論風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑設(shè)計(jì)的重要性以及風(fēng)環(huán)境模擬的方法

1、論風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑設(shè)計(jì)的重要性以及風(fēng)環(huán)境模擬的方法成員組長(zhǎng)：黃瑞云 2011012314組員：趙小玲 2011012311組員：王 丹 2011012309摘要：本論文論述了風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑設(shè)計(jì)的重要性以及各種風(fēng)環(huán)境的模擬方法介紹，最后利用風(fēng)環(huán)境模擬方法中的PHOENICS軟件模擬了行政服務(wù)中心項(xiàng)目的風(fēng)環(huán)境。關(guān)鍵詞：風(fēng)環(huán)境 綠色建筑 舒適 流通 風(fēng)速 風(fēng)壓 PHOENICS正文：隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)居住、辦公環(huán)境的要求越來(lái)越高。如何在建筑室內(nèi)各部分維護(hù)良好通風(fēng)的同時(shí)避免廢棄回流，在室外環(huán)境規(guī)劃中維護(hù)“風(fēng)道”，促進(jìn)城市空氣流通更新與人們聚集區(qū)域的風(fēng)速舒適與減輕污染，成為設(shè)計(jì)建筑風(fēng)環(huán)境的基本考慮

2、。建筑群風(fēng)環(huán)境與建筑室內(nèi)通風(fēng)是營(yíng)造人體生理舒適性的主要因素，而且通風(fēng)效率與建筑節(jié)能直接相關(guān)，是可持續(xù)發(fā)展的“綠色建筑”的重要主題。對(duì)于中國(guó)這樣廣大地區(qū)的氣候環(huán)境差異，造成南北方、長(zhǎng)江流域以及亞熱帶地區(qū)完全不同的風(fēng)環(huán)境考慮，建筑布局如何適應(yīng)當(dāng)?shù)貧饬鳁l件，以及采暖節(jié)能與制冷節(jié)能對(duì)風(fēng)環(huán)境的完全不同要求，都對(duì)建筑設(shè)計(jì)提出了要求。隨著人口密度的提高，用地開(kāi)始緊張，高層建筑成了開(kāi)發(fā)商們的首選。風(fēng)荷載是高層建筑的主要側(cè)向荷載之一。1926年9月美國(guó)邁阿密市麥芽喀隆大樓在臺(tái)風(fēng)襲擊后發(fā)生塑形變形，頂部殘余位移達(dá)0.61米。我國(guó)深圳一座超高層建筑在多次不同風(fēng)洞測(cè)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)橫風(fēng)向強(qiáng)烈風(fēng)震現(xiàn)象。眾多工程實(shí)例表明，結(jié)

3、構(gòu)抗風(fēng)分析是高層建筑重要設(shè)計(jì)計(jì)算的因素。當(dāng)然風(fēng)環(huán)境不僅對(duì)建筑產(chǎn)生影響還會(huì)對(duì)建筑周邊的行人產(chǎn)生影響。當(dāng)一棟大樓矗立起來(lái)，不可避免地改變了原來(lái)吹經(jīng)此處的風(fēng)的走向，即改變此片地塊的風(fēng)環(huán)境。這種改變有可能產(chǎn)生不良影響。例如商業(yè)街和成排成列的住宅區(qū)兩旁，形成人工“街道峽谷”，也可以說(shuō)是弄堂，風(fēng)匯合在街道弄堂里，由于“峽谷效應(yīng)”，風(fēng)速加大，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，加上建筑物的阻滯，形成漩渦和強(qiáng)烈變化的升降氣流等復(fù)雜的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。不僅群體建筑會(huì)形成不良區(qū)域性風(fēng)氣候，單體高層建筑福今年也會(huì)出現(xiàn)不利的風(fēng)環(huán)境。高層建筑趨于將高空的高速氣流引至地面，特別是建筑轉(zhuǎn)角處，流動(dòng)加速，并在建筑前方形成停駐的漩渦，將惡化建筑周?chē)腥?/p>

4、高度的風(fēng)環(huán)境，危及過(guò)往行人安全。以上我們敘述了風(fēng)環(huán)境對(duì)我們的重要性，但是期望在建筑風(fēng)荷載規(guī)范里尋找具體地貌區(qū)域里，設(shè)計(jì)外形各異的建筑物風(fēng)荷載體形系數(shù)供設(shè)計(jì)計(jì)算之用，無(wú)疑是困難的。何況不同風(fēng)向角下，其流態(tài)是不同的，風(fēng)荷載體形系數(shù)是變化的，建筑物間也存在相互干擾，風(fēng)荷載的影響是難以評(píng)估的，故只有通過(guò)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)了解在風(fēng)力作用下高層建筑群體間的相互干擾影響和改變其外表周邊風(fēng)壓分布情況，獲取必要的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確評(píng)估各個(gè)高度上局部風(fēng)環(huán)境詳情，確保安全舒適的風(fēng)環(huán)境。風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前建筑室外風(fēng)環(huán)境及風(fēng)工程領(lǐng)域使用的主要方法，它是通過(guò)制作實(shí)際建筑物的縮尺模型在大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的，通過(guò)必要的手段產(chǎn)生

5、類(lèi)似于實(shí)際建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)，然后通過(guò)布置在模型表面及周?chē)脑囼?yàn)儀器測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)前研究?jī)?nèi)容已經(jīng)涵蓋了建筑物在不同地貌下以及各種體型的高層建筑的風(fēng)壓風(fēng)速分布研究以及不同高度比和相對(duì)位置的變化所產(chǎn)生的相互干擾影響。但是風(fēng)洞試驗(yàn)也存在著諸如模型制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，難以同時(shí)研究不同的建筑設(shè)計(jì)方案等缺點(diǎn)，而且縮小尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉豢偸悄芊从橙壤Y(jié)構(gòu)的各方面特征，另外，在測(cè)點(diǎn)布置、同步測(cè)壓等一系列問(wèn)題上也有很多不足有待解決。 除了風(fēng)洞試驗(yàn)，建筑室外風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)方法目前主要還有網(wǎng)絡(luò)法以及數(shù)值計(jì)算法。 網(wǎng)絡(luò)法是從宏觀角度對(duì)自然通風(fēng)進(jìn)行分析，主要用于自然通風(fēng)建筑設(shè)計(jì)初期的風(fēng)量預(yù)測(cè)。它利用質(zhì)

6、量、能量守恒等方程計(jì)算風(fēng)壓和熱壓作用下的自然通風(fēng)量。但由于網(wǎng)絡(luò)法不考慮房間內(nèi)部的空氣流動(dòng)形態(tài)對(duì)自然通風(fēng)效果的影響，所以無(wú)法給出房間內(nèi)部的空氣詳細(xì)流動(dòng)情況分析。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算已成為評(píng)價(jià)方法的主流。而通風(fēng)過(guò)程的數(shù)值模擬研究主要有節(jié)點(diǎn)法、數(shù)學(xué)模型法和計(jì)算流體力學(xué)法。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）法因其快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確有效、成本較低等優(yōu)點(diǎn)在越來(lái)越多的工程問(wèn)題中得到使用，并逐漸成為有效處理工程問(wèn)題的手段，受到廣泛認(rèn)可。CDF模擬是從微觀角度針對(duì)某一區(qū)域或房間，利用質(zhì)量、能量守恒等基本方程對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行求解，分析其空氣流動(dòng)情況。采用CDF對(duì)自然通風(fēng)模擬，主要用于自然通風(fēng)風(fēng)場(chǎng)布局優(yōu)化和室內(nèi)流

7、場(chǎng)分析，以及對(duì)象中庭這類(lèi)高大空間的流場(chǎng)模擬，通過(guò)CDF提供的直接詳細(xì)的信息，便與設(shè)計(jì)者對(duì)待定的房間或區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)策略調(diào)整，使之有效地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。目前我國(guó)流行的大型商業(yè)化CDF軟件主要有Fluent，CFX，StarCD,PHOENICS.這幾個(gè)軟件在國(guó)內(nèi)使用范圍廣、用戶(hù)多，各有特點(diǎn)，其能實(shí)現(xiàn)的功能大體相似，對(duì)于建筑物饒流來(lái)說(shuō)，這幾種軟件都能實(shí)現(xiàn)且都有成功實(shí)現(xiàn)實(shí)例，但其價(jià)格差別較大，F(xiàn)luent的價(jià)格約為Phoenics的7、8 倍，CFX也價(jià)格不菲?？紤]到實(shí)際的需要和價(jià)格因素，我們選用了Phoenics來(lái)進(jìn)行建筑物風(fēng)環(huán)境的模擬以獲得良好的價(jià)格性能比。PHOENICS是英國(guó)CHAM公司開(kāi)發(fā)的模

8、擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過(guò)程的通用CFD軟件，全稱(chēng)為Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series。網(wǎng)格系統(tǒng)包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格?？梢詫?duì)三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。利用模型編輯界面來(lái)建立幾何模型是最適合初學(xué)者的，因?yàn)樗粌H簡(jiǎn)單易懂，而且還可以自動(dòng)生成PHOENICS輸入語(yǔ)言所編寫(xiě)的Q1文件而不用使用者學(xué)習(xí)PHOENICS輸入語(yǔ)言。當(dāng)使用者對(duì)PHOENI

9、CS有了一定的了解以后，可以利用PHOENICS輸入語(yǔ)言直接編寫(xiě)Q1文件或利用FORTRAN語(yǔ)言更深入地編寫(xiě)一些模塊。 D D. a5 o+ v, C, E1 z, T2 R% r+ o計(jì)算結(jié)果查看界面可以將計(jì)算結(jié)果以形象易懂地方式表現(xiàn)出來(lái)，也可以利用PHOENICS中的圖形處理模塊將計(jì)算結(jié)果按我們想要的形式畫(huà)出來(lái)，另外為了更好地觀察計(jì)算結(jié)果和提取有用信息可將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換再用各種常用的圖象處理軟件處理，如TECPLOT，ORINGE，MATLAB等。本組采用CDF手段利用PHOENICS軟件對(duì)項(xiàng)目周邊風(fēng)環(huán)境進(jìn)項(xiàng)模擬，通過(guò)設(shè)置40萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行分析計(jì)算，報(bào)告中綜合流暢風(fēng)速，風(fēng)壓三個(gè)因素對(duì)本組

10、項(xiàng)目周邊風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。以下是本組的模擬內(nèi)容：項(xiàng)目為新建市新建行政服務(wù)中心，建筑總用地面積為202433平方米，其中建設(shè)用地面積為166258平方米，規(guī)劃保留綠化帶36175平方米,總建筑面積45000平方米，地下車(chē)庫(kù)停車(chē)位200輛，地上停車(chē)位100輛。項(xiàng)目地處寧波，寧波屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛，冬夏季風(fēng)交替明顯。 寧波的四季是冬夏長(zhǎng)（各約4個(gè)月）、春秋短（各2個(gè)月左右）。冬季，由于受蒙古高壓控制，在西伯利亞冷空氣的不斷補(bǔ)充南下，天氣干燥寒冷。此時(shí)盛行偏北風(fēng)。夏季，受太平洋副熱帶高壓控制，盛行東南風(fēng)，多連續(xù)晴熱天氣，除局部雷陣雨外，還會(huì)受到臺(tái)風(fēng)或東風(fēng)波

11、等熱帶天氣系統(tǒng)影響出現(xiàn)大的降水過(guò)程。由于寧波倚山靠海，特定的地理位置和自然環(huán)境使各地氣候差異明顯、天氣復(fù)雜，但同時(shí)也形成了多樣的氣候類(lèi)型。如各海島具有氣溫年較差小、冬暖夏涼的海洋性氣候特色、氣候濕潤(rùn)、光照條件較好、風(fēng)力資源豐富等，但易受臺(tái)風(fēng)影響；西部山區(qū)則立體氣候特征明顯，光照、氣溫、降水隨高度變化顯著，水資源相對(duì)豐富，但也極易產(chǎn)生洪澇或干旱；而廣大平原地區(qū)受季風(fēng)影響明顯。本項(xiàng)目建模時(shí)，在不影響自然通風(fēng)的前提下對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地模型做了部分簡(jiǎn)化， 如非主要通風(fēng)通道不作為計(jì)算區(qū)域等，同時(shí)保留了項(xiàng)目場(chǎng)地周?chē)幕窘ㄖ?，?證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體模型如圖所示：環(huán)境參數(shù)設(shè)置所屬區(qū)域?yàn)閷幉ㄊ校鶕?jù)深圳室外氣象

12、參數(shù)，在計(jì)算模擬中， 對(duì)風(fēng)向和基準(zhǔn)高度風(fēng)速的設(shè)置如下： 根據(jù)中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集提供的數(shù)據(jù)，確定以下參數(shù)： 設(shè)定夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南 135，基準(zhǔn)高度處(10m)平均風(fēng)速取為 2.7m/s；冬季主 導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏北 22.5， 基準(zhǔn)高度處(10m)平均風(fēng)速取為 3m/s。運(yùn)行軟件后得出以下數(shù)據(jù)圖：室外1.5米高度處風(fēng)速矢量圖距離地面1.5米高度風(fēng)速云圖距地 1.5米處高度風(fēng)壓云圖迎風(fēng)面風(fēng)壓背風(fēng)面風(fēng)壓 從流暢圖可以看出建筑周邊流場(chǎng)較為均勻，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較大渦流風(fēng)場(chǎng)，整體未出現(xiàn)無(wú)風(fēng)區(qū)，沒(méi)有出現(xiàn)大面積風(fēng)影區(qū)，滯留區(qū)，風(fēng)速大小適宜，不影響周邊空氣品質(zhì)。建筑周邊人行區(qū)域風(fēng)速處于0.96m/s-3.

13、1m/s,均小于5m/s，符合人體舒適度要求。項(xiàng)目建筑前后壓差一半達(dá)到4.0Pa，一半達(dá)到10Pa以上，室內(nèi)可利用自然通風(fēng)。能較好的滿(mǎn)足建筑對(duì)自然通風(fēng)的要求，適宜采用開(kāi)窗進(jìn)行自然通風(fēng)。既綠色環(huán)保又有利于人體健康。根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)4.2.6 場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外行走、活動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)：1) 建筑物周?chē)诵袇^(qū)風(fēng)速小于5m/s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2； 2) 除迎風(fēng)第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面風(fēng)壓差不大于5Pa；3) 場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無(wú)風(fēng)區(qū)；4) 50%以上可開(kāi)啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于0.5Pa。此項(xiàng)目完全符合以上標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)環(huán)境達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則4.1.13住區(qū)風(fēng)環(huán)境有利于冬季室外行走舒適及過(guò)渡季、夏季的自然通風(fēng)。高層建筑的出現(xiàn)使得再生風(fēng)和二次風(fēng)環(huán)境問(wèn)題凸現(xiàn)出來(lái)。在鱗次櫛比的建筑群中，由于建筑單體設(shè)計(jì)和群體布局不當(dāng)，有可能導(dǎo)致局部風(fēng)速過(guò)大，行人舉步維艱或強(qiáng)風(fēng)卷刮物體傷人等事故。研究結(jié)果表明，建筑物周?chē)诵袇^(qū)距地1.5m高處風(fēng)速V5m/s是不影響人們正常室外活動(dòng)的基本要求。以冬季作為主要評(píng)價(jià)季節(jié)，是由于對(duì)多數(shù)城市而言，冬季風(fēng)速約為5m/s的情況較多。此外，通風(fēng)不暢還會(huì)嚴(yán)重阻礙空氣的流動(dòng)，在某些區(qū)域形成無(wú)風(fēng)區(qū)或渦旋區(qū)，不利于室外散熱和污染物的消散。夏季、過(guò)渡季自然通風(fēng)對(duì)于建筑