引言风环境作为影响建筑外部空间品质的重要因素，在建筑形体设计中越来越受到重视。严寒地区冬季由冷风导致的风寒效应显著，且教学建筑外部空间使用人群基数大；如何通过合理的形体设计营造更为舒适的室外活动空间是亟待解决的问题。我国的建筑热工设计分区中，张家口属于严寒地区，冬季寒冷漫长，室外环境直接影响教学建筑外部活动空间的利用率和师生的体感舒适度。教学建筑的特殊性决定了其风环境研究的迫切性[1]。CFD模拟软件因其计算时间短、成本低和较高的准确性等优点被广泛用于风环境研究。建筑师在方案设计初期可以通过软件模拟调整建筑平面布局、建筑朝向和建筑形体等，研究风环境的变化。但是现阶段的研究更多地从建筑技术角度出发，关注模拟和指标分析，缺乏对建筑形体与风环境内在规律的研究[2]。从丰富建筑空间的角度出发，对教学建筑的不同形式开口进行模拟，研究不同形式开口对建筑外部风环境的影响，比较不同建筑空间形体的风环境优劣，探讨风环境作用下能量与建筑形式的关系，从而指导建筑方案的生成。1研究数据与模拟条件的设定1.1张家口教学建筑特征选取张家口地区的部分教学建筑进行调研，对现有复杂的教学建筑形体进行抽象描述，得到典型的建筑形式，研究形体单因素变化。调研对象包括6所中学和2所高校。张家口部分教学建筑形体特征调研结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.T001表1张家口部分教学建筑形体特征调研结果学校平面布局层数朝向衡实成博3F、4F南北向偏西第四中学5F南北向偏东第一中学5F南北向偏东河北建筑工程学院5F正南北向第六中学5F正南北向万全中学5F正南北向正博高中3F~5F南北向偏东河北北方学院5F正南北向由表1可知，张家口教学建筑布局主要包括一字形、C字形、L形和回字形，其他较为复杂的形体均是在基本形体上的演变。其中以C字形为基本的三面围合式教学楼可以形成宜人的内向庭院，为学生提供活动场所，通风和采光性能较好。这类布局建筑在张家口教学楼中的应用最为广泛，因此文中对C字形布局的教学建筑展开室外风环境的相关研究。调研发现，考虑交通流线、建筑形象等因素，教学建筑普遍引入开口、架空等设计手法，将设计手法与风环境结合，营造具有舒适风环境的建筑形体空间组织模式是本文研究重点。1.2实验模型及尺寸设定为了获得充足的日照，正南北向为最佳建筑朝向，建筑高度以5层为主。C字形教学建筑平面尺寸长度一般为60~70 m，建筑进深为12~15 m，庭院进深为30~35 m。为了提高计算速度，增加研究结果的普遍适用性，将研究对象简化为长70 m、建筑进深15 m、庭院进深35 m、高度20 m的C字形建筑。为了进一步研究建筑形体与风环境的相关性，将不同开口形式引入建筑首层平面[3]。1.3模拟方法1.3.1模拟步骤通过对张家口教学建筑进行调研，确定基本的建筑形态和模型参数，采用Sketchup建立物理模型，将模型导入Phoenics模拟软件，并设置合适的模拟参数进行风环境模拟，通过后处理操作得到可视化的模拟结果。将实验数据导入Tec-plot软件，获取源数据，采用Excel软件进行数据处理和可视化分析[4]。1.3.2数据获取以C字形平面为例，对教学建筑围合的室外空间进行研究。均匀布置测点，测点位置分布情况如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.F001图1测点位置分布情况空间中心位置人流量相对较大，在建筑空间几何中心布置一个测点a；距离建筑1 m处布置b、c、d、e共4个测点，测点位于空间边界处，受建筑形体的影响较大；为了避免4个角点存在边界层的影响，在中点a与角点b、c、d、e连线的中点处布置f、g、h、i共4个测点[5]。通过模拟综合分析9个测点人行高度处的风速，更加客观地反映建筑外部风环境状况。1.3.3计算域与边界条件设定张家口冬季寒冷且漫长，关注建筑冬季的防寒防风效果比关注夏季的通风散热效果更具意义[4]。查阅《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》得到张家口相关气象指标，冬季最多风向为北西北风(NNW)，冬季室外最多风向的平均风速为3.5 m/s，以此作为模拟气象条件。模拟条件方面，计算区域的高度为目标模型最高点的3倍，来流和出流方向的宽度为目标模型宽度的5倍，两侧区域大小为目标模型的5倍；最小网格尺寸为2 m，背景网格尺寸为4 m。模拟采用标准k-ε双方程湍流模型，迭代次数为1 000次，计算达到收敛精度即停止。1.4评价标准目前对风环境的评价无统一明确的标准，需要结合研究对象的地域气候特点和使用者需求评判。国内多采用平均风速或风速比作为风况评价标准。考虑教学建筑室外活动空间需求，参考人行高度(1.5 m)处的Beaufort指数中，风速大于2.68 m/s时会产生锦旗飞舞、纸尘飞扬等现象和风速小于0.30 m/s为静风区，同时参考《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）中，建筑物周围人行区距地高1.5 m处，户外休息区风速小于2 m/s，将0.3~2.0 m/s的风速作为舒适风环境标准。建筑室外风环境变化幅度过大以及风场分布不均匀，会使师生室外活动的体验感不佳。因此，通过测算上述9个测点风速的方差可以分析建筑室外空间风速变化的稳定情况。各测点的方差值越小，风速稳定性越好；反之，风速的稳定性越差。2模拟结果及分析教学建筑首层开口可以为人流量过大的校园提供更多穿行选择，分散人流；增加了师生室外活动的灰空间。开口过小容易在开口处形成狭管效应，以两跨柱距（16 m）为基本单位[6]。9种建筑开口形式如图2所示。白色部分为1层平面，阴影部分为开口。通过模拟冬季风环境，探讨架空方向和位置对教学建筑围合空间风环境的影响。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.F002图29种建筑开口形式9种建筑开口形式的冬季风环境模拟结果如图3所示。北向开口面向迎风面，北向中侧和左侧开口的气流直接通过开口进入到场地内部，受狭道效应的影响，在场地内部均形成一条高风速带，最高风速达4.00 m/s，给师生带来强烈的吹风感且存在一定的安全隐患。西向开口的场地内部在角隅风的作用下均存在一个高风速涡流区，风场分布不均匀，不适宜长时间停留。北向右侧、南向左侧和右侧开口的风场分布较均匀，场地内部空气流动性较好。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.F003图39种建筑开口形式的冬季风环境模拟结果9种建筑开口形式下舒适风面积占比如图4所示。建筑南向开口的舒适风面积占比明显高于北向和西向开口。其中北向右侧和南向右侧开口的舒适风面积占比在97％以上，分布均匀且集中，可以营造较为理想的室外活动空间。其他开口形式均在场地内部存在较多的强风区。在师生聚集的教学建筑，阻塞空气会增加疾病传播的风险，因此在关注教学建筑外部风环境舒适的同时，也应关注场地内部是否具备良好通风条件。不同建筑开口情况均存在静风区，北向中侧开口的静风区面积占比最大，不利于空气流通。其他开口的静风区面积占比均为2％左右，静风区大部分分布在场地内部北侧靠近建筑的区域。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.F004图49种建筑开口形式下舒适风面积占比为了探究风环境的优劣，还需对教学建筑外部风环境的稳定性进行分析，测点风速的方差能够描绘场地内部风速的变化情况。各测点风速和方差如表2所示。北向右侧和南向中侧开口的风速方差值在0.2以下，风速变化最稳定；北向中侧和左侧开口的风速方差值较高，风速变化较大。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.003.T002表2各测点风速和方差开口形式风速（m/s）方差测点a测点b测点c测点d测点e测点f测点g测点h测点i北向左侧1.1182.9900.4690.0650.0632.8480.8870.4642.3611.22北向中侧3.2470.5640.4390.2990.8800.2380.3420.0280.1620.87北向右侧1.2680.1681.0540.3590.6821.0160.9231.0371.2820.13西向上部1.6180.0540.3990.4360.8991.4880.9291.1541.7970.32西向中部1.5800.6080.4450.4370.8411.7381.0371.1271.9100.27西向下部1.8520.5890.4660.4500.4070.9401.2021.2902.2790.40南向左侧1.7800.1220.6330.4610.3861.0001.4501.5181.4800.32南向中侧1.3450.1730.5440.4660.8361.1311.0681.3801.4480.18南向右侧1.6270.0710.5591.1190.8021.2671.1911.4071.6000.23综合考量冬季风环境的均匀度和舒适度，北向右侧开口的风环境状况最优，最适宜学生开展各种室外活动，在设计中宜优先考虑。3结语开口方向方面，南向开口的综合风环境状况优于北向和西向开口。开口位置方面，上述3个方向的开口形式中，北向和南向均是在右侧开口的风环境最适宜，其中南向右侧开口的风环境稳定性欠佳。西向在上部开口的风环境最适宜，但是存在局部风速较高的情况，风场分布不均匀。在所有开口形式中，场地内部北侧处于上风向，极易形成静风区，虽然可以有效降低冬季热量损失，但是不利于空气流通和污染物排出，不适宜在北侧靠近建筑区域开展活动，不宜布置相应的活动设施。未来应进一步研究开口的数量、高度以及架空、连廊等其他形体变化对风环境的影响。