論風環(huán)境對建筑設計的重要性以及風環(huán)境模擬的方法資料

1、論風環(huán)境對建筑設計的重要性以及風環(huán)境模擬的方法成員組長：黃瑞云 2011012314組員：趙小玲 2011012311組員：王 丹 2011012309摘要：本論文論述了風環(huán)境對建筑設計的重要性以及各種風環(huán)境的模擬方法介紹，最后利用風環(huán)境模擬方法中的PHOENICS軟件模擬了行政服務中心項目的風環(huán)境。關鍵詞：風環(huán)境 綠色建筑 舒適 流通 風速 風壓 PHOENICS正文：隨著人們生活水平的提高，人們對居住、辦公環(huán)境的要求越來越高。如何在建筑室內各部分維護良好通風的同時避免廢棄回流，在室外環(huán)境規(guī)劃中維護“風道”，促進城市空氣流通更新與人們聚集區(qū)域的風速舒適與減輕污染，成為設計建筑風環(huán)境的基本考慮

2、。建筑群風環(huán)境與建筑室內通風是營造人體生理舒適性的主要因素，而且通風效率與建筑節(jié)能直接相關，是可持續(xù)發(fā)展的“綠色建筑”的重要主題。對于中國這樣廣大地區(qū)的氣候環(huán)境差異，造成南北方、長江流域以及亞熱帶地區(qū)完全不同的風環(huán)境考慮，建筑布局如何適應當?shù)貧饬鳁l件，以及采暖節(jié)能與制冷節(jié)能對風環(huán)境的完全不同要求，都對建筑設計提出了要求。隨著人口密度的提高，用地開始緊張，高層建筑成了開發(fā)商們的首選。風荷載是高層建筑的主要側向荷載之一。1926年9月美國邁阿密市麥芽喀隆大樓在臺風襲擊后發(fā)生塑形變形，頂部殘余位移達0.61米。我國深圳一座超高層建筑在多次不同風洞測驗中，還發(fā)現(xiàn)橫風向強烈風震現(xiàn)象。眾多工程實例表明，結

3、構抗風分析是高層建筑重要設計計算的因素。當然風環(huán)境不僅對建筑產生影響還會對建筑周邊的行人產生影響。當一棟大樓矗立起來，不可避免地改變了原來吹經此處的風的走向，即改變此片地塊的風環(huán)境。這種改變有可能產生不良影響。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”，也可以說是弄堂，風匯合在街道弄堂里，由于“峽谷效應”，風速加大，出現(xiàn)局部強風，加上建筑物的阻滯，形成漩渦和強烈變化的升降氣流等復雜的空氣流動現(xiàn)象。不僅群體建筑會形成不良區(qū)域性風氣候，單體高層建筑福今年也會出現(xiàn)不利的風環(huán)境。高層建筑趨于將高空的高速氣流引至地面，特別是建筑轉角處，流動加速，并在建筑前方形成停駐的漩渦，將惡化建筑周圍行人

4、高度的風環(huán)境，危及過往行人安全。以上我們敘述了風環(huán)境對我們的重要性，但是期望在建筑風荷載規(guī)范里尋找具體地貌區(qū)域里，設計外形各異的建筑物風荷載體形系數(shù)供設計計算之用，無疑是困難的。何況不同風向角下，其流態(tài)是不同的，風荷載體形系數(shù)是變化的，建筑物間也存在相互干擾，風荷載的影響是難以評估的，故只有通過模型的風洞試驗來了解在風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壓分布情況，獲取必要的風荷載數(shù)據(jù)，才能準確評估各個高度上局部風環(huán)境詳情，確保安全舒適的風環(huán)境。風洞試驗是當前建筑室外風環(huán)境及風工程領域使用的主要方法，它是通過制作實際建筑物的縮尺模型在大氣邊界層風洞中進行的，通過必要的手段產生

5、類似于實際建筑周圍的風場，然后通過布置在模型表面及周圍的試驗儀器測量風速、風壓等相關數(shù)據(jù)，當前研究內容已經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壓風速分布研究以及不同高度比和相對位置的變化所產生的相互干擾影響。但是風洞試驗也存在著諸如模型制作費時費力，試驗周期較長，難以同時研究不同的建筑設計方案等缺點，而且縮小尺寸的試驗模型并不總是能反映全比例結構的各方面特征，另外，在測點布置、同步測壓等一系列問題上也有很多不足有待解決。 除了風洞試驗，建筑室外風環(huán)境的評價方法目前主要還有網絡法以及數(shù)值計算法。 網絡法是從宏觀角度對自然通風進行分析，主要用于自然通風建筑設計初期的風量預測。它利用質

6、量、能量守恒等方程計算風壓和熱壓作用下的自然通風量。但由于網絡法不考慮房間內部的空氣流動形態(tài)對自然通風效果的影響，所以無法給出房間內部的空氣詳細流動情況分析。近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)值計算已成為評價方法的主流。而通風過程的數(shù)值模擬研究主要有節(jié)點法、數(shù)學模型法和計算流體力學法。計算流體力學（CFD）法因其快速簡便、準確有效、成本較低等優(yōu)點在越來越多的工程問題中得到使用，并逐漸成為有效處理工程問題的手段，受到廣泛認可。CDF模擬是從微觀角度針對某一區(qū)域或房間，利用質量、能量守恒等基本方程對流場模型進行求解，分析其空氣流動情況。采用CDF對自然通風模擬，主要用于自然通風風場布局優(yōu)化和室內流

7、場分析，以及對象中庭這類高大空間的流場模擬，通過CDF提供的直接詳細的信息，便與設計者對待定的房間或區(qū)域進行通風策略調整，使之有效地實現(xiàn)自然通風。目前我國流行的大型商業(yè)化CDF軟件主要有Fluent，CFX，StarCD,PHOENICS.這幾個軟件在國內使用范圍廣、用戶多，各有特點，其能實現(xiàn)的功能大體相似，對于建筑物饒流來說，這幾種軟件都能實現(xiàn)且都有成功實現(xiàn)實例，但其價格差別較大，F(xiàn)luent的價格約為Phoenics的7、8 倍，CFX也價格不菲?？紤]到實際的需要和價格因素，我們選用了Phoenics來進行建筑物風環(huán)境的模擬以獲得良好的價格性能比。PHOENICS是英國CHAM公司開發(fā)的模

8、擬傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用CFD軟件，全稱為Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series。網格系統(tǒng)包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運動網格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網格、精密網格?？梢詫θS穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進行模擬，包括非牛頓流、多孔介質中的流動，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建立幾何模型是最適合初學者的，因為它不僅簡單易懂，而且還可以自動生成PHOENICS輸入語言所編寫的Q1文件而不用使用者學習PHOENICS輸入語言。當使用者對PHOENI

9、CS有了一定的了解以后，可以利用PHOENICS輸入語言直接編寫Q1文件或利用FORTRAN語言更深入地編寫一些模塊。" D" D. a5 o+ v, C, E1 z, T2 R% r+ o計算結果查看界面可以將計算結果以形象易懂地方式表現(xiàn)出來，也可以利用PHOENICS中的圖形處理模塊將計算結果按我們想要的形式畫出來，另外為了更好地觀察計算結果和提取有用信息可將計算結果進行格式轉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軟件對項目周邊風環(huán)境進項模擬，通過設置40萬網格進行分析計算，報告中綜合流暢

10、風速，風壓三個因素對本組項目周邊風環(huán)境狀況進行分析評價。以下是本組的模擬內容：項目為新建市新建行政服務中心，建筑總用地面積為202433平方米，其中建設用地面積為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，地下車庫停車位200輛，地上停車位100輛。項目地處寧波，寧波屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。氣候溫和濕潤，四季分明，雨量充沛，冬夏季風交替明顯。 寧波的四季是冬夏長（各約4個月）、春秋短（各2個月左右）。冬季，由于受蒙古高壓控制，在西伯利亞冷空氣的不斷補充南下，天氣干燥寒冷。此時盛行偏北風。夏季，受太平洋副熱帶高壓控制，盛行東南風，多連續(xù)晴熱天氣，除局部雷陣雨

11、外，還會受到臺風或東風波等熱帶天氣系統(tǒng)影響出現(xiàn)大的降水過程。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、天氣復雜，但同時也形成了多樣的氣候類型。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、光照條件較好、風力資源豐富等，但易受臺風影響；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，水資源相對豐富，但也極易產生洪澇或干旱；而廣大平原地區(qū)受季風影響明顯。本項目建模時，在不影響自然通風的前提下對項目場地模型做了部分簡化， 如非主要通風通道不作為計算區(qū)域等，同時保留了項目場地周圍的基本建筑，保 證計算結果的準確性。具體模型如圖所示：環(huán)境參數(shù)設置所屬區(qū)域為

12、寧波市，根據(jù)深圳室外氣象參數(shù)，在計算模擬中， 對風向和基準高度風速的設置如下： 根據(jù)中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集提供的數(shù)據(jù)，確定以下參數(shù)： 設定夏季主導風向為東南 135，基準高度處(10m)平均風速取為 2.7m/s；冬季主 導風向為東北偏北 22.5， 基準高度處(10m)平均風速取為 3m/s。運行軟件后得出以下數(shù)據(jù)圖：室外1.5米高度處風速矢量圖距離地面1.5米高度風速云圖距地 1.5米處高度風壓云圖迎風面風壓背風面風壓 從流暢圖可以看出建筑周邊流場較為均勻，沒有發(fā)現(xiàn)較大渦流風場，整體未出現(xiàn)無風區(qū)，沒有出現(xiàn)大面積風影區(qū)，滯留區(qū)，風速大小適宜，不影響周邊空氣品質。建筑周邊人行區(qū)域風速

13、處于0.96m/s-3.1m/s,均小于5m/s，符合人體舒適度要求。項目建筑前后壓差一半達到4.0Pa，一半達到10Pa以上，室內可利用自然通風。能較好的滿足建筑對自然通風的要求，適宜采用開窗進行自然通風。既綠色環(huán)保又有利于人體健康。根據(jù)綠色建筑評價標準4.2.6 場地內風環(huán)境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風：1) 建筑物周圍人行區(qū)風速小于5m/s，且室外風速放大系數(shù)小于2； 2) 除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa；3) 場地內人活動區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)；4) 50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓差大于0.5Pa。此項目完全符合以上標準，風環(huán)境達到綠色建筑標準。根據(jù)綠色建筑評價技術細則4.1.13住區(qū)風環(huán)境有利于冬季室外行走舒適及過渡季、夏季的自然通風。高層建筑的出現(xiàn)使得再生風和二次風環(huán)境問題凸現(xiàn)出來。在鱗次櫛比的建筑群中，由于建筑單體設計和群體布局不當，有可能導致局部風速過大，行人舉步維艱或強風卷刮物體傷人等事故。研究結果表明，建筑物周圍人行區(qū)距地1.5m高處風速V<5m/s是不影響人們正常室外活動的基本要求。以冬季作為主要評價季節(jié)，是由于對多數(shù)城市而言，冬季風速約為5m/s的情況較多。此外，通風不暢還會嚴重阻礙空氣的流動，在某些區(qū)域形成無風區(qū)或渦旋區(qū)，不利于室外散熱和污染物的消散。夏季、過渡季自然通風對于