引言城市地区的室外风环境严重影响着建筑物周围污染物的扩散、自然通风的效率、建筑物的风压分布以及人行高度处的风力舒适度[1]。建筑物周围空气流动受各种因素影响，如相邻建筑之间的距离、建筑形状、建筑密度等[2]。Wei[3]等发现，街道两侧建筑物的高度差和街谷延伸长度都会对室外风环境造成影响。Khanduri[4]等发现，相对于上游地形条件和风向，相邻建筑物几何形状和建筑物布局对建筑物周围空气流动影响更大。He[5]等提出采用CFD数据模型获取详细的风场数据，是一种比较经济、快速的风环境评价方法。应小宇[6]等发现建筑群的基座与裙房本身的参数、位置对行人高度处风速影响不同。王昊[7]通过建筑单体以及群体建筑布局方式的优化措施对生活区风环境进行改善。王善行[8]总结了目前利用CFD模拟技术对模拟建筑室外风环境的研究成果。本文以某中学建筑群为例，根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）中有关风环境的标准要求，利用CFD风环境模拟软件对规划方案的室外风场环境进行模拟分析，优化建筑结构及布局与风环境的关系，达到场地内建筑风环境安全、舒适、节能的效果。1建筑室外风环境现存问题及研究意义学校建筑相对集中，涵盖多种不同功能的建筑类型，而且集体性活动多、人群密度大。建筑风环境优劣直接影响师生工作、学习环境的舒适性、安全性。目前新建学校取址大多选在新城区，风速较市区偏大，对学校内部风场造成一些不利影响。已有研究表明，人体对风速的感受与活动区域以及活动类型有很大关系[9]。人体在不同活动区域、不同活动类型对风速的感受如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T001表1人体在不同活动区域、不同活动类型对风速的感受活动区域活动类型风速范围/（m/s）人体感受人行区域快速行走5舒适7明显不适8危险停车场、广场等空旷场地站立、坐等短时间停留3舒适5明显不适8危险站立、坐等长时间停留2舒适4明显不适8危险建筑内部风环境与建筑室外风环境也存在相关性。例如，当建筑迎风面与背风面压差达到一定值时，建筑两侧开窗或者气密性不强导致室内形成风场，风速增加。夏季建筑周围的风场增加房间内部空气流动，从而减少用能设备的使用，达到降低建筑能耗的目的。冬季应控制建筑两侧风压差导致的冷风渗透现象，降低采暖能耗。建筑场地内风环境规划应与当地气候条件相适应，在区域功能规划、建筑形体选择等方面考虑当地气象因素，保证环境舒适性的情况下，充分利用自然资源。2室外风环境建模过程研究项目位于山东省烟台市，夏季、冬季的室外主导风工况如表2所示[10]。项目用地约5.38万m2，包括教学综合楼、体育馆、学生阅览室、食堂及报告厅等主要建筑单体。本研究主要考虑风速、风压两个影响因素，采用CFD计算为核心的Vent软件进行室外风环境模拟，涵盖建模、计算、结果分析等整个流程[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T002表2主导风工况基本情况工况主导风向平均风速/（m/s）夏季典型工况SW3.50冬季典型工况N5.902.1计算域确定自然通风模拟的计算域应根据目标建筑的特征尺寸确定，以模拟建筑的高度H作为本方案特征尺寸。具体计算域如图1所示。以建筑群中心建筑报告厅为目标建筑，顶部计算域为4H，计算域水平方向的长和宽在目标建筑周围各延长4H[12]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F001图1计算区域示意图2.2风场离散化以及网格划分网格由无限地划分连续计算区域空间得到隶属区域组成，网格划分的合理性直接影响离散化程度进而导致模拟结果的不同。网格总数2 068 970个，具体网格划分情况如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T003表3网格划分信息网格类型网格划分级数层数普通网格最小细分级数2最大细分级数4地面网格远场细分级数2近场细分级数4附面层地面附面层数6建筑附面层数2本研究采用加密方案：（1）靠近地面和建筑以外的网格为普通网格，不做特别加密处理。普通网格的分弧精度0.12 m，初始网格长度宽度均为8 m。（2）近场地面、远场地面网格分别进行加密、稀疏处理，前者对应地面细分级数比后者大。（3）贴近地面、建筑壁面的附面层网格进行分层加密，也需要对网格是否独立进行检验。2.3边界条件与湍流模型本项目采用标准k-ε湍流模型进行室外风环境数值计算[13]。入口风速采用下列梯度风计算：ν=νRZZRα (1)式中：ν——计算域内某点的平均风速，m/s；Z——计算域内某点的离地高度，m；ZR——计算域内R点高度，取10 m[14]；νR——10 m处平均风速，夏季2.7 m/s，冬季3.3 m/s；α——地面粗糙度指数，α取值0.28。设定气流经过出口边界时保持自由出流状态，壁面边界条件为滑移壁面，风经过地面风场时受摩擦力影响。2.4模拟工况的选择本项目对夏季工况以及冬季工况进行模拟分析。参考《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）对夏季工况和冬季工况的要求，如表4所示[15]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T004表4夏季、冬季工况要求工况要求夏季人行区域不得出现涡旋或无风区。50%以上时均可开启外窗扇，室内外表面风压差0.5 Pa。冬季人行区域风速限值5 m/s，建筑前后表面风压相差范围不超过5 Pa（位于迎风位置的第一排建筑除外）。室外最大风速放大系数限值为2。3结果分析3.1夏季工况3.1.1无风区计算分析无风区通常指当人行区域风速≤0.2 m/s时，在此区域活动的人无明显风感[16]。整个计算域内1.5 m高度处的夏季风速分布云图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F002图2计算区域内1.5 m高度水平面风速云图（夏季）由图2可知，风速主要分布在0.20~2.75 m/s之间，场地内人活动弱风区较少，风速小于0.2 m/s的超限区域非常少，适合师生在室外进行活动。但在建筑物周围区域出现较多无风区，且无风区大多出现在建筑凸出或凹进的构件处，可以在方案设计阶段充分考虑构件对风环境的影响，避免过多外部造型或考虑一些流线型造型。建筑群落为避免出现大范围无风区，建筑各单体可按照斜列式布局。通过模拟和试验发现，相同模拟工况下，斜列式布局较其他布局夏季人行区平均风速最大[17]。3.1.2旋涡区计算分析旋涡区是指空气流体旋转形成的螺旋形区域，其风场内部风速大。极端天气条件下，风场若形成旋涡对人身安全造成极大危害。计算域内夏季风速矢量图如图3所示，由图3可知，建筑周围没有形成较大的涡流区域。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F003图3计算区域内1.5 m高度水平面风速矢量图（夏季）3.1.3外窗内外表面风压差达标分析夏季建筑迎风面外窗表面风压云图如图4所示，夏季建筑背风面外窗表面风压云图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F004图4建筑迎风面外窗表面风压云图（夏季）10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F005图5建筑背风面外窗表面风压云图（夏季）通过图4、图5可知，外窗表面风压小于0.5 Pa。对建筑外表面平均风压数据进行统计，如表5所示。本研究中所有建筑风压差比例满足要求[15]。若模拟结果不达标，通过调整建筑布局、改变可开启外窗的位置等方式改善。合理利用建筑内外压差可改善室内自然通风，提高室内空气流度，将室内热量、CO2等带到室外，不增加建筑额外能耗的前提下，提高室内舒适性。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T005表5建筑室内外风压差达标判定建筑类别室内外风压差大于0.5 Pa的建筑表面积/m2建筑表面积/m2达标比例/%4#、5#、6#教学楼5 800.506 526.7888.87报告厅1 994.062 316.8586.07食堂3 888.734 226.2592.01体育馆3 097.493 293.7994.04行政楼、1#、2#、3#教学楼10 816.5012 665.2085.40阅览室1 737.321 902.4391.323.2冬季工况3.2.1人行区域冬季工况风速、风速放大系数分析设基准风速为开阔地面1.5 m处对应的风速。风速放大系数指人行区域高度处（1.5 m）对应的最大风速与基准风速的比值。对冬季室外建筑物的风速、风速放大系数进行测定，整个计算域内冬季风速分布云图如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F006图6计算区域内1.5 m高度水平面风速云图（冬季）图中风速超过5 m/s的区域用黑色等值线标示[15]，如图6所示，规划场地内冬季风速大多分布在0.49~4.94 m/s之间，但也存在风速超过5 m/s区域。建筑周围小部分区域出现风速超限现象，最大风速为5.92 m/s。整个计算域内冬季风速放大系数分布云图如图7所示，图7中风速放大系数超过2的区域用黑色等值线标示[15]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F007图7风速放大系数云图（冬季）从图7中看出，风速放大系数最大值为1.71。结合图6、图7可知，建筑风环境模拟结果出现风速超限现象，若在建筑方案设计阶段，可以对建筑布局进行调整；对于已建成的建筑，可以借用绿植阻挡风，以此优化内部风场。绿化带内树木高度设置为5 m，树木阻力适中，经过绿化带区域，阻力降低风速后的结果如图8所示。场地内最大风速已由5.92 m/s降低为4.58 m/s，场地风环境明显改善，已达到冬季室外最大风速不超过5 m/s的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F008图8计算区域内种植绿化带1.5 m高度水平面风速云图（冬季）3.2.2建筑迎风面和背风面风压分析本研究采用面积加权法对建筑迎风面和背风面对应门窗的风压值进行计算并汇总，如表6所示。冬季建筑迎风面风压云图模拟结果如图9所示，建筑背风面风压云图如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T006表6建筑迎风和背风面风压差结论汇总建筑类别迎风面风压/Pa背风面风压/Pa风压差/Pa达标情况4#、5#、6#教学楼-0.73-4.593.86—报告厅-4.21-3.10-1.12达标食堂-1.50-6.715.21—体育馆2.18-6.318.50—行政楼、1#、2#、3#教学楼、阅览室-3.36-7.904.54达标10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F009图9建筑迎风面风压云图（冬季）10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F010图10建筑背风面风压云图（冬季）其中食堂、体育馆、4#、5#、6#教学楼是第一排迎风建筑，不考虑达标情况。行政楼、1#、2#、3#教学楼、阅览室由于结构原因导致风口附近迎风面风压较大，但与其背风面压差仍小于5 Pa。模拟结果可知，除第一排迎风建筑外，模拟区域整体情况良好。4结语风环境对人的安全、健康有重要影响，应避免因风环境恶劣导致的人员伤亡事件发生。利用CFD进行风环境模拟分析，较传统风洞试验具有经济、快速的特点。以某中学为例，利用CFD模拟软件在工程应用中的优势，分析建筑布局的室外风环境，并针对问题提出具体解决方案。在建筑方案设计阶段考虑建筑结构及布局与风环境场关系，达到场地内建筑风环境安全、舒适、节能的效果，并且降低后期维护费用和改造费用。但本研究仍存在一些局限性，一是只针对本建筑群体的模拟结果提出优化方案，模拟结果和优化方案不具有普遍性；二是专注于方案设计阶段规避问题，建筑实际使用中的结果需后续实测再进行分析。