高層建筑底部區域行人風環境試驗研究

謝壯寧，盧 瑜，余先鋒

（華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州510640）

近年來，高層建筑底部區域的行人風環境問題日益受到關注。高層建筑的建成不可避免地改變了原空曠地塊的風場特性，可能對行人舒適度甚至行人安全造成不利影響。

行人風環境作為建筑周圍流場特性分析的一部分，近50年來取得了一些重要研究成果［1］。Wise［2］發現建筑迎風面部分高速氣流會從建筑上部沖擊至地面，造成建筑周圍行人高度處的風速增大，進而影響行人舒適度和安全性。Beranek和Van Koten［3］通過矩形截面建筑模型風洞試驗，分析了建筑周圍流場的三維特性，指出建筑周圍流場中風速受兩種壓力系統影響：第一種是由建筑迎風面駐點處高壓區向四周低壓區擴散，向下氣流在地面高度形成駐渦并在建筑角部位置增大原有風速；第二種是由于迎風面高壓區和背風面低壓區之間的壓差，使得建筑側面風速增大，氣流在近地面出現回流現象，導致靠近建筑背風面的兩側區域形成較大漩渦，從而增大了建筑角部風速。Tsang等［4］通過風洞試驗表明，截面更寬的單體建筑造成的遮擋效應更加明顯，低風速區域面積也更大，而更高的建筑有助于改善建筑周圍的風速過低而造成的通風不利問題。Quan等［5］等采用計算機數值模擬方法并結合Lawson風環境評價準則對某群體高層建筑風環境進行研究，結果表明在建筑角隅處5～10m范圍內的過大風速會對行人安全有潛在隱患。Mittal和Sharma［6］利用數值模擬和風洞試驗研究了建筑外角形狀及朝向對行人風環境的影響，研究表明建筑外角及朝向的合理設置有助于改善建筑周圍行人風環境，同時指出采用可實現的k-ε模型模擬結果中的高風速區域以及經修正湍流參數的標準k-ε模型模擬結果中的低風速區域與風洞試驗結果較吻合。

綜上所述，目前對建筑周圍行人風環境的試驗研究主要集中在由建筑影響造成的高、低風速區域分布，極少關注特定區域（如建筑周邊10m左右范圍）的行人風環境。事實上，建筑周邊10m左右范圍的特定區域是人們經常出入和活動最為集中的區域，其風環境評估是值得關注的重要問題。此外，風向角多以22.5°為增量進行設置［6-7］。隨著計算機軟硬件的發展，CFD（computational fluid dynamics）數值模擬逐漸興起并成為行人風環境研究的重要手段之一，然而為了兼顧計算資源和計算精度，通常采用RANS（Reynolds averaged navier-stokes）方法進行求解，在鄰近建筑區域的風速會因選取模型的不同而被過高或過低估計。

文中針對單個方形截面超高層建筑為研究對象，風向角采用10°為間隔進行多工況風洞試驗，研究建筑底部區域12m范圍內行人高度風速場分布，以期合理評估行人舒適度和行人安全。

1 風洞試驗概況

試驗是在華南理工大學的大氣邊界層風洞中進行的，行人高度處風速采用Irwin探頭測量，試驗設置見圖1。試驗模型幾何縮尺比為1：200，建筑模型高90cm，截面尺寸為15cm×15cm，最外側風速探頭距建筑模型立面為6cm，即模擬和測量高度為180m、截面尺寸為30m×30m的超高層建筑周圍12m范圍內的行人風環境。

圖1 風洞試驗設置Fig.1 Experimental setup

風洞試驗由兩部分組成：在不同風向角下，測量單體建筑模型底部目標區域各測點行人高度處的風速場；測量無建筑模型時，相應風向角下目標區域各測點的風速分布。在建筑周圍布置了44個歐文（Irwin）探頭，探頭的示意圖和布置圖分別見圖2a和圖2b。為防止Irwin探頭之間氣流相互干擾，探頭布置滿足縱向及橫向分別不得小于12d和4d的最小間距要求［8］。0°風向角方向如圖2b所示，初始來流由圖正右向左，風向角采用10°為間隔按順時針方向增大，試驗結果分析所用圖均采用此參考系。

圖2 Irwin探頭及其布置Fig.2 Irwin probe and its arrangement(unit:mm)

按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）模擬B類地貌的大氣邊界層流場，平均風速剖面和湍流度分布的模擬結果見圖3，圖中Vr為參考高度180m處的平均風速。

圖3 風場擬合結果Fig.3 Flow condition of approach flow:velocity profile and turbulence profile

測點處風速V值由Irwin提出的公式［9］進行計算如下：

式中：P1為高出地面探針測得的風壓值；P2為與地面平齊探頭測得的風壓值；α、β為系數，其值與Irwin探頭的構造、風場特性等因素有關，須在試驗前對探頭進行標定而得出。鑒于Cobra探頭具有測量風速精度高，正常使用無需校準等優點，將它用于對本次試驗Irwin探頭進行標定，標定的過程參照有關文獻［4，8，10］。現有文獻及本試驗標定的系數見表1。

表1 系數α和β的標定Tab.1 Calibration on the coefficients α and β

試驗采用PSI公司的Measurement系統進行同步瞬態風壓測量，采樣頻率330Hz，采樣時長約62s。參考高度處平均風速為10m·s-1，無建筑模型時Irwin探頭測得風速約為5m·s-1。

2 試驗結果分析

2.1 加速比分析

由于建筑模型及測點布置的對稱性，僅在0°～90°風向角范圍測得了有、無模型情況下的行人高度處風速場。引入加速比K以表征建筑物的存在對周圍行人高度處風速的影響，加速比［12］定義如下：

式中：Vw表示存在建筑時測點i處的風速；Vn表示不存在建筑時測點i處的風速。Ki值大于1，說明建筑的存在對該測點處風速有加速效應，反之則為減弱效應。

圖4給出了0°～80°風向角下K值的等值線分布，通過對等值線圖進行編程識別可得加速區域的面積。從圖4可知：各風向角下最大加速比Km約為1.9，均出現在建筑背風面的角隅附近，說明該區域受建筑影響而產生的加速效應最為明顯，且Km與風向角無關，因此高層建筑應避免在建筑角隅附近設置出口，并對該區域行人活動加以提醒或限制；風向角為0°時，加速區域面積約為68%，而風向角為40°及50°時分別為36%和37%，即45°風向角附近的加速區域面積大于0°風向角下的結果，這與前人試驗結果［7］（其研究范圍大于本試驗的12m區域）是不同的。

2.2 平均風速比分析

風環境評價準則多以平均風速值作為閾值劃分行人在不同活動下的舒適度及安全性［13-14］。測點i處平均風速比RM定義為

式中：Vi和Vr分別為測點i處和參考高度處的平均風速。由于不同規范及評價準則中參考風速和閾值風速的選取不盡相同，文中以屋頂高度處平均風速作為參考風速。分別取風速7.6m·s-1和1.5 m·s-1作為“不適”及“通風不利”的風速閾值［15-16］，即當RM大于0.75為不適，小于0.15為通風不利。不同風向角下，目標區域的RM值變化如圖5所示。由圖可見，各風向角下，建筑背風面角隅位置RM值均出現大于0.75的情況，說明此區域風速過大，是風環境不利位置，這與加速比分析結果是一致的。

圖4 不同風向角下K值分布Fig.4 Distribution of the K value under different wind direction angles

為進一步表征“不適”和“通風不利”區域的相對范圍大小，分別以RM大于0.75和小于0.15的面積與研究區域面積的比值R1和R2作為判斷標準。R1和R2值隨風向角變化如圖6所示，從圖中可以看出，各風向角下75%以上的面積風環境處于可接受范圍。在0°～10°及80°～90°范圍內，R1值較大，即風向與墻面近乎正交時，由于風速過大容易引起行人“不適”。在20°～70°范圍內，R2值較大，即斜風向較正交風向更易導致空氣污染物擴散不利，所幸的是R2值僅為9%左右，風速過小造成的“通風不利”對單體建筑風環境的影響有限。總體上來看，不同風向角下高、低風速區域的相對面積變化情況相反，但二者之和（約為25%）大致相同。

2.3 強風對行人的影響

瞬時強風同樣會影響行人的舒適度，因此風環境評估應考慮陣風效應。下文將以陣風等效平均風速VG對風洞試驗結果進一步分析。陣風等效平均風速的概念由Lawson提出［17］，取“平均風速”與“3s陣風風速除以1.85”中較大的值作為等效陣風風速VG。

文獻［4］指出建筑周圍行人高度風速具有非高斯性，因此本文將采用“最值平均法”［4］求出等效陣風風速VG，主要步驟如下：對同工況多次測量，獲得多個獨立樣本；分別求出各樣本中出現的最大風速值；對上述最大風速值取平均作為等效陣風風速。

參考平均風速比的定義，將等效陣風風速VG與參考高度平均風速Vr的比值稱為等效陣風風速比，用以劃分由強風導致的行人不適的區域。采用Lawson風環境判別準則［17］對風環境舒適度進行評價，以陣風等效平均風速10m·s-1，年超越概率5%作為行人快步行走舒適與否的界限。

以廣州為例，通過NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）記錄的2007—2016年廣州氣象資料，經統計可得各風向Weibull參數，見表2。

結合二參數Weibull概率分布公式，則

圖5 不同風向角下RM值分布Fig.5 Distribution of the RM value under different wind direction angles

圖6 高、低風速區相對面積隨風向角的變化Fig.6 Relative area ratios of high and low wind speed zones varies with the wind direction angles

式中：i=1，2，3...16，為16個氣象角；P為i方向上風速大于Vo的出現概率；α(i)是i方向上的風頻；c(i)和k(i)分別由對應風速頻率求出。經計算得出，在16個氣象角下10m參考高度具有相同年超越概率的風速為5.64m·s-1，則等效陣風風速比值大于1.7可認為是出現瞬時強風速。

表2 廣州各風向Weibull參數值Tab.2 Weibull parameters at each inflowing directions of Guangzhou

Downwash（下洗）效應是指在大氣邊界層中，當氣流經過建筑時會受到干擾，使得部分高速氣流自建筑上部下沖至近地面高度處，造成建筑周圍行人高度處風速增加的現象。圖7顯示了強風引發不適的潛在區域隨風向角變化的情況，最大VG出現的位置在：迎風面建筑角隅位置（0°風向角）；背風面建筑角隅位置（80°風向角）。當風向角為0°時，出現瞬時高風速區域的面積最大，相對面積約為14%；當風向角為80°時，相對面積約為13.55%，二者相差不大，可以認為是迎風面下洗效應形成的駐渦與繞流在角隅位置共同作用產生的；當處于其他風向角下，下洗效應減弱，建筑遮擋效應增強，其中在40°及50°風向角時，等效陣風風速比值小于0.8的面積較大，分別約為10.2%和8%；除0°及80°風向角外，其余各風向角下等效陣風風速比均小于1.7，總體上看風環境受強風影響不大。

圖7 不同風向角下等效陣風風速比分布Fig.7 Distribution of the normalized gust equivalent mean speed ratio at different wind direction angles

3 結論

通過改進的Irwin探頭和風洞試驗，詳細研究了超高層建筑底部區域12m范圍內的行人高度風速場分布，主要結論如下：

（1）各風向角下的最大加速比Km大致相等，約為1.9，均出現在建筑背風面的角隅位置，Km與風向角無顯著關聯；平均風速比大于0.75的區域也出現在建筑背風面角隅，此處易引起行人風環境不適。

（2）各風向角下，約75%面積內的風速處于可接受范圍。在與墻近乎正交的風向角下，平均風速比RM超過閾值0.75的相對面積比最大，應當重點關注Downwash（下洗）效應造成行人高度處風速增大的影響；在斜風向20°～70°范圍內平均風速比RM低于閾值0.15的相對面積比面積較大，對空氣污染物擴散不利，但相對面積僅為9%左右，風速過小造成的“通風不利”對單體建筑鄰近區域風環境的影響有限。

（3）最大等效平均陣風風速VG主要出現在建筑的迎風面和背風面角隅位置，高層建筑應當避免在建筑角隅附近設置出口，并適當對該區域行人活動加以提醒或限制。

需要指出的是，上述研究結論僅適用于方形截面的單體超高層建筑，是其他截面形式以及復雜周邊干擾環境下超高層建筑行人高度風環境研究的基礎。