基于住宅底層架空的合肥地區(qū)點式布局高層住區(qū)風環(huán)境模擬分析

柯瑞 ，王禮飛 ，李文才 （安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市人口日趨密集，住區(qū)規(guī)模不斷擴大，城鎮(zhèn)住宅用地供應日益緊張。而住區(qū)是城市居民居住和生活的主要場所，隨著住區(qū)建筑高度增加、密度增大，復雜的建筑群體帶來的風環(huán)境問題逐漸受到人們的關(guān)注[1-2]。我國南方大部分位于夏熱冬冷氣候區(qū)，夏季悶熱潮濕，冬季寒冷干燥，出于對這種特殊的地理氣候的考慮，高層住區(qū)無論在建筑的群體規(guī)劃設計還是單體設計時非常重視夏季自然通風與冬季防風避風，以求住區(qū)獲得舒適的熱濕環(huán)境[3-4]。高層住區(qū)考慮建筑之間的日照條件和建筑布局的活躍性，點式是高層住區(qū)布局的主要形式之一，在高層住區(qū)布局中得到了廣泛應用。本文以合肥地區(qū)為例，通過PHOENICS軟件，針對夏季和冬季主導風向下的點式布局高層住區(qū)分別進行數(shù)值模擬，分析比較了不同底層架空形式對點式布局高層住區(qū)風環(huán)境。

圖1 項目總平面圖

1 研究對象

本文選擇的實例位于安徽省合肥市蜀山區(qū)，總用地面積為118543.00㎡，總建筑面積為338064.39㎡，其中地上建筑面積293712.00㎡，場地內(nèi)采用點式布局方式規(guī)劃25棟高層住宅，12棟多層配套公建，1棟幼兒園，6棟變電所。項目總平面圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

計算流體力學(CFD)以其方便操作、結(jié)果準確、成本低廉等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。在建筑設計領(lǐng)域，可利用CFD方法對室內(nèi)外自然通風進行模擬和定量分析，并根據(jù)分析結(jié)果對室內(nèi)外風環(huán)境進行布局優(yōu)化。CFD模擬軟件眾多且各有適用范圍及特點，其中PHOENICS是廣泛運用在流動和傳熱等模擬計算中的商業(yè)軟件，并且通過大量的試驗驗證了該軟件仿真具有正確性和結(jié)果準確率高的優(yōu)勢[5-6]。因此，本文利用PHOENICS軟件推出的FLAIR模塊用于CFD模擬。

2.1 物理模型

本文選擇研究的點式布局高層住區(qū)，25棟住宅樓按照南北中軸對稱布置，東西沿街兩排及中軸線上的住宅樓為18層，其余住宅樓為24層，住區(qū)效果圖，如圖2所示。為了使物理模型不過度復雜，加快計算收斂速度，需對住區(qū)模型進行簡化處理。建立住區(qū)物理模型時盡量保留建筑體型上的凹凸變化，不考慮住區(qū)內(nèi)多層公建、地面變電所、商住樓裙房、綠化植被、景觀構(gòu)筑物等因素對住區(qū)風環(huán)境的影響，而只對住宅底層架空與住區(qū)風環(huán)境的關(guān)系做模擬分析，以得到有針對性的結(jié)論。

根據(jù)該項目總平面圖的布置情況，在SketchUp軟件中將該項目高層住宅建筑按1∶1的比例建立室外通風幾何模型，如圖3所示。

圖2 住區(qū)效果圖

圖3 室外風環(huán)境分析幾何模型

本文在部分單體建筑底層設置完全架空區(qū)，架空面積均為該層建筑面積的100%，對無架空、S形架空、Y形架空、I形架空4種情況展開模擬分析，架空形式如圖4所示。

圖4 不同架空形式

2.2 模擬參數(shù)

合肥市位于夏熱冬冷氣候區(qū)，常年盛行風為東北到南向風，其年平均風速為2.35m/s，冬季盛行東北向風，夏季盛行南向風，具體參數(shù)詳見下表。

2.3 數(shù)學模型

考慮到高層住區(qū)內(nèi)部氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，流動為單項低速湍流運動，符合Boussinesq假設，本文采用在工程上最常用的k-ε模型進行模擬，該模型具有模擬計算耗時少、數(shù)值計算波動小且精度高等優(yōu)點[7]。

來流邊界條件：住區(qū)來流方向風速均勻分布，不同高度平面上的來流風速大小沿建筑高度方向遞減。模擬計算時來流風速按大氣邊界層理論采用來流面梯度風[8]。

出流邊界條件：文本假定出出流面上空氣流動已發(fā)展考慮，即空氣的流動已經(jīng)恢復到無建筑阻礙時的狀態(tài)，邊界條件按自由出口設定。

上空面及兩側(cè)面的邊界條件：文本模擬所選的計算區(qū)域較大，故上空和兩側(cè)的空氣流動幾乎不受建筑物的影響，因此可以設為自由滑移壁面。

建筑壁面及下墊層的邊界條件：建筑壁面及下墊面按靜止壁面設定，壁面采用無滑移條件，沿壁面切向流體速度為零。

3 模擬結(jié)果分析

本文以合肥為例，模擬分析夏季和冬季主導風向下，不同架空形式對點式布局高層住區(qū)風環(huán)境的影響。高層住區(qū)風環(huán)境的優(yōu)劣主要從室外人行區(qū)域風速及空氣齡兩個因素進行分析評價[9-10]。

3.1 夏季模擬結(jié)果分析

合肥市風環(huán)境條件

圖5 不同底層架空形式1.5m高度處速度云圖

如圖4所示為夏季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區(qū)室外1.5m高度處速度分布云圖。由圖4未架空工況可以看出該住區(qū)南側(cè)建筑對夏季自然通風遮擋明顯，并在建筑拐角處風速放大，形成“狹管效應”，使得住區(qū)各棟住宅背風面易形成無風區(qū)。由圖4中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，采用底層架空形式可使得建筑對自然風的遮擋效果減弱，建筑背風面1.5m高度處風速明顯提升，架空樓棟附近形成穿堂風，住區(qū)內(nèi)部人行區(qū)域風場均勻性得到明顯改善。S形架空、Y形架空的樓棟較為均勻，使得整個住區(qū)內(nèi)部風場均勻，I形架空，架空樓棟相對集中，易在住區(qū)北側(cè)出現(xiàn)局部風速過大的情況。

圖5所示為夏季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區(qū)室外1.5m高度處空氣齡云圖。由圖5中未架空工況可以看出該住區(qū)南側(cè)區(qū)域空氣齡較小，表明住區(qū)南側(cè)區(qū)域室外空氣較為新鮮，無風區(qū)較少，由南到北隨著各排建筑對自然風的阻礙作用，自然風在住區(qū)內(nèi)流動不暢，建筑室外空氣齡逐漸加大，住區(qū)北側(cè)空氣新鮮程度明顯降低。由圖5中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，采用底層架空形式使得自然風在住區(qū)內(nèi)部人行高度區(qū)域流動更為順暢，住區(qū)北部區(qū)域空氣齡過大的現(xiàn)象得到改善。

3.2 冬季模擬結(jié)果分析

如圖6所示為冬季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區(qū)室外1.5m高度處速度分布云圖。由圖6中未架空工況可以看出該住區(qū)東北側(cè)建筑對冬季自然風起到了遮擋作用，住區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域風速分布較均勻且風速適中，但住區(qū)南側(cè)建筑背風側(cè)有部分無風區(qū)，基本能避免冬季室外風速過大影響人體舒適度，并保持室外空氣流通，使空氣中污染物及時擴散。由圖6中S形架空、Y形架、I形架空采用底層架空形式的樓棟基本集中在住區(qū)內(nèi)部及南側(cè)，住區(qū)東北側(cè)迎風面建筑均未采用底層架空，所以采用本文三種底層架空方式未引起冬季冷風擴散的現(xiàn)象，同時改善住區(qū)南側(cè)風場均勻性。需要指出的是，I形架空，架空樓棟相對集中，易在迎風面出現(xiàn)局部風速過大的區(qū)域，沿架空住宅應加強喬木的布置，以免風速過大不利于冬季的防風節(jié)能。

圖6 不同底層架空形式1.5m高度處空氣齡云圖

圖7 不同底層架空形式1.5m高度處速度云圖

圖8 不同底層架空形式1.5m高度處空氣齡云圖

如圖7所示為冬季主導風向條件下分別采用未架空、S形架空、Y形架空、I形架空形式，點式布局高層住區(qū)室外1.5m高度處空氣齡分布云圖。由圖7中未架空工況可以看出該住區(qū)東北側(cè)區(qū)域室外空氣齡較小，表明東北側(cè)區(qū)域室外空氣較為新鮮，由東北到西南方向，建筑室外空氣齡逐漸增大，空氣的新鮮程度適中。由圖7中S形架空、Y形架空、I形架空工況可以看出，建筑室外空氣齡稍有減小，但變化不大，整體仍然呈現(xiàn)出由東北向西南呈現(xiàn)出逐漸增大的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文通過對合肥地區(qū)某點式布局高層住區(qū)分別采用S形、Y形、I形三種不同形式的架空方式進行模擬分析，得出如下結(jié)論。

①在合肥地區(qū)夏季S風向下，對于南側(cè)第一排住宅底層宜架空，架空部分應南北通透，利于自然風流動。在合肥地區(qū)冬季NE風向下，避開場地東北角建筑進行底層架空，利于建筑的防風節(jié)能。

②S形、Y形、I形三種不同形式的底層架空相較于未架空處理，住區(qū)內(nèi)部人行區(qū)域風場均勻性、空氣新鮮程度得到明顯改善，同時又兼顧了建筑冬季防風節(jié)能。

③I形架空處理易在自然風進入、離開住區(qū)處，出現(xiàn)局部風速過大的現(xiàn)象，建議沿架空住宅附近加強喬木的布置，以免風速過大不利于夏季的人行舒適性和冬季的防風節(jié)能。