基于數值模擬的城市建筑室外風環境研究★

王 頌 李金寶 蔣新波 熊倪倪 朱 銳

(南華大學建筑學院，湖南 衡陽 421001)

1 研究背景

隨著我國城鎮化進程加快，我國的各項產業都得到了迅速的發展，城市居民對生活環境的舒適度要求也逐漸提高，特別是對城市建筑也不僅僅滿足于其基本的需求，城市居民對良好人居環境的愿望更加迫切，但是在城市化的發展過程中也隨之產生了一系列環境問題[1]。其中以城市建筑風環境問題尤為顯著，這些問題已經嚴重的影響到了城市居民的生活質量和城市發展。城市建筑作為城市中的一個空間子集，是城市居民工作生活以及對城市空間環境感受最直觀的場所，適宜的室外風環境對城市良好生活空間構建具有重要作用。近些年來，為更好治理城市風環境問題，一些國家和地區都發布了與風環境相關的規劃條例或規劃準則。德國在城市風環境治理這一方面走在了前列，自20世紀90年代開始，德國研究人員通過對斯圖加特城區風環境研究制定了《山坡地帶規劃框架指引》，日本是亞洲區域最早開始城市風環境研究的國家，2004年，日本政府環境省頒布了《熱島效應的措施憲章》，建立了建筑環境綜合評價體系(CASBEE)，對城市通風和建筑通風提出了相應評價標準。2016年，中國香港地區《規劃標準與準則》也對城市空氣流通設計內容做出了相應的要求。2014年，中國住建部門研究發布關于建筑節能和綠色建筑發展的專項文件《建筑節能與綠色建筑發展規劃》及GB/T 50378—2014綠色建筑評價標準。對城市室外建筑室外風環境中風速和表面風壓等方面都作出相應要求。這些標準和條例的頒布，都標志著城市建筑室外風環境研究在城市規劃和設計中發揮著越來越重要的作用。

2 室外風環境的概念

風是一種天氣現象，是指大規模空氣質點的水平運動，各個空氣層面的氣壓不同，由于壓強影響而產生了空氣流動，從而形成了風[2]。當風由開闊處經過城市某一處時，風受到城市建筑物的阻擋，由于建筑物的圍護結構以及建筑物布局方式的不同等各種因素，造成空氣流動方向發生改變和空氣溫度的分布不均勻導致的氣壓梯度發生變化，使局部區域產生一種與其環境、地形相適應的空氣流動方式，造成局部氣候的改變，表現為該區域的風向于風俗特征這種氣候下風的變化，它是城市氣候環境中重要的構成之一。

3 國內外相關研究進展及主要研究方法

自2001年以來，對于城市室外風環境的研究廣泛受到國內外學者的關注，關于室外風環境的論文也呈現出上升趨勢，對于城市室外風環境的研究理論和方法也趨于豐富和完善，目前研究人員對室外風環境的研究方法主要為實地測試和模擬實驗兩種。

3.1 實地測量法

實地測量法是實驗者研究區域內設置相應的測量設備，通過設備觀測出該研究區域的風環境特征，實地測量法的結果相對于模擬實驗法是最為準確可靠的，但同時由于實地條件限制，對一些長期觀測數據的獲取比較困難，只能描述實時性風環境情況，因此一般將實地測量實驗實時結果作為其他實驗的驗證和參考。

3.2 模擬實驗法

模擬實驗主要分為物理實驗和計算機數值模擬兩種，物理實驗是在實驗室中用等比例縮放的模型模擬實際風環境特征的實驗方法，主要分為風洞試驗和水洞實驗兩種類型，物理實驗法可以更直觀的觀測實驗數據，得到的實驗數據成果較為準確，但是其對實驗室的要求較高，且制造模型花費較大，在實際案例中應用較少。

計算機數值模擬實驗是基于對建筑物周圍風流動遵循的動力學方程式進行數值求解，從而仿真模擬實際風環境，稱為計算流體力學，簡稱CFD(Computational and Fluid Dynamics)，是現代模擬仿真技術的一種。相對于傳統的物理實驗，其具有方便、高效、成本低、不受模型尺度影響等優點，其分析結果也更為直觀，清晰。近年來，國內外學者應用計算機數值模擬方法對建筑風環境的研究開展的比較多，且取得了一系列研究成果。

4 計算機數值模擬相關軟件

隨著計算機硬件水平的飛速發展和CFD技術的不斷完善，計算機數值模擬已經成為國內外學者研究建筑室外風環境的強有力工具。CFD軟件因為其準確性和有效性，在建筑室外風環境研究中獲得了較為廣泛的應用。計算機模擬風環境分析軟件多種多樣，建模和計算分析方法都各不相同，但是它們都有一個相同的流程，即建模、設置、計算分析、模擬結果輸出四個必要的功能，目前國內外學者對于研究城市建筑室外風環境研究應用較多的主要為Fluent系列、Phoenics以及建筑通風軟件VENT系列軟件。

4.1 Fluent系列軟件

Fluent系列軟件在建筑室外風環境研究中有著很廣泛的應用，它包含豐富的物理模型，能夠精確地模擬無黏流、層流、湍流等一系列流體運動。它對于建筑室內外風速計算的準確度較高，且計算速度很快，是一種比較易用、模塊化的建筑通風軟件。

4.2 Phoenics軟件

Phoenics軟件是世界上第一款計算流體與計算傳熱學的商用軟件，開放性是Phoenics最大的特點。Phoenics最大限度地向用戶開放了程序，用戶可以根據需要添加程序和用戶模型。與其他CFD軟件相比它計算能力強、模型建立相對簡單，對計算機內存、運算速度等指標要求相對較低，便于模擬前期的參數初值估算。但其后處理設計尚不完善，軟件的功能總量少于其他軟件。

4.3 VENT軟件

建筑通風軟件VENT是由綠建斯維爾公司開發研制的。VENT是一款專門為綠色建筑設計及技術應用開發的軟件，它以Auto為構筑平臺，具有建模、網格劃分、流場分析和結果瀏覽等功能，軟件方便易用、界面一目了然，便于初學人員快速上手。針對建筑室內外風環境的特點，VENT對CFD很多邊界條件參數進行了固化，操作簡單，降低了使用門檻，設計師都可以輕松操作，為其設計方案服務。該軟件方便建筑師與工程師對建筑室內外風環境進行分析與設計，大大的提高了建筑師與工程師的工作效率。

5 國內外學者進行的相關研究

在城市建筑室外風環境方面，國內外學者在計算機數值模擬技術方面進行了長期的探索和研究。最先使用計算機數值模擬技術來對室外風環境進行分析的是美國麻省理工大學，通過系統的計算機模擬分析，模擬出了室外風環境相關數據，該研究成果為建筑室外環境數值模擬技術奠定了基礎，推動了室外風環境數值模擬的研究進展，在此之后CFD技術逐漸趨于成熟和完善，并被逐漸運用到了實際項目當中。Yim SHL通過CFD-FLUENT模型，研究了城市建筑中街道污染物的擴散問題，并量化了在兩個通風風向(0°和25°)的風速污染物擴散對環境的影響[3]。Hugh Bartond模擬研究了城區建筑中各自的布局方式對風流動的影響，根據其布局特點來調整城區規劃方案，以期達到建筑的自然通風，改善城市住區風環境的目的。這些研究成果都為計算機數值模擬的方法和運用積累了大量的準確數據和經驗。

在國外學者研究的基礎上，國內學者對于計算機數值模擬技術的研究方法也進行了廣泛的探索，我國在20世紀90年代開始就已經開始了CFD技術方面的研究，取得一定進展。

胡曉峰通過CFD技術研究城市建筑室外風環境特征，并根據模擬實例，總結了評價室外風環境的方法[4]。李瓊通過CFD數據模擬，探討了建筑密度、建筑高度等與建筑室外風環境相互關聯性[5]。劉少鋒等對某已設計建筑群風環境分別進行了模擬分析，并提出優化建議[6]。這些相關研究為國內同類型建筑工程提供量化依據，也為室外風環境模擬評價提供相關實踐經驗。但是相對來說，與國外進行的室外風環境計算機數值模擬研究相比還存在一些局限性，對室外風環境系統的探討還不夠深入，這也從側面反映出目前國內對于室外風環境的相關研究還有待加強。

6 結語

室外風環境作為城市健康環境中的一個重要評價指標，作為建筑物理環境中的重要一環，在城市中營造一個良好室外的風環境對改善人居環境、節約建筑能源消耗具有重要促進作用。在城市建設過程當中，通過計算機模擬技術即時模擬出區域相應風場變化，依據風環境對建筑形態進行優化設計。為建筑師和工程師設計和施工提供參考方法，可以極大地提高建筑工程的施工效率，對營造良好人居環境具有重要意義，隨著計算機模擬技術的發展，實現計算機風環境模擬技術與良好風環境的營造的兩者聯動會有較高的可行性，兩者的結合研究將有更為廣闊的前景。