东北石油大学 大庆 163318
【摘 要】利用bim为平台的斯维尔模拟软件并结合计算流体力学模拟得到的小区风场，可定量分析太阳辐射、绿化及建筑布局等因素对小区热环境的影响，并对小区不同区域内的热环境进行预测和评价，其结果可指导住区室外环境设计及规划。
【关键词】风环境；日照；室外热环境；模拟；预测；评价
住宅小区作为构成城市的重要单元，其环境质量的好坏将直接影响人们的工作生活，是城市环境规划设计中需格外关注的问题。例如在美国的圣佛朗斯西科州，政府非常注重室外公共场所的热环境质量，相应出台了保证公园阳光和限制公共场所不利风速的法规，并以此作为建筑单体构造及群体布局的依据。温度作为人们感受居住环境好坏的主要特征参数，综合反映了其它因素的影响，对评价住区周围热环境至关重要。根据住宅小区所在地的典型气象温度数据，并结合小区建筑布局、下垫面材料、绿化等已知条件，利用bim为平台模型并结合用计算流体力学工具模拟，预测小区不同位置小范围内的逐时气温，进行比较并给出评价；其结果可指导、优化小区室外环境的设计。
一、模拟计算说明
1．软件概述
Bim将二维模型扩展为三维模型，使空气温度所对应的计算区域更为合理；考虑了建筑壁面即“峡谷”两侧的太阳辐射，使之更符合实际情况；完善了三维的建筑天空视角系数的计算方法；重新考虑了住宅小区内绿化的作用，并把水景设施的影响也纳入到模型之中。因此，bim为平台的斯维尔模型，根据建筑构造、布局以及绿化率的不同对住宅小区进行适当的划分，同时利用计算流体力学（CFD）模拟小区风场的结果，可模拟预测住宅小区的室外热环境。
2.边界条件设置
边界条件为进行数值模拟计算的必要条件，对于建筑风场，需要输入风场的入口和出口边界条件。
1）入口风设置
风研究对象（整个居住组团或小区）浸没于大气边界层内，机械湍流及热力环流的运动都较弱，所以将风速仰角的参数定义为，且忽略壁面风速，本文的入口风速设置夏季为风向为WS（东偏南 337.5°）2.7 m/s，冬季风向为NW（北偏西 45°）3.8 m/s。
2）梯度风
由于随着高度的增加，风速会增大，而且风速随高度增大的规律还与地面粗糙度有关。本小区属于密集建筑群的城市市区其取 值为0.22；
平均风速随高度变化的规律：
3）出流边界条件
建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定。
二、实例应用
1．项目概况
本实例选自对大庆湖滨教师花园住宅小区一个组团进行热环境分析、指导及评价报告。该项目位于大庆市湖滨教师花园居住小区（建于2005年），其中6栋为6层住宅，5栋为局部5层错层式住宅。结构形式为砖混结构，墙体为外保温式墙体，屋顶为挂瓦式保温坡屋顶。6层住宅空间形式为6+1阁楼式住宅。本方案以该小区B区的一个组团（10栋住宅楼）为例，通过建立模型并利用相关软件对其各项指标进行分析，从而对其居住环境做出评价，并能对如何改善其居住环境及如何解决相关环境问题有所指导，大庆市地处北温带大陆性季风气候区，受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的影响，总的特点是：冬季寒冷有雪；春秋季风多。本方案模拟以典型夏季和冬季为气候背景条件进行研究。
2．风环境模拟
建筑群和高大建筑物会显著改变城市近地面层风场结构。近地风的状况与建筑物的外形、尺寸、建筑物之间的相对位置以及周围地形地貌有着很复杂的关系。在有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风；如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适、甚至带来伤害，形成恶劣的风环境问题。
调查统计显示：在建筑周围行人区，若平均风速V>5 m/s的出现频率小于10%，行人不会有什么抱怨（在10%大风情况下建筑周围行人区风速小于5 m/s，即可认为建筑周围行人区是舒适的）；频率在10%～20%之间，抱怨将增多；频率大于20%则应采取补救措施以减小风速。另外，行人在风速分布不均区域活动时，若在小于2m的距离内平均风速变化达70%，即从低风速区突然进入高风速区，人对风的适应能力将大减。本文综合考虑风速、风压两个因素，对大庆市滨洲湖小区及周边的风环境进行分析评价如下：
（1）夏季典型风速和风向条件：
图为夏季风向为WS的情况下人行高度处风速云图，等值线间距约为0.24m/s。可以看出：人行高度处的风速基本都处于合理的范围之内，风速分布在0.25m/s~3.25m/s之间，弱风区较少，人行高度主要活动区域通风流畅，周围没有形成较大的涡流区域，非常适合人们在小区外进行活动。夏季主导风向为西南风向，虽西侧有建筑阻挡，但此建筑为2层商服，高度不高，所以没有形成大面积的涡流区域，未对小区风环境造成严重影响。建筑布局形成迎着风向形成楔形放开式布局，有利于小区的通风。从风速图上看，风向为WS的情况下，在建筑前侧附近的区域风速都较大，两排建筑之间随与风向夹角趋于变小而涡流区域增大。在建筑的右侧，由于角隅风作用，风速变化较大，并产生一定范围的空腔区。建筑平面的选择上，按照夏季主导风向来说，拐角单元后侧形成了较大的涡流区域。背风面的涡流宽度与建筑高度和宽度呈正相关，与建筑进深呈负相关，且各种情况下的变化幅度均呈递减趋势。当两排板式建筑的间距等于倍建筑高度时，既能达到良好的通风效果，又能满足严寒地区的日照间距。因此夏季来说，前排建筑后侧的风影区以及拐角单元后侧不适合居民活动。
（2）冬季典型风速和风向条件下：
按照建筑物周围人行区风速低于5m/s，且室外风速放大系数小于2；除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不超过5Pa。符合人体，舒适度要求。图为冬季风向为NW的情况下人行高度处风速矢量分布图，可以看出：人行高度通风流畅，冬季小区空间风环境较好，风速分布在5 m/s以下，满足标准要求，不会对人体舒适度产生影响。两排建筑之间的风环境与迎风侧入口的尺度与位置相关性较大，受出口的影响较小，所以形成角度大的地区，涡流范围大。而且从图上可以看出比较适合活动的位置为建筑南侧，同时可获得更多的太阳辐射比较适应冬天的气候条件。
冬季风向为NW的情况下建筑表面迎风侧和背风侧压力分布图等值线间距约为0.6pa。可以看出：只有14、15栋以及2、4、16、17栋住宅的前后压差在5pa（黄色区域）以上，冬季需要进行防风，可以种植乔木或者加强门窗密封性做好防风措施；其余目标建筑最高层门窗内外压差均在5pa以内（图4）。
三、结论
通过对此居住组团的分析可以得到如下结论呢，在建筑规划布局方面，应避开冬季主导风向，使建筑朝向与风向成一定的角度，且随着风向角的增大风速逐渐降低；在建筑群体开口方面，应合理设置出、入位置和尺度，并将建筑转折设计在迎风侧，可以有效的控制进入小区内部的气流；在单体建筑设计方面，通过对建筑体型流线化、转角处的钝化及在风速骤变处设置导风装置或构件均可以有效的减缓风速，避免建筑物遭到破坏。
参考文献：
[1]我国建筑节能技术政策研究 唐曙光；- 《中外建筑》- 2007-04-01
[2]刘振秀，奥林匹克体育中心游泳馆，建筑学报，2010
论文作者:乔梁,赵文艳
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/9
标签：风速论文; 建筑论文; 风向论文; 环境论文; 小区论文; 高度论文; 涡流论文; 《低碳地产》2016年13期论文;