某城市综合体行人高度风环境试验研究

2018-10-08赵敬义卢启财周晋芳

科技视界 2018年22期

赵敬义卢启财周晋芳

（1.济南历下控股集团有限公司，山东济南 250000；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

在城市土地资源日益紧缺的情况下，城市的发展逐步向节约化、复合化方向发展，形成了酒店（hotel）、写字楼（office）、生态公园（parking）、会议会展（convention）、高尚公寓（apartment）等多种都市功能集合在一起的城市综合体（HOPSCA）。成为城市功能的混合使用中心，延展了城市的空间价值。同时，随着城市建筑的不断增多，建筑物造成气流下冲、缩流、旋涡、穿堂风等现象，使得建筑周围附近的局部风速增大，影响行人的舒适性甚至安全性。

评价风环境标准的主要感受对象是人，如何评价风环境的优劣,国内外建筑规范对城市环境的舒适风速和危险风速都没有一个统一的标准。国内外研究人员为此作了大量的现场测试、调查统计和风洞试验，已有一些文献建立了评估风对人体作用力以及行人舒适和安全的准则[1-8]。风绕建筑物的流动非常复杂，包含了湍流、分离流、三维流动等，空气动力学在理论上还难以完全解释，目前主要通过风洞试验[5-6]或数值模拟[3-8]完成相关的研究工作。

本文以济南历下总部商务中心为研究对象，详细研究大型城市综合体行人风环境问题，研究结果为建设大型绿色城市综合体提供条件保障。

1 风洞试验简介

试验在湖南大学建筑与环境风洞试验室进行，该风洞为直流式矩形截面边界层风洞，试验段截面尺寸为 3.0m（宽）×2.5m（高），风速范围为 0～20.0m/s。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1%、湍流度小于0.46%、平均气流偏角小于0.5度。

在试验之前，首先以二元尖塔、挡板及粗糙元以及挡板分别模拟台风风场和《建筑结构荷载规范》[9]规定的C类地貌风场。C类风场的平均风速剖面及湍流度剖面分别如图1。

图1 C类流场条件

试验模型是用ABS板制成的刚体模型，模型与实物在外形上保持几何相似，缩尺比为1:300。风洞试验时，每一个风向测量一组数据。风向角间隔为 15°，以西面的来流定义为0°风向，逆时针旋转，总共有 24个风向，如图 2所示。

为了详细测量建筑物局部区域风速的大小，评估行人高度风环境的舒适性和安全性，在城市综合体整个区域共布置了16个测点，具体布置如图2所示。用以测试在24个不同风向下足尺高度2米处的平均风速和阵风风速。从而获得测点的平均风速比、阵风风速比以及阵风等效风速比，计算时参考点定为10米高度。在风洞试验中，行人高度风的测量采用行人高度风测量艾文探头，这种探头对流场干扰很小，没有方向性，可测量各个方向的风速。行人高度实际取为2m，对应模型为 0.67cm。

图2 行人高度风环境测点布置图

图3 风洞试验模型

2 数据分析

对于离地2米高度处，平均时间为10分钟至1小时的平均风速V，行人的舒适感与平均风速之间较为具体的关系见表1。

表1 行人舒适度与平均风速关系表

风速比Ri=Vi/V0反映了由于建筑物的存在而引起风速变化的程度，通过风速比可以判断建筑物周围的局部强风区。此指标表示强风区内风速增长的倍数。是风环境评价的一个重要参数。

风速比Ri定义为：

其中Vi是流场中第i点行人高度处（近似人体高度H=2m）的平均风速，V0是行人高度处未受干扰来流的平均风速。对应某一方向，在一定风速范围内建筑物周围的流场相对固定，也就是说，风速比Ri一般不随来流风速而变。

3 结果分析

3.1 全风向风速比分布

根据上文公式（1），对 16个风速测点进行分析，得到了全风向下各个风速测点的风玫瑰图，如表2、图3所示。从表2与图3上可以看出，随着来流风向的变化，测点的风速比出现明显的变化；当来流受到建筑的阻挡时风速降低，当形成峡谷风时风速明显增大；测点风速比介于0.34～1.57之间，其中有8个测点区均出现了不同程度的风速放大效应，这在区域行人风环境设计时应引起注意，可通过设置景观树等措施加以缓解。

3.2 全风向最大风速比及舒适性评估

将24个风向下的风速比进行求最大值，获得全风向下测点最大风速比，如表2所示。为了更为直观的体现不同区域的风环境的舒适性结果，将综合体当地的气候条件（月平均风速、年平均风速）引入，如表 3。从表3可以看出，对于本综合体区域，风速比最大值为1.57，月最大平均风速为5.1m/s，满足城市区域行人舒适性标准中的舒适标准。表明该城市综合体有良好的行人高度风环境舒适度。