沈煉 唐春朝 韓艷 汪闊 李春光 蔡春聲

摘 要：風環(huán)境是評價人居生活質(zhì)量好壞的重要指標，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的高聳樓宇應運而生，這些樓宇會較大程度地改變已有小區(qū)的風環(huán)境，給小區(qū)居民正常生活帶來困擾，而當前對該問題的針對性研究還十分匱乏。以長沙通用時代國際社區(qū)為研究背景，利用大尺度風洞（10 m×3 m×21 m）對新增高聳建筑后的小區(qū)風環(huán)境進行了全方位、多工況試驗研究，并基于超越概率法對有無新增高聳建筑小區(qū)風環(huán)境舒適度與危險度進行定量評估。結果表明：城市小區(qū)平均風剖面與湍流度剖面指數(shù)值要遠高于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有較大的地表粗糙度。新增高聳建筑會顯著改變其鄰近區(qū)域風環(huán)境，如高聳建筑對通用時代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風速分別造成了25%、6%和2%的加速作用，在增加高聳建筑后小區(qū)風環(huán)境舒適度與危險度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。

關鍵詞：高聳建筑;風環(huán)境;超越概率;風洞試驗;風場分布

中圖分類號：TU14;TU241.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）06-0103-10

Abstract： Urban wind environment is an important index to evaluate the quality of human life. In recent years， with the rapid development of the economy， more and more new high-rise buildings have been built and greatly changed the existing residential wind environment. It leads a great trouble to the normal life of the residents in the community. However， the target researches focus on this problem are still very scarce. In this paper， the Tongyong Shidai community is chosen as the case study， and all-round and multi-condition experimental study on the residential wind environment influenced by high-rise building is analyzed by large scale wind tunnel （10 m×3 m×32 m）. Meanwhile， exceeding probability method is used to quantitatively evaluate comfort degree and risk degree of the residential area with or without new high-rise buildings. The results show that the profile index values for average wind profiles and turbulence profiles are much higher than the values of standard， which indicates that urban area has greater surface roughness. The added high-rise buildings will significantly change the wind environment of the adjacent areas. When the high-rise building is added， the average wind speed in current community within 100， 200， 300 m is increased by 25%， 6% and 2%， respectively. The maximum value of the wind environment comfort and risk exceeding probability is increased by two times and six times， respectively.

Keywords： high-rise building; wind environment; exceeding probability; wind tunnel test; wind field characteristic

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，建設用地緊張的問題愈發(fā)凸顯，越來越多的高層建筑應運而生。這些高層建筑周圍氣流易產(chǎn)生下沖、繞流、渦旋、穿堂等現(xiàn)象，從而引發(fā)人行高度風環(huán)境不舒適性問題[1]。目前對城市建筑風環(huán)境研究的主要手段有現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬。現(xiàn)場實測最能直接反映建筑周圍的風場分布，但由于測試周期長，耗費大量人力物力，從而得不到廣泛應用。數(shù)值模擬可以精確顯示流場的詳細信息，受到了越來越多學者的青睞[2-5]，但不足的是，數(shù)值模擬因計算參數(shù)較多，其計算結果的正確性有待商榷，往往需要風洞試驗對其進行驗證。近年來，風洞試驗由于具有實施方便、試驗條件可控等優(yōu)點，在風工程領域得到了廣泛的應用，如關吉平等[6]利用風洞試驗對群體風環(huán)境干擾效應做了研究，得到了高層建筑尾流區(qū)域風場的分布特性;Ricci等[7]基于風洞試驗得到了意大利文化區(qū)街道峽谷內(nèi)城市邊界層的演變過程;金海等[8]、王成剛等[9]、劉立創(chuàng)[10]分別通過風洞試驗對高層建筑行人高度風環(huán)境進行了研究，并對周圍的風環(huán)境舒適度進行了定量評估。這些試驗研究得到了寶貴的試驗數(shù)據(jù)，可為日后數(shù)值模擬提供借鑒。但不足的是，這些研究主要針對單體建筑或理想排列建筑群，對實際小區(qū)新增高聳建筑后的風環(huán)境研究還相對較少，加上現(xiàn)有小區(qū)風洞試驗研究采用的風洞尺寸一般相對較小，風洞壁與建筑模型相互影響，且當前大多試驗只模擬了小區(qū)核心位置，并沒考慮小區(qū)外圍建筑的邊界效應，故很難精確、全面地捕捉小區(qū)流場信息。

當獲取小區(qū)流場信息后，需對其風環(huán)境進行評估，目前學者們還未達成統(tǒng)一的標準和規(guī)范，常見的評估方法主要有風速比評估法、相對舒適度評估法和超越閥值概率評估法。風速比評估法由于缺乏對行人感受的考慮，存在明顯的局限性。相對舒適度法[11]則是以人的舒適性需求為出發(fā)點，通過人對風的不舒適程度以及不舒適發(fā)生的次數(shù)進行分級，其不足是人為主觀性因素太大，具有一定的不確定性。近年來，超越概率評估方法由于可同時考慮不舒適性、危險度的閥值風速，得到了廣泛應用，如陳勇等[12]基于超越概率方法對不同評估標準進行比較，得到了各個標準的相對寬嚴程度;李朝等[3]基于超越概率對開敞式大跨空間建筑進行了分析;陳伏彬等[13]利用該方法對城市綜合體進行了研究，取得了較好結果。雖然超越概率近年來多次運用在小區(qū)風環(huán)境的評估當中，但利用超越概率方法分析高聳建筑影響的針對性分析還未曾報道。筆者針對當前試驗研究的不足，以長沙通用時代小區(qū)為研究對象，利用大尺度風洞（10 m×3 m×21 m）對有無高聳建筑的小區(qū)風環(huán)境進行全方位、多工況試驗研究，從而揭示小區(qū)人行高度風場、豎向風剖面與湍流度剖面的分布規(guī)律，并結合當?shù)貧庀筚Y料利用超越概率方法對有無高聳建筑的小區(qū)風環(huán)境進行定量評估，相關研究結論可供日后小區(qū)規(guī)劃設計參考。

1 風洞試驗介紹

1.1 大氣邊界層風洞

試驗在長沙理工大學風工程與風環(huán)境研究中心進行，如圖1所示，試驗風洞尺寸為10 m×3 m×21 m，風速范圍在1.0～18.0 m/s可調(diào)，且風機具有可變的扇葉角度，確保了低風速穩(wěn)定，轉盤直徑為5.0 m，風洞還安裝了二維移側架系統(tǒng)，可在風洞橫向及豎向移動風速探頭。

1.2 風速測量儀器

在水平方向，采用歐文探針測量人行高度風場，探針結構如圖2所示。其中探頭直徑15 mm，在探頭中心開槽，槽中心穿插一根直徑1 m中空鋼針（A端），開槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針（B端）。根據(jù)歐文探針原理可知，風速與A、B端的壓差成正比關系。

其中：pA、pB分別為探頭兩端的風壓;a、b為探頭的標定系數(shù);Uh為距離底面標高h處（即A端）的風速;h對應實際2 m高度處。

試驗前需對探針進行標定，特制了一5 mm厚的鋼板，通過鉆孔固定探針，每個相鄰孔位間距為12 cm，如圖3所示。標定時，采用眼鏡蛇風速儀測量探頭頂部風速，在4、6、8、10、12 m/s風速來流下測得探針風速與壓差的關系，如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)探針擬合系數(shù)均大于0.99，說明風速與壓差具有很好的線性關系。風壓測量采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥，測量精度為0.06%，采樣頻率350 Hz，試驗過程中采樣時間為1 min。

豎向風速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra 探頭（眼鏡蛇風速儀），該探頭能夠同時測量u、v、w三向壓力或風速時程，風速測量誤差小于3%，采樣頻率500 Hz，采樣時間為1 min。

1.3 試驗模型及測點布置

試驗對象位于長沙市，其航拍圖如圖5（a）所示，試驗過程中，為消除周邊建筑對小區(qū)風場的邊界效應，模擬了小區(qū)外圍600 m半徑范圍內(nèi)的周邊建筑，縮尺比為1∶250，阻塞率小于5%，高聳建筑V立方大廈150 m（模型高0.6 m），位于小區(qū)正北方，如圖5（b）所示。試驗過程中布置了多個歐文探針，覆蓋了室外開闊區(qū)域、廣場、人行道等場所，歐文探針布置如圖5（c）所示。

利用尖劈、粗糙元、橫桿模擬出C類地貌，試驗參考高度為1.6 m，風速為8 m/s，入口平均風速和湍流度的表達式分別為

式中：z為離地高度，模擬的風速剖面和湍流度剖面如圖6所示。試驗過程中，模擬了16個風向角，間隔22.5°，風向角通過旋轉轉盤實現(xiàn)，其中0°、90°、180°和270°分別代表北風、西風、南風和東風，如圖7（a）所示。

試驗過程中，在小區(qū)內(nèi)部布置了64個歐文探針，對小區(qū)人行高度風場進行實時監(jiān)測，監(jiān)測點位如圖7（b）所示。同時，對0°，90°，180°和270°風向角作用下小區(qū)內(nèi)部關鍵點位進行風剖面和湍流度剖面監(jiān)測，具體監(jiān)測位置如圖7（c）所示。

1.4 試驗工況

為獲取V立方大廈對小區(qū)風環(huán)境的影響，對有無V立方大廈的人行高度風進行了多工況試驗分析，并對典型工況下小區(qū)內(nèi)部關鍵點風剖面與湍流度剖面進行了詳細研究，各工況匯總如表1所示。

2 試驗結果及分析

分別對上述工況進行試驗，獲取了不同工況下監(jiān)測點所在位置的風速時程，取平均后得到小區(qū)人行高度風場、豎直風剖面和湍流度剖面的詳細分布。

2.1 風速整體分布

研究顯示，在大雷諾數(shù)作用下，流場的分布不隨入口風速的變化而變化，即在對應某一風向下建筑物周圍流場是相對固定的，定義風速比MVR為

式中：Vi為i號測點行人高度平均風速大小;V0為實際高度未受建筑干擾的來流平均風速。

通過風洞試驗得到不同風向作用下小區(qū)行人高度風速，限于篇幅，展示了0°、90°、180°、270°風向下的風速比云圖，如圖8所示。由于小區(qū)內(nèi)高樓錯綜復雜，各樓棟之間又有相互干擾，使得內(nèi)部流場十分復雜。如0°風向角下，9棟（如圖7（c）所示）西側、6棟周圍以及13棟東側風速都出現(xiàn)了明顯的加速效應，其原因是這幾棟建筑在來流風向前方并無高大密集建筑遮擋，在高層建筑側邊形成了加速效應。從圖中還可以看出，在有V立方情況下，1棟左側出現(xiàn)了明顯加速效應，說明V立方的建成改變了其周圍風環(huán)境。90°風向角下，“峽谷效應”明顯，主要由于西側周邊建筑呈平行式排列且相對較高，構成了一道人工的“街道峽谷”，風匯合在街道導致風速加大，出現(xiàn)局部強風，如圖8（b）、（f）所示。180°風向下，小區(qū)6棟、13棟轉角區(qū)域也出現(xiàn)加速效應，但在9棟和11棟背風面出現(xiàn)了明顯的低風速區(qū)，風速比接近于0。在270°風向角下，由于建筑迎風面積大，導致小區(qū)內(nèi)整體風速較小。整體而言，在有V立方時，小區(qū)1棟所在區(qū)域風速比出現(xiàn)了顯著提升，說明V立方在一定程度改變了附近區(qū)域風環(huán)境。

2.2 人行高度風環(huán)境

試驗過程中，對大廈周圍300 m區(qū)域范圍內(nèi)有無V立方的小區(qū)風環(huán)境進行了詳細對比分析，如圖9所示。圖中不同顏色表示不同區(qū)域范圍的測點，其中，黑色、紅色和藍色分別代表0～100 m、100～200 m、200～300 m區(qū)域范圍，落在虛線右下角區(qū)域的測點表示有高聳建筑時該測點區(qū)域風速大于無高聳建筑，落在虛線左上角區(qū)域則相反。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在0°風向角下，由于來流方向前面并無密集建筑，小區(qū)內(nèi)風速普遍較大，此時V立方位于小區(qū)正北方，影響最為明顯，在V立方附近100 m范圍內(nèi)多處出現(xiàn)加速效應。在90°和270°風向角時，小區(qū)位于V立方側邊，對小區(qū)內(nèi)的人行高度風影響較小。在180°時，V立方大廈在小區(qū)的尾流區(qū)域，大于100 m位置風場不受V立方影響。總體而言，新增V立方后，在0～100 m范圍內(nèi)人行高度風場具有較大改變，且大部分測點風速在有V立方時明顯大于無V立方時。

為定量了解V立方大廈對小區(qū)人行高度風場的影響范圍，引入均方根誤差（RMSE）評估有無V立方大廈小區(qū)人行高度風場偏差，RMSE定義為

式中：ai、bi分別為工況A、B每一點的無量綱風速比;N為監(jiān)測點數(shù)目。4個風向角作用下，不同范圍均方根偏差如表2所示，從表2可以發(fā)現(xiàn)，300 m范圍內(nèi)所有測點的RMSE值在0.2左右，說明V立方對小區(qū)人行高度風場產(chǎn)生了較大影響，通過分析4個風向下RMSE值與距離的關系發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，V立方對周邊的影響逐漸減小。

V立方建筑位于小區(qū)正北側，0°風向時，小區(qū)風場受V立方影響最為顯著，對圖9（a）中3種不同距離散點圖分別進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)100、200、300 m范圍內(nèi)的擬合值分別為0.75、0.94、0.98，說明高聳建筑對小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風速造成了25%、6%和2%的加速作用。

2.3 風剖面

在豎直方向，對小區(qū)內(nèi)部典型區(qū)域的風剖面進行了詳細探討，給出了不同來流風向下測點（見圖7（c））的無量綱平均風速剖面，如圖10所示。對每個測點風剖面指數(shù)進行擬合，擬合值如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)，各測點風剖面指數(shù)均大于C類地貌風剖面指數(shù)，說明城市冠層相比規(guī)范的C類地表具有更大的地表粗糙度，由于測點4和測點12距離V立方較近，其風剖面指數(shù)受建筑影響較大，其余點離V立方相對較遠，風剖面指數(shù)無明顯變化。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，在0.4 m（實際100 m）高度以下，風速受地面及建筑物影響，其值要小于入口風速，說明地表粗糙度對風場產(chǎn)生了拖曳作用。當高度達到0.6 m后，風剖面指數(shù)的規(guī)律性逐漸明顯，并漸漸與入口風速重合。在0°風向下，由于V立方對來流的阻擋作用，1、2號測點的風速剖面略小于無V立方的情況;測點3由于距V立方相對較遠，風剖面曲線與無V立方情況基本重合。在90°風向下，測點4變化最大，因為它處于V立方的背風側且緊鄰V立方;在180°風向下，由于V立方大廈與鄰近建筑共同產(chǎn)生的狹管效應，測點8風速明顯大于其他測點，類似現(xiàn)象也在270°風向下測點12出現(xiàn)。

2.4 湍流度剖面

湍流強度也是風環(huán)境舒適度評價的重要影響指標，其定義為湍流脈動風速均方根與平均風速的比值，反映了風速隨時間變化的程度。試驗過程中，對上述12個測點的湍流度剖面進行監(jiān)測，如圖11所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在0.8 m（200 m）以下，各測點的湍流度剖面遠高于入口湍流度剖面，再次驗證了城市冠層具有較大的地表粗糙度。圖中大部分測點最大湍流度一般出現(xiàn)在0.35～0.4 m 位置處，該高度與小區(qū)建筑平均高度接近，說明小區(qū)建筑頂部造成的剪切流區(qū)域是高湍流形成的主要原因。同樣，對測點的湍流度剖面進行指數(shù)擬合，如表4所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，湍流度剖面衰減值要遠大于規(guī)范值，說明了規(guī)范所描述的湍流度剖面并不適用于建筑高密的城市小區(qū)，對其湍流度擬合值分析發(fā)現(xiàn)，4號與12號點相差較大，其余位置由于與V立方相隔較遠，其值無明顯變化。

3 小區(qū)風環(huán)境超越概率評估

3.1 評價指標及方法

行人高度風環(huán)境超越概率評估主要包括舒適性與安全度評價[14]。評估風舒適度時取等效風速閾值和峰值因子分別為VTHR=6 m/s和g=1;評估風危險度時，取等效風速閾值和峰值因子分別為VTHR=20 m/s和g=3。風速閾值主要用來界定人的不舒適和危險，而不舒適與危險的“度”則由可接受概率大小來評判，考慮陣風的等效風速閥值判斷形式為

其中：V為行人高度平均風速;g為峰值因子;δV為脈動風速標準差;Vg為行人高度等效風速;VTHR為不舒適或危險閾值風速。

利用超越閥值概率方法對小區(qū)風環(huán)境進行評估時，不僅需要知道建筑周邊的流場分布，還需要知道當?shù)爻Ｄ甑娘L速、風向概率分布函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)[15]，近地面某高度處各風向角下的風速均可以采用Weibull雙參數(shù)分布形式進行表述，對于給定風向θi下的超越概率計算表達式可表示為

式中：Pθi為θi風向風速超過VTHR的超越概率;Aθi為θi風向的發(fā)生頻率;Cθi為θi風向風速概率分布函數(shù)的尺度參數(shù);Kθi為θi風向風速概率分布函數(shù)的形狀參數(shù)。通過分析長沙地區(qū)常年逐時風速、風向統(tǒng)計資料，得到了長沙城區(qū)16個風向角作用下的Weibull分布參數(shù)，如表5所示。

3.2 小區(qū)風環(huán)境評估

建筑周邊的流場分布一般采用風速比表示，評估過程中采用2.1節(jié)所述風速比。由于試驗建筑場地類別為C類地表，而氣象監(jiān)測站的風速為B類地表，因此，試驗入口10 m高度風速與觀測站10 m高度的風速存在一個轉換系數(shù)，可表示為

其中：B類梯度風高度為350 m，粗糙度指數(shù)為0.16;C類梯度風高度為400 m，粗糙度指數(shù)為0.22。故建筑物場地中風速閾值VTHR與觀測站的風速VO，i，THR的關系為

將式（9）代入式（7）中，并就各風向下等效風速超越舒適度或危險度閾值的概率求和，即可得到全風向該區(qū)域風速超越閥值概率，如式（10）所示。

基于上述理論對小區(qū)域測點進行超越概率分析，得到各測點全風向下行人不舒適和危險閥值風速超越概率云圖，如圖12所示。

采用Bottema評估標準對其風環(huán)境舒適度進行評定，標準規(guī)定：對于快步而言，當超越概率低于10%為優(yōu)，10%～20%為中，大于20%為差。由圖12（a）、（b）可以看出，該小區(qū)的大部分區(qū)域行人風舒適度等級為優(yōu)，在小區(qū)西側和東南側部分區(qū)域風舒適度等級為中，主要原因是這些位置房屋相對較高，其樓棟朝向與長沙地區(qū)盛行風速一致。同時，在圖12中還可發(fā)現(xiàn)，有V立方時，在V立方后側超越概率值出現(xiàn)了明顯提升，其值達23%，評級為差，主要原因是V立方與1棟之間形成“峽谷效應”，說明此區(qū)域不宜人類活動。在評估危險度時，Bottema標準規(guī)定，超越概率只要大于0.05%就有一定危險，從圖12（c）中可以看到，在有V立方情況下，測點3超越危險閾值風速概率為0.06%，說明該區(qū)域有一定危險，這也與風舒適度評估結果相對應。在小區(qū)的其他區(qū)域，有無V立方危險度超越概率最大值分別為0.013 8%和0.019 1%，遠小于下限概率0.05%，說明該小區(qū)其他區(qū)域不存在危險性。同時，為定量獲取高聳建筑對風環(huán)境的影響，對小區(qū)內(nèi)64個測點的舒適度超越概率和危險度超越概率進行統(tǒng)計分析，其結果如圖13所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，離V立方較近的1、2、3、15、16號測點，由于V立方的建成，使得該區(qū)域出現(xiàn)了廊道效應，惡化了其風環(huán)境，離V立方較遠區(qū)域風環(huán)境好壞無明顯變化。

4 結論

基于大尺度風洞試驗研究了高聳建筑對其周邊小區(qū)風環(huán)境的影響，獲取了小區(qū)內(nèi)部風場的詳細分布，并基于超越概率對小區(qū)行人高度風環(huán)境舒適性和危險度進行定量評估，獲得以下結論：

1）基于大尺度風洞試驗消除了風洞壁對模型風場的擠壓作用，在考慮外圍建筑對小區(qū)風場的邊界效應后獲取了小區(qū)內(nèi)部流場的詳細分布。研究顯示，小區(qū)建筑對平均風場產(chǎn)生了拖曳作用，其內(nèi)部風場脈動劇烈，風剖面與湍流度剖面指數(shù)值均大于規(guī)范值，表明城市小區(qū)具有更大的地表粗糙度。

2）通過對有無高聳建筑作用下的小區(qū)平均風場分析發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑會顯著改變其鄰近區(qū)域風環(huán)境，如高聳建筑對通用時代小區(qū)100、200、300 m范圍內(nèi)平均風速分別造成了25%、6%和2%的加速作用。

3）通過對小區(qū)人行高度風環(huán)境進行超越概率評估發(fā)現(xiàn)，新增高聳建筑較大程度改變了其附近區(qū)域風環(huán)境舒適度與危險度，如在增加高聳建筑后通用時代小區(qū)風環(huán)境舒適度與危險度超越概率最大值分別增加了2倍和6倍。

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（編輯 王秀玲）