引言夏热冬冷地区主要指长江中下游及其周围地区，夏季均处于背风面，冬季均处于季风区。在夏热冬冷地区中，底层架空形式是常见的建筑设计方法，能够明显增加建筑室外通风，降低电扇、空调设备能耗。王彪[1]对比底层架空设计的风速增大系数值，指出隔板越接近地面越利于聚风效果。柯瑞[2]等模拟不同的底层架空形式，与底层未架空形式进行对比，比较合肥地区的高层建筑内部人行区域的风环境，但比较区域不够全面。刘建麟[3]等在单体建筑尺度上，探讨了4种架空高度和3种风向对架空建筑周边行人区微气候的影响程度。文中以某物流信息管理大楼为例，通过流体力学(CFD)模拟技术，研究高层建筑底层的不同架空形式，比较该建筑的冬季风环境的变化。1高层建筑风环境特征《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2006）规定了冬季风环境建筑物周围人行区的风速和室外的风速放大系数。风速与行人舒适度相关性较大，室外久站或久坐，行人均有不同的舒适度。室外行人高度处风速范围如表1所示。文中选择冬季工况条件，以风速为评价指标，风速放大系数为达标指标，进行风环境变化分析。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.T001表1室外行人高度处风速范围活动范围舒适度行人高度处风速范围室外久站或久坐舒适0.81~2.68可以忍受2.68~4.47不舒适4.47~6.71危险13.86~17.00m/s高层建筑的体量、高度因素能够大幅度阻碍风向流动，其附近多种气流具有相互作用且形成复杂的室外风环境。高层建筑一般通过改变建筑形体、优化迎风面、削弱边角风等措施优化室外风环境，如底层架空方式。在改变建筑形体的同时，应尽量避免底层架空部位引起流风，造成局部风速过大形成风洞效应。2风环境分析技术发展为便于模拟高层建筑周围的风环境，依据CFD模拟技术，在计算域内，建立流体流动的质量守恒、动量守恒以及能量守恒的数学方程。用于模拟湍流特性的、精度较高的计算方法主要包括：直接数值模拟法、大涡模拟法和雷诺平均法[4]。雷诺平均法对数据进行平均处理，运算较为便捷，应用较为广泛。在该算法下，其湍流模型包括：标准的k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现的k-ε模型。雷诺平均法湍流模型计算原理及适用范围如表2[5]所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.T002表2雷诺平均法湍流模型计算原理及适用范围模型类型模型计算原理适用范围标准的k-ε模型半经验模型，根据流体经过的充分发展而建立。适用于初始的参数研究以及一般的建筑通风。RNGk-ε模型在标准的k-ε模型基础上，考虑了湍流中旋涡效应，增加了湍流普朗特常数的解析公式和有效黏性的微分公式。适用于快速应变的复杂剪切流、中等旋涡流动、局部转捩流，如边界层分离、钝体尾迹涡、大角度失速、房间通风、室外空气流动。可实现的k-ε模型采用了全新的湍流黏性计算方程和湍流耗散率的传输方程。适用于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流。3高层建筑底层不同架空模式下冬季风环境模拟分析3.1高层建筑的建模3.1.1模型选择、地理条件与工况设定应用以CFD为核心的Vent软件，依据标准k-ε模型进行室外流场计算。假定地面为平面，忽略对模拟结果的干扰。以冬季风速3.00 m/s，东北45.0°方向为环境基础进行计算。3.1.2建筑模型参数建筑底层架空设计模型如图1所示。模型外形尺寸45 m×30 m×75 m，架空高度6 m，架空地面面积占其上层建筑面积的40%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F001图1建筑底层架空设计模型建筑底层架空形式包括单条式和折线式。建筑底层架空形式概况如图2所示。底层无架空W1为底层架空形式的对照；底层单条式架空：洞口式架空（D1、D2）和侧部式架空（C1、C2、C3、C4）；底层折线式架空：L形架空（L1、L2、L3、L4）、T形架空（T1、T2、T3、T4）、Z形架空（Z1、Z2、Z3、Z4）以及U形架空（U1、U2、U3、U4）。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F002图2建筑底层架空形式概况注：黑色部分为建筑底层架空位置。3.1.3风场计算域和网格划分计算域内，不同部分采用不同网格方案。冬季工况风场计算域如表3所示，网格划分信息如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.T003表3冬季工况风场计算域风场计算域数值顺风方向尺寸303 462宽度方向尺寸246 207高度方向尺寸175 000mm10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.T004表4网格划分信息网格信息分级方式普通网格最小细分级数1最大细分级数2地面网格远场细分级数1近场细分级数2附面层地面附面层数2建筑附面层数03.1.4设定边界条件入口风为梯度风，入口风速计算公式为：v=vRzzRa (1)式中：v——任一点的平均风速，m/s；z——任一点的高度，m；vR——标准高度处的平均风速，m/s；zR——标准高度处的标准高度，取10 m[6]；a——地面粗糙度指数，取城市郊地类别值0.22。出口边界选择自由出流，两个侧面边界和顶边界设定为滑移壁面，风场地面边界设定为无滑移壁面。3.2建模结果处理3.2.1风速放大系数处理Vent软件自动统计风速放大系数数据，且自动判断所得数据是否符合规范要求，即人行区是否出现风速放大系数≥2的区域。若符合规范要求，进行后续统计；反之，舍弃该架空形式。T2类型的风速放大系数速度云图如图3所示，软件判断达标，可进行后续风速处理。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F003图3T2类型的风速放大系数速度云图3.2.2风速处理为进一步进行比较，在风速网格图上选择该建筑周边坐标相同的12个数据点统计风速，对不同架空形式和无架空W1均进行上述处理。T3类型风速网格图及数据点的选择位置如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F004图4T3类型风速网格图及数据点的选择位置3.3数据分析处理经Vent软件分析，上述建筑底层架空形式的风速放大系数均达标，符合规范要求，均可以进行后续处理。对不同架空形式和无架空W1统计的各自12个数据点的风速进一步处理。选取表1中室外久站或久坐舒适的范围：0.81~2.68 m/s，为环境优异。通过折线图，比较无架空W1和小类型架空处于或接近该范围的数据点个数，得出该类型较优的架空形式。结合小类型中较优类型的特征共性，比较各小类型相对较优的类型在处于或接近该范围的数据点个数，得到所有架空形式在模拟条件下的最优选择。3.3.1无架空W1与洞口式架空无架空W1与洞口式架空在1.5 m处的风速对比如图5所示。由图5可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，D1数据点共有6个，D2数据点共有7个。D2架空形式为洞口式架空形式中较优类型。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F005图5无架空W1与洞口式架空在1.5 m处的风速对比3.3.2无架空W1与侧部式架空无架空W1与侧部式架空在1.5 m处的风速对比如图6所示。由图6可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，C1数据点共有3个，C2数据点共有7个，C3数据点共有5个，C4数据点共有5个。C2架空形式为侧部式架空形式中较优类型。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F006图6无架空W1与侧部式架空在1.5 m处的风速对比3.3.3无架空W1与L形架空无架空W1与L形架空在1.5 m处的风速对比如图7所示。由图7可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，L1形数据点共有5个，L2形数据点共有6个，L3形数据点共有5个，L4形数据点共有5个。L2形架空形式为L形架空形式中较优类型。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F007图7无架空W1与L形架空在1.5 m处的风速对比3.3.4无架空W1与T形架空无架空W1与T形架空在1.5 m处的风速对比如图8所示。由图8可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，T1形数据点共有5个，T2形数据点共有7个，T3形数据点共有7个，T4形数据点共有5个。T2形架空形式在氛围内更多，为T形架空形式中较优类型。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F008图8无架空W1与T形架空在1.5 m处的风速对比3.3.5无架空W1与Z形架空无架空W1与Z形架空在1.5 m处的风速对比如图9所示。由图9可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，Z1形数据点共有5个，Z2形数据点共有7个，Z3形数据点共有5个，Z4形数据点共有7个。Z2形架空形式在氛围内更多，为Z形架空形式中较优类型。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F009图9无架空W1与Z形架空在1.5 m处的风速对比3.3.6无架空W1与U形架空无架空W1与U形架空在1.5 m处的风速对比如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F010图10无架空W1与U形架空在1.5 m处的风速对比由图10可知，无架空W1在或接近舒适范围的数据点共有4个，U1形数据点共有7个，U2形数据点共有8个，U3形数据点共有6个，U4形数据点共有6个。U2形为U形架空形式中较优类型。3.3.7各架空形式中较优类型对比各架空形式中较优类型在1.5 m处的风速对比如图11所示。通常建筑在南面架空面积大、东西贯通的情况下，风速环境更为舒适。T2架空形式的数据点风速接近0.81~2.68 m/s相对较多，更为舒适。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F011图11各架空形式中较优类型在1.5 m 出的风速对比4实例验证分析4.1项目介绍以某物流信息管理大楼为例，对该建筑底层架空形式进行风环境优化。实例地点位于孝感市临空经济区，属于夏热冬冷地区的高层建筑，塔楼部分底层采用U1形式架空。建筑实例效果如图12所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F012图12建筑实例效果4.2底层架空优化设计在夏热冬冷地区，相同架空率等情况下，T2架空形式相对最为舒适。因此，保持塔楼底层架空率不变，底层架空形式由原U1改为T2架空形式。T2方案架空形式优化设计如图13所示。优化前U1架空形式风速云图如图14所示。优化后T2架空形式风速云图如图15所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F013图13T2方案架空形式优化设计10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F014图14优化前U1架空形式风速云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.003.F015图15优化后T2架空形式风速云图与优化前风速云图相比，优化后建筑周边的风速为0.81~2.68 m/s，风速范围面积明显增加，且满足风速放大系数要求，风环境得以优化。5结语采用CFD技术，分析高层建筑的不同底层架空形式，得到夏热冬冷地区的单体高层建筑，其底层架空形式以T2架空形式所得风环境较为舒适。