基于风环境的超高层建筑形体优化和自然通风研究——以成都489大厦为例

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自人类进入工业化社会以来,全球城市化呈现不可逆转的趋势,越来越多的超高层建筑被建立起来。虽然城市化带动了经济发展与科技进步,但是也引发了全球气候问题,例如极端天气频发,大气污染严重,城市热岛效应使城市遭受更多更强的高温热浪威胁等等。同时,超高层的建立亦会改变城市区域的空气流动,引发一系列风环境问题。所以风作为一个影响要素,如何在超高层建筑设计阶段就将其纳入到考虑范围就成为亟待解决的问题。本文就针对超高层建筑面临的室内、外风环境问题进行了研究,针对外部环境,以提高行人高度的风舒适度为目标,设计与气候相适应的建筑形体。针对内部环境,制定合理的开窗通风策略,通过自然通风的方式降低能耗。本文主要使用CFD模拟作为研究的工具,首先对成都489大厦的室内外风环境进行评估,明确超高层建筑存在的风环境问题,随后再提出优化策略,对优化后的方案再次进行CFD模拟以验证优化策略的可行性。具体的研究包括以下几个方面:(1)对成都489大厦的室外风环境进行评估,用行人高度风速、风速放大系数、涡旋情况以及建筑风压四个指标进行评价。根据计算,489大厦的建立未对场域风环境造成较大影响,主要存在的问题是场域中存在无风区,无风的环境会造成颗粒污染物的堆积,且不利于降温。(2)以成都489大厦为例,研究低风速地区增大行人高度风速的超高层建筑形体优化策略。共提出三方面的形态优化措施:改变建筑整体形态、建筑立面构成和建筑裙房形态。研究得出,对于低风速地区应合理利用超高层建筑形成的下冲风以增大行人高度风速。其中,在锥形化形体中建筑墙面做斜面效果明显,低风速地区可以建筑整体均做斜面,而对于高风速地区做斜面会导致场域风速过大,应尽量避免这种情况或仅在建筑裙房做斜面;建筑边角圆润化或做切割可以减小风影区面积,使场域风场更均匀;针对建筑存在体块高差的立面,建议把较低矮的体块放在迎风面。(3)对成都489大厦的室内风环境进行评估,提出开窗通风的可能性。首先,489大厦在夏季和过渡季节有较好的通风潜力,有条件做自然通风。随后对开窗位置、室内布局、开窗面积三个影响要素进行分析,用室内风速和空气龄两个指标进行评价。研究得出,窗户位置与室内布局存在一定的相关性,开敞式布局可以开高窗,分隔式布局最好不要开高窗;室内做适当分隔可以有效改善背风面风环境,使室内风场更均匀;100m以下楼层建议迎风面窗口大于背风面,100m以上楼层迎风面窗口小于背风面。(4)将开窗面积这一要素引申为窗墙比,对其进行进一步研究。以初步研究中的0.02~0.04为窗墙比区间,研究窗墙比与建筑高度的关系以及迎风面背风面窗墙比的关系。研究得出:背风面窗墙比可以保持一致,均为0.03或0.04,而迎风面窗墙比从下至上呈现递减的趋势,100m以下楼层应不小于0.03,100~300m楼层可以减小为0.02或0.03,而到300m以上楼层0.02的窗墙比即可满足通风要求。
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