淺析建筑布局對高層住宅小區的室外風環境影響

李晉

摘 要：本文通過使用流體分析軟件建立高層住宅小區相關的流場分析模型，通過調整建筑布局對高層住宅小區的風環境所產生的影響進行闡述。同時，從實際工作出發，從冬夏兩季的建筑的布局對室外風環境產生的影響分別進行研究，旨在通過研究所得結論為今后利用建筑布局改善高層住宅小區的風環境提供一個思考方向。

關鍵詞：高層住宅；風環境；建筑布局；數值模擬

隨著我國城市化水平的提高，建筑領域也在不斷的進步，出現了眾多高層住宅建筑的住宅小區。這就加大了城市的建筑密度，并由此引發了許多關于風環境的問題。如建筑過于密集從而導致氣體污染物無法迅速擴散消失，這引起了人們的高度關注，許多建筑規劃和流體運動研究人員也對此進行了研究。國內一些研究機構開展了對不同風向時的空氣流場分布、矩形截面建筑的群體風場、相鄰高層建筑擾流的風流場的研究從中取得了一定的研究成果。國外的相關學者也對城市中不同的住宅小區的風環境進行了模擬和研究。本文以某嚴寒地區的高層住宅小區在冬、夏兩季不同風向的風環境情況進行分析，得出了不同建筑物布局時的風速場的分布，從而得知了調整迎風面建筑的布局方式對高層住宅小區室外的風場分布產生的影響最顯著。

1 室外風場相關模型的建立與CFD的相關數值模擬

1.1 模型的建立

我國東北某城市A位于氣候類型I區，具有嚴寒地區的特點：冬季漫長寒冷，夏季短促涼爽，季節溫差較大。如果室外風速很大則會使得小區有很冷的感覺，導致環境舒適性下降。本文選取城市A的某高層小區B建立物理模型，通過冬季、夏季兩季室外的風速場分布對此高層小區的影響進行研究。小區B區域內共有十棟樓分布其中，1號樓至六號樓高度為60 m，其余各棟樓高30 m。建筑體型分為兩種：1號、2號樓及7號至10號樓為板式建筑模式，其余各樓為塔式建筑模式。住宅樓房北側為一主干道路。

夏季室外溫度取A城市夏季平均溫度24.6℃，室外風速取夏季平均風速3.0m/s，風向大致為南向。冬季溫度取室外冬季平均溫度-23℃，風速取冬季平均風速3.2m/s，風向大致為北向。計算域依據現實情況選取大約是小區3-4倍的寬度，背風面選取大致為3-6倍小區的寬度，高度方向選取2-3倍的建筑高度。幾何建模及網格劃分使用Fluent的前置處理器Gambit。速度入口為計算域的來流風，自由出流風為出口，使用壓力耦合半隱法Simple來求解壓力與速度的耦合問題，使用一階迎風格式對壓力、動量、紊流脈動動能和動能耗散率進行離散。

1.2 CFD數值模擬

Fluent是一種主要用于對復雜的流體流動及熱的傳導進行模擬的計算機程序，是目前應用較為廣泛的一種流體力學計算軟件。由于其采用了多種算法和多重的網格加速收斂技術，所以Fluent的收斂速度和求解精度都是最佳的。此外Fluent也提供了下列湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標準k-￡模型、重組化群RNG k-￡模型、可實現模型、雷諾應力模型RSM和大渦模擬模型LES。其中湍流模型的選取和許多因素有關，如流體物理、特定問題的經驗、精度級別和風速的特定條件。在本文中，主要考慮人的主要在地面附近活動，所以使用標準k-￡模型。

2 模擬結果的分析

通過對夏季、冬季三種不同的建筑布局方式進行模擬，得出了室外風速場的相關分布，進一步對三種形式的高層住宅小區室外風環境進行分析和對比。

2.1 夏季室外風速場分析

根據高層住宅小區布局一，即1號樓至六號樓，樓高60m.7號樓至10號樓，樓高30m對夏季室外風速場進行相關模擬。夏季風向大致為南風，距地距離大致為1.5m出速度分布參見圖1。由圖可知，夏季迎風向，氣流從南側建筑之間垂直進入小區，風速在入口處最大為3.23m/s，并且風主要在建筑物間南北向流動，形成一個導風巷，風速可到2.24m/s。每個樓房間有巷道風效應的存在，并且每個樓的背風側形成了一個漩渦死角。其中，由于1號樓和2號樓擋風部分較大，樓房的南向風速大致為2.23m/s，在樓后形成了一個負壓區。

由圖1可知，小區風速很高，改變建筑物布局，降低了小區1號樓房和2號樓房的高度再進行對比分析，此時1號樓和2號樓樓高均為30m，其余各樓高度不變。小區地面高度1.5m處夏季風場分布參見圖3，據此可知，夏季迎風方向，整個小區內風速無變化，但是改變1號樓和2號樓的高度后二者背風側風速驟然降至1.4m/s，這說明建筑物的布局的改變對風速場會產生影響。

圖2進一步驗證了建筑的布局方式對室外風環境會產生影響。接下來進一步對建筑布局進行改變，此時設定此小區1號樓至6號樓高度為30 m，其余各樓高度設定為15 m。最高建筑高度降為30 m時，距地面高度1.5 m高度夏季風場分布參見圖3。由圖可知，建筑物高度降低的同時，夏季迎風方向前排建筑間通道內風速減小，最大風速降至2.62m/s，各樓之間的風速降至1.57m/s。氣流自南向北形成一個導風巷，而且風速從入口到出口處遞減。1號樓和2號樓在迎風面的風速降低，風速降至1.05m/s，樓后的負壓區域減小。

2.2 冬季室外風速場分析

冬季風向大致為北風，建筑布局一距離地面高度為1.5 m處的風速分布參見圖4。

圖4布局方式一 冬季距地面1.5m室外風速場速度矢量圖

由圖可知氣流由北側建筑垂直進入小區，由北向南流動。氣流的流速受1號樓與2號樓的阻隔，小區內風速較低，但是可看出，由于小區樓高度較高且入口狹小，入口處風速最大可至3.72m/s，使出入小區時感到不舒適，并且形成較大的漩渦區，風速為1.99m/s，因此污染物會聚集于此，而不消散。建筑物的拐角處迎風面有一個較大的風速區，風速達到4.38m/s，使人感到特別寒冷。值得一提的是在建筑物的背風面會形成渦流區，而導致漂浮物殘留。

建筑以布局方式二時，氣流向南流動，由于建筑物布局改變，入口處風速降至2.98m/s，降幅達0.74m/s，在1號樓和2號樓的迎風拐角處風速發生改變，降至3.40m/s。但由于其他樓高度未發生變化，所以風速場沒有任何的改善。

建筑布局以方式三時，可以知道，隨著樓高度的改變，小區內風速場發生明顯變化。由此可知，建筑物布局的改變可以改善小區的風流場，使居住更加適宜。

3 結語

從相關模擬結果可以看出，位于寒冷地區的住宅小區，夏季時，建筑物之間風速較大，利于建筑物散熱；在冬季時，小區建筑物之間的風速很大，這樣必然導致冬季采暖的不利。同時住宅小區局部風速過大會產生渦流，影響相關區域的衛生。通過對小區出入口和主干道上建筑物的高度進行調整及布局，可以對室外風環境進行改善。由此可知，調整建筑物的布局方式對小區的室外風環境的影響很大。

參考文獻

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