基于室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)

CFD具體指的是計(jì)算流體力學(xué)的一種模擬測(cè)算與設(shè)計(jì)方式，這種方式近似于方程求解的計(jì)算方式。隨著我國(guó)商用軟件的不斷開發(fā)與應(yīng)用，CFD模擬計(jì)算技術(shù)在工程界逐漸發(fā)揮出越來(lái)越大的實(shí)際作用。本文主要對(duì)室外風(fēng)環(huán)境下CFD模擬的建筑設(shè)計(jì)要素進(jìn)行探究，結(jié)合CFD模擬設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析與研究，為我國(guó)今后的室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作提供可行性參考。

 1.室外風(fēng)環(huán)境下的CFD模擬建筑設(shè)計(jì)機(jī)理 
  1.1選取有效的數(shù)學(xué)參考模型 
  在我國(guó)常見的建筑小區(qū)內(nèi)部，室外風(fēng)環(huán)境的流動(dòng)特征具有不可壓縮性與低速湍流性。常用的數(shù)學(xué)模型具體分為大渦模擬模型及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型等多種形態(tài)。其中大渦模擬模型旨在利用非穩(wěn)定狀態(tài)的NS方程式來(lái)直接模擬大尺度渦，通過(guò)這種方式對(duì)區(qū)域環(huán)境內(nèi)的CFD模擬情況進(jìn)行準(zhǔn)確r算與記錄[1]。大渦模擬模型在使用過(guò)程中不會(huì)直接計(jì)算小尺度渦，對(duì)計(jì)算機(jī)的速度與內(nèi)存要求較高，往往還需要計(jì)算很長(zhǎng)時(shí)間，在使用過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確選擇。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的使用成本較低，其數(shù)值波動(dòng)較小，但計(jì)算結(jié)果以及精密度較高，在低速湍流數(shù)中的應(yīng)用效果顯著。建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐工作中應(yīng)根據(jù)不同模型的實(shí)際特征，準(zhǔn)確選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)參考模型進(jìn)行計(jì)算。 
  1.2選擇正確的計(jì)算區(qū)域及物理模型 
  隨著我國(guó)建筑形式的不斷發(fā)展與變化，當(dāng)下社會(huì)在建筑風(fēng)格設(shè)計(jì)的多樣性與功能性上出現(xiàn)了極大的改變，小區(qū)建筑在正常規(guī)劃與設(shè)計(jì)的過(guò)程中更需要切實(shí)滿足住戶的是要求，在規(guī)模形態(tài)的設(shè)計(jì)與要求上更需要符合整體區(qū)域環(huán)境的特征，切實(shí)保證小區(qū)建筑的整體性與功能性[2]。小區(qū)建筑在使用過(guò)程中風(fēng)場(chǎng)作用的范圍較大，因此，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)對(duì)小區(qū)建筑的整體區(qū)域環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷與計(jì)算，如果過(guò)分增大計(jì)算區(qū)域，則會(huì)相應(yīng)的增加計(jì)算成本，但是如果計(jì)算區(qū)域不足，則會(huì)嚴(yán)重影響規(guī)劃設(shè)計(jì)的質(zhì)量及準(zhǔn)確性，因此，如何選擇計(jì)算區(qū)域逐漸成為建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)乖斃枰重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。同樣，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在選擇小區(qū)模型的過(guò)程中，一般都應(yīng)該選用AUTCAD來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此提高建筑模型的精準(zhǔn)程度，但在某些特殊情況下，為減小計(jì)算的節(jié)點(diǎn)、加快模型制作的速度，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員往往需要忽略實(shí)際建筑群當(dāng)中的微小凹凸處，直接選用與實(shí)菇ㄖ接近的模型，通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確分析。 
  1.3確定CFD模擬計(jì)算的邊界條件 
  建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員利用CFD進(jìn)行小區(qū)風(fēng)環(huán)境建筑物模擬試驗(yàn)的過(guò)程中，首先應(yīng)確定CFD模擬計(jì)算的邊界條件，通過(guò)對(duì)風(fēng)環(huán)境圖進(jìn)行準(zhǔn)確分析，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向等情況，確定區(qū)域環(huán)境內(nèi)的風(fēng)環(huán)境情況。建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)明確建筑入口處的風(fēng)速分布情況，根據(jù)氣流穿過(guò)不同區(qū)域環(huán)境地帶的情況，準(zhǔn)確判斷氣流與風(fēng)速降低的數(shù)值。在明確建筑入口處風(fēng)速分布情況的過(guò)程中，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)地面以上300M范圍內(nèi)的風(fēng)速及風(fēng)向情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)風(fēng)的實(shí)際變化做出指數(shù)分布統(tǒng)計(jì)。 
  2.室外風(fēng)環(huán)境下CFD模擬的建筑設(shè)計(jì)案例分析 
  結(jié)合2014年8月深圳某小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境下的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，該小區(qū)的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)由16棟商業(yè)用房、高層建筑以及小學(xué)所組成，其中商業(yè)用房層高16.5m，會(huì)所層高15.4m，高層住宅層高3.5m。在小區(qū)建筑的西南方有約40m高的山體結(jié)構(gòu)，在東z與南偏西有若干10層左右的建筑物。本文主要對(duì)該建筑設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，省略既有山脈與建筑。 
  2.1小區(qū)建筑設(shè)計(jì)的分析結(jié)果 
  案例區(qū)域?qū)儆谏钲谀喜磕承^(qū)，該地區(qū)處于亞熱帶海洋性氣候，夏日較長(zhǎng)，冬天時(shí)間較短，該地區(qū)的平均氣溫始終、氣候溫和，年平均氣溫約為23.1℃，區(qū)域內(nèi)最高氣溫約為39.7℃。小區(qū)環(huán)境內(nèi)的年平均風(fēng)速約為2.9m/s，主導(dǎo)風(fēng)向以東南風(fēng)居多，受區(qū)域環(huán)境及氣候特點(diǎn)的影響，室外風(fēng)在夏季較為明顯 
  通過(guò)上述分析探究可知，該小區(qū)的室外通風(fēng)情況受小區(qū)建筑群的影響，小區(qū)內(nèi)風(fēng)速在2m/s-4m/s的區(qū)域內(nèi)較小，小區(qū)北側(cè)建筑群內(nèi)的風(fēng)速普遍在1m/s0下，由此可知，該建筑的整體通風(fēng)情況較差，建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)小區(qū)的整體建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 
  2.2小區(qū)建筑設(shè)計(jì)方案調(diào)整 
  通過(guò)對(duì)該小區(qū)的設(shè)計(jì)方案調(diào)整情況進(jìn)行探究，可以清晰的看出各部分建筑的不同之處，根據(jù)圖中建筑的實(shí)際情況，準(zhǔn)確判定不同建筑之間的調(diào)整距離與調(diào)整位置。 
  （1）在不影響小區(qū)通風(fēng)情況的前提下，對(duì)中間低層會(huì)所與高層商業(yè)用房的位置進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)增加高層的方式，進(jìn)一步改善小區(qū)內(nèi)的通風(fēng)情況。 
  （2）在小區(qū)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)區(qū)域內(nèi)的建筑進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，齊排建筑改變?yōu)閹в谢《鹊慕ㄖ腕w，有效增加建筑之間的距離差。 
  （3）在小區(qū)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)區(qū)域內(nèi)的建筑進(jìn)行相互調(diào)整，有效增加建筑之間的距離，改善建筑之間的通風(fēng)情況。 
  在整個(gè)設(shè)計(jì)方案w，該小區(qū)的建筑高度調(diào)整變化不大，主要是對(duì)商業(yè)用房以及學(xué)校建筑的體型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此滿足合理性建筑設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。在調(diào)整的過(guò)程中，對(duì)于每棟建筑的架空距離都有嚴(yán)格的要求與規(guī)定，通常約為4.5m。為有效提高高層建筑物的通風(fēng)效果，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)對(duì)高層建筑w體型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并且對(duì)高層建筑低層進(jìn)行架空處理，充分發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用。 
  2.3小區(qū)建筑設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析 
  根據(jù)該小區(qū)建筑群內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的室外風(fēng)環(huán)境，在小區(qū)內(nèi)室外通風(fēng)較差的區(qū)域設(shè)置A、B、C、D、E5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，分別在5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)力測(cè)算，根據(jù)風(fēng)力的等級(jí)以及區(qū)域內(nèi)的空氣情況，有效評(píng)估小區(qū)整體的室外空氣質(zhì)量狀況。 
  通過(guò)對(duì)該小區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行觀察與分析，不難看出該小區(qū)的室外通風(fēng)情況經(jīng)過(guò)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)整后得到了明顯改善（A、B、C、D、E等區(qū)域?yàn)榻ㄖ簠^(qū)域，區(qū)域內(nèi)室外空氣流動(dòng)性較差）。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，小區(qū)2m高度的風(fēng)速獲得了w顯的提升，這一情況充分說(shuō)明了該小區(qū)建筑群內(nèi)的室外通風(fēng)情況已經(jīng)獲得了明顯的改善與提高，相較于調(diào)整之前的情況，現(xiàn)階段該小區(qū)的室外空氣流動(dòng)性較好，空氣品質(zhì)獲得了較大的改善，更加適宜人們居住與生活。 
  3.結(jié)語(yǔ) 
  綜上所述，在室外風(fēng)環(huán)境下開展CFD模擬的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠有效提高建筑群的整體功能特性，提高建筑物之間的空氣質(zhì)量，為住戶營(yíng)造更加優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。 
  【參考文獻(xiàn)】 
  [1]龔波.自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)策略及模擬分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2013，12（09）：23-24. 
  [2]楊建坤，張旭，劉東，黃艷.自然通風(fēng)作用下中庭建筑熱環(huán)境的數(shù)值模擬[J].暖通空調(diào)，2012，23（07）：23-25.