发布时间：2019-09-17所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： [摘 要] 本文的研究目的是对近些年来在建筑风环境领域的研究状况做相关的归纳总结。近些年来建筑风环境领域的研究主要集中在多层建筑抗风优化设计，建筑与风能一体化设计以及步行高度处风环境研究 3 个方面。主要采用 CFD 模拟技术进行研究，部分研究使用实
[摘 要] 本文的研究目的是对近些年来在建筑风环境领域的研究状况做相关的归纳总结。近些年来建筑风环境领域的研究主要集中在多层建筑抗风优化设计，建筑与风能一体化设计以及步行高度处风环境研究 3 个方面。主要采用 CFD 模拟技术进行研究，部分研究使用实测以及风洞试验的方法。近些年来的研究成果主要为多层建筑被动式抗风设计，高层建筑的风能发电以及高层建筑对于步行高度处风环境的影响以及相应的改善措施。研究的难点主要集中在基于风环境的建筑型体参数优化的研究，城市中近地面层风力发电以及步行高度处风环境评价 3 个方面的研究，未来相关的研究应该围绕此 3 个方面展开。
[关键词] 风环境; 多层; 型体优化; 风能利用; 风环境评价
0 引 言
建筑风环境作为风环境工程领域中的一个重要组成部分。风环境问题不仅关乎到高层建筑的抗风问题，而且关乎到建筑的节能问题，近几年越来越受到人们的重视，尤其是随着超高层建筑的不断出现，建筑风环境问题显得越来越重要，而且与建筑节能以及室外行人周围环境的舒适度问题息息相关。清洁能源例如风能与建筑一体化的设计，近些年来也逐渐成为研究的重点。与此同时随着近几年计算机流体力学技术( CFD) 的发展，为建筑风环境问题的研究提供了更加高效准确的研究方法，进一步有效的促进了相关研究的进展。
本文的目的在于回顾近些年在建筑风环境领域的研究状况，从风能建筑一体化设计，多层建筑形体抗风优化，行人高度的风环境状况，3 个方面进行叙述，为读者提供一个世界范围内的建筑风环境研究状况概况。
1、多层建筑形体抗风优化
世界范围内，风力灾害每年不仅会造成巨大的人员损失，而且也会造成巨大的经济损失。过去对抗风的研究主要集中在高层建筑方面，但近几年随着人们对风灾越来越多的重视，多层建筑相关方面的研究越来越多的出现[1-3]，尤其集中在屋顶系统的研究方面。
与其他建筑构件相比，屋顶所受到的风荷载更大。当风向处在角落以及斜风向的情况下，沿着屋面边缘产生了螺旋涡流，进而使得屋面处产生了较大的抽吸力，如图 1 所示。屋面的瓦片，铺面等构件在抽吸力的作用下不仅容易被吹飞伤及路人，而且损坏的屋顶无法有效的防止雨水等的侵入，进而破坏室内环境[4]。由此可见，风力对于屋面有巨大的破坏最用，因此近几年来越来越多的研究聚焦在屋面防风方面[5-8]。
屋面不利的抽吸力主要是由于螺旋涡流产生的，因此屋面抗风的研究主要就是涡流抑制技术的研究。目前，根据空气动力学的机理，涡流抑制技术可以分为 4 个类型[9]:
1) 削弱硬边缘产生的螺旋涡流;
2) 破坏涡流的产生( 例如部分护墙的设置以及多孔性矮墙的使用) ;
3) 隔断涡流产生( 例如屋顶栅栏) ;
4) 置换屋顶涡流( 例如屋顶高墙) 。
如图 2 所示为多种涡流抑制技术示意图
1. 1 屋面护墙
屋面墙广泛的应用在平屋顶的建筑中，又称作女儿墙。通常来说，当风吹向建筑屋面时，屋面护墙可以有效的提升屋面气流分离层的位置，进而减小屋面角落以及边界处的抽吸力。但是，与此同时这也可能增加屋顶内部区域的风荷载，进而影响整个护墙的抗风效果[10]。
护墙的高度也会对屋面抗风效果有影响， Baskaran 与 Stathopoulos[11]通过研究发现，较高的护墙有利于减小屋面角落以及边缘处的抽吸效应，而较矮的护墙则相反。而 M. Asghari Mooneghi[12]则在 2014 年验证了此种观点，同时还发现，护墙沿屋面一周进行布置要比护墙沿单侧进行布置的抗风效果好。除此之外，护墙的形态也对屋面风环境又较大影响[13]。早在 1995 年，Surry[14]等人就对比分析了锯齿状的护墙，半圆柱体护栏，位于角落的多空状护墙以及独立多孔护墙的通风效果，研究发现，独立多孔状的护墙可以更加有效的减小屋面角落处的抽吸力。而后，Kopp[15]等人进一步研究发现，扰流板状的护墙以及多孔连续的护栏可以有效的减小屋面角落处的压力系数，最大可分别较小 44% 与 56% ，如图 2 所示。
1. 2 被动式抗风设计
除了屋面护墙以外，近些年来的屋面抗风设计也越来越聚焦于建筑本身的被动式设计方面。例如对于建筑屋面角落以及边缘处形态的设计，或者在屋檐处增加某些建筑构件等。与屋面护墙相比，这些手法更好的与建筑本身融为一体，更好的实现了抗风设计与建筑设计一体化的目标，并且可以永久作为建筑的一部分存在。
同济大学黄鹏教授[16 - 19]对 8 个典型形态的居住建筑屋檐风特性进行了研究，通过风洞实验研究发现，不同形态的屋檐可以有效的减小屋面角落以及边缘处的负风值风压，有效的减小抽吸效应，并且不会改变屋面其他区域的风力负荷。不仅如此，黄鹏教授还对 3 种坡屋面的挡风板，完整连续的挡风板，位于角落处的挡风板以及离散状的挡风板进行了实测分析，最终发现此 3 种构件均可以有效的减小来流风方向处屋面角落的风压系数。
Blessing[20]等人则利用全比例实测的方法，通过对屋面进行屋面砾石冲刷试验和压力试验对屋面的风负荷进行了评价，最终发现上述的被动式屋面设计手法可以有效的降低屋面角落以及边缘处较高的风力升压。而 Aly[21]利用 CFD 技术，对栅栏，圆角屋面边缘，斜角屋面边缘以及机翼屋面边缘进行了风模拟分析，从中发现这些被动式抗风设计手法不仅可以有效的降低屋面附件的抽吸力，而且可以有效的降低沿着风方向的阻力以及垂直于风方向升力。这两种力可能会对建筑本身结构造成伤害。除此之外，这类关于屋面边缘设计的被动式抗风手法也可以利用太阳能光伏板进行代替，从而得到一举两得的效果[22]。
2 建筑风能一体化设计
过去的几十年，可再生能源利用得到迅速发展，其中风能的利用是一个重要的组成部分。风能的诸多优点例如可再生，无污染，分布广泛，蕴含量大等使其成为近些年来的研究热点。尤其在绿色建筑领域，随着世界范围的超高层建筑越来越多，超高层建筑周围的高速风环境促进了风能建筑一体化设计的产生[23]。
2. 1 微型风力发电机
过去风力发电机主要位于旷野处，尺度巨大，效率不高，需要较大面积的场地，风力的利用受到场地的限制而且较长的电力输送距离也会造成电能的损耗。随着科学技术的发展，微型风力发电机研究得到显著进展，使得风能源的高效利用成为了可能。
微型风力发电机可根据风扇扫略的面积以及额定频率进行分类，如图 3 所示。De-Santoli 等人利用 CFD 技术对 AM300 型号的垂直轴风力发电机进行了模拟发现，在风机外面设置收敛通道管大致可以提高 125% 的风速，进而产生更多的电能。
微型发电机叶片的形态也是影响发电效率的一个重要因素，垂直轴莲花状的风力发电机叶片可以分为 3 个类型，半圆型，半圆柱体型以及螺旋型。其中，半圆型与半圆柱型的发电效率相似，而螺旋型叶片的发电效率最高。
不仅如此，机翼型叶片也可以充分提高发电效率，其中，Mohamed 对比分析了 25 种不同比例厚度的机翼型叶片的发电效果，如图 6 所示，最终得出 LS ( 1) -0413 型号的风机比 NACA0018 在发电效率方面高 18% 左右，而 S-1046 可以比标准的 NACA 型风机在最大发电系数方面高出 27%[26-27]。越厚的机翼型叶片更加有利于垂直轴风力发电机的发电效果[28]。
2. 2 建筑风能利用
近些年来，微型风力发电机技术愈发成熟，不仅可以有效的利用风能，而且可以随处安装，有效的减小了电能输送所造成的浪费，基于这些发展潜力，越来越多的相关人士，包括建筑师，工程师等将注意力集中到了建筑与风能利用一体化设计方面来。由于城市在发展的过程具有较大的能耗需求，同时城市复杂的风环境又为可再生风能的利用提供了有利条件，因此越来越多的建筑师，城市规划师，工程师等将研究兴趣转移到了建筑风能的利用方面[29-30]。
城市中高层建筑的出现为风能的利用提供了有利条件，如图 7 所示，理论上来说，当风力发电机安装在高层屋顶时，由于远离地面，受到地面粗糙度影响程度较小，风力发电机可以有效的利用风力发电，例如巴黎世贸中心，伦敦斯特拉大厦等[31-33]。
随着 CFD 技术的发展，越来越多的研究者利用 CFD 技术探索高层建筑体型与风能利用的关系，目的是采用被动式的设计手法，使建筑更加充分的利用可再生资源。Aquino[34]等人利用 CFD 技术探讨了风力发电机在高层建筑中的安装位置问题，研究发现，在城市中，风力发电机的位置至关重要，由于高层建筑的屋顶处具有非常大的风速，因此在高层建筑屋顶处安装风力发电机可以有效的利用风能，同时还发现，微型垂直风力发电机更加适用于城市地区。风力发电效果同时也会受到风机安装位置的影响，许多研究致力于利用文丘里效应将风机安装在某种喉管型的空间内部以达到增加风速的效果[35]。Heo 等人就利用 CFD 技术对此问题进行了研究，通过研究得出通过建筑放大后的风机利用率远高于普通状态下的风机，并且当来流风方向为 - 30°到 15°之间的范围内时，风机的利用效率最高，如图 8 所示[36]。
基于风放大效果，在高层建筑的形态研究方面也有很多进展。机翼，三角，方形以及圆形四种平面形态的高层建筑风环境就曾经进行过模拟研究，最终发现圆形平面的高层最有利于风能的有效利用，尤其在主导风向明显的地区[37]。而独栋高层建筑与双栋高层建筑相比，尽管在独栋高层建筑屋顶安装风机可以得到良好的效果，但对于双栋建筑来说，风机不仅可以安装在屋顶，而且可以安装在两栋建筑之间，并且两栋建筑之间有 1 个最有利于风力发电的最佳距离[38]。屋顶形态也对风能的利用具有较大的影响，在常见的 6 种屋顶形式拱形，平屋顶，山墙斜屋顶，楔形，穹隆形以及金字塔形中，拱形最有利于风力发电，与单独风机发电效率相比，拱形屋顶可以增加 56% 的发电效率，而相反楔形屋顶形式最不利于风力发电。
与此类似的，Wang 等人则对篷状屋顶的形状进行了模拟研究，最终发现，平板型的篷状顶对通风不利，而凹槽型的双坡篷顶则更有利于风的聚集，进而更有利于风机发电，同时得出凹槽型的双坡篷顶的最佳坡斜角度为 20°[41]。Toja-Silva 则对屋顶安放太阳能板的风环境进行了模拟研究，研究得出在屋面边缘的上游部位以及安放太阳能板的第一排的位置的循环涡流效应最大，因此风速最大，建议将垂直风力发电机安放在屋面上游边缘的位置以获得最大的风力发电效果[42]。厦门大学的周红教授则利用 CFD 技术通过研究得出了风速扩散体的最佳弧度，在此弧度下，风速可以达到最大值，并且将其利用到了实际的建筑设计中，通过模拟得出了良好的效果[43]。
微型风力发电机安装的高度也是一个重要的影响因素。在城市中，最佳的安装高度为建筑高度的 1. 51 ～ 1. 70 倍，最佳的安装位置位于屋顶处朝向迎风面的部位，因此在此位置可以获得最大的来流风速[44]。除此之外，还有一些关于城市内部微型风力发电机应用潜力的评价方法研究等等[45]。
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综上所示可以看出，目前建筑风能利用方面主要集中在高层建筑风能的利用方面，而近地面处的风能利用方面的研究比较缺乏。主要是由于近地面处的风环境较复杂，受到的地面粗糙度影响较大，障碍物较多，风速往往达不到风机的要求，同时还要受到诸如美学，震动，噪声等方面的制约，除此之外，近地面风环境以及微型风力发电机对于建筑本身以及结构的影响也是一个重要的制约因素，因此整个相关的研究的进展缓慢，未来主要的研究将会围绕近地面风力发电展开。
SCISSCIAHCI
