高層建筑及裙房對人行區域風環境影響的研究現狀與發展

賴林鳳　冉茂宇

(華僑大學建筑學院　福建廈門　361021)

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高層建筑及裙房對人行區域風環境影響的研究現狀與發展

賴林鳳冉茂宇

(華僑大學建筑學院福建廈門361021)

近年來，全球氣候變化極端，對高層建筑人行區域的風環境產生重大影響，導致事故頻發。因此，人們開始重視高層建筑對人行區域風環境的影響。文章主要綜述國內外對高層建筑及裙房對周邊人行區域風環境影響研究，總結三種研究方法的優缺點，指出高層建筑風環境未來的研究方向。

高層建筑；裙房；風環境；研究進展；綜述

0　引言

隨著社會經濟的發展，有限的土地資源跟不上人們的住房需求，高層建筑猶如雨后春筍，爭相拔地而起。根據GB 50352—2005《民用建筑設計通則》將住宅建筑依層數劃分為：1～3層為低層；4～6層為多層；7～9層為中高層；10層及以上為高層建筑。公共建筑及綜合性建筑總高度超過24m為高層，但是高度超過24m的單層建筑不算高層建筑；超過100m的民用建筑為超高層。

世界各城市的生產和消費的發展達到一定程度后，都會積極致力于提高城市建筑的層數。實踐證明，高層建筑可以帶來明顯的社會經濟效益。高層建筑雖然給社會帶來了許多便利，但同時也存在許多問題。隨著時代發展，人們不僅僅滿足于擁有住房，同時還注重改善人居環境，所以對于高層建筑所帶來的風環境問題開始逐漸重視起來。近年來，國內外因為不良高層建筑風環境所導致的受傷甚至死亡的案例屢見不鮮。1972年，國外兩位老人在高層建筑附近因為被風刮倒導致死亡；1982年，一位女性在紐約世貿中心建筑前廣場上被一陣強風吹倒而受傷；前幾年，國外一位年輕的小伙子被強風吹起的汽車砸中身亡。

因此，對高層建筑周邊人行區域風環境的影響研究具有重要意義。不僅僅在于減少因風帶來的傷亡事故，同時提高人們在高層建筑底下行走的安全舒適程度。本文主要綜述國內外對高層建筑及其裙房對周邊人行區域風環境影響的研究，總結3種研究方法的優缺點，指出高層建筑風環境未來的研究方向。

1　國內外研究現狀

1.1國外研究現狀

20世紀60年代以來，發達國家就開始對高層建筑風環境進行研究，經過了幾十年的發展，已經有了初步的成果。

少數文章研究了裙房對人行區域風環境的影響：Tsang 等[1]通過風洞實驗法從建筑規模、間距和裙房方面對高層建筑人行區域進行研究。研究表明：單棟建筑迎風面尺寸越寬對風環境越不利；建筑間距小于建筑寬度的一半時對風環境有不利影響；裙房對建筑周圍風環境有不利影響(見圖1)。

圖1　不同建筑間距和裙房的陣風等效平均風速影響分布(源自文獻[1])

Tsang等[2]還通過風洞實驗法研究了高層建筑群的間距和裙房對人行區域風環境的影響。結果表明：裙房對風環境的影響有利有弊，加裙房后的風環境整體趨向于平均風速；但是對于需要自然通風的地區來講是不利的，因為加裙房后整體風速降低，且裙房增大了不利風環境區域。Dye等[3]通過風洞實驗預測及實際測量了曼徹斯特大學一個相對孤立的塔式建筑附近的地面風速。結果表明：裙房的存在可以降低最不利點風速；對比實際測量的數據，模型實驗值低于實際值。Jamieson等[4]通過風洞實驗法對不同建筑形狀、有無裙房、停車場的建筑、有圍墻的街道風環境進行研究。

大部分文章研究的是建筑間距、排列、街道高寬比等建筑之間的因素對風環境的影響：Cheung等[5]通過CFD模擬研究了風向、建筑間距、建筑排列等對通風率的影響。結果表明：建筑間距增大充分地提高了通風率，最終當建筑間距約為建筑寬度的5倍時消除不利的干擾(最優分離)；若考慮到建筑排列，間距可減小至建筑寬度的3倍。 Hang Jian等[6]通過CFD計算機數值模擬和風洞實驗法模擬了高層建筑風環境。結果表明：在不同街道高寬比和不同建筑面積密度的條件下，街道高寬比在2～5.3，建筑面積密度在0.25或0.4時風速降低；街道寬度越寬、建筑面積密度越小或采用合適的建筑高度將提高高層建筑的風環境。Stathopoulos和Wu Hanqing等[7]通過風洞實驗法從街道空間密度、周邊建筑高度、相對位置、風向角來討論對風速的影響情況；通過合理的分析討論，總結推導出了合適的風速公式。Yi Hui等[8]通過風洞實驗模擬了矩形平面的建筑平行和垂直擺放對風壓峰值的影響。研究表明：風向和建筑的配置對干擾效應有很大影響；較不利點集中在建筑的邊緣和角落；建筑的寬度∶深度∶高度=3∶1∶4時較為合適。Andy 等[9]通過數值模擬法，采用k-ε湍流模型探索了各種建筑平面排列對城市街道峽谷在三維方向上的流場和污染物擴散特性。結果表明：當建筑高寬比接近0.8或建筑高度比為0.5時污染物較少停留。

1.2國內研究現狀

國內對于高層建筑風環境的研究比較晚，20世紀80年代開始陸續有人對高層建筑周邊的風環境做出評價。但對于裙房風環境的研究，缺乏系統性且研究較少，王輝[10]對深圳前海三、四開發單元進行分析，得出開發單元風環境主要受到建筑朝向、建筑平面形式、建筑體量、建筑立面構成、沿街裙房立面細部要素的影響。其中討論了不同裙房平面對風環境的影響，得出選取邊角越光滑的平面形式，對風環境影響越小。

其他研究者對高層建筑風環境也有一定的研究，成果如下:江清源[11]闡述了高層建筑風環境的危害以及在風力作用下的繞流特性，總結了高層建筑風引起的風環境問題，解釋了壓力連通效應、間隙效應、拐角效應、尾流效應、下洗渦流效應等產生原理，最后對風環境的改善提出建議。李傳成等[12]通過問卷調查的方法研究夏熱冬冷地區板式高層建筑周邊風環境，將CFD模擬與問卷調查結果進行對比驗證，分析了產生的原因并探索改善和解決的方法，最后提出策略，并對其策略進行驗證。這對建筑規劃設計風環境優化具有一定的指導建議。黃艷[13]通過一系列的風洞試驗來模擬與分析高層建筑與住宅小區人行高度處風環境的相互影響，通過比較平均風速比、最大風速比、風速比變異系數三者的變化來評價住宅小區周圍人行高度處風環境的變化,得出三個參數對住宅小區風環境的影響。曹智界[14]選用數值模擬方法，利用 CFD 技術模擬軟件 Fluent中的Realizable k-ε模型對單體建筑、簡單組合建筑組群和某實際在建住宅小區的風環境做了數值模擬研究。陳德江等[15]介紹了在風洞中進行的某高層建筑風環境的模擬試驗,提出行人高度風速的測量和數據處理方法；并分析了該高層建筑的風洞試驗結果。吳義章等人[16]通過數值模擬方法對某高層建筑周圍的行人高度風速場進行了計算，結合當地氣象臺的氣象風速統計資料，給出了該建筑周圍舒適性風的概率直方圖，對行人在坐、站、行三種不同狀態下的風環境舒適性作出了評價，并對一些可能存在不舒適風問題的位置點提出了控制措施。

1.3國內外研究現狀總結

(1)在探索室外風環境的時間方面，國外始于20世紀60年代，研究較早，而國內起步于20世紀80年代，研究較晚。

(2)在研究方法方面，主要有現場實測法、數值模擬法、風洞模擬法。由于室外風的不穩定性和隨機性，現場實測法一般只是在某一短時段進行，多數是用于驗證軟件模擬和對比分析；風洞模擬法由于需要建立風洞實驗裝置，成本高，實測程序復雜，且只能對有限的模型和工況進行模擬，因此在早期的研究中應用最多；隨著計算機技術和模擬軟件的不斷發展，數值模擬法已成為目前室外風環境研究的主要方法。

(3)在研究內容方面，國內外學者都對影響風環境的因素進行探究，影響因素主要有：建筑間距、建筑排列方式、建筑裙房、建筑高寬比等。除此之外，國內外學者對于人行區域環境舒適度、建筑節能、空氣品質等方面也進行了研究。主要通過風洞實驗法和計算機數值模擬對某建筑或建筑群進行模擬，結合人體舒適度進行評價，提出改善措施和建議[11,17-20]。

(4)在高層建筑及裙房對風環境影響方面，國外對有無裙房以及裙房的平面形制進行了研究，探討了在單一風向下裙房這個因素對室外風環境的影響，得出了裙房的存在對于周邊人行區域以及建筑風影區影響是不利的結論。而國內主要研究了裙房的平面形式以及退臺的方式對風環境的影響，指出形體退臺是有利于風環境的且裙房平面形式邊角越光滑，對風環境影響越小。

(5)在高層建筑及裙房對風環境影響方面的研究不足體現在:探討裙房對于風環境的影響比較少且比較單一，都是通過有無裙房對比實驗，只從單一風向角來討論。國內研究了部分裙房平面對風環境的影響，但沒有從考慮裙房的大小是否會影響風環境。這樣的情況下對裙房的作用下定義并不準確，大部分的文獻得出的結論是裙房對于周邊人行區域風環境有不利影響，只有少部分文獻認為裙房可以降低街道人行區域的風速。對于裙房的探討，應更加深一步并且全方面模擬再討論。

2　主要研究方法

2.1現場實測法

現場實測法是指利用風速計到高層建筑現場直接進行數據采集測量，此方法所測量的數據具有真實可靠性，但是也存在局限。首先測量周期太長，一般要獲得第一手資料必須測量周期達到一年以上才可以得出較為準確反映該高層建筑周圍風速在不同工況下的變化情況；其次需要在不同地點同時進行測量采集數據的工作，需要耗費大量人力物力。此方法可用于檢驗模擬的數值與真實值存在的誤差分析。

2.2風洞實驗法

早期計算機未發展的時候，研究者多采用風洞實驗法，它是通過制作實際建筑物的縮尺模型(見圖2)在大氣邊界層風洞中進行試驗的,使用一定的技術手段產生類似實際建筑物周圍的風速場,通過模型周圍及表面的儀器對風有關的數據進行測量。它的缺點是模型的建立在風洞試驗中無法同時使所有的物理量得到滿足,會帶來較大的誤差。同時風洞試驗從準備到結束整個時間過程較長,試驗的花費較高,模型的制造費時費力,無法被廣泛使用[21]。

圖2　風洞實驗模型圖(源自文獻[22])

2.3計算機數值模擬法

趙彬等[23]介紹預測仿真建筑群風環境的不同方法,并著重比較了自各的特點。鑒于數值模擬方法價廉、快速、信息多、不受條件限制的優點,提出基于數值模擬方法的建筑群風環境優化設計思路,并給出兩個典型的用數值模擬方法優化設計建筑群風環境的實例。由所舉實例可以看出,數值模擬技術可作為建筑群風環境優化設計分析的有力工具,從而有效地對建筑群風環境問題進行研究和分析。Stathopoulos等[24]通過現場實測法對改進過后的斯托克斯方程k-ε湍流模型進行驗證，結果表明在合理的精度上建筑周邊風環境是可以預測的，證明了計算機數值模擬的可行性。對比現場實測法，計算機數值模擬簡單、可操作性強，模擬的結果直觀，可以獲得風速比、壓力值等一系列分析數據。并且近年來大家對于計算機模擬的模型公式做了許多研究工作，提供了模擬精度較高的模型公式，在很大程度上可以模擬出風場情況，受到廣大研究者的青睞。

計算機數值模擬用到的多數軟件是基于CFD平臺的衍生軟件，如phoenics、Airpak、fluent等軟件來模擬(圖3)。計算機數值模擬中的計算模型有RNG k-ε模型、標準 k-ε模型、Suga三次式高Re k-ε模型、Realizable k-ε模型等。李瓊等[25]對日本建筑學會提供的室外無污染物擴散和有污染物擴散的建筑風洞實驗模型，采用15種湍流模型分別求解其室外流場，通過模擬結果與風洞實驗結果的對比分析，得出Suga三次式高Re k-ε模型對風場和濃度場的求解具有很高的精度，在時間允許的情況下可采用Suga三次式高Re k-ε模型，在計算精度要求不高及計算時間有限的情況下，可采用標準 k-ε模型。

圖3　某項目計算機數值模擬圖(作者自繪)

3　未來的研究方向

計算機數值模擬法相對于其他方法有較多優勢，逐漸成為未來研究風環境的主要方法。對于裙房的作用定義，需從全方位對裙房的平面形制、規格大小等進行模擬分析。不同類型的高層建筑裙房對風環境的影響是否相同需要做進一步的研究。高層建筑裙房對人行區域風環境影響的未來研究方向如下：

第一，根據不同的高層建筑類型將裙房進行分類模擬分析。根據筆者調查，以廈門地區為例，選擇了7個高層建筑較多的區域一共76棟建筑，建筑類型可分為點式建筑、板式建筑、聯排式建筑，三種建筑類型比例分別為0.3、0.44、0.26。不同建筑類型對周圍風環境的影響不同，所以可以通過模擬不同類型的高層建筑，分析其特點，作出不同的評價以及提出相應的建議和改善措施。

第二，在不同工況下對同種裙房形制的高層建筑進行模擬分析。通過調查廈門地區建筑朝向可以發現，由于廈門地區屬于亞熱帶季風氣候，溫和多雨，年平均氣溫在21℃左右，全年日照時間長，所以建筑的朝向沒有太大的限制。但對于廈門地區來說，夏季利用風環境通風可以減少空調的能耗，所以模擬不同工況下高層建筑的風環境情況對于建筑設計有一定的指導作用。

第三，在相同工況下對不同裙房形制的高層建筑進行模擬分析。根據筆者調查，高層建筑裙房形式主要有4種：無裙房、三角形、多邊形(n≥4)、弧形。不同平面形式的裙房對周邊風環境產生不同影響，根據前人研究，弧形平面對風環境產生的影響較小，但是比較少人將平面進行分類模擬。在相同工況下對不同裙房形制的高層建筑模擬有助于設計師在設計中得到較好的建議，做出更優化的設計。

第四，根據現場實測數據與模擬結果進行對比分析。鑒于風環境情況比較復雜多變，實測風速收到限制，故現場實測法比較少被研究者采納。但是通過分析歷年氣象數據，結合前人研究，加上科學技術的進步，現場實測可行性將大大增加。

第五，根據實驗所得數據結合人體舒適度準則與安全性進行評估，對人行區域風環境進行全面分析，得出建議與改善措施。

4　結論

現階段高層建筑風環境的研究主要是整棟建筑對周邊區域的影響，對裙房的研究也較多集中于裙房荷載與振動，單獨對裙房形制與規模對風環境的影響研究幾乎沒有。本文綜述高層建筑及裙房對風環境的影響以及現有研究成果，指出其未來的研究方向，對于將來研究高層建筑及裙房的風效應有實際意義，對于完善和改進高層建筑及其裙房設計具有指導作用。

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Effects of High-rise Building and Podium on Pedestrian-level Wind Environment: a Systematic Review

LAI LinfengRAN Maoyu

(The School of Architecture，Huaqiao University，Xiamen 361021)

In recent years，global climate change extreme and has a significant impact on the wind environment on high-rise buildings' pedestrian area，and it also leading to frequent accidents. Thus，people began to pay attention to the impact on the pedestrian area of high-rise building wind environment. This review focuses on the study of domestic and international high-rise building and its podiums' wind environmental impact on surrounding pedestrian area. This paper also summarizes the advantages and disadvantages of the three methods，pointed out the direction of future research on high-rise building wind environment.

High-rise buildings;Podium;Wind environment;Research progress;Review

華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目(華大研〔2014〕6號)

賴林鳳(1992.09-)，女。

E-mail: 413817463@qq.com

2016-03-12

TU972+.12

A

1004-6135(2016)05-0020-05