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2013 , Vol. 33 >Issue 9: 1097 - 1103

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.09.1097

高层建筑群平面布局类型对室外风环境影响的对比研究

  • 应小宇 , 1 ,
  • 朱炜 1 ,
  • 外尾一则 2
展开
  • 1.浙江大学城市学院, 浙江 杭州 310014
  • 2.佐贺大学, 日本 佐贺 8400027

作者简介：应小宇（1980-）,男,浙江杭州人,博士,讲师,主要从事城市风环境研究。E-mail:

收稿日期: 2013-02-24

  要求修回日期: 2013-04-24

  网络出版日期: 2013-08-16

基金资助

浙江省自然科学基金（LQ13E080003）、浙江省教育厅科研基金（Y201222991）资助

收起

Comparative Study of the Effect on Outdoor Wind Environment by High-rise Buildings Layout Types

  • YING Xiao-yu , 1 ,
  • ZHU Wei 1 ,
  • K Hokao 2
Expand
  • 1.Zhejiang University City College, Hangzhou, Zhejiang 310014, China
  • 2.Saga University, Saga 8400027, Japan

Received date: 2013-02-24

  Request revised date: 2013-04-24

  Online published: 2013-08-16

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

摘要

现有城市热环境研究关注于城市尺度范围内城市形态,未充分考虑小尺度区域内、非匀质分布的建筑群布局形态对热环境,尤其是室外风环境的影响。以6幢方形截面高层建筑组成的建筑群的周围风环境为研究对象,采用数值模拟方法进行对比、分析,对比6种布局形式的建筑群的室外人行高度(1.5 m)处的风速比和风向分布,得出风环境优劣状况与平面布局之间的关系,为城市建设、高层建筑布局规划提供参考与评价依据。

关键词： 风环境模拟; 高层建筑群; 平面布局

本文引用格式

应小宇 , 朱炜 , 外尾一则 . 高层建筑群平面布局类型对室外风环境影响的对比研究[J]. 地理科学, 2013 , 33(9) : 1097 -1103 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.09.1097

Abstract

The existing study of urban thermal environment focuses on the urban morphology for urban scale,which does not take full account of the effect of the thermal environment and especially wind environment of the layout of the buildings form for the small-scale area and non-homogeneous distribution. Numerical simulation was carried out to investigate the wind environmental state around a building group consisting of six rectangular high-rise buildings by using the Reynolds averaged equations and the renormalization group (RNG) κ-ε turbulence model. The six buildings were initially arranged into two rows and three columns. Six types of building group with different layouts were obtained by altering the distance between two adjacent buildings in each column. The wind-velocity ratios and the corresponding velocity vector field around each type of building group at pedestrian height level (1.5 m) were then examined and compared with each other. The average outdoor air flow of X-shape is the weakest among all layouts, which is unfavorable for ventilation. The variation of measure points' wind velocity near windward endpoint of buildings in O-shape is comparatively slow. In addition, this layout has the minimum wind velocity at outlet position. These show that O-shape layout has the least wind tunnel effect on outdoor wind environment. Compared with H-shape and O-shape, Y-shape with windward concave, can improve the wind velocity of outlet position. However, if the concave continues to be widened and changes into V or U-shape, the wind velocity of outlet position will decrease. To go further, the study quantifies the concave shape, trying to seek the link between the concave shape and wind velocity ratio of the outlet. The relationship between the x, which is concave coefficient and the y, which is wind velocity ratio at outlet position can be described as a polynomial function. In the end, the study proposes that, in Y, U and V-shape layouts, when the initial wind direction reverses during summer and winter, there are some measure points having comparative difference on wind velocity in two seasons. When designers plan the outdoor landscape, especially in making choice of the green or pavement, these points need detailed design to enhance ventilation in summer and reduce air flow in winter.

Key words： wind environment simulation; high-rise building group; layout

引言

高层乃至超高层建筑作为解决城市化问题的手段之一,在中国各地大量出现。目前,中国规划管理部门对高层建筑群布局的约束仅停留在日照间距和消防间距控制上,未考虑各种体形复杂、布局自由的高层建筑群所带来的城市风环境问题。随着此类风环境问题的日益突出[1,2],例如相邻高层建筑群产生的强气流在冬季使行人感到不适,在多风季节引发危险[3,4];不合理的建筑布局或建筑体型造成室外静风区,在春秋季节不利于污染物、废气扩散,夏季不利于散热。因此,有必要从室外风环境视角出发探讨高层建筑群的平面布局问题。
目前,建筑群周围风环境相关研究主要通过现场实测、风洞试验和计算机模拟3种方法[1,2]。基于计算流体力学（CFD）理论的数值模拟软件目前被广泛应用在室内外环境中的气流分布计算中。CFD数值模拟技术由于融合一系列偏微分方程,例如质量-动量守恒定律（Navier-Stokes方程）,能量计算方程,组分浓度和湍流量计算方程等,因此被应用到室外热环境舒适性和自然通风设计当中。Murakami在1986年发文认为采用雷诺时均方法的数值模拟,能够在确保模拟精度的前提下充分利用有限的计算资源,更能适应建筑环境相关的研究[1]。
T.R.Oke等人在城市形态和城市热环境的相关性方面做了大量的研究,指出了居住区模式对室外气温的影响关系[5];A.Hartranft等人指出土地利用模式极大影响着城市微气候的变化情况[6];Voogt和Oke在2003年进一步指出室外景观对城市气候的影响机制[7];同年,B.W.Atkinson讨论了20 km2大小的城市区域的热岛效应计算模型[8]。总的来说,他们的研究都是从较大的城市尺度出发,未考虑小尺度下建筑群布局形态对热环境的影响问题。
O.Coceal等人的研究关注了小尺度下建筑群布局形态问题,他们以4个交错但匀质分布的建筑立方体为计算模型（建筑密度λ=0.25）,研究其周边的气流和涡流分布情况;在2008年的研究中,他们将建筑立方体的布局形式拓展到对齐和正交另外两种匀质布局形态,将3种布局对气流的影响进行了对比[9,10]。T.Kono等人于2010年继续研究匀质布局形态,不断变化建筑密度λ,选取0.05~0.33共6种不同建筑密度的布局作为研究模型[11]。J.Claus和O.Coceal等人在2012年的研究中继续关注匀质布局建筑模型的气流情况,通过不断改变初始来风的风向,观察气流场的变化情况[12]。周莉等人利用Fluent软件对3幢一字排列的高层建筑群进行计算机模拟,考虑了不同建筑间距的影响[13]。
总体来讲,目前对于小尺度下的城市布局形态与空气流体及热环境的研究主要侧重于对匀质或简单布局情况的建筑风环境的分析和评价,尚没有就一系列的非匀质布局变化对风环境的影响进行较系统的分析和评判。而城市形态的布局受到多方面的影响必然呈现非匀质状态,因此,相关研究的成果无法满足城市建设项目的复杂性和多样性需求。本文通过分析和比较6种不同典型布局型式的建筑群在人行高度处的风速比和风向分布图,得到风环境优劣状况与平面布局之间的关系,为人居环境建设、特别是高层建筑布局规划提供参考与评价依据[14]。

1 风环境模型的建立

1.1 模拟边界条件设定

本文中所采用的数值模拟软件Phoenics是基于雷诺时均方程开发的,计算所需条件采用软件自带的自动选取功能。初始风的设定如下所述：
由于地表摩擦的作用,接近地表的风速随着离地高度的减小而降低。只有离地300~500 m 以上的地方,风速才不受地表的影响,可以在大气梯度的作用下自由流动。因此,来流面风速的变化规律以指数率表示为：
U(z)= UG ×(z/zG)α (1)
其中,U(z)为任意高度z处的平均风速,UG是标准高度zG处的平均风速,指数α为描述地面粗糙度的参数。模拟中标准高度zG设定为400 m,该高度处平均风速UG为13 m/s,α为0.25。湍流强度假定为地面52 m以上12%[14]。

1.2 模拟区域大小

目前关于计算机模拟区域大小还没有明确要求。许多研究人员在决定区域大小时只能采取“试错法”,因为区域大小直接影响模拟结果[13]。Chang等人建议建筑模型与模拟区域边缘的距离至少5倍于建筑模型高度[15]。因此本文中模拟区域大小为690 m×730 m×250 m（长、宽、高）。

1.3 建筑模型设定

建筑模型中的建筑群由6幢等高的建筑组成,分别标记为A、 A′、B、B′、C和C′。建筑群整体布局呈中轴对称。根据布局形态特点,分别命名为H、Y、V、U、X、O型（图1,表1）。中国的建筑防火规范要求高层住宅超过18层,即建筑高度50 m时需要上调防火等级及疏散设备配比,因此实际项目中大部分的普通高层住宅大多建为18层,超过18层的高层建筑暂不做分析。另外,大量实际工程表明,当考虑高层建筑标准层可利用面积最大时（即垂直交通核面积占比最小）,标准层面积应大于900 m2。综上,各高层建筑尺寸为30 m×30 m×50 m(长×宽×高)。从图1、表1中可知,LAA′（量符号为LLAA′）代表各建筑群中第一排建筑A和A′的横向间距,LBB′ （量符号为LLBB′）代表中间排建筑B 和B'的横向间距,LCC′（量符号为LLCC′）代表最后一排建筑C和C′的横向间距。
Fig.1 Six typical buildings layout types

图1 6种典型建筑群布局类型

Table 1 Ratio of gable spacing of six layout types

表1 6种布局中3排建筑水平间距的比值

布局类型 LLAA′∶LLBB′∶LLCC′
H型 1∶1∶1
Y型 3∶1∶1
V型 4∶2∶1
U型 4∶4∶1
X型 3∶1∶3
O型 1∶4∶1
另外,根据Ying等人在“Application of building ventilation space in residential area’s layout”一文中的结论,相邻建筑的顺风和横风向基本间距为1.5倍建筑宽度时室外风环境较佳[16]。因此,H型布局中建筑的纵、横向间距均为L=45 m（30 m×1.5=45 m）。其余的布局类型皆在H型的基础上演变而来。

1.4 风环境评价标准

本文研究的是典型的中国东部季风气候区的建筑风环境。真实环境中的风速、风向处于不稳定状态,而这个区域内的各地不考虑地形影响的情况下,冬夏两季主导风向明显,且主导风向的风频明显高于其它风向。为简化计算模型的需要,在分析中设定两个相反的风向作为冬、夏两季的主要风向。
在实际室外环境中,通过比较风速绝对值来比较不同建筑群布局是比较困难的,因为每个布局的初始来风的风速就已经不同。因此,研究人员大都用风速比来衡量建筑布局对风环境的影响程度。风速比是测点（行人高度1.5 m）风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值[17]。计算公式为：
R= Vs /v （2）
式中,R为风速比,Vs为测点风速,v为初始来风风速。
Tetsu 的研究表明当某区域的风速比大于2.0时,行人会感觉风过于强烈;风速比小于0.5时,该区域风速过低,不利于空气流动[18]。因此,本文中评价风环境标准为风速比介于0.5~2.0之间。

2 模拟结果及分析

在模拟中的风速测点分3类（图2,以Y型为例）。第1类为风速较大的建筑A、B、C的迎风面端点。其中Moa表示建筑A外侧端点,Mia表示建筑A内侧端点,其他类似的有Mob,Mib,Moc,Mic。第2类为整体布局的中轴上的点,由于巷道风的形成,风速也较大,如进风口位置的Na,中轴中点的Nb和出风口位置的Nc。第3类测点位于建筑的风影区,风速很小,如Ra,Rb,Rc。这3类测点的风速与初始风速的比值即风速比,基本可以说明建筑布局对室外风环境的影响情况（图3）。
Fig.2 Distribution of measure points

图2 测点分布

2.1 建筑迎风面端点

图4给出在各布局型式下室外人行高度(1.5 m)处的风速比等值线图。
从图中可以直观地看到在大多数的布局中,中间排的建筑端点风速比越高,其次为前排,后排建筑端点风速比较低。以Y型为例,各测点依次为Mib>Mob>Moa>Mob>Mic>Moc。虽然也出现V型和U型中Mic>Mia的情况,但基本遵循M_b>M_a>M_c的规律。原因在于A-A′,B-B,C-C中轴对称布局产生巷道风效应,使第二排的建筑B会高于直接面对初始风的建筑A。
另外,在大多数布局类型中,建筑靠近中轴的内侧端点风速往往大于同建筑的外侧端点风速,即Mi_>Mo_。但是,H和Y型的建筑A、V型的B建筑出现相反的情况,Moa>Mia或是Mob>Mib。
各类型布局中,Y型各测点数值相差最大,风速比变化范围为0.54~1.07。说明气流经过A、B、C这3排建筑时,风速受布局影响很明显。与之相对的,O型的各测点数值相差最小,风速比变化范围为0.94~1.05,说明其3排建筑迎风面风速变化相对较缓,受布局影响较小。
从图中的平均值曲线Avg可以看到,O型各测点的平均值是所有类型中最高的1.01;H型、U型次之,分别为0.99和0.98。X型的平均值最低,风速比仅为0.9。X型的室外气流较弱,这种布局对室外通风不利。
Fig.3 Velocity vector field of six layout types

图3 6种布局的风速分布

Fig.4 The wind velocity ratio near the buildings′windward endpoint of six layouts

图4 6个布局中建筑迎风面端点旁测点风速比

2.2 中轴上的测点

图5给出了6种平面布局类型的中轴测点风速比曲线图。
Na,Nb,Nc的值都位于纵坐标值1.0线的上方,说明巷道风效应在6种布局类型中都出现了。尤其是O型布局,在布局的出风口位置上,Nc的风速仍然达到初始风速的1.08倍。
Fig.5 The wind velocity ratio on axis of six layouts

图5 6个布局中轴线测点风速比

一个有趣的现象是：在H型中,Nc风速比为1.11;当布局形成迎面凹型的Y型布局时,Na迅速上升为1.13;当凹口拉大成V型,Na降为1.12;凹口继续拉大到U型,Na降低至1.1。在这个过程中,Nb的变化情况与Nc正好相反。可以得出结论：迎面凹形布局将提高布局出风口风速,在拉大凹形的情况下可降低风速。
进一步的,我们可以根据在将凹口形态进行量化,试图将其与布局中的平均风速联系起来。通过计算散点分布情况,然后进行曲线拟合,可以得到凹口系数x（x=LLAA′:LLBB′+ LLCC′:LLBB′）与平均风速比y之间的曲线（图6）。曲线公式为：
y=-0.003 4x²+0.023 8x+1.077 4 (3)
曲线表明,y值先随着x值增大而增大。当x=3.6时,y值达到最大值1.12。随后,当x值继续增大,y值迅速降低。
Fig.6 Parabolic curve: the function between concave coefficient and mean outlet position's wind velocity ratio

图6 凹口系数与平均风速比的曲线关系

2.3 建筑风影区测点

由于建筑的遮挡,因此位于风影区的测点风速相当的低。在各布局类型中,Ra,Rb,Rc的风速比都小于0.1,三者平均值RAvg远小于其它测点的平均值NAvg(图7）。过低的风速对室外空气流动很不利,人活动其中也会感觉不舒适。因此,在实际规划中,建议在这些建筑正后方的风影区区域安排绿化,以最优的利用室外土地。X型布局的风影区面积占比大,且测点风速比为最低的0.028。3.1中提到X型布局的平均风速也为6种类型里的最低,因此当考虑室外环境以人行活动为主时,不建议采用X型布局。

2.4 风向发生改变下的Y、V、U的测点

当初始风向发生逆转,在6种布局类型中,Y、V、U布局类型的风速分布情况将发生改变（图8）。比较、分析这3种布局类型的测点风速的意义在于：当出于配合总图的需要不得不采用这3种布局类型时,如何优化室外景观结构,从而达到提升室外物理环境品质的目的[19]。
3张图中,带菱形曲线代表北向风的测点情况,带方块曲线代表南向风的情况。当假设某地区的夏季主导风向为南风,冬季为北风,不利测点的特征即为其菱形曲线坐标明显地高于方块曲线坐标,这包括Y型中的Mob、Mib、Na,V型的Mib和U型的Moa,Mia,Na。这些测点应尽量不要设置为人活动的场地,而应该多布置能遮挡冬季室外风的、高低结合的立体绿化。反之,在那些有利测点,即其方块曲线坐标明显高于菱形曲线坐标的测点区域,应少做遮挡夏季室外风的立体绿化,而应更多的设置铺装场地以利于人们在室外活动。
Fig.7 The wind velocity ratio at wind shadow area of six layouts

图7 6种平面布局建筑风影区测点风速比

Fig.8 Comparison of wind velocity ratio in Y,V,U shape layouts under the reverse wind direction

图8 Y、V、U在风向逆转时的测点风速比对比

3 结 论

在本文中,作者通过改变3排两相邻建筑的水平间距得到6种不同的建筑群布局类型。通过对比在行人高度（1.5 m）处的风速比和相应的风向分布,得到风环境优劣状况与非匀质分布的建筑群平面布局之间的关系。具体结论如下：
1） 相对其他布局类型而言,Y型布局中建筑迎风面端点附近的测点风速下降速度最快,但其布局出口位置处的风速仍为6个布局中最大的。这充分表明,Y型布局的风巷道效应是最明显的。
2） X型布局的室外所有测点的平均风速比是所有布局最低的,通风最弱。因此,X型布局不建议在高层建筑群布局规划中采用。
3） O型布局中,所有建筑的迎风面端点附近测量点的风速,变化最为缓慢。此外,改布局中的最小风速比出现在布局的出口处位置。两者表明,O型布局对室外风环境影响最小,因此建议规划人员在规划中多考虑该布局类型。
4） 与H型和O型相比,Y型的迎风凹口提高布局出口位置的风速。但如果凹口继续被加宽,也就是变成V乃至U型,出口位置风速反而减小。如果定义布局出风口风速比为y,凹形系数为x,两者存在多项式函数关系：
y=-0.003 4x²+0.023 8x+1.077 4。
5） 研究还发现,当初始风向逆转时,Y、U、V型布局的一些测点风速变化很大,这对夏、冬两季风向相反地区的规划是很有实际意义的：夏季风速大、冬季风速小的测点区域,适合户外活动,应优先规划为室外活动场地;夏季风速小而冬季风速大的测点区域,则应考虑设置为绿化用地。
以上结论为高层建筑群布局规划提供了明确的参考意见。进一步地,相较于其它已有研究,本文的独特性在于：
1） 研究揭示了一系列非匀质分布建筑布局类型对室外风环境的作用机制。
2） 分析中引入了布局迎风面凹口系数这一指标,并提出布局出口风速比与其的一元二次函数关系。
3） 模拟中考虑了初始风向逆转时对各布局室外风环境的改变,在建筑布局之外、对室外景观的配置提出优化建议。

The authors have declared that no competing interests exist.

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