基于風洞試驗的行列式建筑布局參數研究

建筑物周圍的近地風對行人舒適度的影響（建筑室外風環境的問題）越來越受到重視。除了局部流的風環境外，建筑物的室外風環境還取決于建筑物的外觀、方向和建筑之間的距離。因此，這些因素對風環境的影響可以作為綠色建筑工地的重要參考依據。自20世紀60年代以來,現場實測、風洞試驗、數值模擬等多種研究手段在風環境研究中得到應用.其中現場實測主要用于評估已建成建筑,數值模擬、風洞試驗則用于對擬建建筑進行風環境預評估.在風洞試驗研究方面,White闡述了利用風洞試驗進行風環境測試的詳細過程和可行性,Stathopoulos等總結了關于單體建筑和2個并排建筑的風環境風洞試驗結果,Tetsu等試驗研究了建筑物密度對行人高度處平均風速的影響.風環境測試通常通過布置風速測點進行,但近年來又涌現出了一些新的試驗技術.如Yamada等使用紅外熱線感應圖像技術研究行人高度處的風環境,Liu等采用激光粒子成像速度場測量系統(PIV),模擬了街谷存在地面加熱時的環境風場,以及王寶民等利用刷蝕技術對北京商務中心進行風環境試驗.隨著高性能計算的發展,數值風洞開始在風環境研究中得到應用,如Blocken等采用計算流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)對某體育場周圍風環境進行計算分析,其結果與實測數據較為吻合.目前對于建筑群風環境的研究通常是針對某一特定建筑群,然后選取幾個典型的布局形式或者改變布局中某些參數來分析建筑群周圍流場的變化.例如To等考慮由一列建筑物構成的建筑群,討論了建筑物排列位置和風向角對其風環境的影響.He等利用CFD數值方法對臺北某行政大樓等3例建筑工程做了風環境評價.考慮0°風向角和45°風向角,Zhang等研究了由18個建筑物構成的建筑群的風環境,討論了布局形式對其流場的影響.王輝等以3×3行列式布置建筑群為研究對象,通過改變間距等參數定性分析了建筑布局對建筑群周圍風場的影響.Blocken等對過道風受建筑間距的影響做了詳細的量化分析.王旭等通過數值分析研究了3×4行列式布置建筑群的狹道風效應.徐剛等分析了3×2行列式布置建筑群的風環境,探討了建筑表面風壓差、建筑周圍流場等與建筑布局之間的關系.僅考慮對某一特定的建筑或建筑群案例進行分析,則分析結論無法定量地對受多參數影響的新建建筑群風環境進行預評估及優化,也不便于推廣應用.本文以行列式建筑群為研究對象,通過一系列的風洞試驗定量地研究無量綱布局參數和風環境之間的關系,從而得到多種等值線圖以便設計者對建筑群周圍的風環境進行預評估.在提出優化設計理念及方法的基礎上,通過具體事例介紹如何應用其對整個建筑群的風環境進行優化設計.1測點及測點布置圖1所示為由3×4個矩形平面的建筑物構成的一個行列式布置的建筑群.該建筑群內各個建筑物的長×寬×高(L×B×H)尺寸均為40m×10m×25m.建筑物之間x向間距為W1,y向間距為W2.參照文獻的相關分析,將建筑群周圍空間劃分為3個區域:區域I(定義為A1)、區域II(定義為A2)均為建筑群內部承擔主要交通功能的區域,區域III(定義為A3)為有可能出現風速加速的拐角區域.各區域測點如表1和圖2所示,圖2中的‘*’為風速測點,數字為測點編號.為了便于參數的敏感性分析,定義無量綱的γL為縱向稀疏系數、γB為橫向稀疏系數,表示為γL=W1/L,γB=W2/B.(1)在風洞試驗中,采用了5×5=25種小區布局形式,其中γL=0.25,0.375,0.5,0.75,1.0;γB=1.0,1.5,2.0,2.5,3.0.對每個小區布局形式進行了5個風向角下的風洞試驗,風向角間隔為22.5°,順時針旋轉,其中0°和90°風向角如圖1所示.建筑群的模型縮尺比為1∶150,在廣東省建筑科學研究院風洞(圖3)進行風環境試驗.采用均勻流,來流風速為7m/s;采用全風向風速探頭(圖4)測定各個測點的風速,探頭直徑為1.5mm,在試驗前的CFD模擬結果已表明探頭對所關心的高風速比區域流場影響可忽略.各測點的高度均為1cm.試驗結果用風速比來描述,以減少邊界層效應的影響,在試驗前的CFD模擬結果表明邊界層效應對風速比的影響較小.2最大風速比通常采用相對風速值來描述收風環境評估區域的風環境.選取遠處未受干擾的1.5m高度處的風速值為參考風速vref,相同高度處的建筑群內風速值為vg,采用符號R來表示相對風速,其值定義為風速比,即R=vg/vref.(2)顯然R為測點位置、2個稀疏系數及風向角的函數,即Rijkm=R(Pi,γLj,γBk,θm).(3)式中:Pi表示第i測點位置,γLj表示第j個稀疏系數,γBk表示第k個稀疏系數,θm表示第m個風向角.通常認為風速比R>1.0時,表明建筑物的存在對來流風具有放大作用,此時該區域的風環境質量變差.圖5給出了所有測點在各個風向角下的風速比.由圖5可知,在同一個風向角下,每個區域出現較大風速比所對應的測點大致相同,而其他多數測點的風速比小于1.0,這表明,只要控制某一區域的最大風速比使其最小化就可以使得整個建筑群風環境趨于良好.定義在某個風向角θm及某個建筑群布局γLj、γBk工況下的某個區域An內的最大風速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm為區域最大風速比,即RmaxAn,jkm=maxi∈An{R(Ρi,γLj,γBk,θm)}.(4)RmaxAn,jkm=maxi∈An{R(Pi,γLj,γBk,θm)}.(4)圖6～8給出了各風向角下各區域最大風速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm的等值線圖.區域Ⅰ是建筑群的主干道,由于狹道風效應,風向角0°時區域最大風速比RmaxA1,jkmmaxA1,jkm在部分工況下達到1.70,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm隨著γL的增大逐漸減小.風速放大現象在風向角0°、22.5°較為明顯;在風向角為67.5°和90°時除少數工況外,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm均小于1.0,如圖6(d)、(e)所示.區域Ⅱ是建筑群次干道,在0°風向角下,大多數工況的RmaxA2,jkmmaxA2,jkm值小于1.0.在γL=0.375,γB較小情況下,67.5°和90°風向角下的RmaxA2,jkmmaxA2,jkm值均較大,有的甚至超過1.50.風速放大現象在90°風向角下最為明顯,此時RmaxA2,jkmmaxA2,jkm隨著γB的增大先增大再減小.區域Ⅲ是建筑群的拐角區域,與區域Ⅰ和區域Ⅱ不同的是,該區域最大風速比RmaxA3,jkmmaxA3,jkm在不同稀疏系數γL、γB及風向角θm下,均在1.0以上.這說明建筑群外側拐角區域風環境相對惡劣,而且風向角為0°時,拐角區域出現較大RmaxA3,jkmmaxA3,jkm的可能性相對較大.3最小風速比原則定義并描述2種風環境優化設計理念:1)為最小化最大風速比法,它通過最小化所關心區域的最大風速比來使整個建筑群風環境趨于良好.不考慮拐角區域而只考慮建筑群內部;2)稱為最小化非期望區域面積法,它通過使得超過某一風速比的區域面積最小化的方法來優化風環境.3.1分布在相轉移的陰陽部分采用最小化最大風速比方法,根據建筑群每個區域的人流狀況、功能用途實行多個區域共同控制,即參照圖6～8選擇合理的建筑群布局參數(即2個方向的稀疏系數).例1:已知當地主導風向為0°風向角,利用最小化最大風速比方法,合理選擇建筑小區的布局參數,使得區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大風速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm分別最小;定義設計者期望的風速比為Rlim,即設計關心區域的區域最大風速比不大于此值;對于建筑小區內各區域取Rlim=1.2,對于拐角取Rlim=1.5,確定合理布局的參數區間.解:由于主導風向角已經確定,只需通過查閱圖6(a)、圖7(a)、圖8(a)就可以得到使得RmaxAn,jkmmaxAn,jkm最小的布局參數.由圖6(a)可發現當稀疏系數坐標γB=2.0,γL=1.0時,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm值較小.同樣對應于控制區域Ⅱ的一組合理布局參數為γB=2.3,γL=0.45;對應于控制區域Ⅲ的一組合理布局參數為γB=2.0,γL=0.75.當Rlim=1.2時,查圖6(a)、圖7(a)可知區域Ⅰ、Ⅱ的合理參數區間分別為圖6(a)、圖7(a)中陰影部分;當Rlim=1.5時,由圖8(a)可知區域Ⅲ的合理參數的區間為圖8(a)中陰影部分.因此,同時滿足建筑小區內及拐角的風速比要求的合理參數區間為圖6(a)中陰影部分.為了便于對整個建筑群內部使用最小化最大風速比設計方法,圖9給出了整個建筑群內部的區域最大風速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm在各稀疏參數下的等值線圖.RmaxA1+A2,jkm=maxi∈(A1+A2){R(Ρi,γLj,γBk,θm)}RmaxA1+A2,jkm=maxi∈(A1+A2){R(Pi,γLj,γBk,θm)}.(5)與前類似,當建筑群所在地區主導風向確定時,即可采用圖9獲得較為合理的布局參數.例2:已知當地主導風向為0°風向角,確定使得整個小區的區域最大風速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm最小的布局參數,確定當Rlim為1.2時建筑小區布局參數的合理區間.解:由圖9(a)可得,使得整個建筑小區的區域最大風速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm最小時的合理參數為γB=2.0,γL=1.0.而對應于Rlim為1.2時,合理的布局參數區間為圖9(a)中的陰影部分.定義考察所有風向角下的各個區域最大風速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm取最小時的值為區域最大風速比風向優化值RmaxAn,jkmaxAn,jk,即RmaxAn,jk=minθm∈{0°,22.5°,45°,67.5°,90°}{RmaxAn,jkm(γLj,γBk,θm)}RmaxAn,jk=minθm∈{0°,22.5°,45°,67.5°,90°}{RmaxAn,jkm(γLj,γBk,θm)},(6)并且相應的風向角θmaxAn,jkmaxAn,jk為θmaxAn,jkmaxAn,jk?RmaxAn,jkmmaxAn,jkm.(7)操作符?表示RmaxAn,jkmmaxAn,jkm在各個風向角下的最小值所對應的風向角.圖10、11分別給出了RmaxAn,jkmaxAn,jk和θmaxAn,jkmaxAn,jk的等值線圖.這樣,如果設計者除了可以調整建筑群之間的間隔外,還可以改變建筑群的整體朝向,那么就可以繼續優化建筑群的風環境.首先通過其期望的風速比Rlim與圖10中RmaxAn,jkmaxAn,jk的比較來確定一個合理建筑群布局;然后根據建筑群布局對應的稀疏系數并結合圖11獲得對應的風向角,從而確定建筑群朝向.具體可通過下例說明.例3:如果設計者期望的建筑小區內的區域風速比Rlim=1.20,確定小區建筑物的合理布局和朝向使得RmaxAn,jk<Rlim.解:由圖10(a)可得當布局參數取圖10(a)中的灰色陰影部分區域時,RmaxAn,jk<Rlim;然后根據已經確定的小區布局,在圖11(a)中用對應的稀疏系數便可以確定較優的風向角為22.5°或45°,或者處于兩者之間.對于建筑群布局無法任意改變而風向角可調整的情況,可考慮根據該布局對應的稀疏系數以及圖11來確定風向角,然后查圖10獲得該風向角下的區域最大風速比.實際上建筑小區的規劃設計階段受到各種條件的限制,建筑物朝向和建筑物間距往往并不都能隨意選擇的.建筑物朝向可能受到日照采光等的影響,而建筑物間距亦可能受到土地資源、城市規劃等的限制,因此具體問題還需具體分析.盡管如此,這里給出的風環境優化方法及相關數據仍然值得設計參考.3.2非期望區域面積的精細化限制風速比大于期望風速比Rlim的區域稱為非期望區域.通過調整建筑物間距或者風向角來控制非期望區域面積,使得其最小的風環境設計方法稱為最小化非期望區域面積設計方法.根據建筑群區域內人類活動要求的不同,本文分別取Rlim為1.0,1.2,1.5在某布局形式,某風向角情況下,定義區域A1和A2的非期望面積率為αA1+A2=Aunexp/Atotal.(8)式中:區域總面積Atotal為單位寬度的過道長度之和,以近似代表整個建筑群內的室外人群活動區域的面積;非期望區域面積Aunexp為超過期望風速比Rlim的單位寬度的過道長度之和,以近似代表非期望區域面積.圖12～14是不同風向角下非期望面積率αA1+A2的等值線圖.例4:已知當地主導風向為0°風向角,利用最小化非期望區域面積方法,合理選擇建筑小區的布局參數.對于建筑小區內取各區域Rlim=1.2,設計者可以接受的αA1+A2<2.0%.解:根據主導風向角和設計者期望的風速比要求,可以查圖12(b).只要選取圖中灰色陰影部分(含黑色區域)的任何一組小區布局參數即可以滿足設計者的非期望面積率要求.如果進一步優化,非期望面積率的最高值降低為1.0%,那么則可以選擇圖12(b)中的黑色部分區域作為合理的布局參數,例如γB=2.0,γL=1.0.定義考察所有風向角下的整個小區內(區域Ⅰ+Ⅱ)非期望面積率αA1+A2取最小時的值為非期望面積率風向優化值ˉαA1+A2,即ˉαA1+A2=minθm∈{0°,22.5°,45°,67.5°,90°}{αA1+A2(γLj,γBk,θm)}.(9)并且相應的風向角θA1+A2為θA1+A2?ˉαA1+A2.(10)操作符?表示ˉαA1+A2在各個風向角下的最小值所對應的風向角.圖15、16分別給出了αA1+A2和θA1+A2的等值線圖.仿照例3,根據設計者提出的不同期望風速比,查圖15、16便可以選擇合理的布局參數和建筑朝向.例5:如果設計者期望的建筑小區內的區域