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基于风环境模拟下的建筑设计研究

作者: 发布时间:2020-02-03 09:15:54 阅读: 43 次

 

 要:通过阅读大量文献资料,作者首先对于基于风环境模拟下的建筑设计及其发展进行了一定的概述和介绍。随后对近十年来国内研究人员作出的应用分析或实际案例进行了查找和统计工作,并对室内空间、建筑单体和建筑群体三个设计方面的发展过程进行了深入介绍。最后对该技术在未来建筑设计中的应用前景进行了一定的总结和展望。

关键词:风环境;模拟;建筑;设计;CFD

 

 

一、引言

   1.1背景

    自然风是廉价的可再生能源,也是建筑环境很重要的部分。它与人们的生活息息相关,且直接影响人们的感受、健康以及建筑环境的舒适性。国外对建筑风环境的研究较早。古罗马建筑师维特鲁威在《建筑十书》中,就曾提到过建筑规划应该考虑室外风环境的运用,在这之后很多学者专家都在风环境与舒适性的关系上做出了研究和贡献,并逐渐把风环境模拟作为设计的重要环节之一。国内从九十年代初对方柱外形建筑进行简单的数值模拟开始,许多研究者采用计算流体力学商业软件对不同形式的单体和群体建筑物进行了数值模拟,其中很多研究工作均针对工程实际,提出并解决了一些问题。

  1.2发展

计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是在流体力学原理和数值计算方法基础上发展起来的一门学科,通过数值计算和计算机图像显示描述流场的数值解来研究物理现象问题。CFD最初的应用主要在于机械设计、船舶及航天领域,直到上世纪九十年代才开始在国内建筑领域有所涉及。刚进入建筑学领域时,科研人员首先对不同类型,不同功能,不同构造的各类建筑进行了大量的科学实验、可行性研究和模拟数据分析,而直到近十年该技术才开始在建筑设计领域方面有所应用。

二、风环境模拟在建筑设计领域的应用

   2.1 研究概况

 

随着对风环境模拟技术的深入掌握,对作用于建筑设计的研究也逐年增多,研究类型有群体、单体、室内、构架;研究对象涉及有住宅建筑、办公建筑、商业建筑、甚至工业建筑;研究范围也从单一的风环境研究发展到综合性的环境研究。可见我国在这一领域的研究正在朝着技术更完善、对象更全面、范围更广阔、研究更深入的方向迈进。

   2.1室内空间设计  

对于建筑室内空间和风环境模拟技术的结合,国内的研究最早可以追溯到2004年华中科技大学赵蓓撰写的《武汉地区中庭建筑的通风和热舒适度模拟研究》[1]。当时针对武汉这一夏热冬冷地区的气候条件,利用计算机模拟技术,比较了不同类型的中厅形式对于环境舒适性的作用并做了详细的探讨,给出了适合武汉地区的中庭空案件实行和使用方式。

在对于夏热冬冷地区的建筑模拟研究有了一定的成果之后,2006年重庆大学的成镭针对南方的气候条件[2],用CFD软件对重庆市某临江住宅楼周围风环境进行数值模拟分析,在其基础上采用CFD软件VORTEX进行室内流场、热环境和热舒适模拟,比较出各种开口形式在利用自然风改善室内热环境方面的优劣。

随着高层建筑的增多,其带来的风环境问题也逐渐被人们所重视。2012年,研究人员结合郑州气候特点[3],对高层住宅的自然通风设计进行了研究。从高层住宅平面设计、门窗及建筑构造与细部等着手,总结高层住宅自然通风的设计方法,并分析其通风的有效性。最后结合已建的工程实例,对小区总平面和户型用CFD软件进行分析,得出了优化设计方案。

风环境在室内空间设计方面的影响一般均从气候入手,进而探究室内空间变化对其风环境带来的影响和改进措施。十年来,研究的方面从中庭到整体,研究对象也从底层到高层,可以说取得了一定的进步。但从文献数量和比例方面来看还很有限,今后需要更多更深入地研究。

   2.2建筑单体设计

 数值模拟方法首先被应用于探讨大跨屋盖结构的表面风压分布特性,和结构周围的风环境的舒适性问题。2004年,研究人员对井冈山机场航站楼的表面风压和周围风场进行了较为详尽的实例计算和分析比较[4],同时提出了改善风环境的一些方法。

五年后,重庆大学吴俊杰结合重庆地区的地理气候特征[5],针对风环境舒适性状况,分析了房间布局对风环境的影响,并给出了设计意见和参考。这次研究也是次将建筑群体规划和建筑单体造型的设计同时参考风环境模拟,研究方向变的更加全面。

人们对现代居住建筑舒适度要求不断提高的同时,传统建筑的舒适度也逐渐被重视起来,风环境模拟技术也随之被应用其中。2011年,华南理工大学研究人员依据福建圆形土楼民居的当地夏热冬暖的气候环境[6],利用PHOENICE分析软件对在封闭和开敞两种状态下圆形土楼民居内部院落的风环境状况进行了模拟,分析内院空间的通风性能。发现封闭状态下的内院风环境较为稳定,开敞状态下的内院空间通风状况良好;适当加入导风板、兜风结构设计等改造设计可以有效地改善通风环境。

在对居住建筑有了一定的研究之后,2012年,研究人员将体育场馆包括在模拟对象的范围之内[7],以湿热气候的广州地区为例,研究人员运用FluentWeather Tool等软件对抽象出的对称形态和非对称形态体育馆模型进行模拟计算。发现在相同外部条件下,非对称形态更能提升室内换气次数;调整风向与非对称形态体育馆迎风面的相对关系,可使自然通风条件下更大面积观众区的舒适范围扩大。

在单体建外观筑造型设计方面,风环境模拟在近些年取得了很大的进步,不仅在现代居住建筑,在传统民居建筑,甚至在大型公共建筑里也有一定的涉及。纵观近些年的文献不难发现,单独研究单体设计的文献并不多,基本都是跟建筑群的规划综合在一起考虑。其实作为单体建筑,其建筑风环境也需要更多单独地关注,在今后的设计中还需要更多的模拟和考虑。

 

三、观点总结

二十世纪九十年代开始,建筑风环境模拟就已经进入了国内各类建筑的设计前期环境数值提供和后期设计校核。在这一期间,风环境模拟技术得到迅速发展,其可行性也在逐步提高,可以涉及到的建筑设计类型和部分也逐渐增多。风环境对生活环境的舒适性起着十分重要的作用,同时数字化的模拟会对建筑的风环境设计提供有力的支持,这已经成为现在建筑领域的共识。

四、发展趋势

基于风环境模拟的建筑设计在现阶段仍旧存在一定的问题需要今后进一步的研究和解决:1、风环境模拟技术虽已经逐步成熟,但局部微环境仍需要介入实验或实际的测量,再完善的模拟也不能完全代替实际的自然环境情况;2、在目前的建筑风环境设计中,还主要是以风环境比较特殊(比如高层)的居住建筑为主,虽然也看到了近年来这一技术逐步向工业建筑、文化建筑和大型公共建筑拓展,但普及情况仍旧不足3、在近几年的文献中不难发现,研究中对于怎样创造有利风、避免有害风等狭义概念上的“风”研究较多,但对于污染物扩散这一类问题同样归属于风环境的研究范围内的研究却较少。4、在建筑经由风环境的改变而改善人们生活的同时,应同时兼顾其他环境(光环境、声环境、热环境等),以及历史文脉,外部美学造型和内部使用空间等,其中几个条件之间难免有矛盾存在,在实际项目的设计中,还应综合考虑。