采用在工程上最常用的k-ε模型進行模擬，該模型具有模擬計算耗時少、數值計算波動小且精度高等優點[7]。

來流邊界條件：住區來流方向風速均勻分布，不同高度平面上的來流風速大小沿建筑高度方向遞減。模擬計算時來流風速按大氣邊界層理論采用來流面梯度風[8]。

出流邊界條件：文本假定出出流面上空氣流動已發展考慮，即空氣的流動已經恢復到無建筑阻礙時的狀態，邊界條件按自由出口設定。

上空面及兩側面的邊界條件：文本模擬所選的計算區域較大，故上空和兩側的空氣流動幾乎不受建筑物的影響，因此可以設為自由滑移壁面。

建筑壁面及下墊層的邊界條件：建筑壁面及下墊面按靜止壁面設定，壁面采用無滑移條件，沿壁面切向流體速度為零。

3 模擬結果分析

本文以合肥為例，模擬分析夏季和冬季主導風向下，不同架空形式對點式布局高層住區風環境的影響。高層住區風環境的優劣主要從室外人行區域風速及空氣齡兩個因素進行分析評價[9-10]。

3.1 夏季模擬結果分析

合肥市風環境條件

圖5 不同底層架空形式1.5m高度處速度云圖

如圖4所示為夏季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區室外1.5m高度處速度分布云圖。由圖4未架空工況可以看出該住區南側建筑對夏季自然通風遮擋明顯，并在建筑拐角處風速放大，形成“狹管效應”，使得住區各棟住宅背風面易形成無風區。由圖4中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，采用底層架空形式可使得建筑對自然風的遮擋效果減弱，建筑背風面1.5m高度處風速明顯提升，架空樓棟附近形成穿堂風，住區內部人行區域風場均勻性得到明顯改善。S形架空、Y形架空的樓棟較為均勻，使得整個住區內部風場均勻，I形架空，架空樓棟相對集中，易在住區北側出現局部風速過大的情況。

圖5所示為夏季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區室外1.5m高度處空氣齡云圖。由圖5中未架空工況可以看出該住區南側區域空氣齡較小，表明住區南側區域室外空氣較為新鮮，無風區較少，由南到北隨著各排建筑對自然風的阻礙作用，自然風在住區內流動不暢，建筑室外空氣齡逐漸加大，住區北側空氣新鮮程度明顯降低。由圖5中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，采用底層架空形式使得自然風在住區內部人行高度區域流動更為順暢，住區北部區域空氣齡過大的現象得到改善。

3.2 冬季模擬結果分析

如圖6所示為冬季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區室外1.5m高度處速度分布云圖。由圖6中未架空工況可以看出該住區東北側建筑對冬季自然風起到了遮擋作用，住區內大部分區域風速分布較均勻且風速適中，但住區南側建筑背風側有部分無風區，基本能避免冬季室外風速過大影響人體舒適度，并保持室外空氣流通，使空氣中污染物及時擴散。由圖6中S形架空、Y形架、I形架空采用底層架空形式的樓棟基本集中在住區內部及南側，住區東北側迎風面建筑均未采用底層架空，所以采用本文三種底層架空方式未引起冬季冷風擴散的現象，同時改善住區南側風場均勻性。需要指出的是，I形架空，架空樓棟相對集中，易在迎風面出現局部風速過大的區域，沿架空住宅應加強喬木的布置，以免風速過大不利于冬季的防風節能。

圖6 不同底層架空形式1.5m高度處空氣齡云圖

圖7 不同底層架空形式1.5m高度處速度云圖

圖8 不同底層架空形式1.5m高度處空氣齡云圖

如圖7所示為冬季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區室外1.5m高度處空氣齡分布云圖。由圖7中未架空工況可以看出該住區東北側區域室外空氣齡較小，表明東北側區域室外空氣較為新鮮，由東北到西南方向，建筑室外空氣齡逐漸增大，空氣的新鮮程度適中。由圖7中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，建筑室外空氣齡稍有減小，但變化不大，整體仍然呈現出由東北向西南呈現出逐漸增大的現象。

4 結論

本文通過對合肥地區某點式布局高層住區分別采用S形、Y形、I形三種不同形式的架空方式進行模擬分析，得出如下結論。

①在合肥地區夏季S風向下，對于南側第一排住宅底層宜架空，架空部分應南北通透，利于自然風流動。在合肥地區冬季NE風向下，避開場地東北角建筑進行底層架空，利于建筑的防風節能。

②S形、Y形、I形三種不同形式的底層架空相較于未架空處理，住區內部人行區域風場均勻性、空氣新鮮程度得到明顯改善，同時又兼顧了建筑冬季防風節能。

③I形架空處理易在自然風進入、離開住區處，出現局部風速過大的現象，建議沿架空住宅附近加強喬木的布置，以免風速過大不利于夏季的人行舒適性和冬季的防風節能。