基于CFD模擬的湖南湘雅醫院室外風環境優化★

舒 陽,陳哲敏,董賀軒

(1.武漢大學城市設計學院，湖北 武漢 430000; 2.華中科技大學建筑與城市規劃學院,湖北 武漢 430000)

1 背景與問題

醫院作為城市空間中重要的傳染源聚集區，其室外環境小氣候對患者、醫護人員乃至城市居民的生理和心理健康都具有較大影響。特別是當前新冠疫情在國際范圍內持續蔓延的大背景下，營造更健康的醫院室外風環境，減少污染物集聚、降低呼吸道疾病傳播風險，對健康城市建設具有重要意義。 本文將以流體力學為理論基礎，利用CFD模擬技術對湖南湘雅醫院進行風環境模擬分析，重點分析醫院室外空間風環境，針對易引發污染物集聚的現狀突出問題，提出相應的空間設計優化策略。

2 研究方法及框架

2.1 CFD模擬技術應用

CFD(Computational Fluid Dynamics)即計算流體動力學，是一種將流體流動的數值進行模擬，并將結果用計算機圖形學技術形象直觀地表示出來的技術。該技術自1974年起被大量應用于制造業領域，近年來更被廣泛應用于建筑環境的模擬研究工作，并取得了長足發展。CFD技術最初被運用于建筑單體的風環境模擬，如BERT B.，CARMELIET J.，STATHOPOULOS T.(2007)利用計算流體動力學評價建筑墻體粗糙度對風速的影響[1]；后期隨著技術的愈發成熟逐漸被用于建筑群及更大范圍的城市空間的風環境模擬，如Azli Abd Razak(2013)通過模擬建筑物陣列上的氣流來評估城市風環境[2]；近年來更與人工智能相結合提升模擬精度，如田中秀行(2019)通過風環境模擬的計算優化與機器學習，更精準預測并緩解高層建筑周邊局部強風[3]。

在國內研究中，CFD技術在建筑風環境的模擬應用也已從最初的室內風環境模擬向更復雜的室外風環境模擬發展。但目前室外風環境模擬的研究范圍還集中于城市街道、住區等的污染物模擬與布局優化研究，例如在城市尺度上蔣德海(2006)對城市街道峽谷空間氣流和污染物分布進行數值模擬[4]；街區尺度上陳偉、梁境(2011)對某小區建筑風環境進行模擬分析研究[5]，朱蕾(2014)對城市商業街的可吸入顆粒物進行擴散模擬并提出街區空間布局優化方案[6]；建筑單體方面姚佳偉、黃辰宇等(2021,2019)對建筑室外風環境綜合評價方法的研究[7]等。利用CFD技術專門針對醫院等重要公共建筑室外風環境的模擬研究目前還十分有限。特別是對醫院建筑的風環境模擬主要還集中于室內風環境，且多應用于醫院綠色建筑設計策略及評價中，如彭德健(2012)、張旻(2016)分別對廣東和太原的醫院綠色建筑進行了風環境模擬[8-9]。但是縱觀以往的研究發現利用CFD模擬分析優化醫院室外風環境、減少污染物集聚的相關研究鮮而有之，特別是在對院區室外風環境問題的整體把握和梳理，從模擬分析到空間優化策略生成的系統方法方面亟待更有針對性的深入研究。

2.2 CFD模擬軟件工具

對院區的室外風環境模擬，擬采用整個工作流程以Rhino平臺進行現狀重建及方案優化，調用OpenFoam模擬，ParaView對結果進行可視化的方式，此流程能在方案修改的同時，同步模擬，并對優化方案進行快速準確的可視化呈現。

OpenFoam相對其他主流CFD商業仿真軟件如Fluent，Phoenics，是一個免費的開源軟件，同時，其SnappyHexMesh功能能對分析網格進行六面體劃分，更好的貼皮分析網格，確保分析的精確性，同時OpenFoam支持多核心并行計算，縮短模擬時間，由于OpenFoam以代碼編譯，無可視化的窗口界面，存在著初學者不易上手的問題。

2012年由賓夕法尼亞大學的Mostapha基于Rhino的grasshopper平臺上開發了Ladybug套件，使用戶在Rhino計算機輔助設計軟件上能直接調用OpenFoam，在保持OpenFoam優勢的前提下，面向設計師方案階段的可視化編程方式進一步減少使用者學習難度，同時具備同步參數修改和同步模擬能力。ParaView是一款開源的可視化軟件，能將CFD結果進行可視化表達，可以處理數十億個非結構化單元，并處理超過萬億個結構化單元，使用ParaView能快速清晰呈現模擬結果。

2.3 研究框架

研究框架圖見圖1。

3 CFD模擬分析

3.1 區域風環境特征

長沙位于亞歐大陸東南部，其地域范圍為東經111°53′～114°15′,北緯27°51′～28°41′。由于長沙處于東亞季風氣候區西側，其氣候為具有大陸性特點的亞熱帶季風濕潤氣候，夏季潮濕悶熱，冬季陰冷。風向特征主要表現為平均風速2.3 m/s，主導風向為西北風135°。由于城市發展的歷史原因，中心城區中破舊的兩三層老建筑與百米高層建筑并存，各街區風熱環境現狀復雜。

3.2 醫院場地概況

中南大學湘雅醫院(Xiangya Hospital of Central South University)始建于1906年，如圖2所示醫院位于湖南省長沙市市中心開福區。院區東臨城市主干道芙蓉中路，西鄰蔡鍔北路，南接留芳嶺巷，北靠湘雅路。醫院周邊居民區環伺，公共建筑林立，所處城市環境復雜，區域內建筑高度差異大，建筑密度高，建筑間距較緊迫。

醫院由西北部老院區和東南部新院區組成，如圖3所示院區內新老建筑并存，總建筑面積51萬m2，老院區北側為湘雅紅樓多層建筑群，陸續建于1915年—1955年，現已被列入第八批全國重點文保建筑，目前主要用于行政用房、兒科病房和部分門診；南側為外科樓和多層集體宿舍；另有一棟高層教學科研樓于2018年建于場地西南角。新院區則主要由多棟高層綜合醫療樓相互連接而成：北側為門診大樓及A，B，C三棟綜合醫療樓，南側為南區大樓及D，E兩棟綜合醫療樓。院區主要患者入口通道和對外公共活動空間集中在場地東北角的門診廣場、新舊院區中間區域和東側醫技樓入口區域。

3.3 室外風環境模擬及現狀問題

3.3.1 劃定重點研究區域

根據醫院建筑的布局特征以及風與氣懸污染物之間的關系，此次對醫院室外風環境的研究重點集中于門診廣場及各就診主入口、各主樓之間以及傳染病科室周邊，具體包括以下三個區域：第一是圖4中以門診廣場為代表的各門診主入口，因其特殊的地理位置及功能屬性，極易產生人流聚集，亦是多類細菌污染物發生交叉感染擴散的主要場所；第二是圖5中的外科老干樓前后區域，這里是免疫力較薄弱人群的高頻活動區，該區域對污染物的快速消散的要求更高；第三是圖6中的傳染病科室周邊區域，作為院內傳染源最密集的區域，其周邊特別是下風區，是醫院室外污染物最易集聚的區域，應予以重點關注。

3.3.2 建模與模擬

根據地塊測繪資料及無人機三維傾斜攝影在Rhino建模軟件中重繪場地，在grasshopper平臺上啟用butterfly插件，基于長沙的氣候特征，以135°西北風為主要風向，2.3 m/s 為初始測算風值，構建風洞，風洞尺寸為1 200 m×1 200 m×300 m，開啟SnappyHexMesh貼皮網格(細化網格)對Rhino模型自動進行六面體表面貼合細化，采用雷諾平均模擬，穩態不可壓縮模型求解器，迭代次數4 000次，對醫院進行室外風模擬分析，模擬結果使用Paraview進行可視化。

3.3.3 劃定重點研究區域

對上述模擬結果進行分析梳理，發現易造成院區污染物集聚的室外風環境突出問題主要包括靜風區、區域漩渦和缺乏有效通風廊道三方面，具體分析如下：

1)靜風區問題。

在Paraview軟件調整Clip至Z軸1.5，顯示人行高度1.5 m處風環境情況，模擬結果顯示老院區由于建筑布局不合理，建筑尺度失衡等問題，成為靜風區產生最頻繁的區域。如圖7 所示其中院區的門診廣場，易產生人流集聚效應的各就診和檢查大樓主入口存在多處靜風區，其中1號區域住院部入口及前廣場風速約為 0.3 m/s；2號區域急診入口前廣場風速約為0.5 m/s,6號區域手術日間病房入口風速約為 1.4 m/s；7號區域D區入口及前廣場風速約為 1.2 m/s；8號區域科研教學樓入口風速約為1.3 m/s。以上區域風速均小于1.5 m/s，屬于蒲福風級1級軟風，風速小不利于污染物消散，氣懸污染物易聚集。

如圖8所示門診大樓北側廣場由于建筑連續面寬尺度大，建筑背風面做內凹設計，空氣無法順暢流動，由此形成了較為明顯的靜風區；老干樓前廣場存在的靜風區是由于建筑將部分空間圍合遮蔽起來，封閉的建筑空間形態之內無法形成風壓，空氣流速變慢從而形成靜風區；門診大樓西側及老宿舍東側空間靜風區產生的原因較為相似，均是因為建筑自身形態凹凸從而產生部分圍合空間，導致空氣流通不暢。教學科研樓南部入口由于空間狹窄，后方建筑擠壓，同樣存在靜風區。從醫院的功能布局來看，湘雅醫院的呼吸道與傳染病樓位于靜風區聚集的老院區紅樓，靜風區內空氣流速緩慢，不利于醫院污染物以及傳染病菌的消散，是醫院目前亟需解決的問題。

2)區域漩渦問題。

風環境漩渦一般指城市建筑邊界層中的梯度風場，受城市建筑的阻擋，而形成各種湍流。對醫院現有環境的易感院區主樓室外進行風環境模擬分析，發現如圖9所示院區老干樓(手術室/日間病房)前后均出現較大漩渦，其中：1號區域出現漩渦，直徑約45 m；2號區域出現漩渦，直徑約16 m,以上區域漩渦直徑均大于10 m，影響范圍較大，對易感院區主樓產生較大隱患。

院內漩渦區的出現多由于建筑物的拐角處未做流線化處理，存在棱角邊，對于風流動的局部擾動較大，同時由于建筑空布不勻高低錯落，復雜的建筑環境引起流場特性的變化而使住區流場發生畸變。院區漩渦區聚集在基地北側及南側，污染物在此處淤積，易影響北側校區及南側居民區。

3)缺乏有效通風廊道。

城市通風廊道是提升城市的空氣流動性、緩解熱島效應和改善人體舒適度為目的，為城區引入新鮮冷濕空氣而構建的通道，一般以大型空曠地帶連成。通常情況下，為改善優化城市風環境，通風廊應沿盛行風的方向伸展，城市通風廊道對改善優化城市風環境有重要意義。如圖10所示湘雅醫院在區位上，東、西、北側均有城市干道，其中芙蓉中路路寬約55 m，蔡鍔北路路寬約20 m，具有良好的通風環境，但風模擬結果如圖11所示醫院并沒有順暢的通風廊道，傳染病科室和大樓下風向區域的風環境模擬分析顯示，傳染病科室或大樓下風向區域通風不暢，北側湘雅路被建筑擠壓，道路偏窄，約20%來向的風被阻塞在北側傳染病科室和其下風向區域，不合理的建筑布局使得寬闊的城市干道未被利用起來，污染氣體極容易在院區積淤。

4 空間優化策略

通過上文對湘雅醫院風環境分析模擬的結果可知，靜風區、區域漩渦和缺乏有效通風廊道是影響湘雅醫院室外環境污染物自然消散的最突出問題[10]。下文將分別針對這三方面問題對醫院的空間規劃布局形態提出優化設計策略，并通過改善前后的室外風環境模擬對比，檢驗優化效果，為醫院整體室外風環境改善提出切實可行的辦法。

4.1 減少靜風區的優化設計

針對醫院院區內靜風區大部分出現在老院區等一些狹窄及被周圍建筑環繞的區域，或在大體量建筑的下風向區域，院區整體靜風現象明顯。在現有院區布局基礎上，為改善靜風現象，結合醫院未來規劃布局進行以下調整：

1)疏通格局，增加開敞空間。

梳理主要研究區域的靜風現象特征，發現此類區域大多處于一些狹窄和被周圍建筑環繞區域，或在大體量建筑的下風向區域，針對此類靜風現象，考慮對問題區域周圍格局進行優化，如圖12所示增加開敞空間，加速空氣流動，減少污染物聚集。

2)布置機械送風點。

結合醫院實際情況及醫患使用功能的特性，常出現體量布局較大的綜合性大樓，如湘雅醫院的門診醫技大樓，各功能聯系緊密，布局不具備調整可能性，建議如圖13所示采用機械送風優化此處靜風現象，布置機械通風送風設施。

優化后1號、7號區域風速約為2.5 m/s；2號、8號區域風速優化約為2.4 m/s；以上區域風速值：1.6 m/s<風速值<3.5 m/s，屬蒲福風級2級～3級，在保證人舒適條件下，有利于氣懸污染物消散，如圖14所示院區靜風現象得到較大改善。

4.2 減少區域漩渦的優化設計

由上文模擬得知院區漩渦多出現在一些建筑分布不均質，廣場、墊面與建筑尺度比例失衡的空間，這些區域建筑因其復雜的環境，引起流場特性的變化而使住區流場發生畸變，對于風流動的局部擾動較大，造成區域漩渦。針對此類漩渦產生的原因，擬對院區建筑進行優化處理，其中包括：

1)底層架空。建筑立面相對封閉，呈一矩形大面，前后風不貫通對流，易在其迎風面形成正壓的迎風區，背風面形成負壓的背風區，導致背風區處形成尾流區，其內湍流渦動明顯。如圖15所示為優化前后風壓，考慮將建筑底層架空疏通，減緩背風面負壓。

2)輪廓邊線優化。如圖16所示該建筑外型屬于鈍體形狀，拐角處未做流線化處理，存在棱角邊，對于風流動的局部擾動較大，引起流場特性的變化而使住區流場發生畸變來流受建、構筑物的阻擋，易產生渦旋。通過模擬發現如圖17所示優化后院區漩渦現象得到較大改善，院區內的漩渦現象均明顯減少，院內污染物無堆積條件。

4.3 改善區域通風廊道的優化設計

醫院東、西、北側雖然均有城市干道，但由于布局影響，醫院沒有順暢的通風廊道。因此在結合湘雅規劃的基礎上，擬對院區建筑布局、新建建筑形體進行如下優化：

1)拓寬北側道路。醫院東、西、北側雖然均有城市干道，但由于布局影響，醫院沒有順暢的通風廊道，同時，院區北側為傳染病科室，需要避免污染物堆積影響此處易感人群，如圖18所示擬拓寬北側道路，減少風被阻塞的可能，湘雅路由原約15 m調整為約24 m，優化后，原約20%來向的風被阻塞現象降低至約12%。

2)控制建筑高度。結合院區未來發展，在避免造成不利條件的情況下，對院區布局進行調整。如圖19所示其中3號區域建筑高度與街道之比超過100%，阻礙氣懸污染物順通風廊道進行消散，建議對此區域建筑高度進行控制，建筑高度控制在12 m以下。1號區域建筑高度與街道為7∶12，2號區域為1∶5，在不影響通風廊道的順暢下，該區域建筑高度、尺度相對富余，結合院區發展，醫院拓展區可結合上述區域進行設置，建筑可散落布置，避免較大體量單體出現，1號區域建筑控高50 m,2號區域控高40 m。

如圖20所示優化后院區至道路通風流暢，氣懸污染物在此種環境下可迅速消散，避免污染物堆積及熱島效應的產生，從而創造良好、健康的城市空氣環境。

5 結語

本文以湖南湘雅醫院為例，基于CFD技術，利用Rhino平臺的grasshopper上的ladybug調用OpenFoam對研究目標進行高效計算，對風速、氣懸污染物流動情況模擬及可視化。

在快速城鎮化、中心城區建筑高密度化、疫情常態化等多重背景下的今天，醫院室外風環境的安全對城市的正常運行至關重要。本文模擬分析的結果顯示，對于城市中心區醫院，針對其空間環境復雜、建筑密度高的特征，對其室外風環境的優化需重點關注靜風區、漩渦區和院區通風廊道不暢等三方面問題。通過對建筑布局進行合理優化，可以有效加速氣懸污染物消散，減少醫院污染物的沉積。

在優化過程中，我們也發現對高密度城市中心區醫院，由于其用地緊張、建筑布局相對緊湊、整體調整空間受限較大，應因地制宜地采用更靈活多樣的優化方式。比如在靜風區布置機械送風點緩解靜風問題，通過底層架空優化建筑輪廓減少區域漩渦等。而合理引導組織通風廊道，則是城市中心區醫院室外風環境優化的關鍵。在設計實踐中可通過疏通拓寬下風向空間、控制院區建筑高度、合理組織綠化及道路等全方位措施，保證醫院通風廊道的有效使用。

綜上所述，本文通過模擬分析醫院室外風環境特征，研究場地環境與污染物擴散之間的內在聯系，快速準確的評估醫院室外風環境特征，可為減少醫院氣懸污染物集聚，避免院區周邊城市環境二次污染提供高效、準確的設計思路與技術手段參考，為營造更健康的城市風環境提出新的有益思考。