西安地區下沉式廣場風環境研究
——以幸福林帶下沉式廣場為例

陶 鈺 狄育慧 蔣 婧

（1.西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048；2.西安建筑科技大學西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710055）

0 引言

隨著我國城市空間不斷向立體化演進，地下空間的開發已成為國際上正在興起的穩步發展趨勢。下沉式空間作為一種新型的城市公共空間，是聯系地下空間和地上空間的節點空間，是二者功能轉換的紐帶。下沉式公共空間的開發已經成為一種勢不可擋的趨勢，極大地豐富了城市公共空間，對城市建設具有重要意義[1-4]。

國外下沉式建筑已經發展到了相當成熟的階段，國內下沉式建筑的發展比國外晚了半個多世紀。LI C G 總結了城市地下空間利用的成功經驗提出了如何將地下空間作為擴大區域城市功能影響的重要手段并加以治理的建議[5]，Li W 等著重分析了國際地下商業空間開發的優點與不足[6]，楊釗針對城市下沉式廣場的現狀與問題提出現階段城市下沉廣場空間的空間構成及空間環境要素的設計方法[7]。黨春紅等以西安幸福林帶項目為例，從人性化、舒適度、全齡化方面展開研究，為其他下沉式商業街的理論研究和實踐設計提供借鑒[8]。另一方面，城市風環境作為城市微氣候的主要組成部分，是影響室外空間熱舒適度感知和城市熱島效應的重要因素[9,10]，而位于地下的公共空間由于受氣候、建筑結構、建筑周圍的微環境的影響[11-13]，了解這類空間的風環境特征以及對其進行科學的調控就顯得尤為重要。

現有理論研究雖然指出下沉空間在城市立體化發展中的重要性，但大多研究仍是從建筑學或城市規劃學的角度對下沉空間本身的研究，缺乏從室外街區風環境角度對下沉式開放空間的研究。下沉部分具有活躍的自然通風，能夠及時補給新鮮空氣，順暢排除污染物，促進地下空間的生態環境質量。為了滿足人類對優質公共空間環境氛圍的追求，有必要對該類型空間的風環境進行研究。本文以西安市幸福林帶下沉廣場為研究對象，采用計算流體力學（CFD）方法對其風環境進行數值模擬，比較不同下沉高度對下沉廣場內風環境的影響，對了解和改善下沉式開放空間的風環境具有實際意義。

1 數值模擬

1.1 物理條件

依據西安市氣象局對西安市2020年氣候數據統計可知，西安地理位置為東經107.40～109.49，北緯33.42～34.45 度之間。年平均氣溫約為13.6℃，年平均濕度約為69.6%，年平均風速為2.0m/s，全年盛行風向為東北風。

1.2 模擬工況

研究對象為西安市碑林區幸福林帶C-2 段下沉式廣場，三維模型如圖1所示。廣場下沉面積793.5m 。廣場建筑尺寸為37.8m×22m×3.5m（長×寬×下沉深度）。在設計下沉廣場時，下沉高度是否合理，直接影響到地下空間的自然通風效果。考慮到地下空間施工困難，而且一般地下建筑對高度都有相對要求（不能太高），所以本文中對下沉廣場高度變化時，分別選取常見的下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 三種工況進行分析。

圖1 下沉廣場三維模型Fig.1 3D model of sunken square

1.3 確定計算域

由于建筑物室外風環境屬于繞流問題[14]，針對此類問題，選擇合適的室外流場計算域可以很好的反映出建筑物周圍的流場特性。在確定合適的計算域前，首先考慮所選區域的阻塞率受到建筑物的影響不得大于5%，這里阻塞率指的是建筑物順風向投影的面積與計算域該方向的面積比值。由于目前各種文獻中對計算區域選取大小還沒有統一規定，本文選取計算區域時結合相關資料[15]，確定模擬計算域的大小為：長度×寬度×高度分別為原下沉廣場的4 倍、7 倍、4 倍。則計算域定為：長×寬×高=160m×150m×14m，其中來流入口與建筑物迎風面間距為3 倍的建筑物高度，出口與建筑物背風面間距為6 倍建筑高度。

1.4 數學模型及邊界條件

本文采用標準κ-ε模型進行模擬計算，室外風場來流邊界條件的確定主要由來流的速度分布、風向、湍流強度和湍流耗散決定[16]。由于受到近地面粗糙度的影響，來流風會在與地面垂直的高度方向上產生速度梯度與速度邊界層，其速度分布的特點與距離地面高度、地面粗糙度有關[17]。一般表述速度邊界層這一分布特性的函數有對數邊界層分布函數法與指數邊界層函數法，本文參考了ASHRAE手冊中給出的指數邊界層函數法對入口來流速度來進行定義，其表達式為式（1）：

式中，Vh為任意高度處的風速，m/s；Vref為參考高度處的風速，一般指氣象資料中給出的風速值，m/s；Href為對應參考風速的高度，一般指氣象臺的測量高度，通常這個高度為10m；H為對應Vh的任意高度，m。

我國建筑結構荷載規范GB 5009-2001 按地面粗糙度將地貌分為四類，從西安地理氣候特性來看，西安全年平均風速為2.0m/s，模擬的下沉廣場位于城市市區，粗糙度取0.22，使用UDF 編程對入口速度邊界條件進行定義。本文風速采用2.0m/s，全年盛行東北風，風向趨于穩定，所以本文在風向選取上采用定風向穩態模擬，在建立模型時將下沉建筑與來流方向成一定角度（45°）。本模型上空面、兩側面設置時對其采用Symmetry 邊界條件，地面及建筑物表面設置為Wall 邊界條件，出流面邊界條件選擇Pressure outlet，在建模時計算域內采用四面體非結構化網格，下沉廣場構造模型的網格劃分如圖2所示。

圖2 模型網格劃分Fig.2 Model grid division

2 模擬結果及分析

2.1 三種下沉高度風壓分布

圖3為不同下沉高度下（3.5m、4.5m、5.5m），下沉廣場風壓分布狀況詳圖，其等值線間距為022～0.23Pa。從圖3可以看出，通過模擬得到的室外風場的模擬結果流場符合一般的流場規律，即建筑迎風面均出現正壓，背面和廣場入口一般出現負壓，且由于氣流在背風面出現了一定的分離，產生了一定大小的渦流；下沉廣場入口處及背面渦旋區始終出現為負壓。對于本文研究的下沉區域，廣場內正風壓區域都呈現出中間大、兩端小的變化趨勢。其壓力分布有正壓和負壓，這是由于建筑物與來流風向成一定角度，背風面局部地區帶有一定渦流。隨著下沉高度的增加，下沉區域靠近入口處的正壓區域增大，背風和下沉入口區域渦旋區域減小，當下沉高度為5.5m 時，局部正壓比下沉高度3.5m、5.5m 都要大；綜合來看，下沉廣場在三種下沉高度下前后壓差基本處于3～4Pa 之間，有利于下沉廣場內建筑自然通風的引入。

圖3 三種工況下風壓分布云圖Fig.3 Cloud map of wind pressure distribution under three operating conditions

建筑物不同表面間的風壓差是形成建筑內自然通風的主要驅動力，在整個下沉廣場建筑風壓圖中選取下沉區域迎風面最大風壓區最大風壓、下沉區域迎風面側面正壓區最大風壓、下沉區域迎風面部分負壓區最大負壓，沿截取壓力點再對下沉區域建筑兩側壓差進行分析。下沉區域不同下沉高度各截面的風壓差變化如圖4所示。從圖4可以看出，對于下沉區域建筑迎風面來說，隨著下沉高度的增加，下沉廣場內的風壓差增大，說明下沉高度越大，越有利于自然通風。對于建筑迎風面側面來說，隨著下沉高度的增加，下沉廣場內的風壓差呈先增大后減小的趨勢，最大值出現在4.5m 下沉高度處，說明下沉高度有一個最適值，超過最適值再增加下沉高度，下沉區域內建筑自然通風逐漸變差。對于迎風面部分負壓區來說，隨著下沉高度的增加，下沉廣場內的風壓差逐漸減小，原因是廣場內負壓區隨著下沉高度的增加壓力在增大，前后壓差減小。綜上，增加廣場下沉高度有利于下沉區域建筑的自然通風，特別是加大迎風面的下沉高度。

圖4 三種工況下不同立面壓差Fig.4 Different fa?ade pressure differentials under three operating conditions

2.2 人行高度區域速度流場

圖5表示了三種不同下沉高度下距地面1.5m截面處的速度場，此水平區域為人行區，是人們經常活動最能感知的范圍和整個微氣候區域最關鍵的區域，國內外很多學者對“人行高度區”內風速大小引起的行人不舒適性等問題做了大量研究，通過大量的測試及調查統計得出表1的關系[18]，結合表1對下沉廣內人行區舒適性進行評價。

表1 室外風速與舒適度評價Table 1 Outdoor wind speed and comfort evaluation

圖5 三種工況下風速分布云圖Fig.5 Wind speed distribution cloud map under three operating conditions

由圖5結合表1可以看出，下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 時，距地面1.5m 截面速度分布基本都在2m/s 以下，下沉廣場內最大風速出現在下沉區域入口樓梯底部與來流風向成45°夾角，貼近下沉區域起始端的地帶，相鄰間隔區域風速呈小范圍增長趨勢，滿足人的舒適性。進一步分析可知，在廣場內風速較大區域，下沉高度為3.5m 時形成較明顯的渦旋區，且漩渦數量比4.5m、5.5m 都要多，但渦流區域都很小，速度變化基本控制在0.2m/s以內；下沉高度為3.5m、4.5m 時，距地面1.5m 截面速度均大于5.5m 時的速度分布，但均滿足人的舒適性，最大風速也都出現在下沉區域入口樓梯底部與來流風向成45°夾角，貼近下沉區域起始端的地帶；這兩個工況與5.5m 比較，其渦旋區范圍要大，但密度較小，速度增長趨勢較為平緩。下沉高度3.5m 與4.5m 比較而言，下沉高度為3.5m 時，距地面1.5m 處風速分布平均值更大，吹風感會更強烈，但局部產生的較大風速會對人產生不適影響。

從圖5中可以看出，三種不同下沉高度的速度場均符合一般流場規律，即隨著下沉高度的變化，下沉區域會形成不同大小的渦流區，但區域的面積不是很大，密度也較小。引起下沉區域渦流區的原因是，近地面的風吹向周圍建筑表面，由于地面形狀的變化，一部分風沿下沉高度方向向下運動，且受到墻體壁面的沖擊導致回流。綜合來看，通過合理的下沉高度能夠改善地下空間通風環境，下沉高度為4.5m 時，下沉區域人行高度風速適宜，建筑自然通風效果最好，但也應避免下沉廣場內由建筑自然通風帶走的污染物在過大的渦旋區堆積，直接降低廣場內空氣品質。

3 結論

以西安地區幸福林帶下沉式廣場為研究對象，對廣場風環境進行數值模擬。通過對下沉式廣場的風壓云圖、速度云圖分析了這種建筑形式三種下沉高度工況的改變對下沉廣場風環境的影響；通過改變下沉高度，截取各立面前后壓差分析不同下沉廣場高度下下沉區域建筑的自然通風潛能。通過上述研究的內容得出了以下結論：

（1）下沉式廣場這種建筑形式下沉高度的改變并不影響流場的一般特性。

（2）當下沉式建筑與來流風成一定角度時，增加下沉廣場的高度，廣場內迎風面正壓區增大，背風面渦旋區域增大。

（3）改變下沉高度的速度場，來流風在建筑迎風面下沉區域都會形成一定大小的渦旋，應避免下沉廣場內由建筑自然通風帶走的污染物在過大的渦旋區堆積，降低廣場內空氣品質。

（4）對于建筑迎風面來說，隨著下沉高度的增加，廣場內的風壓差在增大，有利于下沉區域建筑的自然通風。對于建筑迎風面部分負壓區來說，隨著下沉高度的增加，廣場內的風壓差在減小。

（5）下沉高度為3.5m、4.5m、5.5m 時都能滿足人行高度區的舒適性。