王 颂 李金宝 蒋新波 熊倪倪 朱 锐

(南华大学建筑学院，湖南 衡阳 421001)

1 研究背景

随着我国城镇化进程加快，我国的各项产业都得到了迅速的发展，城市居民对生活环境的舒适度要求也逐渐提高，特别是对城市建筑也不仅仅满足于其基本的需求，城市居民对良好人居环境的愿望更加迫切，但是在城市化的发展过程中也随之产生了一系列环境问题[1]。其中以城市建筑风环境问题尤为显著，这些问题已经严重的影响到了城市居民的生活质量和城市发展。城市建筑作为城市中的一个空间子集，是城市居民工作生活以及对城市空间环境感受最直观的场所，适宜的室外风环境对城市良好生活空间构建具有重要作用。近些年来，为更好治理城市风环境问题，一些国家和地区都发布了与风环境相关的规划条例或规划准则。德国在城市风环境治理这一方面走在了前列，自20世纪90年代开始，德国研究人员通过对斯图加特城区风环境研究制定了《山坡地带规划框架指引》，日本是亚洲区域最早开始城市风环境研究的国家，2004年，日本政府环境省颁布了《热岛效应的措施宪章》，建立了建筑环境综合评价体系(CASBEE)，对城市通风和建筑通风提出了相应评价标准。2016年，中国香港地区《规划标准与准则》也对城市空气流通设计内容做出了相应的要求。2014年，中国住建部门研究发布关于建筑节能和绿色建筑发展的专项文件《建筑节能与绿色建筑发展规划》及GB/T 50378—2014绿色建筑评价标准。对城市室外建筑室外风环境中风速和表面风压等方面都作出相应要求。这些标准和条例的颁布，都标志着城市建筑室外风环境研究在城市规划和设计中发挥着越来越重要的作用。

2 室外风环境的概念

风是一种天气现象，是指大规模空气质点的水平运动，各个空气层面的气压不同，由于压强影响而产生了空气流动，从而形成了风[2]。当风由开阔处经过城市某一处时，风受到城市建筑物的阻挡，由于建筑物的围护结构以及建筑物布局方式的不同等各种因素，造成空气流动方向发生改变和空气温度的分布不均匀导致的气压梯度发生变化，使局部区域产生一种与其环境、地形相适应的空气流动方式，造成局部气候的改变，表现为该区域的风向于风俗特征这种气候下风的变化，它是城市气候环境中重要的构成之一。

3 国内外相关研究进展及主要研究方法

自2001年以来，对于城市室外风环境的研究广泛受到国内外学者的关注，关于室外风环境的论文也呈现出上升趋势，对于城市室外风环境的研究理论和方法也趋于丰富和完善，目前研究人员对室外风环境的研究方法主要为实地测试和模拟实验两种。

3.1 实地测量法

实地测量法是实验者研究区域内设置相应的测量设备，通过设备观测出该研究区域的风环境特征，实地测量法的结果相对于模拟实验法是最为准确可靠的，但同时由于实地条件限制，对一些长期观测数据的获取比较困难，只能描述实时性风环境情况，因此一般将实地测量实验实时结果作为其他实验的验证和参考。

3.2 模拟实验法

模拟实验主要分为物理实验和计算机数值模拟两种，物理实验是在实验室中用等比例缩放的模型模拟实际风环境特征的实验方法，主要分为风洞试验和水洞实验两种类型，物理实验法可以更直观的观测实验数据，得到的实验数据成果较为准确，但是其对实验室的要求较高，且制造模型花费较大，在实际案例中应用较少。

计算机数值模拟实验是基于对建筑物周围风流动遵循的动力学方程式进行数值求解，从而仿真模拟实际风环境，称为计算流体力学，简称CFD(Computational and Fluid Dynamics)，是现代模拟仿真技术的一种。相对于传统的物理实验，其具有方便、高效、成本低、不受模型尺度影响等优点，其分析结果也更为直观，清晰。近年来，国内外学者应用计算机数值模拟方法对建筑风环境的研究开展的比较多，且取得了一系列研究成果。

4 计算机数值模拟相关软件

随着计算机硬件水平的飞速发展和CFD技术的不断完善，计算机数值模拟已经成为国内外学者研究建筑室外风环境的强有力工具。CFD软件因为其准确性和有效性，在建筑室外风环境研究中获得了较为广泛的应用。计算机模拟风环境分析软件多种多样，建模和计算分析方法都各不相同，但是它们都有一个相同的流程，即建模、设置、计算分析、模拟结果输出四个必要的功能，目前国内外学者对于研究城市建筑室外风环境研究应用较多的主要为Fluent系列、Phoenics以及建筑通风软件VENT系列软件。

4.1 Fluent系列软件

Fluent系列软件在建筑室外风环境研究中有着很广泛的应用，它包含丰富的物理模型，能够精确地模拟无黏流、层流、湍流等一系列流体运动。它对于建筑室内外风速计算的准确度较高，且计算速度很快，是一种比较易用、模块化的建筑通风软件。

4.2 Phoenics软件

Phoenics软件是世界上第一款计算流体与计算传热学的商用软件，开放性是Phoenics最大的特点。Phoenics最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要添加程序和用户模型。与其他CFD软件相比它计算能力强、模型建立相对简单，对计算机内存、运算速度等指标要求相对较低，便于模拟前期的参数初值估算。但其后处理设计尚不完善，软件的功能总量少于其他软件。

4.3 VENT软件

建筑通风软件VENT是由绿建斯维尔公司开发研制的。VENT是一款专门为绿色建筑设计及技术应用开发的软件，它以Auto为构筑平台，具有建模、网格划分、流场分析和结果浏览等功能，软件方便易用、界面一目了然，便于初学人员快速上手。针对建筑室内外风环境的特点，VENT对CFD很多边界条件参数进行了固化，操作简单，降低了使用门槛，设计师都可以轻松操作，为其设计方案服务。该软件方便建筑师与工程师对建筑室内外风环境进行分析与设计，大大的提高了建筑师与工程师的工作效率。

5 国内外学者进行的相关研究

在城市建筑室外风环境方面，国内外学者在计算机数值模拟技术方面进行了长期的探索和研究。最先使用计算机数值模拟技术来对室外风环境进行分析的是美国麻省理工大学，通过系统的计算机模拟分析，模拟出了室外风环境相关数据，该研究成果为建筑室外环境数值模拟技术奠定了基础，推动了室外风环境数值模拟的研究进展，在此之后CFD技术逐渐趋于成熟和完善，并被逐渐运用到了实际项目当中。Yim SHL通过CFD-FLUENT模型，研究了城市建筑中街道污染物的扩散问题，并量化了在两个通风风向(0°和25°)的风速污染物扩散对环境的影响[3]。Hugh Bartond模拟研究了城区建筑中各自的布局方式对风流动的影响，根据其布局特点来调整城区规划方案，以期达到建筑的自然通风，改善城市住区风环境的目的。这些研究成果都为计算机数值模拟的方法和运用积累了大量的准确数据和经验。

在国外学者研究的基础上，国内学者对于计算机数值模拟技术的研究方法也进行了广泛的探索，我国在20世纪90年代开始就已经开始了CFD技术方面的研究，取得一定进展。

胡晓峰通过CFD技术研究城市建筑室外风环境特征，并根据模拟实例，总结了评价室外风环境的方法[4]。李琼通过CFD数据模拟，探讨了建筑密度、建筑高度等与建筑室外风环境相互关联性[5]。刘少锋等对某已设计建筑群风环境分别进行了模拟分析，并提出优化建议[6]。这些相关研究为国内同类型建筑工程提供量化依据，也为室外风环境模拟评价提供相关实践经验。但是相对来说，与国外进行的室外风环境计算机数值模拟研究相比还存在一些局限性，对室外风环境系统的探讨还不够深入，这也从侧面反映出目前国内对于室外风环境的相关研究还有待加强。

6 结语

室外风环境作为城市健康环境中的一个重要评价指标，作为建筑物理环境中的重要一环，在城市中营造一个良好室外的风环境对改善人居环境、节约建筑能源消耗具有重要促进作用。在城市建设过程当中，通过计算机模拟技术即时模拟出区域相应风场变化，依据风环境对建筑形态进行优化设计。为建筑师和工程师设计和施工提供参考方法，可以极大地提高建筑工程的施工效率，对营造良好人居环境具有重要意义，随着计算机模拟技术的发展，实现计算机风环境模拟技术与良好风环境的营造的两者联动会有较高的可行性，两者的结合研究将有更为广阔的前景。