建筑室外风环境模拟相关问题探讨宋建涛

建筑室外风环境模拟相关问题探讨宋建涛

宋建涛张永炜朱伟刘剑涛

建研科技股份有限公司上海200023

摘要：建筑室外风环境模拟分析作为绿色建筑设计咨询过程中非常重要的一环，但室外风环境模拟相关重要问题没有统一的规范，导致行业内模拟质量良莠不齐。本文通过对国内外建筑风环境CFD数值模拟技术及发展研究，对建筑室外风环境模拟涉及的模型简化、网格处理、边界条件、数值模型、模拟软件等方面进行归纳总结，旨在通过研究所得结论为今后指导和规范建筑风环境模拟评价分析过程提供有效帮助，可用于绿色建筑咨询、建筑设计以及工程实践。

关键词：绿色建筑；风环境；CFD；数值模拟

Abstract：Thesimulationanalysisofbuildingoutdoorwindenvironmentisaveryimportantpartofgreenbuildingdesignconsultingprocess.Buttheoutdoorwindenvironmentsimulationrelatedtoimportantissueswithoutuniformnorms，whichleadstotheindustrysimulationqualityvariesgreatly.Inthispaper，throughthedomesticandinternationalarchitecturalwindenvironmentCFDnumericalsimulationtechnologyanddevelopmentresearch，summarizestheaspectsofmodelsimplification，gridprocessing，boundarycondition，numericalmodelandsimulationsoftwareinvolvedinthesimulationofoutdoorwindenvironment.Thepurposeofthisstudyistoprovideeffectivehelpforthefutureguidanceandregulationofthewindenvironmentsimulationandanalysisprocess，whichcanbeusedingreenbuildingconsultation，architecturaldesignandengineeringpractice.

Keywords：Greenbuilding；Windenvironment；CFD；NumericalSimulation

0前言

随着中国绿色建筑政策的不断出台、标准体系的不断完善、绿色建筑实施的不断深入及国家对绿色建筑财政支持力度的不断增大，中国绿色建筑在未来几年将继续保持迅猛发展态势。

2011年中国绿色建筑评价标识项目数量得到了大幅度的增长，绿色建筑技术水平不断提高，呈现出良性发展的态势。2013年1月6日，国务院发布了《国务院办公厅关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知》）提出"十二五"期间完成新建绿色建筑10亿平方米；到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。同时还对"十二五"期间绿色建筑的方案、政策支持等予以明确。

良好的建筑室外风环境可以避免建筑群之间形成的旋涡区，利于空气的流动与废气、热气的排放，提高行人的舒适性，有效改善区域热岛[1]。

当前建筑室外风环境模拟的重要性已渐渐被行业意识到，风环境模拟报告是绿色建筑评审需要提供的重要资料。尽管《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014[2]及地方标准、规范都对建筑风环境模拟做了相应的要求、说明，但均不够明确具体，造成模拟质量良莠不齐，不利于绿色建筑的良好发展，需对建筑风环境模拟做进一步探讨。

1几何建模探讨

基于不同的规划布局，建立建筑室外风环境模型时，应尽量遵循建筑实际形状，并做适当简化，以满足项目实际需要，并保证模拟结果准确性。

当前，对于建筑室外风环境模型，业界存在三种常见做法，即：仅建立目标建筑、建立目标建筑和绿化模型、建立目标建筑、绿化模型和周边建筑。

1.1建立目标建筑模型

由于模拟人员的专业素质良莠不齐，再加上工期、人员分配等多种原因，模拟评估人员在进行室外风环境模拟分析时，往往只建立目标建筑模型，而忽略其他影响模型，例如，绿化、道路、水体等模型。实际上，绿建现行国标以及新国标中，都对建筑场地内的绿化措施有明确的指标要求。若是只建立建筑模型，这种“图省事”的做法，不但不能如实的反映室外风场的真实分布情况，也会造成室外风环境模拟评价只是走过场，不利于绿建行业的良性发展[3]。

另外，考虑到某些工况下的初始风速已经接近或大于5m/s，若是只建立建筑模型，极易造成项目室外风环境的最终模拟结果难以达标，从而不符合绿建国标的相关规定。

1.2建立建筑+绿化模型

绿化设施对改善建筑室外风环境质量、绿化环境和提高居民居住舒适度有着重要作用。

在夏季，合理的利用绿化植物与建筑物的组合，不仅能起到绿化环境，还可以改善和优化建筑外风环境。一方面树木可起到遮挡太阳辐射，在一定程度上降低建筑外围护结构的表面温度，另一方面可引导风向，有效带走居住区热量和室外污染物气体，改善自然通风效果。

在冬季，合理的绿化布局可有效的形成防护带，阻挡寒风，封闭不利风向，减少寒风对建筑的影响，降低建筑采暖能耗。

对于建筑室外风环境模拟来说，考虑到模拟结果的精确性和计算机配置的需求，需要对绿化设施模型进行适当的简化，去掉一些不影响分析结果但会增加网格数目的地方。例如，主要考虑草坪、灌木和乔木三种类型绿化，对于灌木和乔木，建立模型时只需考虑树冠外轮廓即可，并且具有建模简便，计算快捷，收敛性好，数值模拟计算结果准确等优点[4]。

1.3建立目标建筑+绿化模型+周边建筑

合理的建筑规划可以形成良好的室外风环境，有利于居住区内污染物的排放和空气的良好流通。

在建筑室外风环境评价方面，冬季工况下要求建筑周围人行区距地面1.5m高度处风速不大于5m/s，以满足不影响行人室外活动的舒适性要求。另外在夏季工况和过渡季工况下要求场地内人活动区不出现涡旋或无风区。

在实际项目中，新建建筑位于既有建筑群中，既有建筑群已形成一定形式的建筑布局，其对新建建筑的室外风环境影响是显而易见的。如果周边建筑体量较大且距离目标建筑较近，在进行室外风环境模拟时，应考虑周边建筑对目标建筑室外风环境的影响。

2气象参数探讨

《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014第4.2.6考察的是冬季工况、夏季工况和过渡季工况典型风速和风向条件下的室外模拟结果，虽然标准规定了室外风环境的风速限值，但是没有明确规定各个地区各个工况下室外风速及风向的选取。而室外风速作为数值模拟的边界条件，如果没有统一的标准，势必会造成对于同一地区得到结果差距较大甚至相反的结果，影响绿色建筑的发展。

2.1气象参数选取

当前，对于冬、夏和过渡季的典型工况气象参数，业界内主要采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》和《全国民用建筑供暖通风与空气调节设计规范《GB50736-2012》中典型气象年中各季节出现风频最大的风向和所对应的风速值；对不同季节，当存在主导风向、风速不唯一时，宜依据《暖通空调设计手册》或当地气象局历史数据分析确定。

2.2过渡季节的划分

对于建筑室外风环境，绿色建筑评价标准考察的是冬、夏和过渡季的风环境模拟，其中冬季和夏季的主导风向和风速都可以通过气象规范查询，但过渡季季节所对应的日期月份、主导风向及风向却没有明确规定。

当前，对于过渡季气象参数，业界内多数选取夏季或春季气象参数。同时，在具体模拟时，需要设计师结合当地标准和规范，统一模拟参数，以保证模拟结果的准确性。

3数学模型探讨

湍流模型的选择是建筑室外风环境研究中的重要环节之一。湍流模型的选择对CFD计算结果的影响位居各技术要点之首，根据第二届国际阻力预测会议对DLR-F6整机阻力的研究显示，其影响因素占比15%[5]。只有选择合适的湍流模型才会最大限度模拟出真实的流场数值。

湍流模型的选取的要综合考虑各方面因素，包括流体的可压性、建立特殊的可行的问题、精度要求以及计算机运算能力等。

对建筑布局相对规整、计算精度要求不是很高的模拟来说，标准k-ε二方程模型是首选的湍流计算模型；当对风压系数重点关注或计算精度要求较高时，可采用RNGk-ε模型或Realizablek-ε模型等修正模型。从必要的计算精度和工程实用性考虑，不推荐采用零方程模型或DSM、LES等对使用者理论和操作要求较高的模型。

4模拟软件探讨

风环境的软件模拟研究在国外的成果已基本形成体系，并由多个不同地区的专业学术组织给出了关于CFD应用的指导准则，如欧洲COST，德国VDI协会，日本AIJ协会。常用的风环境模拟的软件有美国的FLUENT，英国的PHOENICS、CFX、Star-CD（最初由英国研发而成，后经多个国家的专业人士共同完善），日本的scSTREAM等软件。

尽管国外模拟软件起步发展较早，但国外专门针对流体工程仿真模拟的软件大都存在建立信息模型过程繁琐、网格划分复杂、外文操作界面等问题，因此对于中国的设计师来说，适用性较差。

当前国内设计院常使用的风环境模拟软件为PKPM-CFD建筑风环境模拟分析软件，该软件充分结合《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014，采用中文界面。面向众多初级用户，提供向导模式，方便新用户快速掌握，便于设计师解决各种模拟难题。通过模拟可以准确得到建筑周围风速，风压等参数结果以及室内温、湿度、污染物浓度、空气龄等的分布情况，为优化建筑布局和改善建筑规划提供指导。

5结论

本文对建筑室外风环境模拟过程所涉及一些步骤和要素进行了简要梳理，指出具体模拟过程中几何建模、气象参数、数学模型和模拟软件四方面存在的问题，对于绿建评价标准、规范没有明确规定、统一标准的问题进行了深入探讨和研究，对于今后绿建模拟有一定的参考价值，同时希望抛砖引玉引起行业同行思考，以期达成绿色建筑模拟统一标准。综上所述，本文可以得到以下结论：

（1）建筑室外风环境模拟时，在建立目标建筑的基础上，应考虑绿化设施和周边建筑对目标建筑室外风环境的影响。同时，对于绿化设施建模，在保证计算结果准确性的前提下，应适当简化模型；

（2）对于冬、夏和过渡季的典型工况气象参数，业界内主要采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》和《全国民用建筑供暖通风与空气调节设计规范《GB50736-2012》中典型气象年中各季节出现风频最大的风向和所对应的风速值；对于过渡季气象参数，业界内多数选取夏季或春季气象参数，并需要参考当地绿建标准和规范，结合项目实际情况进行选择；

（3）对建筑布局相对规整、计算精度要求不是很高的模拟来说，推荐选择标准k-ε二方程模型；当对风压系数重点关注或计算精度要求较高时，可采用RNGk-ε模型或Realizablek-ε模型等修正模型；

（4）国外CFD模拟软件大多存在建模繁琐、网格划分复杂、软件体验度差等问题，不适合在国内推广发展；当前国内契合度较高、模拟结果有保障、紧贴绿建标准的CFD模拟软件首推PKPM-CFD建筑风环境模拟分析软件。

参考文献：

[1]刘小芳，李宝鑫，芦岩，李旭东，刘建华.既有围合场地中建筑布局对室外风环境的影响分析.2013年06期.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国质量监督检验检疫总局.《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014.2015年01月.

[3]刘剑涛.基于PKPM-CFD的建筑室外风环境优化模拟分析.绿色建筑.2015.

[4]程向明.绿化模式对室外风环境影响的研究.青岛理工大学.2015

[5]雷林，孙鹏.湍流入口条件对CFD计算结果影响的数值分析.舰船科学技术，31（7），2009.

作者简介：

宋建涛（1991.10—），男，硕士，河南省周口市人，研究方向：绿色建筑与建筑节能