摘要：随着我国的经济水平不断提高，建筑需求不断增长。建筑规划设计是在建筑行业发展中随之兴起的一种职业，主要是对建筑施工前进行整体的规划设计。对于建筑规划设计工作者而言，其中不仅包含了平面设计、建筑模型设计等内容，更重要的是要结合建筑地面的地理条件、建筑区域的气象条件等对建筑的朝向及设计进行科学的规划。相对于传统的建筑规划设计而言，可以利用先进的科学技术，利用CFD模拟技术进行建筑规划设计，本文主要分析在室外风环境下CFD模拟技术对建筑规划设计的作用。
关键词：室外风环境；CFD模拟；建筑规划设计；研究分析
在我国现代建筑设计中，室外风环境设计在建筑设计规划中的地位越来越重要。特别是对于住宅小区而言，在住房环境中对于室外风环境的考虑更为成熟，如果建筑高层区域由于风速过大，导致居民的生活与行动造成影响，本次研究主要分析建筑室外风环境下CFD模拟技术对建筑规划设计的作用。
1.几种不同的CFD软件
就目前CFD软件而言有PHOENICS、STAR-CD、FIFP、CFX等，在建筑工程规划设计中的应用较为广泛，其中PHOENICS属于世界上首个关于计算流体力学与传热学的商业软件，以上四个CFD软件中均有着各自的优点，而在实际的建筑规划应用中，其发挥的作用也较为类似，都是通过对建筑区域室外风环境的模拟，从而为建筑设计师提供科学的规划依据[1]。
2.数值方法的机理
2.1数学模型的选取
在建筑环境中，建筑群内风的流动具有不可压缩、低速等特点，在实际应用中比较常见的数学模型主要有大涡模拟模型，这种数学模型主要是采用Navier-Stokes方程类对大尺度涡进行数据模拟，而对小尺度涡则采用间接的计算方式，这种计算方式对于计算机内部的存储及其运行速度的要求非常高，计算所需要的时间较长，而另一种计算数学模型则是K-ε模型，这种计算方式的所需成本较低，在数值计算过程中的精度较高，因此这种计算方式是最为实用的计算模型[2]。
2.2物理模型及计算区域的确定
在现代建筑设计中，其建筑风格的设计呈现多样化的趋势，而在室外风环境考虑下，建筑模型不能采用常规的矩形呈现，在建筑模型的设计中一般采用AUTCAD来实现，这种计算方式由于需要加快计算速度因此必须对计算节点进行粗分，比如在建筑物上较小的凹凸处需要忽略不计，而在室外风环境较为复杂的建筑物模型设计中，计算区域需要扩大，对计算成本的需求也就越高。在不同的建筑群中如何选择计算区域是目前研究最为关注的问题，而采用PHOENICS则将X方向边界转换为循环边界的计算，在此方向上有多个计算区域衔接，采用EARTH时，将两个边界进行连接计算，在边界处的控制网格中两边各占据一半。而在实际的建筑规划中，其风场不仅受自然环境的影响，对周围建筑因素也应当综合考虑，因此将X方向设置为循环边界需要对计算区域进行确定，在计算过程中，虽然与实际建筑过程会存在一定的误差，但是可以将误差尽量缩小在可承受的范围内[3]。
2.3边界条件的处理
采用CFD软件进行室外风环境的模拟时需要考虑一下几个因素：其一是风速的分布，在气流穿过不同地形时由于不同地形的摩擦力差异造成风速减小也存在一定的差异，而这种变化在距离越远的情况下降低程度越大，在达到一定的高度后，地面对于风速的摩擦力则可以选择忽略，在常规情况下地面300m以上均属于大气边界的范围，因此这个范围中的风速不会受到地表的影响，在大气梯度的作用下自由流动，因此只有对风速在高度变化下的变化进行准确把握，才能使计算更贴合实际。其二出流面的边界条件，当出流面的流动已经得到发展，流速已经恢复到没有建筑物阻碍使得流动状态，此时边界相对压力为零，建筑物表面则为平滑有摩擦的墙壁[4]。
3风环境的评价方法
3.1风速的评价
在室外风环境对居民的影响而言，当室外风在3级以下的时候，居民的感觉比较舒适，基本上为自然通风，但是当风力达到4级以上后，对居民则有着一定的影响甚至对居民的生活造成危害，而对于室外风的评价体系而言，采用Beaufort风力等级作为标准，目前我国还没有关于风速标准评价体制，根据国内外文献的查询得知，当风速为5m/s时则是人体舒适的临界点[5]。
3.2空气龄评价
空气龄从实际意义上而言，指的是旧空气与新空气交替的速度，空气龄越小则代表空气越新鲜。
3.3压力评价
建筑物前后的压力差是压力评价的主要点，压力差的大小对室内的通风环境起到了决定性的影响，压力差较大的情况下，室内通风环境就较好，而压力差较小的情况下，室内布局与开窗方式也对通风效果起到一定的影响。
4实例分析
4.1方案一分析结果
对深圳某小区建筑群风环境进行分析，该小区有15栋高层建筑与商业用房，其中住宅层高约2.8m，商业用房的高度则为14.3m。在对该小区附近地形进行勘察过程中发现，在小区的东南方向存在着峰值为50m的山，其南边存在着几栋8层左右的建筑物。
通过分析得知，从气候上来讲，深圳本身属于亚热带海洋性气候，夏季漫长、冬季短促，气温较为温和，平均温度在22.5℃左右，全年最高气温大约在38.7摄氏度左右，平均风速为2.7m/s，以东南风为主。对该小区的风速条件进行分析，小区内风速在2m/s到4m/s之间，在小区北部的建筑风速大约在1m/s以下，从整体上来看，该小区的通风环境较差。
4.2方案调整
图1：方案调整
①通过建筑错列的方式，将两栋建筑之间的间隔距离进行增加。
②如图所示，在框2内增加一栋高层建筑，这样可以降低由于商业用房的调整带来的影响，并且不会影响小区内的通风情况。
③在框3内，对建筑体型进行了调整，将齐排的建筑改成了具有弧度的体型，同时将建筑之间的距离进行了提高。
在方案调整过程中，对于小区内建筑的高度设计要求没有过多的变化，主要是对底层架空了4.5m，对高层建筑体型的调整有利于通风。
4.3方案模拟结果对比分析
图2：两种方案风速对比
从方案调整的对比图来看，其中小区的风速最为有利的地区为A区域，其中B、C、D、E是最为不利的空气龄范围。A区域的分数在3m/s到4.5m/s之间，B区域的分数在2m/s到3m/s之间，C区域的分数在1m/s到2m/s之间，D区域的分数在1m/s以下。
5.结语
室外风环境对居民的生活有着决定性的影响，而风环境的影响不仅取决于其当地的气候因素，还与建筑周边的建筑布局、地形等因素有关，因此在建筑规划设计过程中，采用CFD模拟技术对建筑周边的布局以及地形进行相关模拟，对建筑规划设计方案进行有力调整，对建筑物周围的室外风环境进行分析，决定开窗的朝向以及层次。
参考文献：
[1]高光.基于室外风环境CFD模拟的建筑规划设计[J].建筑工程技术与设计，2015，（29）：310.
[2]胡晓峰，周孝清，卜增文等.基于室外风环境CFD模拟的建筑规划设计[J].工程建设与设计，2007，（4）：14-18.
[3]赵益，苏华，康一亭等.温州某工业建筑室外风环境的 CFD 模拟分析[J].建筑节能，2016，（2）：125-128.
[4]庄智，余元波，叶海等.建筑室外风环境CFD模拟技术研究现状[J].建筑科学，2014，30（2）：108-114.
[5]温昕宇.室外风环境CFD模拟在小区规划建设中的应用[J].科技创新导报，2010，（29）：113-114.
论文作者:冯敬
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/28
标签：建筑论文; 室外论文; 风速论文; 环境论文; 规划设计论文; 区域论文; 边界论文; 《基层建设》2017年第34期论文;