基于CFD模擬的混合式住宅小區(qū)布局對風環(huán)境改良的研究

■張亦弛，王 寬，黃春華,2,3

（1.南華大學松霖建筑與設(shè)計藝術(shù)學院，湖南衡陽 421200;2.湖南省健康城市營造工程技術(shù)研究中心，湖南衡陽 421200;3.生態(tài)型區(qū)域-城市規(guī)劃與管理衡陽市重點實驗室，湖南衡陽 421200）

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市建筑密度逐漸增大。然而，過于密集的建筑往往伴隨著不良的風環(huán)境。本文以衡陽市為研究對象，通過分析其衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，選取了8個典型居住區(qū)作為研究樣本。這些樣本包括高層建筑與低層建筑混合類型、高層建筑類型和低層建筑類型，以及它們各自的不同圍合形式。結(jié)合湖南省冬季和夏季的平均風速和風向，本研究采用Ansys Fluent（2022R1）計算流體力學軟件進行模擬。

目前，已有大量學者對CFD模擬技術(shù)進行了研究。莊智等[1]對比了各類CFD模擬相關(guān)軟件，指出了它們各自的優(yōu)缺點及其適用領(lǐng)域。他們總結(jié)了建筑風環(huán)境模擬技術(shù)在問題簡化、計算模型、網(wǎng)格處理、邊界設(shè)置、方程求解和模擬工具選擇等方面的研究成果。李綏等[2]提出了在研究居住區(qū)規(guī)劃中考慮風環(huán)境對人體舒適度和綠地釋氧的影響，并以此優(yōu)化園區(qū)空間布局。劉麗珺[3]將CFD技術(shù)與ArcGIS相結(jié)合，預測了城市中的熱氣流。

本研究的基本假設(shè)是，合理地配置建筑的高低排列和形式能夠使建筑適應衡陽本地的風速條件，從而獲得更好的風環(huán)境。本文創(chuàng)新點在于重點關(guān)注冬季和夏季兩個季節(jié)的氣象條件對風環(huán)境的影響。以往的研究很少以不同季節(jié)的氣象條件來分析同一建筑區(qū)的情況。通過對各種不同類型建筑布局周圍的風環(huán)境特點進行研究，本研究總結(jié)并提出了能夠提供更好的風環(huán)境和舒適性的住宅小區(qū)形式。本研究對居住小區(qū)風環(huán)境改良的目的在于避免小區(qū)中存在過多高風速的區(qū)域，影響居民通行安全。

1 風環(huán)境與CFD模擬

1.1 風環(huán)境的分析方法

對于建筑物周圍風環(huán)境的分析，目前有三類方法，即現(xiàn)場觀測法、風洞實驗法、計算流體力學模擬法[4]。現(xiàn)場觀測法可以收集到第一手資料，有利于研究人員掌握現(xiàn)實情況。但是如果研究區(qū)域面積很大，要準確測量風環(huán)境就比較困難。這種方法往往需要多部儀器和多名人員花費數(shù)十日參與監(jiān)測。通過風洞進行實驗則對研究團隊使用的基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，需要建有室內(nèi)風洞的實驗室，風洞試驗首先要將需要測定的建筑物和周圍環(huán)境制成實體模型。再將其以模擬所需的風向角度放入風洞平臺的中心。這種方法需要完備的風洞實驗室，相對于其他方法有著更高成本。計算流體力學計算機模擬的方法應用在住宅小區(qū)風環(huán)境的分析上存在難度，主要是需要對參與模擬的建筑物進行三維建模，并根據(jù)模擬面積確定計算范圍。

建筑周圍的風環(huán)境直接影響居民的日常生活[5]。當人們在建筑周圍的環(huán)境中行走時，風速太大，吹起來會不舒服，如果出現(xiàn)狹管效應則會導致風速更快，造成不適感并留下安全隱患。風速過小，空氣污染物容易積聚，空氣質(zhì)量可能下降。風量大，容易發(fā)生冷空氣滲入，又不利于室內(nèi)保溫。正確利用自然通風，可以降低建筑能耗，改善建筑周圍的空氣質(zhì)量。在當今的城市環(huán)境下，由于城市建筑用地面積的缺乏，人們轉(zhuǎn)而向天空索要空間。這也就導致了今天的住宅小區(qū)高樓林立。然而由于住宅小區(qū)落成年份不同，小區(qū)中可能存在著不合理的風環(huán)境規(guī)劃。因此，研究既有建筑周圍的風環(huán)境，對于推動建筑周邊風環(huán)境舒適性的發(fā)展具有重要意義。近年來，計算流體力學（CFD）模擬法已成為分析建筑風環(huán)境的主要方法之一。CFD方法具有精度高、操作簡單、省時省錢等優(yōu)點，因此仿真方法在許多領(lǐng)域得到廣泛應用。在建筑領(lǐng)域，CFD方法可以有效地模擬不同條件下的風環(huán)境，具有廣闊的應用前景。

1.2 模擬所用湍流模型

當下建筑環(huán)境CFD模擬中，常用的湍流模型有三種，分別是standard k-epsilon Model，RNG（Renormalization Group）k-epsilon Model，Realizable k-epsilon Model。在CFD模擬的計算中一般使用標準k-ε模型，標準k -ε模型在計算時對硬件的性能開銷更低，在數(shù)值計算中波動小、精度高，有很好的收斂速率和相對較低的內(nèi)存要求，在建筑模擬中的應用較為常見[6]。k表示湍流動能，ε（epsilon）表示湍流動能耗散率。它對于復雜幾何周圍外部流動問題的求解效果好（圖1）。本研究在模擬中使用Realizable k-epsilon模型，可實現(xiàn)Realizable k-epsilon模型針對時均應變率較大的情況，為了使流動符合湍流的運動規(guī)律，對正應力進行約束。旨在保證計算結(jié)果的可實現(xiàn)性，并以此來避免標準模型中出現(xiàn)的問題（圖2）。

■圖1 k方程與ε方程

■圖2 Realizable k-epsilon模型方程

1.3 建筑模型與邊界條件

衡陽市區(qū)中的建筑以東西朝向為主，有部分朝向西南、東南方向的建筑。在本研究中，將不同住宅小區(qū)分為幾個典型。依照其不同的組合方式進行歸納。按照布局形式（圖3）分為圍合式布局、行列式布局、混合式布局和點群式布局。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）5-1-1條，按民用建筑高度和層數(shù)可分為單、多層民用建筑和高層民用建筑[7]。按高度組合類型分為多層、高層、多高混合類型（表1）。

表1 不同住宅小區(qū)情況表

表2 各方案在面向北及東南兩種風向下的不同風速區(qū)的占比

■圖3 所選建筑的排列形式示意圖

湖南省衡陽市位于中南地區(qū)凹形面軸帶部分，有典型的盆地地勢，屬于亞熱帶季風氣候。夏季高溫，冬季濕冷。在風環(huán)境模擬的邊界條件設(shè)置中，風速和風向設(shè)置如下：以湖南的夏季平均風速(風向：SE；風速 ：4.35m/s) 及冬季平均風速 ( 風向：N；風速 ：5.64m/s)進行模擬。

首先要按照建筑的實際尺寸在計算機中建立三維模型，為了減少計算時間加快收斂，一般要對模型進行一定的處理，將其表面過于細致的凹凸變化進行簡化[8]。而一般的建筑，接近于正方體的就將其簡化為立方體方便計算。進行簡化之后，在ICEM CFD（2022R1）中進行網(wǎng)格劃分，在出流面一類位置可以設(shè)置較低密度的網(wǎng)格，這樣做可以減少計算機運算所需要的時間。同時這類位置遠離研究關(guān)注的主體，出流面高密度網(wǎng)格和低密度網(wǎng)格所模擬的結(jié)果差異很小。而在主體建筑，邊界層這一類位置上則需要給網(wǎng)格分配更高的密度。更密集的網(wǎng)格能使計算結(jié)果更為準確可靠，但根據(jù)實踐，網(wǎng)格尺寸要與所研究的建筑尺寸保持一定比例，這一比例過小會使得建筑在與地面交界處產(chǎn)生低質(zhì)量的網(wǎng)格，這會影響導入至fluent的網(wǎng)格質(zhì)量。在網(wǎng)格劃分后，如果低質(zhì)量的網(wǎng)格仍占用過多空間，模擬結(jié)果會發(fā)生畸變。

CFD模擬的面積大小與結(jié)果相關(guān)，模擬的面積小會使得氣流發(fā)展不充分，進而使得結(jié)果不可靠。而模擬的面積過大又會導致計算機承擔過大負擔，運算需要很長時間。若研究區(qū)域面積固定，而只增大模擬區(qū)域的面積是無意義的。研究區(qū)域模擬的結(jié)果在計算面積大到一定水平后便不會再有明顯改變。選擇合適的計算區(qū)域有助于減少設(shè)備進行模擬計算所需要的時間，在建模中設(shè)置多少區(qū)域進行模擬計算才能對建筑群中的氣流運動做到詳細的展現(xiàn)是目前CFD模擬技術(shù)這一領(lǐng)域中許多學者與研究人員所關(guān)注的問題。在軟件設(shè)置中，有進風邊界、出風邊界、頂部邊界、地面邊界和側(cè)面邊界這五部分[9-13]。在本模擬中將研究區(qū)域模型的進風方向設(shè)置為Fluent中的速度進口邊界條件Velocity-inlet，在夏季和冬季平均風速下進行計算。本研究中定義出口為Outflow（自由出流邊界），假定出流面上的流動已充分發(fā)展，流動已經(jīng)恢復為無建筑阻礙時的正常流動。建筑物表面和地面是固定不發(fā)生移動的，故采用無滑移的壁面條件Wall（墻壁），Wall是用來區(qū)別于Fluid（流體）和Solid（固體）區(qū)域的一種邊界條件[14-18]。

1.4 計算范圍的確定

本研究在所選的各個地塊中沿來風方向截取矩形區(qū)域，確保住宅建筑的主體位于矩形區(qū)塊中心[19-21]。根據(jù)CFD模擬，將矩形區(qū)塊的高度為建筑高度的3倍，風的來流方向保留的空間為建筑高度的3倍，出流方向為建筑高度的4倍，計算區(qū)域?qū)挾葹榻ㄖ锔叨鹊?倍，按以上規(guī)格設(shè)定參數(shù)可以滿足計算需求[22-29]。之后進行模擬計算，通過對模擬區(qū)域的Z軸進行切片，以建筑物周圍行人區(qū)1.5m高度進行測量。

2 模擬結(jié)果與分析

以湖南地區(qū)的夏季主要風向和冬季主要風向進行模擬，由于風速與風壓的關(guān)系。風速越高，產(chǎn)生于每平方米的風壓就越大。在冬季條件下多以0度風向角的北風為主，平均風速5.64m/s。通過冬季平均風速模擬結(jié)果的可知（圖4），在各模擬方案迎風面的第一排建筑處均出現(xiàn)了不同程度的狹管效應。即由于空氣的質(zhì)量限制，隨著空氣運動受到建筑物的阻攔，來自開闊區(qū)域的空氣流入建筑之間的狹窄區(qū)域時會加速通過，氣流通過之后速度又會放緩。但這種情況會影響到行人高度的舒適。由于建筑布局的特性，在住宅小區(qū)內(nèi)的橫向通道上，風速明顯放緩。在建筑外形規(guī)則，布局有規(guī)律的行列式住宅小區(qū)中，風流動的變化更少。而在同一小區(qū)內(nèi)建筑外形有不同種類，也會影響小區(qū)內(nèi)部的空氣流通，產(chǎn)生更多的渦流[30]。

■圖5 基于冬季平均風速的風流向圖

在夏季條件下多以135度風向角的東南風為主，平均風速4.35m/s。在此情況下，進行模擬的幾個住宅小區(qū)都產(chǎn)生了大面積較大風速的區(qū)域（圖7）。

■圖7 基于夏季平均風速的風流向圖

基于對已建成小區(qū)的模擬，可以得出衡陽市區(qū)幾種典型住宅小區(qū)在冬季與夏季典型風速條件下，小區(qū)中的風速分布情況。行列式住宅小區(qū)由于其規(guī)整的圍合形式，出行相對便捷。但其前排并列的建筑與建筑之間會產(chǎn)生較強的穿流區(qū)。點群式的建筑之間穿流區(qū)面積相對較少，但是會有較大的占地面積。圍合式住宅小區(qū)中，除了具有行列式小區(qū)的問題外，距離迎風面越遠，通風也越差。而在混合式小區(qū)中，圍合形式相對規(guī)整的小區(qū)整體風速更高，通風效果更好。由于其多種形狀的建筑相組合，建筑之間的穿流區(qū)風速相比行列式更低[31]。

3 典型住宅小區(qū)室外風環(huán)境優(yōu)化策略

3.1 相關(guān)規(guī)定及環(huán)境

《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）中有兩個標準與本研究相關(guān)，在冬季風的氣象條件下，建筑物周邊人行區(qū)距地面高1.5m處風速小于5m/s。以此參數(shù)為參考標準，進行模擬與方案設(shè)計。夏季風氣象條件下，場地內(nèi)行人高度的活動區(qū)不出現(xiàn)渦流區(qū)或無風區(qū)。本研究所選的城市衡陽位于我國的亞熱帶氣候區(qū)，該地區(qū)冬季寒冷潮濕、夏季炎熱的特點較為顯著。隨著城市發(fā)展與工業(yè)的發(fā)展，全球范圍的氣候變化都在近些年越發(fā)明顯。因此該地區(qū)夏季出現(xiàn)極端高溫的現(xiàn)象在近年來頻頻出現(xiàn)。因此，本研究認為在考慮冬季利用建筑布局減速強風的基礎(chǔ)上，還應根據(jù)小區(qū)所在城市中的位置，優(yōu)選夏季有利調(diào)節(jié)風環(huán)境的住宅布局模式，爭取有更好的通風效果。具體來說，按照冬季和夏季對建筑風環(huán)境的不同需求。根據(jù)不同季節(jié)來風方向的不同，選擇不同的住宅小區(qū)建筑布局模式。在空氣容易滯留的地區(qū)增強建筑周邊的通風。在風速較大容易發(fā)生狹管效應的地區(qū)，調(diào)整建筑規(guī)劃時的間距和朝向，以此減緩風速來保證住宅小區(qū)內(nèi)部的行人高度上有更少的渦流區(qū)和無風區(qū)。

3.2 改良形式

通過計算機進行CFD模擬，可以得出更為直觀的不同形式住宅小區(qū)中的風環(huán)境圖，便于研究何種建筑組合形式才能給住宅小區(qū)建筑周邊更好的風環(huán)境。本研究中的建筑區(qū)塊全部選自衡陽市，基于湖南省的風速數(shù)據(jù)，也能夠為其他城市和地區(qū)在規(guī)劃不同形式住宅小區(qū)時提供一定的參考。在住宅小區(qū)風環(huán)境的研究與改善中也應考慮當?shù)貧夂蚺c居民需求，因地制宜。

根據(jù)對衡陽市八種住宅小區(qū)的建筑圍合形式研究，為了避免單一方案缺乏客觀性的問題，總結(jié)出以下六種類型的建筑圍合形式。由于不同的住宅小區(qū)有不同形狀的地塊，而且隨著城市之中的建筑用地越發(fā)緊張，住宅小區(qū)的形式會以混合型為主。以下六種住宅小區(qū)類型在圍合形式上全部采用混合式。所有方案中所用的建筑占地總面積與總體積為相同的值，建筑占地面積均為83000m2，建筑的總體積均為1005000m3。所有方案的計算域范圍是相等的，模擬的計算范圍統(tǒng)一為850m*682m*150m。以此將唯一的變量控制為建筑圍合形式。為了滿足人口密集的城市地區(qū)的住宅需要，總結(jié)出的模擬方案沒有采用多層建筑，全部以同一高度（50m）的高層建筑進行模擬。

根據(jù)提出的六種方案，分別在面向北風和南風的情況下進行模擬得出云圖（圖8）。基于云圖所示結(jié)果，以圖形方法，在相等分辨率進行進一步處理。從低風速到高風速分占比，分別計量在相同建筑面積（占9%）下的風場變化。根據(jù)對每種布局4m以上風速兩種風向下的平均值的對比，得出一、三種方案更為適宜。

■圖9 提出的改進方案1至6在北風與東南風條件下的云圖b

4 討論

本文在衡陽市住宅小區(qū)優(yōu)化方面提出了改進方案。研究對象為湖南省衡陽市8個典型住宅小區(qū)。通過對這些小區(qū)的分析，研究發(fā)現(xiàn)建筑布局和圍合形式對風環(huán)境有著顯著的影響。因此，作者提出了針對冬季和夏季不同風向的優(yōu)化方案，以改善住宅小區(qū)內(nèi)部的風環(huán)境和通風情況。

首先，作者對衡陽市冬季主要風向為北風的情況進行了分析。在城市北方的建筑布局應優(yōu)先保證適應冬季風的條件。本研究提出了方案一，這種布局有最少的湍流區(qū)，并能有效地降低住宅小區(qū)內(nèi)部的風速。同時，避免了行人高度在冬季的風速過于快速，影響人們的出入便利。

其次，作者對衡陽市夏季主要風向為東南風的情況進行了分析。在城市東側(cè)及南側(cè)的建筑布局應優(yōu)先保證適應夏季風的條件。作者提出了方案三，此方案保證了夏季的通風，同時最大風速的占比相對更低。通過對圍合形式和布局的分析，結(jié)合冬夏兩季當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的風速條件進行研究，作者成功地減弱了住宅小區(qū)中的穿流風。此項改良是為了減少強風影響出行的情況出現(xiàn)的幾率，過強的風速也可能為老年人的出行帶來安全隱患。同時本研究的改良方案也減少了低風速的區(qū)域，促進了住宅小區(qū)建筑周圍環(huán)境的通風。

針對冬季和夏季不同風向的優(yōu)化方案，作者提出了方案二和方案四。這兩個方案分別針對不同的情況，以改善住宅小區(qū)內(nèi)部的風環(huán)境和通風情況。方案二是針對衡陽市冬季主要風向為北風的情況提出的。在城市北方的建筑布局應優(yōu)先保證適應冬季風的條件。作者提出了一種圍合形式，這種圍合形式能夠有效地降低住宅小區(qū)內(nèi)部的風速，并減少行人高度在冬季的風速過于快速，影響人們的出入便利。此外，作者還考慮了建筑的高度、密度等因素對風環(huán)境的影響，并提出了一些具體的改進措施。例如，我們可以采用低矮的建筑和合理的建筑密度來降低風速，提高通風效果。方案四是針對衡陽市夏季主要風向為東南風的情況提出的。在城市東側(cè)及南側(cè)的建筑布局應優(yōu)先保證適應夏季風的條件。本研究提出了一種圍合形式，此方案保證了夏季的通風，同時最大風速的占比相對更低。此外，作者還考慮了建筑的材料、形狀等因素對風環(huán)境的影響，并提出了一些具體的改進措施。例如，我們可以采用透氣性好的材料和流線型的形狀來提高通風效果，降低風速。

然而，作者也意識到本研究在綜合因素的考量上仍有欠缺。在今后的研究中，應當注意多種因素復合情況下對風環(huán)境的影響。例如，建筑的高度、密度等因素也會對風環(huán)境產(chǎn)生影響。此外，我們還需要考慮建筑的材料、形狀等因素對風環(huán)境的影響。因此，未來的研究可以進一步深入探討這些因素對風環(huán)境的影響機制，并提出更為全面和科學的優(yōu)化方案。

5 結(jié)語

本文通過對衡陽市8個住宅小區(qū)的風環(huán)境進行研究，提出了針對冬季和夏季不同風向的優(yōu)化方案，以改善住宅小區(qū)內(nèi)部的風環(huán)境和通風情況。通過運用CFD模擬技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)建筑布局和圍合形式對風環(huán)境有著顯著的影響。因此，我們提出了方案一、方案二、方案三和方案四，分別針對不同的情況，以改善住宅小區(qū)內(nèi)部的風環(huán)境和通風情況。

通過對這些方案的分析比較，作者發(fā)現(xiàn)方案一最適宜冬季情況，方案三最適宜夏季情況，而方案二和方案四則適用于特定情況下的優(yōu)化。因此，在未來的研究中，我們可以根據(jù)具體情況選擇合適的方案進行優(yōu)化設(shè)計。

綜上所述，本文的研究結(jié)果表明，合理的調(diào)整建筑布局能顯著優(yōu)化其周圍的風環(huán)境，有助于我們更好地理解衡陽市區(qū)的住宅小區(qū)在冬季和夏季不同風速條件下的風環(huán)境分布情況，改善通風并緩解局部風速過快的問題。證明CFD技術(shù)在未來住宅小區(qū)的規(guī)劃上能夠提供更為科學合理的方案。希望本研究能為未來的同類型研究提供參考。可以幫助我們更好地理解住宅小區(qū)在不同氣候條件下的風環(huán)境特性，從而為城市規(guī)劃和建筑設(shè)計提供依據(jù)。同時，這些研究也有助于提高我們對氣候變化影響的認識，以及如何在設(shè)計中考慮到這些因素。