首层架空率对城市居住区风环境的影响-李琼

首层架空率对城市居住区风环境的影响

李琼1,2，孟庆林1，赵立华1

(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东省广州市 510640；2.香港大学机械学院，香港)

摘 要：结合广州地区居住区的规划设计特点，建立包括行列式和围合式两种组团形式的不同建筑密度、容积率和

首层架空率的典型建筑组团几何模型。以计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）理论为基础，采

用数值模拟方法系统分析不同首层架空率下的单风向下室外平均风速比和16个风向下的室外平均风速比。研究发

现：首层架空率每提高10％，离地1.5m高度处16个风向下的平均风速比递增0.028。

关键词：居住区；架空；风环境

建筑首层架空因其独特个性，在优化建筑空间、改善建筑功能、创造宜人的建筑外部空间环境及实现人与自然的和谐共生等方面均有重要的作用，已越来越受到建筑设计师的推崇[1]。特别是在湿热地区，首层架空已成为居住区规划设计时获取良好通风环境所最常采用的手法之一。

目前首层架空的研究主要集中于空间设计手法方面[2-4]，而从建筑科学技术角度来定量探讨其对建筑环境影响规律的研究相对较少[5-8]。本文以计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）理论为基础，采用数值模拟方法系统分析首层架空率对居住区单风向下室外平均风速比和16个风向下室外平均风速比的影响规律，为更好地进行建筑底层架空设计提供参考。

1 几何模型

为系统研究首层架空单因素与居住区风环境之间的关系，排除建筑密度、容积率等因素对其影响，建立居住区的组团理想几何模型。结合对广州地区309个实际住区规划案例的调研结果的统计分析[9]，建立用地大小为150m×150m的行列式和围合式理想组团模型，建筑密度范围选为10％～50%，容积率范围选为0.5～5，首层架空率范围选为0%～100％。本文将“首层架空率”定义为首层架空部分的基底面积占整个建筑群基底面积的比例，首层架空高度设为4 m。各不同建筑密度模型的平面布置如图1、2所示，容积率和首层架空变化的模型只是在此平面模型基础上沿建筑高度方向发生变化。

2数值计算方法

采用STAR-CD软件对上述典型组团的室外风环境进行CFD计算，共计约61万个六面体网格计算单元。计算时假设空气流动为低速不可压缩等温流动，呈时均流速稳定的湍流，满足Bossinesq假设。湍流模型选用标准k-ε模型，边界条件的设定如表1所示。此外，计算时离散格式选用QUICK格式，速度-压力耦合采用Patankar ———————————————————

基金项目：国家自然科学基金项目（51378214，51008127）；香江学者计划（XJ2013017）；广州市“珠江科技新星”专项（2014J2200065）；

亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题（2011ZC20，2014ZC15,2012ZA01）；华南理工大学中央高校基本科研业务费

资助项目（2014ZG0018）；国家科技支撑计划课题（2012BAC21B03）

作者简介：李琼（1980-），女，湖北武汉，副研究员，博士，e-mail:arliqiong@

孟庆林（1963-），男，吉林海龙，教授，博士，email:arqlmeng@

赵立华（1968-），女，黑龙江哈尔滨，教授，博士，email:zhao6874@

提出的SIMPLE 算法。最大容许残差(Max Residual Tolerance)设定为10-4

，以判断计算的收敛性。

……建筑建筑

以外的户外空间

a.建筑密度10％

b.建筑密度20％

c.建筑密度30％

d.建筑密度40％

e.建筑密度50％

图

1 行列式组团模型平面图

……建筑建筑以外的户外空间

a.建筑密度10％

b.建筑密度20％

c.建筑密度30％

d.建筑密度40％

e.建筑密度50％

图2 围合式组团模型平面图

假设组团模型位于广州市中心，参照风速Us 取广州夏季平均风速1.8m/s ，参照高度Zs 为10m ，地面粗糙系数取为0.3，大气边界层高度Z G 为450m 。对于建筑壁面及地面的近壁区，由于层流粘性作用影响加强，须对标准k-ε湍流模型加以修正，本文采用标准壁面函数法[10]进行处理。在正式计算之前, 首先采用对一实际建筑组团所进行的实测结果[11]对数值模拟方法进行了验证。

3 室外风环境的评价指标

本文采用风速比Ri 来评价风环境的优劣。风速比Ri 反映了由于建筑物的存在而引起风速变化的程度，其定义式为：

R i =U i /U i0 （1）

式中：U i ——建筑物存在时，流场中i 点位置行人高度处的风速，m/s ；

U i0——建筑物不存在时，i 点位置行人高度处的风速，由于大气边界层满足“水平均匀性”，因此U i0等于

行人高度处的来流风速，m/s 。

本文按上述公式计算150m×150m 组团范围内、离地1.5m 行人高度处各个网格单元的风速比，然后按网格单元的体积做加权平均，得到组团范围内离地 1.5m 行人高度处的平均风速比，以此作为对组团室外风环境进行评价的指标。

表1 边界条件说明

边界面

边界条件

入流面

沿来流方向的风速U ：U(z)=U s (Z/Z s )a ，其中U s 为参照高度Z s 的风速 与来流垂直方向的风速V 及W ：V(z)=0，W(z)=0 湍流动能k ：k(z)=(I(z)*U(z))2

这里，I(z)为湍流强度，I(z)=0.1*(Z/Z G )(-a-0.05) ，Z G 为大气边界层高度 耗散率ε：ε(z)=C μ1/2*k(z)*(U s /Z s )*a*(Z/Z s )(a-1) ，C μ=0.09 出流面 自由流出，沿流线方向各流动参数(U,V ,W,k,ε)的梯度为0

上空面及侧面 滑移壁面(slip wall)，即与边界面垂直相交的速度分量为0，其它速度分量及k 、ε梯度为0 地面及建筑壁面

无滑移壁面(non-slip wall)，采用标准壁面函数法