论风环境对建筑设计的重要性以及风环境模拟的方法

论风环境对建筑设计的重要性以及风环境模拟的方法成员组长：黄瑞云2011012314组员：赵小玲2011012311组员：王丹2011012309摘要：本论文论述了风环境对建筑设计的重要性以及各种风环境的模拟方法介绍，最后利用风环境模拟方法中的PHOENICS软件模拟了行政服务中心项目的风环境。关键词：风环境绿色建筑舒适流通风速风压PHOENICS正文：随着人们生活水平的提高，人们对居住、办公环境的要求越来越高。如何在建筑室内各部分维护良好通风的同时避免废弃回流，在室外环境规划中维护“风道”，促进城市空气流通更新与人们聚集区域的风速舒适与减轻污染，成为设计建筑风环境的基本考虑。建筑群风环境与建筑室内通风是营造人体生理舒适性的主要因素，而且通风效率与建筑节能直接相关，是可持续发展的“绿色建筑”的重要主题。对于中国这样广大地区的气候环境差异，造成南北方、长江流域以及亚热带地区完全不同的风环境考虑，建筑布局如何适应当地气流条件，以及采暖节能与制冷节能对风环境的完全不同要求，都对建筑设计提出了要求。随着人口密度的提高，用地开始紧张，高层建筑成了开发商们的首选。风荷载是高层建筑的主要侧向荷载之一。1926年9月美国迈阿密市麦芽喀隆大楼在台风袭击后发生塑形变形，顶部残余位移达0.61米。我国深圳一座超高层建筑在多次不同风洞测验中，还发现横风向强烈风震现象。众多工程实例表明，结构抗风分析是高层建筑重要设计计算的因素。当然风环境不仅对建筑产生影响还会对建筑周边的行人产生影响。当一栋大楼矗立起来，不可避免地改变了原来吹经此处的风的走向，即改变此片地块的风环境。这种改变有可能产生不良影响。例如商业街和成排成列的住宅区两旁，形成人工“街道峡谷”，也可以说是弄堂，风汇合在街道弄堂里，由于“峡谷效应”，风速加大，出现局部强风，加上建筑物的阻滞，形成漩涡和强烈变化的升降气流等复杂的空气流动现象。不仅群体建筑会形成不良区域性风气候，单体高层建筑福今年也会出现不利的风环境。高层建筑趋于将高空的高速气流引至地面，特别是建筑转角处，流动加速，并在建筑前方形成停驻的漩涡，将恶化建筑周围行人高度的风环境，危及过往行人安全。以上我们叙述了风环境对我们的重要性，但是期望在建筑风荷载规范里寻找具体地貌区域里，设计外形各异的建筑物风荷载体形系数供设计计算之用，无疑是困难的。何况不同风向角下，其流态是不同的，风荷载体形系数是变化的，建筑物间也存在相互干扰，风荷载的影响是难以评估的，故只有通过模型的风洞试验来了解在风力作用下高层建筑群体间的相互干扰影响和改变其外表周边风压分布情况，获取必要的风荷载数据，才能准确评估各个高度上局部风环境详情，确保安全舒适的风环境。风洞试验是当前建筑室外风环境及风工程领域使用的主要方法，它是通过制作实际建筑物的缩尺模型在大气边界层风洞中进行的，通过必要的手段产生类似于实际建筑周围的风场，然后通过布置在模型表面及周围的试验仪器测量风速、风压等相关数据，当前研究内容已经涵盖了建筑物在不同地貌下以及各种体型的高层建筑的风压风速分布研究以及不同高度比和相对位置的变化所产生的相互干扰影响。但是风洞试验也存在着诸如模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案等缺点，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能反映全比例结构的各方面特征，另外，在测点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决。除了风洞试验，建筑室外风环境的评价方法目前主要还有网络法以及数值计算法。网络法是从宏观角度对自然通风进行分析，主要用于自然通风建筑设计初期的风量预测。它利用质量、能量守恒等方程计算风压和热压作用下的自然通风量。但由于网络法不考虑房间内部的空气流动形态对自然通风效果的影响，所以无法给出房间内部的空气详细流动情况分析。近年来随着计算机技术的飞速发展，数值计算已成为评价方法的主流。而通风过程的数值模拟研究主要有节点法、数学模型法和计算流体力学法。计算流体力学（CFD）法因其快速简便、准确有效、成本较低等优点在越来越多的工程问题中得到使用，并逐渐成为有效处理工程问题的手段，受到广泛认可。CDF模拟是从微观角度针对某一区域或房间，利用质量、能量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动情况。采用CDF对自然通风模拟，主要用于自然通风风场布局优化和室内流场分析，以及对象中庭这类高大空间的流场模拟，通过CDF提供的直接详细的信息，便与设计者对待定的房间或区域进行通风策略调整，使之有效地实现自然通风。目前我国流行的大型商业化CDF软件主要有Fluent，CFX，Star—CD,PHOENICS.这几个软件在国内使用范围广、用户多，各有特点，其能实现的功能大体相似，对于建筑物饶流来说，这几种软件都能实现且都有成功实现实例，但其价格差别较大，Fluent的价格约为Phoenics的7、8倍，CFX也价格不菲。考虑到实际的需要和价格因素，我们选用了Phoenics来进行建筑物风环境的模拟以获得良好的价格性能比。PHOENICS是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，全称为ParabolicHyperbolicOrEllipticNumericalIntegrationCodeSeries。网格系统包括：直角、圆柱、曲面（包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以）、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。利用模型编辑界面来建立几何模型是最适合初学者的，因为它不仅简单易懂，而且还可以自动生成PHOENICS输入语言所编写的Q1文件而不用使用者学习PHOENICS输入语言。当使用者对PHOENICS有了一定的了解以后，可以利用PHOENICS输入语言直接编写Q1文件或利用FORTRAN语言更深入地编写一些模块。DD.a5o+v,C,E1z,T2R%r+o计算结果查看界面可以将计算结果以形象易懂地方式表现出来，也可以利用PHOENICS中的图形处理模块将计算结果按我们想要的形式画出来，另外为了更好地观察计算结果和提取有用信息可将计算结果进行格式转换再用各种常用的图象处理软件处理，如TECPLOT，ORINGE，MATLAB等。本组采用CDF手段利用PHOENICS软件对项目周边风环境进项模拟，通过设置40万网格进行分析计算，报告中综合流畅风速，风压三个因素对本组项目周边风环境状况进行分析评价。以下是本组的模拟内容：项目为新建市新建行政服务中心，建筑总用地面积为202433平方米，其中建设用地面积为166258平方米，规划保留绿化带36175平方米,总建筑面积45000平方米，地下车库停车位200辆，地上停车位100辆。项目地处宁波，宁波属北亚热带湿润季风气候区。气候温和湿润，四季分明，雨量充沛，冬夏季风交替明显。宁波的四季是冬夏长（各约4个月）、春秋短（各2个月左右）。冬季，由于受蒙古高压控制，在西伯利亚冷空气的不断补充南下，天气干燥寒冷。此时盛行偏北风。夏季，受太平洋副热带高压控制，盛行东南风，多连续晴热天气，除局部雷阵雨外，还会受到台风或东风波等热带天气系统影响出现大的降水过程。由于宁波倚山靠海，特定的地理位置和自然环境使各地气候差异明显、天气复杂，但同时也形成了多样的气候类型。如各海岛具有气温年较差小、冬暖夏凉的海洋性气候特色、气候湿润、光照条件较好、风力资源丰富等，但易受台风影响；西部山区则立体气候特征明显，光照、气温、降水随高度变化显著，水资源相对丰富，但也极易产生洪涝或干旱；而广大平原地区受季风影响明显。本项目建模时，在不影响自然通风的前提下对项目场地模型做了部分简化，如非主要通风通道不作为计算区域等，同时保留了项目场地周围的基本建筑，保证计算结果的准确性。具体模型如图所示：环境参数设置所属区域为宁波市，根据深圳室外气象参数，在计算模拟中，对风向和基准高度风速的设置如下：根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供的数据，确定以下参数：设定夏季主导风向为东南135，基准高度处(10m)平均风速取为2.7m/s；冬季主导风向为东北偏北22.5，基准高度处(10m)平均风速取为3m/s。运行软件后得出以下数据图：室外1.5米高度处风速矢量图距离地面1.5米高度风速云图距地1.5米处高度风压云图迎风面风压背风面风压从流畅图可以看出建筑周边流场较为均匀，没有发现较大涡流风场，整体未出现无风区，没有出现大面积风影区，滞留区，风速大小适宜，不影响周边空气品质。建筑周边人行区域风速处于0.96m/s-3.1m/s,均小于5m/s，符合人体舒适度要求。项目建筑前后压差一半达到4.0Pa，一半达到10Pa以上，室内可利用自然通风。能较好的满足建筑对自然通风的要求，适宜采用开窗进行自然通风。既绿色环保又有利于人体健康。根据《绿色建筑评价标准》4.2.6场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风：1)建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于2；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大于5Pa；3)场地内人活动区不出现涡旋或无风区；4)50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa。此项目完全符合以上标准，风环境达到绿色建筑标准。根据《绿色建筑评价技术细则》4.1.13住区风环境有利于冬季室外行走舒适及过渡季、夏季的自然通风。高层建筑的出现使得再生风和二次风环境问题凸现出来。在鳞次栉比的建筑群中，由于建筑单体设计和群体布局不当，有可能导致局部风速过大，行人举步维艰或强风卷刮物体伤人等事故。研究结果表明，建筑物周围人行区距地1.5m高处风速V5m/s是不影响人们正常室外活动的基本要求。以冬季作为主要评价季节，是由于对多数城市而言，冬季风速约为5m/s的情况较多。此外，通风不畅还会严重阻碍空气的流动，在某些区域形成无风区或涡旋区，不利于室外散热和污染物的消散。夏季、过渡季自然通风对于建筑节能十分重要，良好的自然通风有利于提高室外环境的舒适度。夏季大型室外场所恶劣的热环境，不仅影响人的舒适感，当超过极限值时，长时间停留还会引发高比例人群的生理不适甚至中暑。通过模拟我们可以发现本项目风环境基本符合安全舒适的要求。但是主体建筑背面风速较小，基本只有1.2m/s，可以适当考虑调整方案，加强此部分风的流通。参考：《绿色建筑评价技术细则》《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014《民用建筑项目节能评估技术导则》《民用建筑设计通则》