风场模拟在高层建筑群环境影响评价中的应用研究

摘要：高层建筑群对大气运动有较大的阻挡作用，由此引起局地风场的变化，而风速和风压的不同会在建筑物周边形成涡漩区，对人和环境带来影响。本文采用CFD软件对高层建筑群风场进行模拟，得出其风场分布特征，结合实际情况分析高楼风场对建筑周围人群的影响，优化建筑物排污口布局，减少环境污染。随着社会和城市的发展，高层建筑日益增多，风环境影响评价应作为该类项目环境影响评价的重要内容。

关键词：高层建筑 风场模拟 环境评价

1、引言

随着城市人口的集中和建筑技术的发展，越来越多的具有不规则形状的高层建筑物被建造，这些建筑物对周围环境风场的影响较大，风力载荷正成为高层建筑群设计中必须考虑的重要因素。风对建筑物以及建筑物周围环境的影响具体表现为以下几点：在高层建筑物比较密集的地方，建筑物改变了原来的风场，在相同条件下，建筑物周围的局部风速增大；风力载荷是一种随机载荷，受建筑物高度、风向、风的强度以及持续时间的影响很大，高层建筑物周围的局部负压过大，使得建筑物掀起或装饰玻璃破碎、脱落；建筑物的外轮廓开关一般都是非流线形的，因而流场不可避免地伴随有分享流动、涡的脱落和振荡，这些现象会在高层建筑物的居室内产生严重的噪音，更严重时还会引起结构和流体的耦合振荡，从而危及建筑物的安全。

随着计算机技术的发展，借助计算机高层建筑物进行模拟计算已成为一种有效的方法。采用模型实验或者数值模拟的方法对小区内的空气流动进行预测。流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来，这样的数值模拟技术就是所谓的计算流体动力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）技术。本文利用多功能CFD软件对高层建筑群风场进行数值分析，以人的感受为评价标准，以广州西塔高层建筑群项目实施后高空及地面风环境进行评价研究。自1974年以来，人们进行大量的CFD技术应用于建筑环境的模拟研究工作。随着计算机技术、数值计算技术以及湍流模拟技术的发展，如今我们可以对非常复杂的实际建筑群气流流动进行模拟仿真，方便、直观地对小区微气候作出评价[1]。

2、国内外研究现状及存在的问题

我国在静力风压计算上作了较多的研究，在计算基本风压上也制定了标准，但由于风载系数选取的不同，对建筑物的风载计算可能产生较大误差。风洞试验是一种能较好地确定风载系数的方法[2]。目前，已有很多人用风洞试验来研究风场对建筑物的影响，但风洞试验对复杂的风场情况也不能完全模拟，而且要花费较多的费用和时间，由于具有显著的紊乱性和随机性在风洞试验中模拟实际情况可能会有和会有很大出入，因而风洞试验结果的准确宽也存在着一定的问题。这方面的研究国外开展得较多，国内对单个建筑物风场的数值模拟也开展了研究，但对建筑物群风场的数值研究尚见有公开报导。

3、高层建筑风场产生机理

3.1 单一高层建筑的局地风场成因分析

3.1.1 高大建筑附近的涡流成因分析

高层建筑物周围的风环境状况是由靠近地面的流动风（简称近地风）所决定的，近地风的形态结构如湍流度、旋涡尺寸等以相当复杂的形式依赖于建筑物的尺度、外形、建筑物之间相对位置以及周围的地形地貌等，不同时间、不同空间的风速、风向是不同的。可见，空气绕过建筑物的流动是一个非常复杂的流体运动现象，其流动特征具有明显的紊乱性、随机性，对行人的舒适程度的影响也不尽相同。

风作用在建筑物上产生风压差。当风吹到建筑物上时，在迎风面上由于空气流动受阻，速度降低，风的部分动能变为静压，使建筑物迎风面上的压力大于大气压，在迎风面上形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶和两侧，由于在气流曲绕过程中形成空气稀薄现象，因此该处压力将小于大气压，形成负压区，形成涡流。涡流区的大小与建筑物高度、长度、深度有关[3]（见图1）。

当建筑物的长度与深度不变时，涡流长度随建筑物高度的增加而逐渐加大，涡流长度约为建筑物高度的4～5倍；当建筑物的高度与深度不变时，涡流长度随建筑物的长度增加而增加；当建筑物的高度与长度不变时，涡流长度随建筑物的深度增加而减少。总之，建筑物的高度越高，长度越大，深度越小，建筑背风面旋涡区就越大。

3.1.2 高大建筑高风速区分布

高大建筑林立会产生“峡谷”效应，带来变幻莫测的“高楼风”。气流分布与建筑物形状有关。横长建筑与细高建筑气流状况对比（见图2），高层建筑如建筑呈横长形时风速最大区为建筑上方，当建筑呈细高状时，风速最大区为建筑两侧。

3.2 建筑群的局地风成因分析

实际上，某一单体高层建筑物孤立存在的情况较少，更常见的是多栋相邻高层建筑物构成的建筑群。对于高层建筑群，由于各单体建筑之间的相互干扰，使得组成群体的各个建筑的空气动力特征与单个孤立建筑相比有较大的区别，其周围的风环境状况也更加复杂。

影响高层建筑群风环境的主要因素为：（1）建筑群空间密度及布局；（2）建筑物周围环境相对高度；（3）风向、风速；（4）建筑物的尺度、相对高度；（5）局域的地形、地貌等[4]。

对于多个相邻高层建筑物，当间距足够大时，它们之间没有相互作用，相当于多个单体的情形；而当间距很小时，整体上只相当于一个单体建筑；只有当相邻建筑物之间存在一定的距离并相互作用时，其风场状况才不同于单体建筑。

高层建筑群风环境较差的区域为建筑物拐角处和巷道内。拐角处是角区气流作用较大的区域，其附近风速较高，风力较大，流场分布极不均匀。巷道是建筑物之间的区域，当气流平行流向巷道时，由此产生渠道效应，风速不断增大，而且巷道两端是建筑物的拐角，角区气流对巷道内产生较高风速也起了一定的作用。随着巷道纵深长度的增加，两侧建筑物的高度越高，建筑密度越大，渠道效应也越明显，当出现大风天气时，可能发展成为较强风速区，对行人和建筑造成一定危害。

4、衡量风环境状况评价标准的确定

风环境的主要感受对象是人，如何评价风环境优劣，国内外建筑规范对城市环境的舒适风速和危险风速都没有一个统一标准。国内外研究人员为此作了大量的现场测试、调查统计和风洞试验，在同时考虑平均风速和脉动风速的情况下，提出行人的舒适感与风速之间较为具体的关系（见表1）。

调查统计显示：在建筑物周围行人区，若平均风速V>5m/s的出现频率小于10%，行人不会有什么抱怨；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。所以，人在某位置是否安全、是否舒适，取决于该位置风速的大小及周围风速分布。

目前，国内外学者也采用速比Ri作为舒适参数来评价高层建筑物周围风环境状况的优劣。

Ri=V1i/V1

其中V1i是流场中第i点行人高度处（近似人体高度H=1750mm）的平均风速，V1是行人高度处未受干扰来流的平均风速。速比Ri一般不随来流风速而变（见图3）。

5、高层建筑室外气流流场

本评价将采用计算流体动力学（CFD）软件对高层建筑群室外气流流场进行数值模拟计算，得出建筑群范围在不同风向下的风场和风压力。

5.1 建立模型

5.1.1 西塔及周围建筑情况

广州西塔主塔高度432米，附属建筑裙楼连体部分高24米，套间式办公楼分为北翼和南翼2栋塔楼，高度均为108米，西塔西侧及西南规划3栋商业建筑，由北向南依次为不高于250米、200米和150米，南面的少年宫不高于30米。西塔和周边建筑布置如图3所示，图中Y向为正北向。

5.1.2 主导风速和风向选择

为使计算结果具有一定的代表性，需要选择广州的主导风向和风速。根据广州市的气象数据可知，全年主导风向为北风和东南风，地面10m高处平均风速为2.0m/s。

5.1.3 梯度风的采用

由于西塔建筑不是一个孤立的建筑，其周围势必存在较低的建筑或其它物体，因此建筑外来流风并不是均匀的，根据有关文献和资料的研究成果，并结合西塔建筑所处的地理位置，来流风因为地面和低矮建筑的影响，应是按边界层规律分布的，即所谓的梯度风，（见图4）。

式中，、z：任一点的平均风速和高度；、：标准高度处的平均风速和高度，大部分国家标准高度常取10米；：地面的粗糙度系数，地面粗糙程度愈大，愈大。

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中有关我国地面粗糙度的分类，结合西塔地面特征，选择西塔附近地面粗糙度为0.22（见表2）。

计算得西塔梯度风（见图5）。

5.2 模拟计算结果（见图6-11）

5.3 风场特征分析

经建模分析，高层建筑群风场具有以下特征：

（1）在主导风向北风和东南风条件下建筑周围1.75m高度人员活动区域的最大风速均小于5.5m/s，其最大增速比为2.75；在公寓楼塔楼顶排污口附近区域最大风速小于6.0m/s，最大增速比为1.75。西塔主塔楼建筑呈细高状，风速最大区为建筑两侧，附属建筑酒店式公寓及商场裙楼呈长高形，风速最大区为建筑上方及建筑两侧。

（2）气流越过建筑物时在其背风面将出现“背风涡”以及“下洗”现象。从模拟来看，主要风涡区及下洗范围约为主塔楼的迎风面前50米，背风面150米。在风涡区某些局部区域均存在一定的涡旋流动，但是其范围窄、流速小，流速均在3m/s以下。

（3）附属建筑与项目西面的建筑群之间由于建筑壁面的反射作用使过道中央风速产生叠加，形成“渠道效应”，最大速比出现在过道中央点。

6、高层风场对项目周边环境的影响分析

6.1 风场对室外人员活动区域的影响

地面1.75m高处的水平面截面这个高度是人们经常活动和最能感知到的范围，即所谓的“人区”，这也是建筑所在区域微气候很重要的区域。对于该区域中人员经常活动的地点，风速应该低于5 m/s，以免对人员行动造成不便，或者对人体舒适感觉形成不良的影响。从CFD流场模拟的结果来看，1.75米高度处地面风速绝大部分区域均在5m/s以下，由于“角区效应”在建筑拐角处出现风速最大值，风速约在5.0～5.5m/s区间，速比最大不超过2.75，该风速区域会令人略感不适，但区域范围很小。除了“角区效应” 外，附属建筑与项目西面的建筑群之间由于建筑壁面的反射作用使过道中央风速产生叠加，形成“渠道效应”，较大风速约在5.0～5.5m/s区间，速比最大不超过2.75，最大速比出现在过道中央点。

根据风洞结果分析西塔附近行人高度风环境最大速比为2.25，计算机模拟结果和风洞实验的结果是相接近的，以上结果均表明西塔的建设对项目附近的局地风环境产生了一定的影响。由于西塔建设用地位于城市建设中心区，周围建筑较多，常年地面平均风速较低，从计算机模拟预测及风洞实验分析来看，其建设对周围风环境和行人高度风环境影响较小，但广州市每年偶有部分时段的大风天气，此时风速一般达到5～10m/s甚至以上，而速比Ri一般不随来流风速而变，因此当出现大风天气条件时，西塔附近地面风速可能达到10～20m/s或更高，使人感觉到很不舒适，行动受严重影响甚至不能忍受。为了防止在极端条件下出现瞬时危险风，可以考虑在建筑拐角处和道路两侧种植高大乔木，减缓风流场的“角区效应”和“渠道效应”，从而减少风危害的产生。

6.2 “涡流”和“下洗”影响

从预测立面速度矢量图来看，主塔楼和附属建筑塔楼背风面均会出现气流低压区，下洗范围主要为主塔楼及附属建筑南面的空地和北翼公寓以南的裙楼部分。如果在此区域布局排污口将可能出现下洗现象，形成污染物累积，不利于污染物的扩散。由于广州市盛行北风和东南风，从西塔用地布局和周边建筑布局来看，公寓北翼楼顶的通风条件要好于公寓南翼，因此建议附属建筑排污口设置于公寓北翼塔楼顶部偏北。

涡流是一种不利于污染物扩散的气象条件。经模拟计算，在主塔楼和附属建筑南部空地和主塔楼西北与附属建筑之间的空地会产生一定的涡旋流动，但是其尺度和流速很小，尺度在十多米到几十米范围之间，流速均在3m/s以下，不会形成不良的风环境。通过利用空地进行立体式绿化，种植高大树木，可有效地减少风涡区的形成。

7、结语

通过研究可知，高层建筑群项目实施后会改变其周围的风场环境，近地面风速增大会对人的室外活动造成不利影响，建筑物的阻挡作用使其附近产生下洗、涡流等局地小气候，不利于污染物的扩散。因此，在高层建筑的环境影响评价中应加强对其风场的研究，优化排污口的布局，提出具体的防护措施。

参与文献

[1]张涛，陈宝明.高层建筑周围定常风场的数值模拟.制冷与空调，第21卷第4期，2007年12月.

[2]侯爱波，周锡元.厦门市高层建筑群风场的数值风洞模拟分析.建筑结构，第38卷第8期，2008年8月.

[3]同济大学主编.城市规划原理.北京：中国建筑工业出版社，2000年.

[4]周莉.席光.高层建筑群风场数值分析.西安交通大学学报，第35卷第5期，2001年5月.

[5]王珍吾，高云飞等.建筑群布局与自然通风关系的探讨.建筑科学，2007年第06期.