高層雙子樓布局方式對建筑風環(huán)境的影響

■ 趙 群 ZHAO Qun 趙晉鵬 ZHAO Jinpeng 李崢嶸 LI Zhengrong

0 引言

隨著城市的迅速發(fā)展和建筑技術(shù)的提升，源自對稱之美的雙子樓、雙子塔成為眾多城市的靚麗風景線，如紐約雙子塔、吉隆坡雙子塔、廈門雙子塔等。雙子辦公樓在城市建筑群中屢見不鮮，兩棟建筑之間連接形成的大空間區(qū)域提升了空間利用率，體現(xiàn)了設(shè)計之美。為保證辦公人員獲得更好的觀察視角，雙子辦公樓之間往往存在一定的錯位距離，因而在兩棟平行建筑之間區(qū)域（街通道）形成了獨特的風環(huán)境，建筑之間的風速大小和通風效果成為關(guān)注的重點。

自20世紀80年代起，已經(jīng)有許多學者對平行建筑之間區(qū)域的流場特征進行了詳細研究。Oke[1]等人提出當來流方向垂直于建筑街通道方向時，背風街通道內(nèi)的流形可以分為爬越流（skimming flow）、尾流擾流(wake interference flow)和孤立粗糙流(isolated roughness flow)等3類; 隨后，Chan[2]等人在此基礎(chǔ)上分析了街通道幾何參數(shù)（高寬比、長高比及建筑相對高度比）對流場特征和污染物擴散作用的影響；劉朔[3]研究了兩棟并列布置的建筑在不同建筑間距和建筑高度下周圍速度場和壓力場的變化情況，指出相鄰建筑存在強烈相互影響的臨界間距為兩倍的建筑高度。Bolcken[4]則通過風洞試驗研究了迎風街通道在不同的建筑間距下的速度分布情況，指出當建筑間距過小或過大時迎風街通道內(nèi)的文丘里效應(yīng)均不再顯著。顯然，目前的主要研究集中于來流風與街通道平行或垂直兩種極端情況，而對其余風向角情況和雙子樓之間存在錯位的研究相對較少。

本文采用數(shù)值模擬方法研究在不同來流風向下兩棟平行建筑之間的風環(huán)境，分析不同布局下的雙子樓之間區(qū)域內(nèi)行人高度處的舒適性和通風效果。

1 數(shù)值模擬

1.1 建筑模型的選取

本文選取長（L）、寬（W）均為20m、高（H）為60m的建筑為研究對象，兩棟建筑間距（M）確定為20m。如圖1所示，為闡述簡潔，先給出風向角α和錯位距離S的定義。風向角反映了來流風的方向，定義正北向來流風的風向角為0°，沿順時針方向逐漸增大。錯位距離反映兩棟建筑在南北軸向上的相對位置，東側(cè)建筑偏北時的S為負值，反之為正值。本研究中，選取α＝0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°；S＝0，（±1/4W），（±1/2W），（±3/4W），（±W）。

1.2 邊界條件的確定

依據(jù)AIJ[5]規(guī)定，選取最高建筑的高度作為特征長度H，建筑群上游、兩側(cè)及上部的計算域長度均為5H，下游計算域長度為15H（圖2），圖中陰影區(qū)域代表兩棟研究建筑。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格。計算域入口采用速度入口，出口選擇壓力出口，兩側(cè)邊界及頂部邊界均采用對稱性邊界條件。來流邊界條件選用指數(shù)型：

式中，us—參考高度zs=10m處對應(yīng)的風速；

u—任意高度z處的風速；

α—大氣邊界層厚度指數(shù)。

湍流動能kz的垂直分布可由湍流強度Iz的垂直分布估算得到。大氣邊界層中：

式中，zG—由周圍地形確定的大氣邊界層厚度。

湍流耗散率εz的垂直分布由公式（4）確定：

依據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019—2015）規(guī)定，選取上海市冬季平均風速作為參考高度10m處的來流風速，速度值為3m/s。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）選取高層高密建筑群的大氣邊界層厚度指數(shù)為0.3，由地形確定的大氣邊界層厚度為550m。湍流計算模型采用標準k-ε模型，壁面函數(shù)選用標準壁面函數(shù)；差分格式為二階迎風差分。當監(jiān)測點的k、ε殘差達到10-6，速度殘差達到10-3，且監(jiān)測點的速度值趨于穩(wěn)定時，認為計算結(jié)果收斂。

圖1 不同錯位距離及風向角的定義

圖2 計算域的俯視圖

1.3 網(wǎng)格獨立性驗證

本文以風向角15°、建筑錯位距離0m作為基本條件，以中等網(wǎng)格的速度模擬結(jié)果為參照，分別計算粗糙網(wǎng)格和精細化網(wǎng)格帶來的模擬結(jié)果與中等網(wǎng)格模擬結(jié)果之間的平均相對誤差（S1、S2），并根據(jù)結(jié)果確定本文采用的網(wǎng)格數(shù)量。其中，中等網(wǎng)格數(shù)目約為110萬個，粗糙網(wǎng)格尺寸為其數(shù)量的一半，而精細化網(wǎng)格為中等網(wǎng)格數(shù)量的兩倍。選取1.5m、10m、30m和50m高度平面內(nèi)均勻分布的監(jiān)測點（圖3）作為計算點，S1、S2計算公式如下：

式中，vi,coarse、vi,medium、vi,fine分別為在粗糙網(wǎng)格、中等網(wǎng)格、精細化網(wǎng)格條件下，第i個監(jiān)測點的速度值。結(jié)果顯示：S1＝3.5%，S2＝2%。說明網(wǎng)格數(shù)目和網(wǎng)格質(zhì)量對于計算結(jié)果準確性的影響不顯著。出于計算機計算能力和計算時長的考慮，本文模擬均采用中等網(wǎng)格。

2 風環(huán)境評價指標的確定

本研究旨在滿足行人舒適感的前提下，提高建筑間氣態(tài)污染物衰減速度，為雙子樓的建筑布局設(shè)計提供參考。因此，本部分選取以下4個評價指標。

2.1 放大因子

放大因子體現(xiàn)了建筑相對位置對風速大小的影響情況，用于衡量行人舒適感：

圖3 不同高度平面及測點的選取

式中，Ai—不同位置的放大因子；

Ui—不同位置行人高度的風速；

Uref—未受到建筑影響的參考位置處自然來流風速。

同時，定義Aavg為特定區(qū)域內(nèi)平均放大因子，Amax為特定區(qū)域內(nèi)的最大放大因子。ShiX等[6]總結(jié)了眾多學者對放大因子的研究成果，提出行人舒適的平均放大因子臨界值為1，最大放大因子臨界值為1.5。

2.2 無量綱空氣流量

無量綱空氣流量反映了建筑群中的空氣流動情況，該值越大，反映群中氣態(tài)污染物衰減速率越高。在特定來流風向條件下，流入或流出建筑之間特定界面的無量綱空氣流量可由以下公式計算：

式中，u—建筑間氣流截面上不同位置的速度矢量；

n—截面的法線方向；

A—該截面所對應(yīng)的面積；

2.3 冠層平均速度和界面交換速度

當來流風與雙子樓街通道呈現(xiàn)較大夾角時，因建筑間相互遮擋作用顯著，流入或流出的空氣流量較小，難以準確反映內(nèi)部的通風效果差異性，宜采用冠層平均速度UC和界面交換速度UE來表征背風街通道的通風情況。

冠層平均速度UC是基于建筑群內(nèi)建筑表面前后壓差等效得到的平均速度，具體計算公式如下：

式中，ρ—空氣密度；

FP—建筑前后表面的壓力差；

CD—建筑阻力常數(shù)，依據(jù)多數(shù)學者的研究結(jié)果，立方體建筑的阻力常數(shù)一般為1；

AF—建筑迎風面積。

界面交換速度UE反映了建筑街通道頂部與外界的動量交換情況，具體計算公式為：

AC—建筑群頂部任意區(qū)域的面積；

Uref—參考高度為2.5H（H為建筑群的平均建筑高度）處的速度。

3 結(jié)果分析

本部分重點討論錯位距離S和風向角α對各評價指標的影響。

3.1 放大因子

圖4反映了錯位距離S和風向角α對平均放大因子（Aavg）的影響情況。

（1）當α在0°～45°范圍內(nèi)變化時，Aavg隨S的變化規(guī)律基本一致：隨著S的增加，Aavg先增后減，在S＝0時達到最大。其原因在于風向角較小時，建筑之間的相互阻擋作用并不顯著，相同的來流條件下流入街通道的空氣流量差異不大，而S的增加導致建筑作用區(qū)域增大，因而街通道內(nèi)的平均速度（即Aavg）減小。

（2）隨著α的進一步增大，特別是當α達到75°及以上時，Aavg則變?yōu)橄葴p后增；當α達到90°時，以S＝0的狀態(tài)為對稱，形成鮮明的陡增陡降趨勢。其原因在于迎風街通道轉(zhuǎn)變?yōu)楸筹L街通道的過程中，建筑之間的相互遮擋作用增強，而為正的錯位距離增加又削弱了建筑之間的遮擋作用，使Aavg隨即增加迅速。

圖4 錯位距離和風向角對平均放大因子的影響

圖5 錯位距離和風向角對最大放大因子的影響

圖5 給出了最大放大因子（Amax）隨錯位距離和風向角的變化情況。當α在0°～45°范圍內(nèi)變化時，Amax的總體趨勢是隨S的增加而增加，且從S＝0開始，Amax增加迅速。這是因為S為正時，角流作用和文丘里效應(yīng)的疊加使Amax顯著增大。當α在60°～90°之間變化時，其基本規(guī)律與圖4一致，這里不再贅述。

根據(jù)圖4和圖5顯示，當α=0°～15°時，僅僅在錯位距離S＝W情況下，Aavg＜1且Amax＜1.5，滿足人員的風舒適要求。但此種情況下，建筑之間的錯位距離過大，在高層高密建筑中對土地的利用相對較小。當α=30°或45°，且錯位距離S為0或負值時，Aavg＜1，Amax則接近1.5，滿足人員的舒適性要求。當α＞45°時，任意錯位距離條件下的Aavg＜1且Amax＜1.5，同樣滿足人員的舒適性要求。

圖6 錯位距離和風向角對頂部空氣流量的影響

3.2 無量綱空氣流量

圖6 為不同風向角和錯位距離下的頂部無量綱空氣流量（q*）的變化情況。

當α在0°～90°變化時，除了0°和90°這兩種對稱情況外，無量綱空氣流量q*隨著S的增加總體呈現(xiàn)增大趨勢，且當S為正時，增加速率明顯。當α＝45°時，q*在不同S條件下達到最大，這是因為當α較小時，建筑之間的相互遮擋區(qū)域較小，隨著α的增加，建筑棱角的影響導致頂部脈動情況增強，建筑頂部的空氣流量顯著增加；而當α＞45°時，建筑之間的遮擋面積增大，建筑爬越流或尾流擾流作用顯著，通過建筑頂部的空氣流量減少。如表1所示，在錯位距離S＝0的條件下，相比于風向角α=0°，α分別為15°、30°、45°時，對應(yīng)的頂部無量綱空氣流量q*分別增加18.8%、57.7%、74.7%；而α=60°、75°、90°時，對應(yīng)的q*分別減小28.3%、79.1%、90.3%。

圖7 錯位距離和風向角對冠層平均速度UC的影響

圖8 錯位距離和風向角對界面交換速度UE的影響

3.3 冠層平均速度和界面交換速度

圖7 和圖8反映了錯位距離和風向角對冠層平均速度UC和界面交換速度UE的影響。顯然，隨著S的增加，UC和UE呈現(xiàn)不同程度的先抑后揚趨勢，且拐點處的S值略有不同。尤其是S＞0時，S的存在削弱了建筑之間的遮擋作用，冠層平均速度UC和界面交換速度UE均隨著S的增加而迅速增大。負錯位距離S的存在強化了建筑之間的遮擋作用，UC和UE均處于較低水平。但是，當α＞75°時，負向錯位距離過大反而弱化了建筑之間的相互遮擋作用，下游建筑能夠直接面對來流風的作用，UC/Uref隨著錯位距離的增大而增大；當α＝90°這一極端情況時，正錯位距離和負錯位距離的存在均有效促進了建筑之間的通風效應(yīng)。

表1 不同風向角下q*的變化情況

基于以上分析，我們可以得出下面結(jié)論：①對于α=0°～15°的情況，只有當雙子樓的錯位距離足夠大，使之完全成為兩棟獨立的建筑時，兩棟建筑之間區(qū)域內(nèi)的風環(huán)境滿足行人舒適性要求，但此時頂部空氣流量相對較小，且此種布局方式對于土地的利用率極低；②對于α=30°或45°的情況，當錯位距離為0或負值時，雙子樓之間的風環(huán)境滿足行人舒適性要求，但負向錯位距離較大時，頂部空氣流量相對較小，因此，此種情況下的錯位距離應(yīng)該位于（-1/4W）～0之間；③對于α＞45°的情況，任意錯位距離下的雙子樓之間的風環(huán)境均滿足舒適性要求，但錯位距離為正值時，頂部空氣流量、冠層內(nèi)平均速度和界面交換速度均明顯增大，同時，考慮對土地的利用率，推薦錯位距離在1/4W～1/2W之間。

4 結(jié)語

綜上所述，本文采用數(shù)值模擬方法，研究不同風向角和錯位距離條件下兩棟平行建筑之間的風環(huán)境，并采用放大因子、無量綱空氣流量、冠層平均速度和界面交換速度對不同布局形成的風環(huán)境進行評價。當風向角α＜45°時，隨著正錯位距離的增加，平均放大因子減小，而最大放大因子增大，流出建筑之間頂部的空氣流量增大；當風向角α＞45°時，隨著正錯位距離的增加，平均放大因子、最大放大因子、冠層平均速度和界面交換速度均明顯增大，流出建筑之間頂部的空氣流量同樣增大。當錯位距離S=0時，隨著風向角α的增加，平均放大因子、最大放大因子、流出建筑之間頂部的無量綱空氣流量先增大后減小，且基本均在α=45°時達到最大值。

由于雙子樓一般均采用坐南朝北的并排布局方式，其布局主要結(jié)合不同城市的主導風向進行設(shè)計。我國各個城市夏季的主導風向基本為東南風，通過對稱性分析可得當城市主導風向為南風時，為實現(xiàn)良好的風環(huán)境，可將雙子樓進行偏轉(zhuǎn)使建筑之間的通道與主導風向的夾角在30°左右；當城市主導風向為東南風時，雙子樓之間的錯位距離應(yīng)該在0～1/4W之間選??；而當城市主導風向為南偏東60°～90°時，雙子樓之間的錯位距離應(yīng)該在（-1/2W）～（-1/4W）之間選擇。