鄰近高聳建筑對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響試驗(yàn)研究

沈煉，唐春朝，韓艷，汪闊，李春光，蔡春聲

(1.長(zhǎng)沙學(xué)院 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410022；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410076；3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，建設(shè)用地緊張的問(wèn)題愈發(fā)凸顯，越來(lái)越多的高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。這些高層建筑周?chē)鷼饬饕桩a(chǎn)生下沖、繞流、渦旋、穿堂等現(xiàn)象，從而引發(fā)人行高度風(fēng)環(huán)境不舒適性問(wèn)題[1]。目前對(duì)城市建筑風(fēng)環(huán)境研究的主要手段有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最能直接反映建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)分布，但由于測(cè)試周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力物力，從而得不到廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬可以精確顯示流場(chǎng)的詳細(xì)信息，受到了越來(lái)越多學(xué)者的青睞[2-5]，但不足的是，數(shù)值模擬因計(jì)算參數(shù)較多，其計(jì)算結(jié)果的正確性有待商榷，往往需要風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。近年來(lái)，風(fēng)洞試驗(yàn)由于具有實(shí)施方便、試驗(yàn)條件可控等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如關(guān)吉平等[6]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)群體風(fēng)環(huán)境干擾效應(yīng)做了研究，得到了高層建筑尾流區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的分布特性；Ricci等[7]基于風(fēng)洞試驗(yàn)得到了意大利文化區(qū)街道峽谷內(nèi)城市邊界層的演變過(guò)程；金海等[8]、王成剛等[9]、劉立創(chuàng)[10]分別通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，并對(duì)周?chē)娘L(fēng)環(huán)境舒適度進(jìn)行了定量評(píng)估。這些試驗(yàn)研究得到了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為日后數(shù)值模擬提供借鑒。但不足的是，這些研究主要針對(duì)單體建筑或理想排列建筑群，對(duì)實(shí)際小區(qū)新增高聳建筑后的風(fēng)環(huán)境研究還相對(duì)較少，加上現(xiàn)有小區(qū)風(fēng)洞試驗(yàn)研究采用的風(fēng)洞尺寸一般相對(duì)較小，風(fēng)洞壁與建筑模型相互影響，且當(dāng)前大多試驗(yàn)只模擬了小區(qū)核心位置，并沒(méi)考慮小區(qū)外圍建筑的邊界效應(yīng)，故很難精確、全面地捕捉小區(qū)流場(chǎng)信息。

當(dāng)獲取小區(qū)流場(chǎng)信息后，需對(duì)其風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，目前學(xué)者們還未達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，常見(jiàn)的評(píng)估方法主要有風(fēng)速比評(píng)估法、相對(duì)舒適度評(píng)估法和超越閥值概率評(píng)估法。風(fēng)速比評(píng)估法由于缺乏對(duì)行人感受的考慮，存在明顯的局限性。相對(duì)舒適度法[11]則是以人的舒適性需求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)人對(duì)風(fēng)的不舒適程度以及不舒適發(fā)生的次數(shù)進(jìn)行分級(jí)，其不足是人為主觀性因素太大，具有一定的不確定性。近年來(lái)，超越概率評(píng)估方法由于可同時(shí)考慮不舒適性、危險(xiǎn)度的閥值風(fēng)速，得到了廣泛應(yīng)用，如陳勇等[12]基于超越概率方法對(duì)不同評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得到了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)寬嚴(yán)程度；李朝等[3]基于超越概率對(duì)開(kāi)敞式大跨空間建筑進(jìn)行了分析；陳伏彬等[13]利用該方法對(duì)城市綜合體進(jìn)行了研究，取得了較好結(jié)果。雖然超越概率近年來(lái)多次運(yùn)用在小區(qū)風(fēng)環(huán)境的評(píng)估當(dāng)中，但利用超越概率方法分析高聳建筑影響的針對(duì)性分析還未曾報(bào)道。筆者針對(duì)當(dāng)前試驗(yàn)研究的不足，以長(zhǎng)沙通用時(shí)代小區(qū)為研究對(duì)象，利用大尺度風(fēng)洞(10 m×3 m×21 m)對(duì)有無(wú)高聳建筑的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行全方位、多工況試驗(yàn)研究，從而揭示小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)、豎向風(fēng)剖面與湍流度剖面的分布規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料利用超越概率方法對(duì)有無(wú)高聳建筑的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行定量評(píng)估，相關(guān)研究結(jié)論可供日后小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

1.1 大氣邊界層風(fēng)洞

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心進(jìn)行，如圖1所示，試驗(yàn)風(fēng)洞尺寸為10 m×3 m×21 m，風(fēng)速范圍在1.0～18.0 m/s可調(diào)，且風(fēng)機(jī)具有可變的扇葉角度，確保了低風(fēng)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為5.0 m，風(fēng)洞還安裝了二維移側(cè)架系統(tǒng)，可在風(fēng)洞橫向及豎向移動(dòng)風(fēng)速探頭。

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

1.2 風(fēng)速測(cè)量?jī)x器

在水平方向，采用歐文探針測(cè)量人行高度風(fēng)場(chǎng)，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中探頭直徑15 mm，在探頭中心開(kāi)槽，槽中心穿插一根直徑1 m中空鋼針(A端)，開(kāi)槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針(B端)。根據(jù)歐文探針原理可知，風(fēng)速與A、B端的壓差成正比關(guān)系。

圖2 歐文探針

(1)

其中：pA、pB分別為探頭兩端的風(fēng)壓；a、b為探頭的標(biāo)定系數(shù)；Uh為距離底面標(biāo)高h(yuǎn)處(即A端)的風(fēng)速；h對(duì)應(yīng)實(shí)際2 m高度處。

試驗(yàn)前需對(duì)探針進(jìn)行標(biāo)定，特制了一5 mm厚的鋼板，通過(guò)鉆孔固定探針，每個(gè)相鄰孔位間距為12 cm，如圖3所示。標(biāo)定時(shí)，采用眼鏡蛇風(fēng)速儀測(cè)量探頭頂部風(fēng)速，在4、6、8、10、12 m/s風(fēng)速來(lái)流下測(cè)得探針風(fēng)速與壓差的關(guān)系，如圖4所示。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)探針擬合系數(shù)均大于0.99，說(shuō)明風(fēng)速與壓差具有很好的線性關(guān)系。風(fēng)壓測(cè)量采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥，測(cè)量精度為0.06%，采樣頻率350 Hz，試驗(yàn)過(guò)程中采樣時(shí)間為1 min。

圖3 歐文探針標(biāo)定圖Fig.3 Calibration of Irwin

圖4 探針標(biāo)定系數(shù)Fig.4 Calibration coefficients of

豎向風(fēng)速測(cè)量采用澳大利亞TFI公司的Cobra 探頭(眼鏡蛇風(fēng)速儀)，該探頭能夠同時(shí)測(cè)量u、v、w三向壓力或風(fēng)速時(shí)程，風(fēng)速測(cè)量誤差小于3%，采樣頻率500 Hz，采樣時(shí)間為1 min。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)對(duì)象位于長(zhǎng)沙市，其航拍圖如圖5(a)所示，試驗(yàn)過(guò)程中，為消除周邊建筑對(duì)小區(qū)風(fēng)場(chǎng)的邊界效應(yīng)，模擬了小區(qū)外圍600 m半徑范圍內(nèi)的周邊建筑，縮尺比為1∶250，阻塞率小于5%，高聳建筑V立方大廈150 m(模型高0.6 m)，位于小區(qū)正北方，如圖5(b)所示。試驗(yàn)過(guò)程中布置了多個(gè)歐文探針，覆蓋了室外開(kāi)闊區(qū)域、廣場(chǎng)、人行道等場(chǎng)所，歐文探針布置如圖5(c)所示。

圖5 長(zhǎng)沙通用時(shí)代小區(qū)Fig.5 Changsha Tongyong Shidai

利用尖劈、粗糙元、橫桿模擬出C類(lèi)地貌，試驗(yàn)參考高度為1.6 m，風(fēng)速為8 m/s，入口平均風(fēng)速和湍流度的表達(dá)式分別為

(2)

(3)

式中：z為離地高度，模擬的風(fēng)速剖面和湍流度剖面如圖6所示。試驗(yàn)過(guò)程中，模擬了16個(gè)風(fēng)向角，間隔22.5°，風(fēng)向角通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)，其中0°、90°、180°和270°分別代表北風(fēng)、西風(fēng)、南風(fēng)和東風(fēng)，如圖7(a)所示。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)入口參數(shù)Fig.6 Wind tunnel test entrance

試驗(yàn)過(guò)程中，在小區(qū)內(nèi)部布置了64個(gè)歐文探針，對(duì)小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖7(b)所示。同時(shí)，對(duì)0°，90°，180°和270°風(fēng)向角作用下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行風(fēng)剖面和湍流度剖面監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)位置如圖7(c)所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of monitoring

1.4 試驗(yàn)工況

為獲取V立方大廈對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，對(duì)有無(wú)V立方大廈的人行高度風(fēng)進(jìn)行了多工況試驗(yàn)分析，并對(duì)典型工況下小區(qū)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)風(fēng)剖面與湍流度剖面進(jìn)行了詳細(xì)研究，各工況匯總?cè)绫?所示。

表1 模擬工況匯總Table 1 Summary of simulation conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對(duì)上述工況進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置的風(fēng)速時(shí)程，取平均后得到小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)、豎直風(fēng)剖面和湍流度剖面的詳細(xì)分布。

2.1 風(fēng)速整體分布

研究顯示，在大雷諾數(shù)作用下，流場(chǎng)的分布不隨入口風(fēng)速的變化而變化，即在對(duì)應(yīng)某一風(fēng)向下建筑物周?chē)鲌?chǎng)是相對(duì)固定的，定義風(fēng)速比MVR為

(4)

式中：Vi為i號(hào)測(cè)點(diǎn)行人高度平均風(fēng)速大小；V0為實(shí)際高度未受建筑干擾的來(lái)流平均風(fēng)速。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同風(fēng)向作用下小區(qū)行人高度風(fēng)速，限于篇幅，展示了0°、90°、180°、270°風(fēng)向下的風(fēng)速比云圖，如圖8所示。由于小區(qū)內(nèi)高樓錯(cuò)綜復(fù)雜，各樓棟之間又有相互干擾，使得內(nèi)部流場(chǎng)十分復(fù)雜。如0°風(fēng)向角下，9棟(如圖7(c)所示)西側(cè)、6棟周?chē)约?3棟東側(cè)風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的加速效應(yīng)，其原因是這幾棟建筑在來(lái)流風(fēng)向前方并無(wú)高大密集建筑遮擋，在高層建筑側(cè)邊形成了加速效應(yīng)。從圖中還可以看出，在有V立方情況下，1棟左側(cè)出現(xiàn)了明顯加速效應(yīng)，說(shuō)明V立方的建成改變了其周?chē)L(fēng)環(huán)境。90°風(fēng)向角下，“峽谷效應(yīng)”明顯，主要由于西側(cè)周邊建筑呈平行式排列且相對(duì)較高，構(gòu)成了一道人工的“街道峽谷”，風(fēng)匯合在街道導(dǎo)致風(fēng)速加大，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，如圖8(b)、(f)所示。180°風(fēng)向下，小區(qū)6棟、13棟轉(zhuǎn)角區(qū)域也出現(xiàn)加速效應(yīng)，但在9棟和11棟背風(fēng)面出現(xiàn)了明顯的低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速比接近于0。在270°風(fēng)向角下，由于建筑迎風(fēng)面積大，導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)整體風(fēng)速較小。整體而言，在有V立方時(shí)，小區(qū)1棟所在區(qū)域風(fēng)速比出現(xiàn)了顯著提升，說(shuō)明V立方在一定程度改變了附近區(qū)域風(fēng)環(huán)境。

圖8 不同風(fēng)向作用下小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)分布云圖Fig.8 Contours of wind field distribution of pedestrian height in different wind

2.2 人行高度風(fēng)環(huán)境

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)大廈周?chē)?00 m區(qū)域范圍內(nèi)有無(wú)V立方的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，如圖9所示。圖中不同顏色表示不同區(qū)域范圍的測(cè)點(diǎn)，其中，黑色、紅色和藍(lán)色分別代表0～100 m、100～200 m、200～300 m區(qū)域范圍，落在虛線右下角區(qū)域的測(cè)點(diǎn)表示有高聳建筑時(shí)該測(cè)點(diǎn)區(qū)域風(fēng)速大于無(wú)高聳建筑，落在虛線左上角區(qū)域則相反。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在0°風(fēng)向角下，由于來(lái)流方向前面并無(wú)密集建筑，小區(qū)內(nèi)風(fēng)速普遍較大，此時(shí)V立方位于小區(qū)正北方，影響最為明顯，在V立方附近100 m范圍內(nèi)多處出現(xiàn)加速效應(yīng)。在90°和270°風(fēng)向角時(shí)，小區(qū)位于V立方側(cè)邊，對(duì)小區(qū)內(nèi)的人行高度風(fēng)影響較小。在180°時(shí)，V立方大廈在小區(qū)的尾流區(qū)域，大于100 m位置風(fēng)場(chǎng)不受V立方影響。總體而言，新增V立方后，在0～100 m范圍內(nèi)人行高度風(fēng)場(chǎng)具有較大改變，且大部分測(cè)點(diǎn)風(fēng)速在有V立方時(shí)明顯大于無(wú)V立方時(shí)。

圖9 人行高度歸一化平均風(fēng)速比較Fig.9 Comparison of normalized average wind

為定量了解V立方大廈對(duì)小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)的影響范圍，引入均方根誤差(RMSE)評(píng)估有無(wú)V立方大廈小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)偏差，RMSE定義為

(5)

式中：ai、bi分別為工況A、B每一點(diǎn)的無(wú)量綱風(fēng)速比；N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目。4個(gè)風(fēng)向角作用下,不同范圍均方根偏差如表2所示，從表2可以發(fā)現(xiàn)，300 m范圍內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的RMSE值在0.2左右，說(shuō)明V立方對(duì)小區(qū)人行高度風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生了較大影響，通過(guò)分析4個(gè)風(fēng)向下RMSE值與距離的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，V立方對(duì)周邊的影響逐漸減小。

表2 不同范圍風(fēng)速比均方根誤差Table 2 RMSE of wind speed ratio in different range

V立方建筑位于小區(qū)正北側(cè)，0°風(fēng)向時(shí)，小區(qū)風(fēng)場(chǎng)受V立方影響最為顯著，對(duì)圖9(a)中3種不同距離散點(diǎn)圖分別進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)100、200、300 m范圍內(nèi)的擬合值分別為0.75、0.94、0.98，說(shuō)明高聳建筑對(duì)小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速造成了25%、6%和2%的加速作用。

2.3 風(fēng)剖面

在豎直方向，對(duì)小區(qū)內(nèi)部典型區(qū)域的風(fēng)剖面進(jìn)行了詳細(xì)探討，給出了不同來(lái)流風(fēng)向下測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖7(c))的無(wú)量綱平均風(fēng)速剖面，如圖10所示。對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)剖面指數(shù)進(jìn)行擬合，擬合值如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)剖面指數(shù)均大于C類(lèi)地貌風(fēng)剖面指數(shù)，說(shuō)明城市冠層相比規(guī)范的C類(lèi)地表具有更大的地表粗糙度，由于測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)12距離V立方較近，其風(fēng)剖面指數(shù)受建筑影響較大，其余點(diǎn)離V立方相對(duì)較遠(yuǎn)，風(fēng)剖面指數(shù)無(wú)明顯變化。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，在0.4 m(實(shí)際100 m)高度以下，風(fēng)速受地面及建筑物影響，其值要小于入口風(fēng)速，說(shuō)明地表粗糙度對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生了拖曳作用。當(dāng)高度達(dá)到0.6 m后，風(fēng)剖面指數(shù)的規(guī)律性逐漸明顯,并漸漸與入口風(fēng)速重合。在0°風(fēng)向下，由于V立方對(duì)來(lái)流的阻擋作用，1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速剖面略小于無(wú)V立方的情況；測(cè)點(diǎn)3由于距V立方相對(duì)較遠(yuǎn)，風(fēng)剖面曲

表3 風(fēng)剖面指數(shù)擬合值Table 3 Fitting value of wind profile index

圖10 不同風(fēng)向角風(fēng)剖面圖Fig.10 Wind profile of different wind

線與無(wú)V立方情況基本重合。在90°風(fēng)向下，測(cè)點(diǎn)4變化最大，因?yàn)樗幱赩立方的背風(fēng)側(cè)且緊鄰V立方；在180°風(fēng)向下，由于V立方大廈與鄰近建筑共同產(chǎn)生的狹管效應(yīng)，測(cè)點(diǎn)8風(fēng)速明顯大于其他測(cè)點(diǎn)，類(lèi)似現(xiàn)象也在270°風(fēng)向下測(cè)點(diǎn)12出現(xiàn)。

2.4 湍流度剖面

湍流強(qiáng)度也是風(fēng)環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)的重要影響指標(biāo)，其定義為湍流脈動(dòng)風(fēng)速均方根與平均風(fēng)速的比值，反映了風(fēng)速隨時(shí)間變化的程度。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)上述12個(gè)測(cè)點(diǎn)的湍流度剖面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖11所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在0.8 m(200 m)以下，各測(cè)點(diǎn)的湍流度剖面遠(yuǎn)高于入口湍流度剖面，再次驗(yàn)證了城市冠層具有較大的地表粗糙度。圖中大部分測(cè)點(diǎn)最大湍流度一般出現(xiàn)在0.35～0.4 m 位置處，該高度與小區(qū)建筑平均高度接近，說(shuō)明小區(qū)建筑頂部造成的剪切流區(qū)域是高湍流形成的主要原因。同樣，對(duì)測(cè)點(diǎn)的湍流度剖面進(jìn)行指數(shù)擬合，如表4所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，湍流度剖面衰減值要遠(yuǎn)大于規(guī)范值，說(shuō)明了規(guī)范所描述的湍流度剖面并不適用于建筑高密的城市小區(qū)，對(duì)其湍流度擬合值分析發(fā)現(xiàn)，4號(hào)與12號(hào)點(diǎn)相差較大，其余位置由于與V立方相隔較遠(yuǎn)，其值無(wú)明顯變化。

表4 湍流度剖面指數(shù)擬合值Table 4 Fitting value of turbulence profile index

續(xù)表4

圖11 不同風(fēng)向角湍流度剖面圖Fig.11 Profile of turbulence at different wind

3 小區(qū)風(fēng)環(huán)境超越概率評(píng)估

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

行人高度風(fēng)環(huán)境超越概率評(píng)估主要包括舒適性與安全度評(píng)價(jià)[14]。評(píng)估風(fēng)舒適度時(shí)取等效風(fēng)速閾值和峰值因子分別為VTHR=6 m/s和g=1；評(píng)估風(fēng)危險(xiǎn)度時(shí)，取等效風(fēng)速閾值和峰值因子分別為VTHR=20 m/s和g=3。風(fēng)速閾值主要用來(lái)界定人的不舒適和危險(xiǎn)，而不舒適與危險(xiǎn)的“度”則由可接受概率大小來(lái)評(píng)判，考慮陣風(fēng)的等效風(fēng)速閥值判斷形式為

Vg=V+gδV>VTHR

(6)

其中：V為行人高度平均風(fēng)速；g為峰值因子；δV為脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差；Vg為行人高度等效風(fēng)速；VTHR為不舒適或危險(xiǎn)閾值風(fēng)速。

利用超越閥值概率方法對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估時(shí)，不僅需要知道建筑周邊的流場(chǎng)分布，還需要知道當(dāng)?shù)爻Ｄ甑娘L(fēng)速、風(fēng)向概率分布函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)[15]，近地面某高度處各風(fēng)向角下的風(fēng)速均可以采用Weibull雙參數(shù)分布形式進(jìn)行表述，對(duì)于給定風(fēng)向θi下的超越概率計(jì)算表達(dá)式可表示為

(7)

式中：Pθi為θi風(fēng)向風(fēng)速超過(guò)VTHR的超越概率；Aθi為θi風(fēng)向的發(fā)生頻率；Cθi為θi風(fēng)向風(fēng)速概率分布函數(shù)的尺度參數(shù)；Kθi為θi風(fēng)向風(fēng)速概率分布函數(shù)的形狀參數(shù)。通過(guò)分析長(zhǎng)沙地區(qū)常年逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料，得到了長(zhǎng)沙城區(qū)16個(gè)風(fēng)向角作用下的Weibull分布參數(shù)，如表5所示。

表5 氣象觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)和威布爾參數(shù)估計(jì)結(jié)果Table 5 The statistics and Weibull parameters estimation of meteorological data

3.2 小區(qū)風(fēng)環(huán)境評(píng)估

建筑周邊的流場(chǎng)分布一般采用風(fēng)速比表示，評(píng)估過(guò)程中采用2.1節(jié)所述風(fēng)速比。由于試驗(yàn)建筑場(chǎng)地類(lèi)別為C類(lèi)地表，而氣象監(jiān)測(cè)站的風(fēng)速為B類(lèi)地表，因此，試驗(yàn)入口10 m高度風(fēng)速與觀測(cè)站10 m高度的風(fēng)速存在一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)，可表示為

(8)

其中：B類(lèi)梯度風(fēng)高度為350 m，粗糙度指數(shù)為0.16；C類(lèi)梯度風(fēng)高度為400 m，粗糙度指數(shù)為0.22。故建筑物場(chǎng)地中風(fēng)速閾值VTHR與觀測(cè)站的風(fēng)速VO,i,THR的關(guān)系為

(9)

將式(9)代入式(7)中，并就各風(fēng)向下等效風(fēng)速超越舒適度或危險(xiǎn)度閾值的概率求和，即可得到全風(fēng)向該區(qū)域風(fēng)速超越閥值概率，如式(10)所示。

(10)

基于上述理論對(duì)小區(qū)域測(cè)點(diǎn)進(jìn)行超越概率分析，得到各測(cè)點(diǎn)全風(fēng)向下行人不舒適和危險(xiǎn)閥值風(fēng)速超越概率云圖，如圖12所示。

圖12 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)超越概率云圖Fig.12 Contours of exceedance probability of each

采用Bottema評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其風(fēng)環(huán)境舒適度進(jìn)行評(píng)定，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于快步而言，當(dāng)超越概率低于10%為優(yōu)，10%～20%為中，大于20%為差。由圖12(a)、(b)可以看出，該小區(qū)的大部分區(qū)域行人風(fēng)舒適度等級(jí)為優(yōu)，在小區(qū)西側(cè)和東南側(cè)部分區(qū)域風(fēng)舒適度等級(jí)為中，主要原因是這些位置房屋相對(duì)較高，其樓棟朝向與長(zhǎng)沙地區(qū)盛行風(fēng)速一致。同時(shí)，在圖12中還可發(fā)現(xiàn)，有V立方時(shí)，在V立方后側(cè)超越概率值出現(xiàn)了明顯提升，其值達(dá)23%，評(píng)級(jí)為差，主要原因是V立方與1棟之間形成“峽谷效應(yīng)”，說(shuō)明此區(qū)域不宜人類(lèi)活動(dòng)。在評(píng)估危險(xiǎn)度時(shí)，Bottema標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超越概率只要大于0.05%就有一定危險(xiǎn)，從圖12(c)中可以看到，在有V立方情況下，測(cè)點(diǎn)3超越危險(xiǎn)閾值風(fēng)速概率為0.06%，說(shuō)明該區(qū)域有一定危險(xiǎn)，這也與風(fēng)舒適度評(píng)估結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在小區(qū)的其他區(qū)域，有無(wú)V立方危險(xiǎn)度超越概率最大值分別為0.013 8%和0.019 1%，遠(yuǎn)小于下限概率0.05%，說(shuō)明該小區(qū)其他區(qū)域不存在危險(xiǎn)性。同時(shí)，為定量獲取高聳建筑對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響，對(duì)小區(qū)內(nèi)64個(gè)測(cè)點(diǎn)的舒適度超越概率和危險(xiǎn)度超越概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖13所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，離V立方較近的1、2、3、15、16號(hào)測(cè)點(diǎn)，由于V立方的建成，使得該區(qū)域出現(xiàn)了廊道效應(yīng)，惡化了其風(fēng)環(huán)境，離V立方較遠(yuǎn)區(qū)域風(fēng)環(huán)境好壞無(wú)明顯變化。

圖13 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)超越概率Fig.13 Exceedance probability of each monitoring

4 結(jié)論

基于大尺度風(fēng)洞試驗(yàn)研究了高聳建筑對(duì)其周邊小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，獲取了小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的詳細(xì)分布，并基于超越概率對(duì)小區(qū)行人高度風(fēng)環(huán)境舒適性和危險(xiǎn)度進(jìn)行定量評(píng)估，獲得以下結(jié)論：

1)基于大尺度風(fēng)洞試驗(yàn)消除了風(fēng)洞壁對(duì)模型風(fēng)場(chǎng)的擠壓作用，在考慮外圍建筑對(duì)小區(qū)風(fēng)場(chǎng)的邊界效應(yīng)后獲取了小區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的詳細(xì)分布。研究顯示，小區(qū)建筑對(duì)平均風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生了拖曳作用，其內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)劇烈，風(fēng)剖面與湍流度剖面指數(shù)值均大于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有更大的地表粗糙度。

2)通過(guò)對(duì)有無(wú)高聳建筑作用下的小區(qū)平均風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑會(huì)顯著改變其鄰近區(qū)域風(fēng)環(huán)境，如高聳建筑對(duì)通用時(shí)代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速分別造成了25%、6%和2%的加速作用。

3)通過(guò)對(duì)小區(qū)人行高度風(fēng)環(huán)境進(jìn)行超越概率評(píng)估發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑較大程度改變了其附近區(qū)域風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度，如在增加高聳建筑后通用時(shí)代小區(qū)風(fēng)環(huán)境舒適度與危險(xiǎn)度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。