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白润山董齐辉 卜娜蕊 张 煜
（1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；
2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000）
城市化发展步伐的加快，土地资源日渐匮乏，为了满足人们居住的需要，高楼林立，鳞次栉比，建筑密度不断增加。为使住宅小区的宜居性达到更好的水平，建筑物不仅要满足基本的日照标准及场地生态与景观的需求等，还要保证场地内风环境有利于室外舒适的行走或活动。在冬季，室外行走或活动要舒适，人行区距地高1.5m处的风速就得小于5m/s，户外休息区、儿童娱乐区风速就得小于2m/s[1]。所以，研究小区风环境关系到人们居住环境的舒适性。本文仅针对行列式布局的建筑小区，以建筑密度为变量，探究不同建筑密度对风环境的影响。
研究人员对风环境做了大量的研究。Yafeng Gao等[2]通过在国外某高校内进行为期一年的现场测量，研究低层建筑群中建筑形式与风环境的关系。胡晓峰等[3]通过对深圳某小区环境的风状况进行模拟分析，论证错列式、斜列式的排列方式对住宅小区的通风情况要优于其他（如围合式等）类型的排列方式；
王珍吾等[4]通过对建筑物不同布局方式的模拟分析，详细分析不同种类的布局方式对风环境造成的不同影响；
梁涛等[5]通过对郑州建筑群的建筑布局、建筑高度及到市中心距离等诸多因素的不同，布置多个测点，对其进行风环境评价分析，确定出最佳风环境效果；
蒲增燕[6]通过对行列式、错列式两种布局方式的住宅小区进行风环境模拟分析，分别对行列式及错列式布局的建筑群的风环境优化提出可行性建议。黄文峰等[7]选取三种典型的建筑布局形式对建筑群风环境进行模拟分析，并利用定量与定性的分析方法对建筑群的风环境进行评估，探究出不同风向下的较好风环境的布局形式为行列式布局；
宁琬歆[8]利用数值模拟技术对邯郸市建筑风环境进行探究，通过改变入口的风速，研究风速对城市住区风环境的影响。王泰[9]对天津地区85处居住区的高层建筑的布局与形态进行整理，并选取三种不同的建筑高度探究高层建筑的布局和高度对风环境的影响；
并采用数值模拟分析常见布局的风环境状况，通过对比分析，详细研究高层建筑在建筑区中不同的位置、高度及组合形式对风环境的影响。吴鑫[10]对乌鲁木齐某待建居住小区项目进行风环境模拟，以户外行人活动区舒适度、城市大气污染物扩散和城市热岛效应为三大控制指标对设计方案风环境的好坏进行探究。并结合模拟结果，对居住区风环境的优化提出建议性改进策略。蔡悦倩[11]运用Fluent软件研究建筑布局形态因素对风环境的影响。总结对建筑布局形态设计的优化策略，并应用于北京市某具体项目得以验证其可行性。潘斐[12]对西安市的不同建筑密度及开窗面积的高层建筑的室内通风情况进行研究。并结合现场实测的方法，既验证了模拟结果的可靠性，又探究了最佳通风效果的优化设计，并研究了住宅建筑能耗与建筑密度及室外风速之间的关系。
随着居民对居住环境的重视，对风环境的探究和规划也逐渐被引入设计要素之中，但风环境的研究往往具备周期长、耗资高的特点，且由于风况规律的复杂性及不确定性，也为风环境的研究增加了难点。但随着科技水平的发展，科研者们将数值模拟分析运用到这一领域，并经过不断的改进，使其准确性及可靠性完全满足设计要求。目前，市场上CFD模拟软件的种类越来越多，针对不同的适用范围，它们有着各自的特点。本文所采用的Ansys模拟软件具备的优势在于较为完善的分析功能，并且有着较为强大的三维建模能力。建筑物的选择分别为5*5、5*7、7*7、7*9四个不同的密度，建筑物的尺寸设定为12m×12m×24m，计算域的确定根据绿色建筑计算标准设定，确定顶部区域为最高建筑高度的3倍，并在阻塞率小于2.5%的条件下，拟定风场规格为1200m×1120m×72m，建筑物的布局采用行列式布局。模拟小区场地为150m×200m的理想区域，计算各模型得到的建筑密度分别为12%、16.8%、23.52%、30.24%。以北风作为输入风向，模拟风速为15m/s。
通过对模拟小区的迭代计算，可以得到风速轨迹在小区内的分布情况，如图1所示。
图1 风速轨迹图
从图1可知，比较5*7建筑群与7*7建筑群，保持其纵向间距不变，使横向间距减小，可以看到在同位置，由于横向间距的减小，风速会有略微的增长，这是由于狭管效应的作用。当自然风从开阔地域进入小区时，由于建筑物的阻挡使风压增大，导致自然风的流速加快，这种现象称之为狭管效应。它使自然风变得毫无规则、起伏不定，形成湍流，而湍流的形成会造成污染物的聚集，降低行人行走时的舒适度，且受建筑密度的影响较大。比较5*5建筑群与5*7建筑群、7*7建筑群与7*9建筑群，保持其横向间距不变，纵向间距减小，可以明显看出，风速有明显的阶梯性降低，这是由于上游建筑对来向风的阻挡作用，使后方建筑的风速大幅减小，但同时会出现反方向的风速增加。原因是当自然风在遇到建筑物的阻挡时，会改变方向，并形成下沉或上升的气流，这也是图中出现逆向风的原因。而下沉的风在受到楼与楼之间的阻挡、叠加，会在行人高度处形成涡流区、穿堂风和角流风的现象。这些是造成行人体感舒适度较差的主要原因，甚至会造成建筑物表层脱落的风险，造成安全隐患。而行人高度处的风速随着建筑密度的增加也会发生变化，由于建筑的阻挡作用，在小区内，道路走向与风向方向一致区域的风速会有很大的降低，一般维持在5m/s左右，能够满足人体舒适度要求的同时，自然风的快速流动也使建筑物之间的空气得到置换，使空气污染指数大幅度降低。而道路走向与风向方向不一致的部分区域的风速会骤增至20m/s左右，多发生在建筑物对来向风阻挡的区域。相较于初始风速，增大比例为1.33。不仅对行人造成行走阻碍甚至形成的湍流风及角流风引起高空坠物，对户外活动居民形成安全隐患。
由模拟结果局部细节的分析可以看出，建筑群第一排建筑与第二排建筑之间会产生较大的逆向风速，自然风经过建筑物之间形成的狭管效应并在建筑物的阻挡下产生气流的叠加，使风速有明显的增强。而位于风口上游的建筑风速相对较稳定，是由于自然风在进入建筑群之前的初始风速是一定的，且没有经过建筑物之间狭管效应的加成。但由于建筑物迎风面对来向风的阻挡作用，会产生较强的逆向风，且横向间距的减小会使逆向风发生较大的变化。比较5*5与5*5、7*7与7*9可知，风速的差值可达到5m/s左右。而随着纵向间距的减小，风速也有明显的变化，比较5*7与7*7可以明显看出，进风口风速没有明显的差异，风速大小在±7m/s的范围内波动，而在经过不同建筑物密度影响下，后方建筑间的风速分别为4m/s和0.5m/s左右。由此可知建筑物的密度对风速的影响，随着密度的增大，对风速的减弱程度越高。
流动的风在受到建筑物的阻挡时，使四周空气受阻，动压下降，静压上升。这种静压的上升和降低统称为风压。换言之，风压就是垂直于气流方向的平面所受到风的压力。因此风压的大小与风速存在直接的关系，风压为风速平方的1/1600。风压对建筑物的影响直接关系到建筑物夏季通风与冬季取暖。风压过大，会导致在冬季时冷风侵入到室内，而风压过小，又会使夏季时室内闷热，造成资源的浪费。因此，合适的风压也是住宅小区居住舒适度优劣的重要指标。根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）中，8.2.8条规定：“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。”
由图2建筑风压云图可以明显看出，迎风面的风压在整个建筑群中达到最大值，且较为复杂。而随着上游建筑物的阻挡，后方建筑风压急剧降低。而在建筑群的中心，风压逐渐趋于稳定，迎风面与背风面的风压差也基本在规定范围内，且存在大多数的0Pa风压的静风区域，静风区域的存在会使建筑物附近的空气滞留，且不利于室内的通风。而在建筑群最外围建筑的迎风面和背风面的风压差较大，大约在20Pa左右。除此之外，背风面大部分风压为负压区，强度区间在20～40Pa左右。
图2 建筑风压云图
综上所述，随着建筑群密度的改变，自然风进入小区后的风速会得到相应的改变，狭管效应的存在会使风速加剧，而建筑物对来向风的阻挡作用会使风向及风速发生骤变，并形成湍流涡旋及角流风等恶劣风况，会使建筑物外墙挂件有脱落的风险，应定期检查，避免安全隐患。而考虑到风速的影响，外墙装饰不建议采用外粘式装饰，如瓷砖等，防止高空坠物。建筑群外围的迎风面会受到较大的风速和风压影响，而建筑前后距离的减少也会使流入的风受到阻挡，形成下沉或上升的气流并经过叠加形成更大的逆方向风速。针对这种情况，可以考虑斜列式或点斜式等其他的布局形式降低这种影响。而横向间距的减小会使狭管效应加剧，另外可采取降低流向建筑群的自然风的风速，比如在保证街道宽度符合标准规范的前提下，可选择采取种植绿化的方式形成防风隔断，如此可以减少乱流、涡旋风和升降气流对人的侵害。本次研究的不足之处是没有探究建筑群之间对风环境优化效果的最佳间距及其他布局形式对风环境的优化效果，可作为下阶段的努力方向。
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