基于 CFD 對住宅區(qū)的建筑物理環(huán)境模擬分析研究

鄭 曉，周 華，葉 蕓，高 杰，高家緒（.寧波華聰建筑信息科技有限公司， 浙江 寧波 35000；.寧波市江北開發(fā)投資集團有限公司， 浙江 寧波 35000）

隨著社會的發(fā)展、人民生活水平的提高，人們對所居住空間的建筑物理環(huán)境(風、熱、光、聲等)日益重視[1]，營造一個良好的住宅區(qū)建筑物理環(huán)境，提高建筑功能質量，創(chuàng)造宜居環(huán)境至關重要。如何處理好建筑與建筑物理環(huán)境的關系，是所有設計師面臨的新課題[2]。

本文以海南省三亞市某住宅小區(qū)為例，采用計算機流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術研究該住宅區(qū)的建筑物理環(huán)境，包括日照、風環(huán)境、熱環(huán)境、環(huán)境噪聲等。通過對該住宅區(qū)建筑物理環(huán)境的模擬分析，預測其交付使用后的建筑物理環(huán)境狀況，評價其規(guī)范性、合理性，并為設計師改善平面布局、調整設計思路提供參考依據。

1 項目概況

項目位于海南省三亞市迎賓路中段，地理位置優(yōu)越，交通方便，自然環(huán)境條件獨特，規(guī)劃總用地面積 66 702.97 m2。在設計中充分利用地塊優(yōu)勢，將河畔景觀、社區(qū)、山體緊密融為一體，再加上景觀、道路、綠化細膩的雕琢，適合開發(fā)出一個環(huán)境優(yōu)美、高品位的度假社區(qū)。

本文采用 CFD 技術，對項目建筑物理環(huán)境進行模擬分析。

2 模擬與結果分析

2.1 模型建立

采用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術建立模擬分析模型，可以避免模擬軟件建模能力的局限性。根據模擬需求，建立合適準確的模擬分析模型，可使模擬結果更加準確?；?Revit 軟件建立的分析模型，可與 Ecotect、Phoenics、Cadna/A 等模擬分析軟件無縫對接，根據不同模擬類型導出對應格式的文件，實現一人建模，全員共享模型。模擬分析模型如圖1 所示。

圖1 模擬分析模型

2.2 日照模擬分析

采用 Ecotect 軟件（日照模擬分析軟件） 對日照情況進行分析。主要分析內容：冬至日累計日照時間（9:00—15:00）。

冬至日日照分析由圖2 可知：計算區(qū)域平均日照時間為 4.35 h，2 號、13 號樓北側有部分區(qū)域在冬至日 9：00—15：00 時日照累計時間＜2 h。周邊山體未對住宅造成嚴重遮擋，地塊內整體日照時間充足，各住宅日照時間充足，均達到 1 h 以上。場地內主要景觀綠化區(qū)域，日照時間也基本在 2 h 以上。

圖2 冬至日日照累計時間

2.3 室外風熱環(huán)境模擬分析

采用 Phoenics 軟件（風熱環(huán)境模擬軟件）對住宅區(qū)風環(huán)境、熱環(huán)境情況進行模擬分析。主要分析內容：夏季、過渡季、冬季住宅區(qū)風環(huán)境流場、風速情況，夏至日住宅區(qū)平均熱島強度。

2.3.1 風環(huán)境模擬分析

（1）夏季工況（主導風向為西南西，風向頻率 11%，平均風速 2.0 m/s）。由圖3 可知：項目建筑 8 號和 13 號樓周邊存在局部渦流（黑色方框區(qū)域），其他建筑周邊區(qū)域流場分布較均勻，整體未出現無風區(qū)。項目建筑 7 號、8 號、9號和 10 號樓周邊局部區(qū)域風速較大（黑色方框區(qū)域），達到2.2～2.4 m/s，其他建筑周邊人行區(qū)域風速為 0.2～2.0 m/s，均＜5.0 m/s，符合行人舒適要求。

圖3 距地 1.5 m 高度風速矢量圖

該項目周邊人行區(qū)域距地 1.5 m 高度處小范圍（＜2 m的距離內）風速變化較小，風速放大系數約為 1.62（初始風速 1.48 m/s，最大風速 2.4 m/s）。

（2）冬季工況（主導風向為東，風向頻率 18%，平均風速 2.32 m/s）。由圖4 可知：項目建筑 9 號、10 號和15 號樓周邊存在局部渦流（黑色方框區(qū)域），其他建筑周邊區(qū)域流場分布較均勻，整體未出現無風區(qū)。項目建筑6 號、7 號、8 號和 15 號樓周邊局部區(qū)域風速較大（黑色方框區(qū)域），達到 3.3 m/s，其他建筑周邊人行區(qū)域風速為0.3～3.0 m/s，均＜5 m/s，符合行人舒適要求。

圖4 距地 1.5 m 高度風速矢量圖

該項目周邊人行區(qū)域距地 1.5 m 高度處小范圍（＜2 m的距離內）風速變化較小，風速放大系數約為 1.93（初始風速 1.71 m/s，最大風速 3.3 m/s）。

2.3.2 熱環(huán)境模擬分析

夏至日熱島強度模擬分析。分析夏至日住宅區(qū) 6:00—18:00 平均熱島強度，主導風向為西南西，平均風速 2.0 m/s，各時段室外環(huán)境溫度如表1 所示。溫度分布圖如圖5所示。

營地處于郊外，環(huán)境非常好，令人驚喜的是，還經常會有蜘蛛、兔子和狐貍來拜訪我們。入營當晚，我們就認識了許多外國朋友，有西班牙的，也有波蘭的，還有德國、法國、意大利、俄羅斯的……因為我們是為數不多的中國人，他們對我們都很好奇，圍著我們談論了許多話題。與他們交往的過程中，我們不光提升了自己的英語能力，也了解了不少各國人文風情，更收獲了一份友誼。這就是我游學最重要的目的：在這里，我有了很多和外國人交流的機會，也讓自己的英語得到了很好的鍛煉。

表1 典型時刻室外環(huán)境溫度

由圖5 可知：6:00 建筑周邊溫度為 27.5～31.5 ℃ ，平均溫度約為 28.60 ℃，室外環(huán)境溫度 27.60 ℃，溫度約提高 1.0 K；10:00 建筑周邊溫度為 30.50～37.25 ℃，平均溫度約為 32.75℃，室外環(huán)境溫度 31.10 ℃，溫度約提高1.65 K；14:00 建筑周邊溫度為 30.75～37.50 ℃，平均溫度約為 33.75 ℃，室外環(huán)境溫度 32.2 ℃，溫度約提高 1.55 K；18:00 建筑周邊溫度為 29.50～31.50 ℃，平均溫度約為 31.30 ℃，室外環(huán)境溫度 31.10 ℃，溫度約提高 0.20 K。

圖5 溫度分布圖

2.4 住宅區(qū)環(huán)境噪聲模擬分析

采用 Cadna/A 軟件（背景噪聲模擬軟件）對住宅區(qū)環(huán)境噪聲情況進行模擬分析。住宅區(qū)北面為城市主干路，距離1 000 m 左右，兩者之間為空地，道路兩側為行道樹。場地紅線周圍無汽車噪聲，白天噪聲監(jiān)測值為 48 dB（A），夜間為 43 dB（A）。

主要分析內容：住宅區(qū)晝間、夜間環(huán)境噪聲情況。

（1）住宅區(qū)晝間環(huán)境噪聲模擬分析[區(qū)域邊界噪聲：48dB（A）]，晝間噪聲分布如圖6 所示。

由圖6 可知建筑立面晝間噪聲值最大為 43 dB（A），滿足 GB 3096—2008《聲環(huán)境質量標準》中 2 類標準，且達到 0 類標準。

圖6 晝間噪聲分布

（2）住宅區(qū)夜間環(huán)境噪聲模擬分析[區(qū)域邊界噪聲：43dB（A）]，夜間噪聲分布如圖7 所示。

圖7 夜間噪聲分布

由圖7 可知，建筑立面夜間噪聲值最大為 38 dB，滿足GB 3096—2008 中 2 類標準，且達到 0 類標準。

2.5 模擬結果分析

（1）夏季、過渡季、冬季工況下住宅區(qū)內整體通風流暢，有利于污染物的排出，但存在不同程度的旋渦，可能影響行人活動。建議渦流區(qū)內增加架空層，可有效增加渦流區(qū)空氣流通，提升空氣品質。

（2）冬至日與大寒日，住宅區(qū)內所有區(qū)域日照時間均在 1 h 以上，周邊山體未對住宅造成嚴重遮擋，各棟樓與場地內主要綠化景觀日照時間充足，基本達到 2 h 以上，滿足規(guī)范要求。2 號樓、4 號樓、13 號樓、14 號樓北側部分區(qū)域日照時間不足 2 h，建議調整 2 號、13 號樓建筑朝向，可有效增加日照時間。

（3）夏至日住宅區(qū)平均熱島強度為 1.1 K，＜2.0 K，住宅區(qū)內整體建筑布局、景觀綠化等設計都較有利于降低夏季地塊內環(huán)境溫度，并結合風環(huán)境模擬分析建議（調整 2 號樓、14 號樓朝向），可進一步改善項目周邊的熱環(huán)境，降低熱島效應的影響。

（4）根據模擬分析結果，住宅區(qū)晝間最大噪聲為 43 dB（A），夜間最大噪聲為 38 dB（A），達到 GB 3096—2008 中規(guī)定的 0 類噪聲標準[50/40 dB（A）]，住宅區(qū)環(huán)境噪聲優(yōu)良。

3 結 語

采用 BIM 技術對三亞某小區(qū)進行三維建模，并導入相關軟件進行住宅區(qū)建筑物理環(huán)境模擬分析，從整體上對該住宅區(qū)內建筑物理環(huán)境進行評價，包括日照、風熱環(huán)境、環(huán)境噪聲、室內自然采光、室內自然通風，并提出改進意見。住宅區(qū)整體建筑物理環(huán)境優(yōu)良，適宜居住與室外活動，部分存在的問題，經與建設單位和設計單位溝通，做出如下設計調整：

（1）2 號樓、13 樓朝向調整，由原來南北朝向調整為南偏東 12°，在不影響建筑整體布局的前提下，有效增加 2號樓、4 號樓、13 號樓、14 號樓北側區(qū)域的日照時間，并有效改善 13 號樓南側渦流區(qū)的通風狀況。

（2）增加架空層，住宅區(qū) 14 號樓底層增加局部架空，消除 14 號樓對住宅區(qū)通風阻擋，有效改善 14 號樓西側渦流區(qū)的通風狀況。