基于风洞试验的行列式建筑布局参数研究

基于风洞试验的行列式建筑布局参数研究

建筑物周围的近地风对行人舒适度的影响（建筑室外风环境的问题）越来越受到重视。除了局部流的风环境外，建筑物的室外风环境还取决于建筑物的外观、方向和建筑之间的距离。因此，这些因素对风环境的影响可以作为绿色建筑工地的重要参考依据。自20世纪60年代以来,现场实测、风洞试验、数值模拟等多种研究手段在风环境研究中得到应用.其中现场实测主要用于评估已建成建筑,数值模拟、风洞试验则用于对拟建建筑进行风环境预评估.在风洞试验研究方面,White阐述了利用风洞试验进行风环境测试的详细过程和可行性,Stathopoulos等总结了关于单体建筑和2个并排建筑的风环境风洞试验结果,Tetsu等试验研究了建筑物密度对行人高度处平均风速的影响.风环境测试通常通过布置风速测点进行,但近年来又涌现出了一些新的试验技术.如Yamada等使用红外热线感应图像技术研究行人高度处的风环境,Liu等采用激光粒子成像速度场测量系统(PIV),模拟了街谷存在地面加热时的环境风场,以及王宝民等利用刷蚀技术对北京商务中心进行风环境试验.随着高性能计算的发展,数值风洞开始在风环境研究中得到应用,如Blocken等采用计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)对某体育场周围风环境进行计算分析,其结果与实测数据较为吻合.目前对于建筑群风环境的研究通常是针对某一特定建筑群,然后选取几个典型的布局形式或者改变布局中某些参数来分析建筑群周围流场的变化.例如To等考虑由一列建筑物构成的建筑群,讨论了建筑物排列位置和风向角对其风环境的影响.He等利用CFD数值方法对台北某行政大楼等3例建筑工程做了风环境评价.考虑0°风向角和45°风向角,Zhang等研究了由18个建筑物构成的建筑群的风环境,讨论了布局形式对其流场的影响.王辉等以3×3行列式布置建筑群为研究对象,通过改变间距等参数定性分析了建筑布局对建筑群周围风场的影响.Blocken等对过道风受建筑间距的影响做了详细的量化分析.王旭等通过数值分析研究了3×4行列式布置建筑群的狭道风效应.徐刚等分析了3×2行列式布置建筑群的风环境,探讨了建筑表面风压差、建筑周围流场等与建筑布局之间的关系.仅考虑对某一特定的建筑或建筑群案例进行分析,则分析结论无法定量地对受多参数影响的新建建筑群风环境进行预评估及优化,也不便于推广应用.本文以行列式建筑群为研究对象,通过一系列的风洞试验定量地研究无量纲布局参数和风环境之间的关系,从而得到多种等值线图以便设计者对建筑群周围的风环境进行预评估.在提出优化设计理念及方法的基础上,通过具体事例介绍如何应用其对整个建筑群的风环境进行优化设计.1测点及测点布置图1所示为由3×4个矩形平面的建筑物构成的一个行列式布置的建筑群.该建筑群内各个建筑物的长×宽×高(L×B×H)尺寸均为40m×10m×25m.建筑物之间x向间距为W1,y向间距为W2.参照文献的相关分析,将建筑群周围空间划分为3个区域:区域I(定义为A1)、区域II(定义为A2)均为建筑群内部承担主要交通功能的区域,区域III(定义为A3)为有可能出现风速加速的拐角区域.各区域测点如表1和图2所示,图2中的‘*’为风速测点,数字为测点编号.为了便于参数的敏感性分析,定义无量纲的γL为纵向稀疏系数、γB为横向稀疏系数,表示为γL=W1/L,γB=W2/B.(1)在风洞试验中,采用了5×5=25种小区布局形式,其中γL=0.25,0.375,0.5,0.75,1.0;γB=1.0,1.5,2.0,2.5,3.0.对每个小区布局形式进行了5个风向角下的风洞试验,风向角间隔为22.5°,顺时针旋转,其中0°和90°风向角如图1所示.建筑群的模型缩尺比为1∶150,在广东省建筑科学研究院风洞(图3)进行风环境试验.采用均匀流,来流风速为7m/s;采用全风向风速探头(图4)测定各个测点的风速,探头直径为1.5mm,在试验前的CFD模拟结果已表明探头对所关心的高风速比区域流场影响可忽略.各测点的高度均为1cm.试验结果用风速比来描述,以减少边界层效应的影响,在试验前的CFD模拟结果表明边界层效应对风速比的影响较小.2最大风速比通常采用相对风速值来描述收风环境评估区域的风环境.选取远处未受干扰的1.5m高度处的风速值为参考风速vref,相同高度处的建筑群内风速值为vg,采用符号R来表示相对风速,其值定义为风速比,即R=vg/vref.(2)显然R为测点位置、2个稀疏系数及风向角的函数,即Rijkm=R(Pi,γLj,γBk,θm).(3)式中:Pi表示第i测点位置,γLj表示第j个稀疏系数,γBk表示第k个稀疏系数,θm表示第m个风向角.通常认为风速比R>1.0时,表明建筑物的存在对来流风具有放大作用,此时该区域的风环境质量变差.图5给出了所有测点在各个风向角下的风速比.由图5可知,在同一个风向角下,每个区域出现较大风速比所对应的测点大致相同,而其他多数测点的风速比小于1.0,这表明,只要控制某一区域的最大风速比使其最小化就可以使得整个建筑群风环境趋于良好.定义在某个风向角θm及某个建筑群布局γLj、γBk工况下的某个区域An内的最大风速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm为区域最大风速比,即RmaxAn,jkm=maxi∈An{R(Ρi,γLj,γBk,θm)}.(4)RmaxAn,jkm=maxi∈An{R(Pi,γLj,γBk,θm)}.(4)图6～8给出了各风向角下各区域最大风速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm的等值线图.区域Ⅰ是建筑群的主干道,由于狭道风效应,风向角0°时区域最大风速比RmaxA1,jkmmaxA1,jkm在部分工况下达到1.70,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm随着γL的增大逐渐减小.风速放大现象在风向角0°、22.5°较为明显;在风向角为67.5°和90°时除少数工况外,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm均小于1.0,如图6(d)、(e)所示.区域Ⅱ是建筑群次干道,在0°风向角下,大多数工况的RmaxA2,jkmmaxA2,jkm值小于1.0.在γL=0.375,γB较小情况下,67.5°和90°风向角下的RmaxA2,jkmmaxA2,jkm值均较大,有的甚至超过1.50.风速放大现象在90°风向角下最为明显,此时RmaxA2,jkmmaxA2,jkm随着γB的增大先增大再减小.区域Ⅲ是建筑群的拐角区域,与区域Ⅰ和区域Ⅱ不同的是,该区域最大风速比RmaxA3,jkmmaxA3,jkm在不同稀疏系数γL、γB及风向角θm下,均在1.0以上.这说明建筑群外侧拐角区域风环境相对恶劣,而且风向角为0°时,拐角区域出现较大RmaxA3,jkmmaxA3,jkm的可能性相对较大.3最小风速比原则定义并描述2种风环境优化设计理念:1)为最小化最大风速比法,它通过最小化所关心区域的最大风速比来使整个建筑群风环境趋于良好.不考虑拐角区域而只考虑建筑群内部;2)称为最小化非期望区域面积法,它通过使得超过某一风速比的区域面积最小化的方法来优化风环境.3.1分布在相转移的阴阳部分采用最小化最大风速比方法,根据建筑群每个区域的人流状况、功能用途实行多个区域共同控制,即参照图6～8选择合理的建筑群布局参数(即2个方向的稀疏系数).例1:已知当地主导风向为0°风向角,利用最小化最大风速比方法,合理选择建筑小区的布局参数,使得区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大风速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm分别最小;定义设计者期望的风速比为Rlim,即设计关心区域的区域最大风速比不大于此值;对于建筑小区内各区域取Rlim=1.2,对于拐角取Rlim=1.5,确定合理布局的参数区间.解:由于主导风向角已经确定,只需通过查阅图6(a)、图7(a)、图8(a)就可以得到使得RmaxAn,jkmmaxAn,jkm最小的布局参数.由图6(a)可发现当稀疏系数坐标γB=2.0,γL=1.0时,RmaxA1,jkmmaxA1,jkm值较小.同样对应于控制区域Ⅱ的一组合理布局参数为γB=2.3,γL=0.45;对应于控制区域Ⅲ的一组合理布局参数为γB=2.0,γL=0.75.当Rlim=1.2时,查图6(a)、图7(a)可知区域Ⅰ、Ⅱ的合理参数区间分别为图6(a)、图7(a)中阴影部分;当Rlim=1.5时,由图8(a)可知区域Ⅲ的合理参数的区间为图8(a)中阴影部分.因此,同时满足建筑小区内及拐角的风速比要求的合理参数区间为图6(a)中阴影部分.为了便于对整个建筑群内部使用最小化最大风速比设计方法,图9给出了整个建筑群内部的区域最大风速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm在各稀疏参数下的等值线图.RmaxA1+A2,jkm=maxi∈(A1+A2){R(Ρi,γLj,γBk,θm)}RmaxA1+A2,jkm=maxi∈(A1+A2){R(Pi,γLj,γBk,θm)}.(5)与前类似,当建筑群所在地区主导风向确定时,即可采用图9获得较为合理的布局参数.例2:已知当地主导风向为0°风向角,确定使得整个小区的区域最大风速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm最小的布局参数,确定当Rlim为1.2时建筑小区布局参数的合理区间.解:由图9(a)可得,使得整个建筑小区的区域最大风速比RmaxA1+A2,jkmmaxA1+A2,jkm最小时的合理参数为γB=2.0,γL=1.0.而对应于Rlim为1.2时,合理的布局参数区间为图9(a)中的阴影部分.定义考察所有风向角下的各个区域最大风速比RmaxAn,jkmmaxAn,jkm取最小时的值为区域最大风速比风向优化值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)并且相应的风向角θmaxAn,jkmaxAn,jk为θmaxAn,jkmaxAn,jk≜RmaxAn,jkmmaxAn,jkm.(7)操作符≜表示RmaxAn,jkmmaxAn,jkm在各个风向角下的最小值所对应的风向角.图10、11分别给出了RmaxAn,jkmaxAn,jk和θmaxAn,jkmaxAn,jk的等值线图.这样,如果设计者除了可以调整建筑群之间的间隔外,还可以改变建筑群的整体朝向,那么就可以继续优化建筑群的风环境.首先通过其期望的风速比Rlim与图10中RmaxAn,jkmaxAn,jk的比较来确定一个合理建筑群布局;然后根据建筑群布局对应的稀疏系数并结合图11获得对应的风向角,从而确定建筑群朝向.具体可通过下例说明.例3:如果设计者期望的建筑小区内的区域风速比Rlim=1.20,确定小区建筑物的合理布局和朝向使得RmaxAn,jk<Rlim.解:由图10(a)可得当布局参数取图10(a)中的灰色阴影部分区域时,RmaxAn,jk<Rlim;然后根据已经确定的小区布局,在图11(a)中用对应的稀疏系数便可以确定较优的风向角为22.5°或45°,或者处于两者之间.对于建筑群布局无法任意改变而风向角可调整的情况,可考虑根据该布局对应的稀疏系数以及图11来确定风向角,然后查图10获得该风向角下的区域最大风速比.实际上建筑小区的规划设计阶段受到各种条件的限制,建筑物朝向和建筑物间距往往并不都能随意选择的.建筑物朝向可能受到日照采光等的影响,而建筑物间距亦可能受到土地资源、城市规划等的限制,因此具体问题还需具体分析.尽管如此,这里给出的风环境优化方法及相关数据仍然值得设计参考.3.2非期望区域面积的精细化限制风速比大于期望风速比Rlim的区域称为非期望区域.通过调整建筑物间距或者风向角来控制非期望区域面积,使得其最小的风环境设计方法称为最小化非期望区域面积设计方法.根据建筑群区域内人类活动要求的不同,本文分别取Rlim为1.0,1.2,1.5在某布局形式,某风向角情况下,定义区域A1和A2的非期望面积率为αA1+A2=Aunexp/Atotal.(8)式中:区域总面积Atotal为单位宽度的过道长度之和,以近似代表整个建筑群内的室外人群活动区域的面积;非期望区域面积Aunexp为超过期望风速比Rlim的单位宽度的过道长度之和,以近似代表非期望区域面积.图12～14是不同风向角下非期望面积率αA1+A2的等值线图.例4:已知当地主导风向为0°风向角,利用最小化非期望区域面积方法,合理选择建筑小区的布局参数.对于建筑小区内取各区域Rlim=1.2,设计者可以接受的αA1+A2<2.0%.解:根据主导风向角和设计者期望的风速比要求,可以查图12(b).只要选取图中灰色阴影部分(含黑色区域)的任何一组小区布局参数即可以满足设计者的非期望面积率要求.如果进一步优化,非期望面积率的最高值降低为1.0%,那么则可以选择图12(b)中的黑色部分区域作为合理的布局参数,例如γB=2.0,γL=1.0.定义考察所有风向角下的整个小区内(区域Ⅰ+Ⅱ)非期望面积率αA1+A2取最小时的值为非期望面积率风向优化值ˉαA1+A2,即ˉαA1+A2=minθm∈{0°,22.5°,45°,67.5°,90°}{αA1+A2(γLj,γBk,θm)}.(9)并且相应的风向角θA1+A2为θA1+A2≜ˉαA1+A2.(10)操作符≜表示ˉαA1+A2在各个风向角下的最小值所对应的风向角.图15、16分别给出了αA1+A2和θA1+A2的等值线图.仿照例3,根据设计者提出的不同期望风速比,查图15、16便可以选择合理的布局参数和建筑朝向.例5:如果设计者期望的建筑小区内的区域