建筑密度對住宅小區(qū)風環(huán)境的影響

白潤山董齊輝 卜娜蕊 張 煜

（1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000）

0 引言

城市化發(fā)展步伐的加快，土地資源日漸匱乏，為了滿足人們居住的需要，高樓林立，鱗次櫛比，建筑密度不斷增加。為使住宅小區(qū)的宜居性達到更好的水平，建筑物不僅要滿足基本的日照標準及場地生態(tài)與景觀的需求等，還要保證場地內(nèi)風環(huán)境有利于室外舒適的行走或活動。在冬季，室外行走或活動要舒適，人行區(qū)距地高1.5m處的風速就得小于5m/s，戶外休息區(qū)、兒童娛樂區(qū)風速就得小于2m/s[1]。所以，研究小區(qū)風環(huán)境關系到人們居住環(huán)境的舒適性。本文僅針對行列式布局的建筑小區(qū)，以建筑密度為變量，探究不同建筑密度對風環(huán)境的影響。

1 風環(huán)境的相關研究

研究人員對風環(huán)境做了大量的研究。Yafeng Gao等[2]通過在國外某高校內(nèi)進行為期一年的現(xiàn)場測量，研究低層建筑群中建筑形式與風環(huán)境的關系。胡曉峰等[3]通過對深圳某小區(qū)環(huán)境的風狀況進行模擬分析，論證錯列式、斜列式的排列方式對住宅小區(qū)的通風情況要優(yōu)于其他（如圍合式等）類型的排列方式；王珍吾等[4]通過對建筑物不同布局方式的模擬分析，詳細分析不同種類的布局方式對風環(huán)境造成的不同影響；梁濤等[5]通過對鄭州建筑群的建筑布局、建筑高度及到市中心距離等諸多因素的不同，布置多個測點，對其進行風環(huán)境評價分析，確定出最佳風環(huán)境效果；蒲增燕[6]通過對行列式、錯列式兩種布局方式的住宅小區(qū)進行風環(huán)境模擬分析，分別對行列式及錯列式布局的建筑群的風環(huán)境優(yōu)化提出可行性建議。黃文峰等[7]選取三種典型的建筑布局形式對建筑群風環(huán)境進行模擬分析，并利用定量與定性的分析方法對建筑群的風環(huán)境進行評估，探究出不同風向下的較好風環(huán)境的布局形式為行列式布局；寧琬歆[8]利用數(shù)值模擬技術對邯鄲市建筑風環(huán)境進行探究，通過改變?nèi)肟诘娘L速，研究風速對城市住區(qū)風環(huán)境的影響。王泰[9]對天津地區(qū)85處居住區(qū)的高層建筑的布局與形態(tài)進行整理，并選取三種不同的建筑高度探究高層建筑的布局和高度對風環(huán)境的影響；并采用數(shù)值模擬分析常見布局的風環(huán)境狀況，通過對比分析，詳細研究高層建筑在建筑區(qū)中不同的位置、高度及組合形式對風環(huán)境的影響。吳鑫[10]對烏魯木齊某待建居住小區(qū)項目進行風環(huán)境模擬，以戶外行人活動區(qū)舒適度、城市大氣污染物擴散和城市熱島效應為三大控制指標對設計方案風環(huán)境的好壞進行探究。并結(jié)合模擬結(jié)果，對居住區(qū)風環(huán)境的優(yōu)化提出建議性改進策略。蔡悅倩[11]運用Fluent軟件研究建筑布局形態(tài)因素對風環(huán)境的影響。總結(jié)對建筑布局形態(tài)設計的優(yōu)化策略，并應用于北京市某具體項目得以驗證其可行性。潘斐[12]對西安市的不同建筑密度及開窗面積的高層建筑的室內(nèi)通風情況進行研究。并結(jié)合現(xiàn)場實測的方法，既驗證了模擬結(jié)果的可靠性，又探究了最佳通風效果的優(yōu)化設計，并研究了住宅建筑能耗與建筑密度及室外風速之間的關系。

2 建立模型

隨著居民對居住環(huán)境的重視，對風環(huán)境的探究和規(guī)劃也逐漸被引入設計要素之中，但風環(huán)境的研究往往具備周期長、耗資高的特點，且由于風況規(guī)律的復雜性及不確定性，也為風環(huán)境的研究增加了難點。但隨著科技水平的發(fā)展，科研者們將數(shù)值模擬分析運用到這一領域，并經(jīng)過不斷的改進，使其準確性及可靠性完全滿足設計要求。目前，市場上CFD模擬軟件的種類越來越多，針對不同的適用范圍，它們有著各自的特點。本文所采用的Ansys模擬軟件具備的優(yōu)勢在于較為完善的分析功能，并且有著較為強大的三維建模能力。建筑物的選擇分別為5*5、5*7、7*7、7*9四個不同的密度，建筑物的尺寸設定為12m×12m×24m，計算域的確定根據(jù)綠色建筑計算標準設定，確定頂部區(qū)域為最高建筑高度的3倍，并在阻塞率小于2.5%的條件下，擬定風場規(guī)格為1200m×1120m×72m，建筑物的布局采用行列式布局。模擬小區(qū)場地為150m×200m的理想?yún)^(qū)域，計算各模型得到的建筑密度分別為12%、16.8%、23.52%、30.24%。以北風作為輸入風向，模擬風速為15m/s。

3 模擬結(jié)果分析

通過對模擬小區(qū)的迭代計算，可以得到風速軌跡在小區(qū)內(nèi)的分布情況，如圖1所示。

圖1 風速軌跡圖

從圖1可知，比較5*7建筑群與7*7建筑群，保持其縱向間距不變，使橫向間距減小，可以看到在同位置，由于橫向間距的減小，風速會有略微的增長，這是由于狹管效應的作用。當自然風從開闊地域進入小區(qū)時，由于建筑物的阻擋使風壓增大，導致自然風的流速加快，這種現(xiàn)象稱之為狹管效應。它使自然風變得毫無規(guī)則、起伏不定，形成湍流，而湍流的形成會造成污染物的聚集，降低行人行走時的舒適度，且受建筑密度的影響較大。比較5*5建筑群與5*7建筑群、7*7建筑群與7*9建筑群，保持其橫向間距不變，縱向間距減小，可以明顯看出，風速有明顯的階梯性降低，這是由于上游建筑對來向風的阻擋作用，使后方建筑的風速大幅減小，但同時會出現(xiàn)反方向的風速增加。原因是當自然風在遇到建筑物的阻擋時，會改變方向，并形成下沉或上升的氣流，這也是圖中出現(xiàn)逆向風的原因。而下沉的風在受到樓與樓之間的阻擋、疊加，會在行人高度處形成渦流區(qū)、穿堂風和角流風的現(xiàn)象。這些是造成行人體感舒適度較差的主要原因，甚至會造成建筑物表層脫落的風險，造成安全隱患。而行人高度處的風速隨著建筑密度的增加也會發(fā)生變化，由于建筑的阻擋作用，在小區(qū)內(nèi)，道路走向與風向方向一致區(qū)域的風速會有很大的降低，一般維持在5m/s左右，能夠滿足人體舒適度要求的同時，自然風的快速流動也使建筑物之間的空氣得到置換，使空氣污染指數(shù)大幅度降低。而道路走向與風向方向不一致的部分區(qū)域的風速會驟增至20m/s左右，多發(fā)生在建筑物對來向風阻擋的區(qū)域。相較于初始風速，增大比例為1.33。不僅對行人造成行走阻礙甚至形成的湍流風及角流風引起高空墜物，對戶外活動居民形成安全隱患。

由模擬結(jié)果局部細節(jié)的分析可以看出，建筑群第一排建筑與第二排建筑之間會產(chǎn)生較大的逆向風速，自然風經(jīng)過建筑物之間形成的狹管效應并在建筑物的阻擋下產(chǎn)生氣流的疊加，使風速有明顯的增強。而位于風口上游的建筑風速相對較穩(wěn)定，是由于自然風在進入建筑群之前的初始風速是一定的，且沒有經(jīng)過建筑物之間狹管效應的加成。但由于建筑物迎風面對來向風的阻擋作用，會產(chǎn)生較強的逆向風，且橫向間距的減小會使逆向風發(fā)生較大的變化。比較5*5與5*5、7*7與7*9可知，風速的差值可達到5m/s左右。而隨著縱向間距的減小，風速也有明顯的變化，比較5*7與7*7可以明顯看出，進風口風速沒有明顯的差異，風速大小在±7m/s的范圍內(nèi)波動，而在經(jīng)過不同建筑物密度影響下，后方建筑間的風速分別為4m/s和0.5m/s左右。由此可知建筑物的密度對風速的影響，隨著密度的增大，對風速的減弱程度越高。

流動的風在受到建筑物的阻擋時，使四周空氣受阻，動壓下降，靜壓上升。這種靜壓的上升和降低統(tǒng)稱為風壓。換言之，風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到風的壓力。因此風壓的大小與風速存在直接的關系，風壓為風速平方的1/1600。風壓對建筑物的影響直接關系到建筑物夏季通風與冬季取暖。風壓過大，會導致在冬季時冷風侵入到室內(nèi)，而風壓過小，又會使夏季時室內(nèi)悶熱，造成資源的浪費。因此，合適的風壓也是住宅小區(qū)居住舒適度優(yōu)劣的重要指標。根據(jù)《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）中，8.2.8條規(guī)定：“除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa。”

由圖2建筑風壓云圖可以明顯看出，迎風面的風壓在整個建筑群中達到最大值，且較為復雜。而隨著上游建筑物的阻擋，后方建筑風壓急劇降低。而在建筑群的中心，風壓逐漸趨于穩(wěn)定，迎風面與背風面的風壓差也基本在規(guī)定范圍內(nèi)，且存在大多數(shù)的0Pa風壓的靜風區(qū)域，靜風區(qū)域的存在會使建筑物附近的空氣滯留，且不利于室內(nèi)的通風。而在建筑群最外圍建筑的迎風面和背風面的風壓差較大，大約在20Pa左右。除此之外，背風面大部分風壓為負壓區(qū)，強度區(qū)間在20～40Pa左右。

圖2 建筑風壓云圖

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著建筑群密度的改變，自然風進入小區(qū)后的風速會得到相應的改變，狹管效應的存在會使風速加劇，而建筑物對來向風的阻擋作用會使風向及風速發(fā)生驟變，并形成湍流渦旋及角流風等惡劣風況，會使建筑物外墻掛件有脫落的風險，應定期檢查，避免安全隱患。而考慮到風速的影響，外墻裝飾不建議采用外粘式裝飾，如瓷磚等，防止高空墜物。建筑群外圍的迎風面會受到較大的風速和風壓影響，而建筑前后距離的減少也會使流入的風受到阻擋，形成下沉或上升的氣流并經(jīng)過疊加形成更大的逆方向風速。針對這種情況，可以考慮斜列式或點斜式等其他的布局形式降低這種影響。而橫向間距的減小會使狹管效應加劇，另外可采取降低流向建筑群的自然風的風速，比如在保證街道寬度符合標準規(guī)范的前提下，可選擇采取種植綠化的方式形成防風隔斷，如此可以減少亂流、渦旋風和升降氣流對人的侵害。本次研究的不足之處是沒有探究建筑群之間對風環(huán)境優(yōu)化效果的最佳間距及其他布局形式對風環(huán)境的優(yōu)化效果，可作為下階段的努力方向。