多層居住建筑布局的風環境評價與CFD模擬

胡寧寧 王夢娜

（林州建筑職業技術學院，河南 安陽 455000）

良好的室外建筑環境不僅可以促進室內自然通風以減少能耗，并避免“二次風”傷害，還可以提供舒適的室內外環境。例如，冬季建筑物所在區域風速過大，會增大冷風滲透和采暖負荷，同時影響戶外人員的正常活動；風速過小，則不利于室內自然通風和空氣污染物的擴散。根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2014）[1]要求，在冬季氣候條件下，建筑周圍人行區風速不要超過5 m/s，且室外風速放大系數不應超過2，建筑迎風面和背風面的風壓差異不應大于5 Pa。在過渡季和夏季，場地活動區不應出現渦旋或無風區，且室內外表面的風壓差應大于0.5 Pa。盡管氣象條件無法改變，但良好的建筑布局形式可以減少外界環境對建筑節能的負面影響。本研究以某高校待建多層民用建筑為對象，并對其建筑周圍風環境進行綜合分析評價。

1 建筑風環境的分析方法

建筑風環境評價主要有3種方法：建筑設計者根據從業經驗粗略估算法、風洞試驗法和計算流體力學仿真模擬法（CFD）。CFD仿真模擬法不需要實體模型，只需要通過模型計算模擬結果。因此，CFD仿真模擬計算周期短、計算成本低、計算快捷簡便，不受模擬環境的影響，可以進行多種方案的模擬對比，是目前主流的建筑風環境評估方法。

2 基于CFD軟件的風環境模擬分析

2.1 模型簡化

物理模型的建立是模擬試驗的基礎，為了減少計算的節點以及加快收斂速度，在不影響模擬結果的情況下，對計算模型進行的合理簡化必不可少。本文利用AutoCAD和Google Sketchup建立了項目區域的物理簡化模型。

2.2 計算區域的確定

風環境模擬受計算區域大小的影響較大。計算區域過小，流場結果會失真；計算區域過大，會增加網格劃分數量，增加計算量和計算成本[2]。

流體模擬計算的關鍵在于網格劃分和計算區域的確定。網格的劃分質量優良與否直接影響模擬結果的準確性和可靠性，合理的網格劃分能極大提高計算速度，增加計算模擬的穩定性、收斂性[2]。根據《綠色建筑設計標準》（DB 11/938—2012）[3]要求，本研究模型基地整體劃分為244×327×92個網格，對研究的建筑群區域進行局部加密，加密部分網格劃分為97×182×62個網格。網格間隔設置為0.5～1.0 m的大小，相鄰網格的膨脹率為1.2。

2.3 邊界條件的設置

合適的邊界條件的選擇是建筑風環境模擬結果準確性的因素之一，包括入口、出口、側邊和頂邊。氣流流過大地下墊面層時會受到摩擦阻力的影響，風速會在垂直方向下降。越接近地面的氣流受到的摩擦阻力越大，所以邊界層內風速沿垂直方向上存在風梯度現象[4]。

本試驗模擬出口邊界條件設置為自由流出邊界，出口壓力設為大氣壓。對于側邊界和頂部邊界，莊智等[3]認為距離建筑足夠遠，空氣流動不會受到影響，可以視為自由滑移表面。

3 模擬結果分析

3.1 建筑布局風速模擬結果分析

夏季工況下3種建筑布局對室外風環境的影響如圖1所示，冬季工況下3種建筑布局對室外風環境的影響如圖2所示。

圖1 夏季3種建筑布局方式風環境云圖

圖2 冬季3種建筑布局方式風環境云圖

行列式布局的平均風速為1.70 m/s，斜列式布局的平均風速為1.84 m/s，周邊式布局的平均風速為1.82 m/s，斜列式布局的平均風速比行列式略大，與周邊式相似。在夏季南向風占主導的情況下，當風迎上B、C、D建筑時，在建筑背風面形成風影區，在行列式布局中，建筑A、B、C、D之間的距離相對較近，建筑迎風面截面相對較大，因此會在建筑的兩側和后方形成一部分滯留區和渦流區，特別是A建筑的西側面渦流區較大。在斜列式布局中，由于錯開布置，建筑B、C、D與建筑A的距離逐步遞增，建筑群的周圍風影區較小，也沒有明顯的渦流區，僅在建筑A和D背風面有較小的渦流區。周邊式布局指根據地形特點進行建筑布局的一種方式。在周邊式布局中A、B、C三棟建筑的背風面都受到了一定的風影響，尤其是建筑C，因為建筑B、D的角風區對建筑C背后的區域產生了影響，形成了一個大的渦流區，區域內風速較低，污染物的擴散受到了不利影響。

研究表明，在室外行人高度區（室外地面1.5 m高度區域），當風速在1≤v≤5 m/s時，人們感覺最舒適；當風速v＜1 m/s時，污染物容易在建筑區內滯留，對人的健康產生不利影響。根據圖1的風速范圍圖，分別統計了夏季、行人高度室外風速范圍占比值。在3種建筑布局風環境模擬中，斜列式建筑布局中風速1≤v≤5 m/s范圍區域占比最高，達到85%，行列式和周邊式建筑布局依次為81%和79%。

行列式建筑布局在冬季人行區（室外地面1.5 m高度）平均風速約為3.25 m/s，在鄰近建筑B的西南方向，風速較大，最大風速值約為6.08 m/s；斜列式建筑布局冬季行人區平均風速約為3.41 m/s，在鄰近建筑B的西南方向，風速較高，最大值約6.51 m/s，高風速的區域面積也較大；周邊式建筑布局（冬季行人區平均風速為3.34 m/s，在鄰近建筑A的西南方向，風速較高，風速值約為6.48m/s。無論是哪一種建筑布局形式，在建筑A和B之間、建筑A和北側斜坡處及鄰近建筑B西南側的下斜坡處都有大于5 m/s的強風。其原因是建筑A和圖書館北側的斜坡形成了巷道風，形成了狹管效應。此外，由于圖書館的高度比較高，在圖書館東南側的背風面形成了較大區域的風影區，該處風速較小，冬季室外人行舒適度較好，但不利于氣污染物的擴散。

3.2 建筑布局風壓模擬結果分析

根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2014）的規定，夏季工況中，要求超過50%的建筑迎風面與背風面表面壓差不得小于0.5 Pa，以便建筑室內自然通風。夏季、冬季3種建筑布局方式建筑室外風壓云圖如圖3所示。

圖3 夏季、冬季3種建筑布局方式建筑室外風壓云圖

夏季工況下，行列式建筑布局中建筑B、C的前后風壓范圍均在0.2～0.7 Pa之間，建筑D風壓為-1.2～0.7 Pa，但建筑A的迎風面和背風面風壓差較小，約為0.1 Pa，不符合評價標準的要求。斜列式建筑布局中建筑A的前后風壓在-0.2～1.7 Pa范圍，建筑B、C迎風面和背風面風壓范圍都在-0.2～0.7 Pa之間，建筑D的前后風壓為-1.2～0.7 Pa。周邊式建筑布局中建筑A的前后風壓為-0.2～1.7 Pa，建筑B風壓為-0.2～0.7 Pa，建筑C和D風壓范圍均為-0.2～1.7 Pa。

冬季工況下，行列式建筑布局中建筑A和B的風壓范圍主要分布在-4.8～5.2 Pa之間，建筑C和D的前后風壓范圍在-1.6～1.7 Pa之間。斜列式建筑布局中，建筑A表面的主要風壓在-11.6～1.7 Pa之間，建筑B、C、D建筑的前后風壓范圍分別為-14.9～-4.8 Pa、-8.1～-4.8 Pa和-4.7～-1.5 Pa。周邊式建筑布局中，建筑A的迎風面和背風面的風壓范圍在-14.7～1.7 Pa之間，建筑B的風壓范圍為-14.6～1.7 Pa，建筑C的風壓范圍為-8.2～1.6 Pa，建筑D前后風壓范圍主要分布在-4.7～-1.5 Pa之間。

綜上所述，周邊式建筑布局中的建筑迎風面和背風面風壓差值較大，最大值約為1.9 Pa，該布局中風壓差大的建筑數量也是最多的。建筑前后風壓差值相對較小的是斜列式布局，行列式布局建筑前后風壓差值最小。

綜合分析3種建筑布局的風環境優劣，分別對舒適度區域面積和建筑風壓差兩項指標進行評分權重賦值w。

綜合評分值計算：

式中：Q1——v＜1 m/s風場面積占比值；Q2——1≤v≤5 m/s風場面積占比值；Q3——v＞5 m/s風場面積占比值；Q4——夏季建筑風壓大于0.5 Pa或冬季建筑風壓小于5 Pa房間數；w1、w2、w3、w4——對應權重，分別取0.2、0.7、0.1、0.6。

代入數據可得，行列式布局風環境綜合評價值為26.72，斜列式布局風環境綜合評價值為28.95，周邊式布局風環境綜合評價值為27.99。由此可見，3種建筑布局中斜列式建筑布局風環境評價值最高，建筑周圍風環境適宜，更有利于降低建筑能耗。

4 結語

在綜合考慮夏季和冬季工況下，斜列式建筑布局的風環境評估分值最高，建筑風環境更利于建筑節能。因此，建議在多層民用建筑的布局設計中采用斜列式布局，以提高建筑的節能性能和風環境舒適度。研究結果對于規劃設計符合綠色節能建筑標準的多層民用建筑具有重要的指導意義。