基于CFD的夏熱冬暖地區高校校園室外風環境模擬分析與設計優化
——以汕頭大學東校區項目（三期）規劃設計方案為例

郭嘉 李賢澤

1 華南理工大學建筑設計研究院有限公司

2 華南理工大學建筑學院

室外風環境是大學校園環境評估非常重要的一環，我國南方夏熱冬暖地區長夏無冬，夏季高熱高濕的氣候特點很大程度限制了學生的戶外活動。如何在校園規劃設計階段科學合理地利用室外空氣流動帶走多余熱量，提高行人級（1.5m高處）人體舒適度具有很高的研究價值。同時，通過對既有大學校園規劃設計理論研究和眾多校園規劃分析后發現，一個校園的規劃設計格局更多取決于校園自身的決定性因素，而風環境不作為影響校園規劃設計格局的決定性因素。所以，針對校園風環境的模擬研究應該在保證用地指標和校園整體規劃設計格局理念不變的前提下進行，這才會對提高校園風環境相關模擬研究方法的普適性有重要的實用意義。

1 項目概述

研究圍繞汕頭大學東海岸校區（三期）規劃設計展開，項目位于廣東省汕頭市華僑經濟文化合作試驗區東海岸新城塔崗圍片區，校區緊臨汕頭東外海灣。根據《民用建筑設計通則》（GB 50352—2005），汕頭地區為夏熱冬暖，夏季溫高濕重是普遍特點。校園前期規劃西側為教學區，東側為開放共享區，其間打造為校園中心景觀區（圖1，2）。規劃格局在設計之初就得到了校方的高度認可，也成為了貫通整個項目設計過程的核心理念。

1 校園前期規劃設計總平面圖

2 校園規劃分區示意

2 數值模擬及評價標準

2.1 計算標準及校園模型的建立

研究根據初期校園規劃設計方案，利用Rhino建模軟件建立整體校園模型，然后將模型導入Phoenics2015軟件中進行計算設置。根據《民用建筑綠色性能計算標準》（JGJ/T 449—2018）中關于物理建模的要求，將三期校園建筑群周邊1H～2H（模擬校園建筑群特征高度定義為H）范圍內的二期生活區部分樓宇也納入建模范圍，以提高模擬計算的準確性。

2.2 計算區域及網格劃分

網格的劃分與計算區域范圍的大小與計算結果的準確性有很大關系。本研究以模擬校園建筑群特征高度H，確定了模擬計算區域范圍，計算域尺寸為1 500m×1 500m×350m，滿足規范要求（圖3）。計算區域設定后，需要進行網格的劃分。為了節省計算時間并提高準確性，計算模型沿x、y軸方向采用了非均勻的漸變網格布置方式，網格膨脹率設置為1.2，最終形成外疏內密的網格布置結構（圖4）。

3 校園整體模型計算區域示意

4 網格劃分示意

2.3 邊界條件設置

研究中，夏季典型工況氣象參數參考《民用建筑綠色性能計算標準》附錄B：夏季盛行西南風偏西風（WSW），風速為3.3m/s。湍流計算模型采用標準k-ε模型，流入邊界條件符合高度方向上的風速梯度分布，其變化規律采用指數律作為風速剖面的表達式（式1）。由于校園區位屬于近海地區及城市郊區，場地較空曠且平坦，根據《民用建筑綠色性能計算標準》，風速梯度分布冪指數(α)取值為0.12（表1）。

式中：V為高度為Z處的風速，VR、ZR為標準高度10m處的平均風速和標準高度。α為地面粗糙度指數，項目位于近海地區，α值取0.12。

表1 風速梯度分布冪指數（α）

2.4風環境評價標準

我國目前還沒有關于風速標準的詳細規范，研究通過參考《綠色校園評價標準》（GB/T 51356—2019）、《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2019）、《綠色建筑評價技術細則》（GB 50378—2014），整理出以下行人高度的風環境重要評價標準：1）冬季典型風速和風向條件下，建筑物周圍人行區距地高1.5m處風速低于5m/s，戶外休息區、活動區風速小于2m/s，且室外風速放大系數小于2；2）夏季典型風速和風向條件下，校園場地內人活動區無渦旋或無風區。

此外，通過對Simiu E、吳恩融、鄒芳、葉青[1-4]等眾多學者的文獻研究及整理相關研究成果，本文將采取以行人風速相對舒適度（表2）和熱舒適度（表3）為主要判斷標準的判斷評價方法對模擬結果進行評判。同時，通過研究易曉列、沈建鈺[5-6]等人的文獻發現，在目前風環境評價體系中還有通過比較風速比（式2）指標來評價風環境是否優劣。相關研究人員認為由于在實際環境中，風速是不斷變化的，若以單一瞬時風速來評判風環境優劣存在局限性，因此引入風速比的概念，用于描述風速在建筑影響下的變化情況，反映風環境通風性能的優劣[7]。

R=風速比，Vs=測點風速，v=初始風速

Tetsu Kubotaa通過研究得到以下結論：室外的 R＞2.0時，過大的風速會使人感到不舒適；當R＜0.5時，該地區的風速太低，不利于氣體流動，進而對整個風環境造成不利影響[7]。

3 最初版規劃方案模擬結果分析

最初版規劃布局方案中，校園被分為教學區（校園西側科研教學組團）、開放共享區（圖書館、學習中心、師生活動中心組團）及中心景觀區。整體而言，在夏季主導WSW風向和3.3m/s風速的情況下，校區風速范圍為0.024～6.036m/s。除了在校前區的教學樓和行政辦公樓建筑轉角處風速達到了6m/s，校園大部分地區風速都處于5m/s以下，滿足行人安全需求。

此外，通過風速矢量分布圖（圖5b）分析，在教學科研組團背風面出現了較大面積的無風區和渦旋區（圖5b紅框內），圖5a中現狀風速云圖顯示一部分中心景觀區風速處于1.0m/s以下，其中部分區域（圖5a點1～4）風速小于0.3m/s，風速比小于0.5。按照人體熱舒適度與風速關系表，該區域屬于滯風區，行人基本感受不到空氣的流動。校園中心景觀區作為教學區與開放共享區的溝通紐帶，是校園師生重要的戶外交流活動場所，夏季時間長、溫高濕重的氣候特點勢必會影響在其中活動師生的熱舒適度，導致場所的使用頻率下降，不符合《綠色校園評價標準》中關于夏季典型風速和風向條件下校園場地內人活動區無渦旋或無風區的評價要求標準。

5 最初版規劃方案模擬結果

原始規劃布局出現這些不利的結果，主要是因為建筑布局方案有不太完善的地方，如教學區南部（圖5b箭頭處）兩棟科研教學樓間距偏小，導致整體中心景觀區迎風面開口偏小，致使無風區和渦旋區面積較大。

4 組團層級優化調整

4.1 幾何模型調整

針對不理想的模擬結果，需要對規劃布局進行優化。在不改變上層規劃理念及功能分區布局的大前提下，對校園規劃進行組團層級調整優化：1）在保證用地指標不變的情況下，取消原校園前廣場西側公共實驗教學樓，重新梳理教學區各建筑布局，結合用地指標調整組團建筑層數并根據相關規范和設計柱網關系調整各建筑間距，使得中心景觀區獲得更大的迎風區開口空間；2）開放共享區建筑整體往北移，將高層行政樓布局于校園最北側，從而退讓出校前區主入口廣場，調整后得到優化版規劃方案（圖6）。

6 優化版規劃方案

4.2 模擬結果分析

優化版規劃方案中，校園中心景觀區行人高度室外風環境對比最初版方案有了較大的改善，其無風區和渦旋區范圍明顯縮小（圖7a紅框處）。同時，根據風速矢量分布圖顯示（圖7b），在夏季主導風向下，優化后的中心景觀區形成了西南吹東北的良好通風通道（圖7b所示）。此外，由于將高層行政樓調整至校園場地北側，使得高層的風影區落在了校園用地范圍外側，減少了風影區在校園范圍的投影面積（圖7b紅框處）。

7 優化版規劃方案模擬結果

表2 行人舒適度與風速關系

表3 人體熱舒適度與風速關系

8 建筑單體調整后效果圖

9 剖面關系示意

10 優化版規劃方案模擬結果

5 建筑單體層級進一步優化調整

5.1 幾何模型調整

優化版規劃方案仍存在一些問題：1）教學區建筑群組團背風區在中心景觀區仍然形成了較大面積的無風區和渦旋區，普遍風速小于0.3m/s（圖7b點1～4）；2）各教學實驗樓單體建模未考慮形體的導風設計，而是形成簡單圍合封閉的“回”字形，導致各教學區建筑單體中庭模擬結果反饋均是靜風區。通過對郭衛宏、王婕[8-9]等文獻研究，建筑單體首層架空和形體立面開洞等設計手法均能有效引導自然通風，從而改善建筑樓群的風環境。以上均仍未達到《綠色校園評價標準》《綠色建筑評價標準》等規范規定的要求，因此需要從建筑單體層面進一步優化。

在保證建筑容積率和主要建筑形體不變的情況下，嘗試對教學實驗樓單體進行形體調整（圖8，9）：1）建筑主體總面寬由73m調整為63m，同時建筑主體位置西移；2）在原教學實驗樓主體建筑東側（容易產生背風區的區域）布置2層高的階梯教室、報告廳及共享游廊交通空間；3）在建筑形體的迎風面采取局部首層架空處理。

5.2 模擬結果分析

經建筑單體層級的進一步優化后，校園中心景觀區的風環境有了明顯改善，無風區和渦旋區已大幅度減少（圖10a紅框位置），整個校園形成了由西南向東北的良好通風通道（圖10b），中心景觀區風速大約1.01～3.01m/s，風速比0.3～0.91。同時，由于教學實驗樓的迎風面設計為首層局部架空，模擬結果顯示中庭內的靜風區明顯減少，風環境質量明顯有所提升。通過對模擬計算結果整體分析并按照行人風速相對舒適度和熱舒適度評估分類，師生們在夏季校園中心景觀區及其他重要室外活動場地都能獲得比較舒適且利于室外活動的風環境，證明了針對建筑單體層面的系列優化調整均有效。

6 結語

本文通過 CFD數值模擬軟件對汕頭大學東海岸校區（三期）規劃設計方案風環境進行仿真模擬，將模擬結果反饋校園規劃設計布局及建筑單體形體設計，從而在規劃設計階段有效預測并改善校園室外風環境質量，為其他夏熱冬暖地區校園規劃或改造設計、校園風環境優化及校園空間環境質量的提升提供重要的設計參考。

圖片來源

表1～3來源于《民用建筑綠色性能計算標準》；圖1～3，6，8，9為自繪；圖4，5，7，10為計算模擬軟件導出。