CN110175374A - 一种基于cfd数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，包括：根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的室外气象参数与当地气象资料，得到当地冬夏两季风向与平均风速数据；在CFD软件中建立双子楼初始模型，数据设定模拟工况条件，同时通过调整主楼的平面形状、高度、间距、夹角、相对位置等方面，建立比较模型；在CFD软件中进行风环境模拟，得到双子楼建筑周边人行高度处风环境与风速比的分布情况；对模拟结果进行比较，在满足《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准的情况下，选择最优双子楼平面布局形式。本发明将有利于创造适宜且舒适的双子楼建筑周边风环境，并通过调整双子楼的平面布局与规划优化双子楼建筑周边风环境。
Description
技术领域
本发明属于建筑技术领域，涉及一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法。
背景技术
随着社会发展，城市化进程加快，在当前有限的土地资源条件下，受到地块面积以及容积率的现实约束，双子楼已经成为了城市的新宠及高层办公建筑的主流趋势。但不断涌现的双子楼也存在着许多问题。双子楼有着极大的建筑体量，往往以对称的形式出现。在日照间距和消防要求已成为规范的主要内容的今天，双子楼的平面布局对建筑周边的风环境影响却没有得到充分重视，由此带来的不良风环境比比皆是：双子楼中部通道处因“狭道效应”引起建筑物外表面局部损坏；建筑转角处风速过大，多风季节引发危险；冬强冷空气使行人感到不适，夏季室外静风区闷热，不利于污染物和废气的消散。因此，对于双子楼不同平面布局下建筑周边风环境的研究从人身安全角度和城市规划角度上都十分具有必要性。
近年来研究风环境的主要方法有三种：现场实测法、计算机模拟法、风洞实验法。本发明采用的是计算机模拟法，计算机数值模拟通常是使用phoenics、Airpak、fluent等软件来进行模拟，原理是基于CFD平台开发的衍生软件。相比其他研究方法，计算机数值模拟可操作性强，模拟的结果直观，可以获得风速比、压力值等一系列分析数据。并且近年来，计算机数值模拟技术越来越成熟，相关的学者们对于计算机模拟的模型公式做了许多研究工作，逐渐提高了模型公式的模拟精度，在很大程度上可以模拟出风场情况，受到广大研究者的青睐。
在实际室外环境中，通过比较风速绝对值来比较不同建筑群布局是比较困难的，因为每个布局的初始来风的风速就已经不同。因此，研究人员大都用风速比来衡量建筑布局对风环境的影响程度，风速比是测点风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值。即使风速随着初始来风的改变在不断变化，但风速比却不随之改变，反映了由于建筑物的存在而引起风速变化的程度，利用风速比对风环境分析更具有实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，该方法可通过调整双子楼的主要指标，如主楼高度、间距、平面形状、夹角、相对位置，模拟得到建筑周边人行高度处风环境与风速比的分布情况，结合建筑风环境评价标准，判断建筑物周围的风环境优劣情况，提出通过调整双子楼的平面布局与规划来优化双子楼建筑周边风环境的措施与方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，包括如下步骤：
1)根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的室外气象参数与当地气象资料，得到当地冬夏两季风向与平均风速数据；
2)在CFD软件中建立双子楼初始模型，根据步骤(1)中所得数据设定模拟工况条件，同时通过调整主楼的平面形状、高度、间距、夹角、相对位置，建立比较模型；
3)在CFD软件中进行风环境模拟，得到双子楼建筑周边人行高度处风环境与风速比的分布情况；
4)对所得CFD风环境模拟结果进行比较，在满足《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准的情况下，选择最优双子楼平面布局形式。
进一步的，所述步骤2)中，对于双子楼初始模型的建立，合理的模拟区域大小为长，宽均为场地大小的3至5倍，高度为场地大小的2至3倍；计算网格采用四面体结构化网格对计算区域进行网格划分，在建筑与人行高度1.5m至2.0m处进行局部加密。
进一步的，所述步骤2)中，对于模拟工况条件的设定，采用梯度风来模拟入口边界条件，计算公式为：
U＝U0(Z/10)α
其中，U：高度为Z处的风速；U0：标准高度处的风速；Z：所求风速位置的高度；α：地貌粗糙度指数；因此需要采集并记录现场高度为Z处的风速值以及所求风速位置的高度值。
进一步的，所述步骤2)中，对于比较模型的建立，参考现有双子楼平面布局形式，结合当地法规与场地限定条件，改变主楼的平面形状、高度、间距、夹角及相对位置，得到比较模型。
进一步的，所述步骤3)中，双子楼建筑周边人行高度处，即为人行高度1.5m。
进一步的，所述步骤3)中，对于双子楼建筑周边风速比，风速比是测点风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值，计算公式为：
R＝Vs/v
其中，R为风速比，Vs为测点风速，v为初始来风风速。
进一步的，所述步骤4)中，《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准是评价双子楼各个平面布局类型风环境状况优劣的参考依据；建筑物周围人行区1.5m处风速宜低于5m/s，以保证人们在室外的正常活动；同时，人的不舒适度还与不舒适风(V>5m/s时)出现的频率有关：出现频率<10％，行人不会抱怨；10％<出现频率<20％，行人抱怨开始增多；出现频率>20％，应采取措施减小风速；当某区域的风速比大于2.0时，行人会感觉风过于强烈；风速比小于0.5时，该区域风速过低，不利于空气流动；且场地内人活动区不出现涡旋或无风区；因此，风环境评价标准为最大风速低于5m/s，风速比介于0.5～2.0之间。
本发明的有益效果如下：
1)对国内各地的双子楼进行普查，获取国内目前主流的双子楼平面布局形式，为双子楼的建筑设计提供参考依据；
2)采用CFD数值模拟的技术手段，该方法将为双子楼的风环境建筑设计思路提供新的视角，并提出通过调整双子楼的平面布局与规划来优化双子楼建筑周边风环境的措施与方法，
附图说明
图1为本发明优化方法的流程图；
图2为初始模拟对象平面图；
图3为建筑模型与网格划分图；
图4为七类间距平面尺寸图；
图5为七类间距CFD模拟图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，该方法包括如下步骤：
1)根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的室外气象参数与当地气象资料，得到当地冬夏两季常见风向与平均风速；理想化环境下设定初始风速为3.0m/s，方向为正南风向S。(具体实施时请选择实际季节与当地季节常见风速)。
2)根据所设计的双子楼平立面在CFD软件中建立初始模型，根据(2)中所得数据设定模拟工况条件，同时通过调整主楼的平面形状，高度，间距，夹角，相对位置等方面，建立比较模型；
①初始模拟对象的建立：设定初始模拟对象如下图2所示：建筑为两个长宽高为(40mx40mx160m)的长方体。间距为40m，平行放置。
②模拟区域的大小与建筑网格划分：按实际尺寸创建模型，场地大小245m*250m*150m(长、宽、高)，将长、宽各扩大三倍，使得模拟的建筑群位于模拟区域的中心位置。因此本文中模拟区域大小为900m*800m*500m。网格划分采用均匀分布，如图3，在建筑与人行高度1.5m处进行局部加密。
③模拟边界条件设定：根据《中国建筑热环境分析专用气象数据》，模拟中标准高度ZG设定为400m，该高度处平均风速UG为13m/s，α为0.25。湍流强度假定为地面52m以上12％。地面粗糙度设置：根据周边实际以及规划情况，地面粗糙度指数取0.25。
④比较模型的建立：参考建立的双子楼普查表(表1)及国内主流的双子楼平面布局形式(表2)，结合当地法规与场地限定条件，改变主楼的平面形状，高度，间距，夹角及相对位置，得到比较模型。以间距为例，图4为七类间距平面尺寸图；图5为七类间距CFD模拟图。
表1：
表2：
3)在CFD软件中进行风环境模拟，得到双子楼建筑周边人行高度处风环境与风速比的分布情况：
①双子楼建筑周边人行高度处，即为人行高度1.5m；
②对于双子楼建筑周边风速比，由于在实际室外环境中，通过比较风速绝对值来比较不同建筑群布局是比较困难的，因为每个布局的初始来风的风速就已经不同。因此，研究人员大都用风速比来衡量建筑布局对风环境的影响程度。风速比是测点(行人高度1.5m)风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值。计算公式为：
R＝Vs/v
其中，R为风速比，Vs为测点风速，v为初始来风风速。
4)对所得CFD风环境模拟结果进行比较，在满足《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准的情况下，选择最优双子楼平面布局形式：
《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准是评价双子楼各个平面布局类型风环境状况优劣的参考依据。建筑物周围人行区1.5m处风速宜低于5m/s，以保证人们在室外的正常活动；同时，人的不舒适度还与不舒适风(V>5m/s时)出现的频率有关：出现频率<10％，行人不会抱怨；10％<出现频率<20％，行人抱怨开始增多；出现频率>20％，应采取措施减小风速；当某区域的风速比大于2.0时，行人会感觉风过于强烈；风速比小于0.5时，该区域风速过低，不利于空气流动。且场地内人活动区不出现涡旋或无风区。因此，风环境评价标准为最大风速低于5m/s，风速比介于0.5～2.0之间，见表3。
表3：
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的室外气象参数与当地气象资料，得到当地冬夏两季风向与平均风速数据；
2)在CFD软件中建立双子楼初始模型，根据步骤(1)中所得数据设定模拟工况条件，同时通过调整主楼的平面形状、高度、间距、夹角、相对位置，建立比较模型；
3)在CFD软件中进行风环境模拟，得到双子楼建筑周边人行高度处风环境与风速比的分布情况；
4)对所得CFD风环境模拟结果进行比较，在满足《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准的情况下，选择最优双子楼平面布局形式。
2.根据权利要求1所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，对于双子楼初始模型的建立，合理的模拟区域大小为长，宽均为场地大小的3至5倍，高度为场地大小的2至3倍；计算网格采用四面体结构化网格对计算区域进行网格划分，在建筑与人行高度1.5m至2.0m处进行局部加密。
3.根据权利要求2所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，对于模拟工况条件的设定，采用梯度风来模拟入口边界条件，计算公式为：
U＝U0(Z/10)α
其中，U：高度为Z处的风速；U0：标准高度处的风速；Z：所求风速位置的高度；α：地貌粗糙度指数；因此需要采集并记录现场高度为Z处的风速值以及所求风速位置的高度值。
4.根据权利要求3所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，对于比较模型的建立，参考现有双子楼平面布局形式，结合当地法规与场地限定条件，改变主楼的平面形状、高度、间距、夹角及相对位置，得到比较模型。
5.按照权利要求4所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，双子楼建筑周边人行高度处，即为人行高度1.5m。
6.按照权利要求5所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于双子楼建筑周边风速比，风速比是测点风速的绝对值与同高度下初始来风风速绝对值的比值，计算公式为：
R＝Vs/v
其中，R为风速比，Vs为测点风速，v为初始来风风速。
7.按照权利要求6所述一种基于CFD数值模拟的双子楼建筑风环境的优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，《绿色建筑评价标准》中风环境评价标准是评价双子楼各个平面布局类型风环境状况优劣的参考依据；建筑物周围人行区1.5m处风速宜低于5m/s，以保证人们在室外的正常活动；同时，人的不舒适度还与不舒适风(V>5m/s时)出现的频率有关：出现频率<10％，行人不会抱怨；10％<出现频率<20％，行人抱怨开始增多；出现频率>20％，应采取措施减小风速；当某区域的风速比大于2.0时，行人会感觉风过于强烈；风速比小于0.5时，该区域风速过低，不利于空气流动；且场地内人活动区不出现涡旋或无风区；因此，风环境评价标准为最大风速低于5m/s，风速比介于0.5～2.0之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190827 |