张绍辰
湖北省建筑设计院
摘要：在现代社会进步和发展背景下，城市化进程不断推进，新时期建筑行业呈现良好的发展前景。建筑规模和数量不断扩大，新时期高层建筑逐渐成为主流，由于高层建筑自身特性，为了营造舒适的居住环境，应该在高层建筑形态设计方面综合考量室外风环境，实现风能和太阳能清洁资源的有效利用，对于建筑行业长远生存和发展具有重要促进作用。本文就高层建筑形态优化设计进行分析，寻求合理的策略改善室外风环境，为后续工作提供参考。
关键词：室外风环境；高层建筑；形态设计；策略
高层建筑在设计阶段，形态设计作为其中重要组成部分，需要充分考虑室外风环境的设计，尽可能避免建筑遭受强劲风流，提升建筑物表面阻碍力，促使高层建筑工程合理化。但是，很多高层建筑形态设计中，对于室外风环境的考量不合理，导致设计局限性较大，建筑保温性能不好，导致室内环境居住舒适度下降。由此，同改善室外风环境，对于优化高层建筑形态设计具有一定促进作用。
一、高层建筑和室外风环境的关系
（一）高层建筑风环境的形成机理
高层建筑由于自身楼层较高，所以改变了风向的流动，同高层建筑相遇后部分气流流向建筑顶部和周边；另一部分气流向下流动，形成一种下冲风，速度较快，对于高层建筑地面人行高度风环境产生影响，从而形成迎风面涡流区。建筑周边由于风流向不同，所以形成风压差，迎风面受到空气流动的影响，流动速度降低，建筑物迎风面的压力高于大气压，即正压；背风面和侧风面气流绕过产生稀薄的空气现象，气压小于大气压，即负压。所以说，高层建筑在一定程度上改变了建筑物周围的风场，如何能够营造良好的室外风环境十分关键。
（二）高层建筑对室外风环境的影响
其一，提升风速。风流受到高层建筑的阻挡。改变了气流运动方向，在提升风速的同时，也会对高层建筑室外风环境产生不利影响。穿堂风是一种常见的分流风。建筑物的迎风面和背风面之间存在气压差，前后贯通的开口开启时，产生的气流流速较快，是常见的穿堂风。建筑的边角侧风也经过建筑物，也会出现风速过大的现象，气流在建筑物两侧经过产生加速现象，边角处形成涡流分流现象，风速较快。建筑物越宽，产生的风流越快，现象越强烈。
高层建筑布局中，风漏斗效应是指在道路两侧高度相似的建筑，间距是高度的两三倍左右，会产生以风漏斗现象。风漏斗现象出现后，风速随之增加，风流向随之改变，可能导致混乱的风环境，影响到道路周边的建筑物风环境，致使建筑的保温性能下降，加剧热量散失，不利于室内环境的营造。
其二，气流混乱。高层建筑阻碍气流运动，在迎风面和背风面形成回流风，存在一定的风压差，同其他风向气流混合在一起，营造室外风环境。高层建筑较之其他的多层建筑而言，更容易形成下冲气流，在与地面相交后的风速更快，要远远高于低层建筑的气流运动速度，其中当属板式建筑最为明显。高层建筑室外垂直气流在背风向形成的风影区，长度大概是高层建筑的15倍之多。风影区内，风速随之减小，大概是遇到建筑物之前风速的1/2左右，改变原本的风向后形成涡流。尤其是炎热干旱地区，室外活动较为理想，但如果是夏热冬冷的地区，风影区可能导致建筑下冲风向，建筑物的通风降温效果随之下降。
在建筑群体布局方面，街道峡谷效应和遮蔽效应的产生，同样会改变原本的气流方向。其中遮蔽效应是指高度相近的建筑物，对于迎面而来的气流产生遮蔽作用，促使气流方向改变，从建筑群上方和侧面经过，并不会产生过大的下冲气流。如果高层建筑物前方是低矮建筑，形成的下冲气流和附近气流相互作用，形成涡流，风压随之在增加，加剧高层建筑物的热能损耗，不利于建筑物保温性能。而街道峡谷效应则是指在道路两侧建筑物，平整切相邻，建筑物可以形成独立紊流区，和垂直与街道的气流相互作用形成回旋气流。
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二、高层建筑形态优化设计的有效对策
（一）弱化边角强风
边角强风主要是在建筑物边角区域形成，可能导致涡流分流问题的出现，建筑物受到边角强风影响。为了能够有效弱化边角强风，可以优化建筑物边角形态，降低建筑物周边气流，促使建筑物表面的阻碍力可以得到显著提升。
其一，建筑边角圆滑，结合气流弱化原理进行分析，建筑物背风向压力稳定，所以边角强风对建筑物带来的不利影响随之弱化。高层建筑物形态设计中，需要充分考虑这一问题，结合空气动力学设计圆弧状，这样可以有效降低建筑物对风向产生的阻碍作用。
其二，通过设置这封板，可以有效降低高层建筑边角气流强度，促使建筑物边角阻力显著提升，改变建筑物边角风向。与此同时，在高层建筑设计中，应该注重细节方面的优化和完善，提升建筑墙面的利用效率，在阳台区域设置凹凸变化措施，有助于降低高层建筑边角风力带来的不利影响。
其三，建筑形体扭转，引导气流扩散，降低气流强度，尽可能降低强气流对建筑物的冲击，也可以选择剖面风速模拟方式，以此来观察和分析扭转前后风力大小情况，优化建筑物形态设计。
其四，高层建筑物由于自身平面形体多样化特点，不同平面对室外风环境带来的影响不同，气流随着形体变化转变为内风和外风两种。对于外界微气候影响情况来看，基底面积相同，平面形态设计为圆形，促使建筑物的边角光滑，可以有效降低强风的作用，促使背风向压力逐渐趋于稳定。
（二）缓解迎风面涡旋
对于迎风面涡旋的处理，可以在建筑物形态设计中予以综合考量，将其转变为错落形态，在一定程度上缓解涡流气流冲击力，弱化风力强度。
其一，建筑物平面设计为凸平面，迎风面外凸内凹，可能导致物流气流风向发生不同变化。如果迎风面选择外凸方式，可以将冲击建筑物的气流分散转移，缓解迎风面涡旋现象的产生。
其二，高层建筑设计中为了降低强风阻挡效应，对地面秩序产生不良影响，应该根据建筑物高度进行退台处理。通过对建筑物的退台设计，可以有效降低高层建筑物与街道相互作用产生的压力，缓解建筑物迎风面涡流气流，受到退台阻碍，下风向的运动强度随之降低。而在建筑物的上部结构设立退台，底部承受的风力随之降低，可以有效建筑物周边的风环境问题。
（三）减小建筑物风影区
其一，通过建筑物形体的斜面设计，有助于建筑物呈现良好动感和韵律感，提升建筑设计个性化。高层建筑物楼层较高，但是为了保证建筑安全，应该预留消防面积，采用斜面设计可以有效降低高层建筑物整体的体量感。需要注意的是，高层建筑物倾斜面的形体设计，应该遵循下大上小的原则，高度逐渐增加，平面面积特点更加突出，这样的设计有助于建筑形成内收特点，减小建筑物风景区。
其二，高层建筑物的高度逐渐增加，很容易受到背部涡流和风振效应影响，形成一种强气流，对高层建筑产生不利影响。故此，高层建筑物形体上预留洞口通风，用于掏空处理，可以有效化解不同方向的气流，降低气流对高层建筑带来的破坏作用，同样可以有效减小建筑物风影区，改善建筑外部风环境。
（四）提升风能利用效率
在当前可持续发展背景下，高层建筑设计中需要充分考量对资源和能源的高效利用，降低环境污染，努力打造节能型建筑。所以，高层建筑形态优化设计中，应该加强风能源的开发和利用，在改善室外风环境的同时，有效转化风能，促使建筑形态优化和风能利用一体化，带来更大的经济效益和生态效益。
结论：
综上所述，在高层建筑形态设计中，需要综合考量风环境对建筑物内部环境的影响，明确高层建筑和风环境之间的关系，尽可能降低建筑物热能流失，优化建筑物形态的同时，提升风能利用效率。
论文作者:张绍辰
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第19期
论文发表时间:2018/2/3
标签：建筑物论文; 气流论文; 高层建筑论文; 边角论文; 环境论文; 建筑论文; 室外论文; 《建筑科技》2017年第19期论文;