高层建筑底部区域行人风环境试验研究

摘要

对单个方形截面高层建筑底部区域12m范围内的行人高度风环境进行试验研究。研究了不同风向角下加速比、平均风速比等参数的分布与变化规律，并以广州为例，利用Lawson风环境评价准则对该区域处于强风下的风环境进行了评价。结果表明各风向角下的最大加速比大致相等，约为1.9，且均出现在建筑背风面角隅位置。平均风速比大于0.75的区域也出现在建筑背风面角隅，此处易引起行人风环境不适。建筑周围12m范围内风环境不适的区域面积在与墙面正交风向时达到最大，应重点关注下洗（Downwash）效应造成行人高度处风速增大的影响；在斜风向20°~70°范围内通风不利的区域面积较大，对空气污染物扩散不利。建筑迎风面和背风面角隅位置出现最大等效阵风风速，应当对建筑角隅区域行人活动加以限制或提醒。

关键词

高层建筑; 行人风环境; 风洞试验; 风舒适性评估

近年来，高层建筑底部区域的行人风环境问题日益受到关注。高层建筑的建成不可避免地改变了原空旷地块的风场特性，可能对行人舒适度甚至行人安全造成不利影响。

行人风环境作为建筑周围流场特性分析的一部分，近50年来取得了一些重要研究成果^［1］。Wise ^［2］发现建筑迎风面部分高速气流会从建筑上部冲击至地面，造成建筑周围行人高度处的风速增大，进而影响行人舒适度和安全性。Beranek和Van Koten^［3］通过矩形截面建筑模型风洞试验，分析了建筑周围流场的三维特性，指出建筑周围流场中风速受两种压力系统影响：第一种是由建筑迎风面驻点处高压区向四周低压区扩散，向下气流在地面高度形成驻涡并在建筑角部位置增大原有风速；第二种是由于迎风面高压区和背风面低压区之间的压差，使得建筑侧面风速增大，气流在近地面出现回流现象，导致靠近建筑背风面的两侧区域形成较大漩涡，从而增大了建筑角部风速。Tsang等^［4］通过风洞试验表明，截面更宽的单体建筑造成的遮挡效应更加明显，低风速区域面积也更大，而更高的建筑有助于改善建筑周围的风速过低而造成的通风不利问题。Quan等^［5］等采用计算机数值模拟方法并结合Lawson风环境评价准则对某群体高层建筑风环境进行研究，结果表明在建筑角隅处5~10m范围内的过大风速会对行人安全有潜在隐患。Mittal和Sharma^［6］利用数值模拟和风洞试验研究了建筑外角形状及朝向对行人风环境的影响，研究表明建筑外角及朝向的合理设置有助于改善建筑周围行人风环境，同时指出采用可实现的k⁃ε模型模拟结果中的高风速区域以及经修正湍流参数的标准k⁃ε模型模拟结果中的低风速区域与风洞试验结果较吻合。

综上所述，目前对建筑周围行人风环境的试验研究主要集中在由建筑影响造成的高、低风速区域分布，极少关注特定区域（如建筑周边10m左右范围）的行人风环境。事实上，建筑周边10m左右范围的特定区域是人们经常出入和活动最为集中的区域，其风环境评估是值得关注的重要问题。此外，风向角多以22.5°为增量进行设置^［6-7］。随着计算机软硬件的发展，CFD（computational fluid dynamics）数值模拟逐渐兴起并成为行人风环境研究的重要手段之一，然而为了兼顾计算资源和计算精度，通常采用RANS（Reynolds averaged navier-stokes）方法进行求解，在邻近建筑区域的风速会因选取模型的不同而被过高或过低估计。

文中针对单个方形截面超高层建筑为研究对象，风向角采用10°为间隔进行多工况风洞试验，研究建筑底部区域12m范围内行人高度风速场分布，以期合理评估行人舒适度和行人安全。

1 风洞试验概况

试验是在华南理工大学的大气边界层风洞中进行的，行人高度处风速采用Irwin探头测量，试验设置见图1。试验模型几何缩尺比为1：200，建筑模型高90cm，截面尺寸为15cm ×15cm，最外侧风速探头距建筑模型立面为6cm，即模拟和测量高度为180m、截面尺寸为30m×30m的超高层建筑周围12m范围内的行人风环境。

图1 风洞试验设置

Fig.1 Experimental setup

风洞试验由两部分组成：在不同风向角下，测量单体建筑模型底部目标区域各测点行人高度处的风速场；测量无建筑模型时，相应风向角下目标区域各测点的风速分布。在建筑周围布置了44个欧文（Irwin）探头，探头的示意图和布置图分别见图2a和图2b。为防止Irwin探头之间气流相互干扰，探头布置满足纵向及横向分别不得小于12d和4d的最小间距要求^［8］。0°风向角方向如图2b所示，初始来流由图正右向左，风向角采用10°为间隔按顺时针方向增大，试验结果分析所用图均采用此参考系。

图2 Irwin探头及其布置

Fig.2 Irwin probe and its arrangement (unit: mm)

按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）模拟B类地貌的大气边界层流场，平均风速剖面和湍流度分布的模拟结果见图3，图中V_r为参考高度180m处的平均风速。

图3 风场拟合结果

Fig.3 Flow condition of approach flow: velocity profile and turbulence profile

测点处风速V值由Irwin提出的公式^［9］进行计算如下：

$$V=\alpha +\beta \sqrt[]{P_{\mathrm{1}}-P_{\mathrm{2}}}$$

（1）

式中：P₁为高出地面探针测得的风压值；P₂为与地面平齐探头测得的风压值；$\alpha$、$\beta$为系数，其值与Irwin探头的构造、风场特性等因素有关，须在试验前对探头进行标定而得出。鉴于Cobra探头具有测量风速精度高，正常使用无需校准等优点，将它用于对本次试验Irwin探头进行标定，标定的过程参照有关文献^［4，8，10］。现有文献及本试验标定的系数见表1。

表1 系数α和β的标定

Tab.1 Calibration on the coefficients α and β

现有文献	α	β	Irwin探头构造尺寸（mm）
Irwin[9]	0.75	1.57	d=1.65，h=1.65
Wu和Stathopoulos[8]	0.28	1.59	d=1.65，h=5
Tsang等[4]	0.01	1.66	d=1.65，h=10
Tse等[11]	0.74	1.91	d=1.65，h=10
本试验	-0.06	1.88	d=1.50，h=5

试验采用PSI公司的Measurement系统进行同步瞬态风压测量，采样频率330Hz，采样时长约62s。参考高度处平均风速为10m·s^-1，无建筑模型时Irwin探头测得风速约为5m·s^-1。

2 试验结果分析

2.1　加速比分析

由于建筑模型及测点布置的对称性，仅在0°~90° 风向角范围测得了有、无模型情况下的行人高度处风速场。引入加速比K以表征建筑物的存在对周围行人高度处风速的影响，加速比^［12］定义如下：

$$K_i=\frac{V_{\mathrm{w}}}{V_{\mathrm{n}}}$$

（2）

式中：V_w表示存在建筑时测点i处的风速；V_n表示不存在建筑时测点i处的风速。K_i值大于1，说明建筑的存在对该测点处风速有加速效应，反之则为减弱效应。

图4给出了0°~80°风向角下K值的等值线分布，通过对等值线图进行编程识别可得加速区域的面积。从图4可知：各风向角下最大加速比K_m约为1.9，均出现在建筑背风面的角隅附近，说明该区域受建筑影响而产生的加速效应最为明显， 且K_m与风向角无关，因此高层建筑应避免在建筑角隅附近设置出口，并对该区域行人活动加以提醒或限制；风向角为0°时，加速区域面积约为68%，而风向角为40°及50°时分别为36%和37%，即45°风向角附近的加速区域面积大于0°风向角下的结果，这与前人试验结果^［7］（其研究范围大于本试验的12m区域）是不同的。

图4 不同风向角下K值分布

Fig.4 Distribution of the K value under different wind direction angles

2.2　平均风速比分析

风环境评价准则多以平均风速值作为阈值划分行人在不同活动下的舒适度及安全性^［13-14］。测点i处平均风速比R_M定义为

$$R_{\mathrm{M}}=\frac{V_i}{V_{\mathrm{r}}}$$

（3）

式中：V_i和V_r分别为测点i处和参考高度处的平均风速。由于不同规范及评价准则中参考风速和阈值风速的选取不尽相同，文中以屋顶高度处平均风速作为参考风速。分别取风速7.6m·s^-1和1.5 m·s^-1作为“不适”及“通风不利”的风速阈值^［15-16］，即当R_M大于0.75为不适，小于0.15为通风不利。不同风向角下，目标区域的R_M值变化如图5所示。由图可见，各风向角下，建筑背风面角隅位置R_M值均出现大于0.75的情况，说明此区域风速过大，是风环境不利位置，这与加速比分析结果是一致的。

图5 不同风向角下RM值分布

Fig.5 Distribution of the RM value under different wind direction angles

为进一步表征“不适”和“通风不利”区域的相对范围大小，分别以R_M大于0.75和小于0.15的面积与研究区域面积的比值R₁和R₂作为判断标准。R₁和R₂值随风向角变化如图6所示，从图中可以看出，各风向角下75%以上的面积风环境处于可接受范围。在0°~10°及80°~90°范围内，R₁值较大，即风向与墙面近乎正交时，由于风速过大容易引起行人“不适”。在20°~70°范围内，R₂值较大，即斜风向较正交风向更易导致空气污染物扩散不利，所幸的是R₂值仅为9%左右，风速过小造成的“通风不利”对单体建筑风环境的影响有限。总体上来看，不同风向角下高、低风速区域的相对面积变化情况相反，但二者之和（约为25%）大致相同。

图6 高、低风速区相对面积随风向角的变化

Fig.6 Relative area ratios of high and low wind speed zones varies with the wind direction angles

2.3　强风对行人的影响

瞬时强风同样会影响行人的舒适度，因此风环境评估应考虑阵风效应。下文将以阵风等效平均风速V_G对风洞试验结果进一步分析。阵风等效平均风速的概念由Lawson提出^［17］，取“平均风速”与“3s阵风风速除以1.85”中较大的值作为等效阵风风速V_G。

文献［4］指出建筑周围行人高度风速具有非高斯性，因此本文将采用“最值平均法”^［4］求出等效阵风风速V_G，主要步骤如下：对同工况多次测量，获得多个独立样本；分别求出各样本中出现的最大风速值；对上述最大风速值取平均作为等效阵风风速。

参考平均风速比的定义，将等效阵风风速V_G与参考高度平均风速V_r的比值称为等效阵风风速比，用以划分由强风导致的行人不适的区域。采用Lawson风环境判别准则^［17］对风环境舒适度进行评价，以阵风等效平均风速10m·s^-1，年超越概率5%作为行人快步行走舒适与否的界限。

以广州为例，通过NOAA（美国国家海洋和大气管理局）记录的2007—2016年广州气象资料，经统计可得各风向Weibull参数，见表2。

表2 广州各风向Weibull参数值

Tab.2 Weibull parameters at each inflowing directions of Guangzhou

i	风向	$\alpha (i)$/ %	$c(i)$/ (m·s-1)	$k(i)$/ (m·s-1)
1	N （正北）	17.70	3.86	1.88
2	NNE（北东北）	12.33	3.75	1.74
3	NE （东北）	6.96	1.69	1.24
4	ENE（东东北）	8.45	1.59	1.62
5	E （正东）	13.10	1.82	1.78
6	ESE（东东南）	5.40	1.70	1.53
7	SE （东南）	8.45	2.22	1.71
8	SSE（南东南）	7.28	2.71	1.99
9	S （正南）	4.25	2.86	1.95
10	SSW（南南西）	1.72	2.58	1.85
11	SW （西南）	1.59	2.43	1.96
12	WSW（西西南）	1.05	2.37	1.81
13	W （正西）	0.81	1.99	1.60
14	WNW（西西北）	0.77	1.62	1.27
15	NW（西北）	1.86	2.20	1.38
16	NNW（北西北）	8.27	3.37	1.86

结合二参数Weibull概率分布公式，则

$$P(V>Vo)={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{16}}}\alpha (i)\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}[-(Vo/c{(i))}^{k(i)}]$$

（4）

式中：$i=\mathrm{1,2},\mathrm{3}...\mathrm{16}$，为16个气象角；P为i方向上风速大于V_o的出现概率；$\alpha (i)$是i方向上的风频；$c(i)$和$k(i)$分别由对应风速频率求出。经计算得出，在16个气象角下10m参考高度具有相同年超越概率的风速为5.64m·s^-1，则等效阵风风速比值大于1.7可认为是出现瞬时强风速。

Downwash（下洗）效应是指在大气边界层中，当气流经过建筑时会受到干扰，使得部分高速气流自建筑上部下冲至近地面高度处，造成建筑周围行人高度处风速增加的现象。图7显示了强风引发不适的潜在区域随风向角变化的情况，最大V_G出现的位置在：迎风面建筑角隅位置（0°风向角）；背风面建筑角隅位置（80°风向角）。当风向角为0°时，出现瞬时高风速区域的面积最大，相对面积约为14%；当风向角为80°时，相对面积约为13.55%，二者相差不大，可以认为是迎风面下洗效应形成的驻涡与绕流在角隅位置共同作用产生的；当处于其他风向角下，下洗效应减弱，建筑遮挡效应增强，其中在40°及50°风向角时，等效阵风风速比值小于0.8的面积较大，分别约为10.2%和8%；除0°及80°风向角外，其余各风向角下等效阵风风速比均小于1.7，总体上看风环境受强风影响不大。

图7 不同风向角下等效阵风风速比分布

Fig.7 Distribution of the normalized gust equivalent mean speed ratio at different wind direction angles

3 结论

通过改进的Irwin探头和风洞试验，详细研究了超高层建筑底部区域12m范围内的行人高度风速场分布，主要结论如下：

（1）各风向角下的最大加速比K_m大致相等，约为1.9，均出现在建筑背风面的角隅位置，K_m与风向角无显著关联；平均风速比大于0.75的区域也出现在建筑背风面角隅，此处易引起行人风环境不适。

（2）各风向角下，约75%面积内的风速处于可接受范围。在与墙近乎正交的风向角下，平均风速比R_M超过阈值0.75的相对面积比最大，应当重点关注Downwash（下洗）效应造成行人高度处风速增大的影响；在斜风向20°~70°范围内平均风速比R_M低于阈值0.15的相对面积比面积较大，对空气污染物扩散不利，但相对面积仅为9%左右，风速过小造成的“通风不利”对单体建筑邻近区域风环境的影响有限。

（3）最大等效平均阵风风速V_G主要出现在建筑的迎风面和背风面角隅位置，高层建筑应当避免在建筑角隅附近设置出口，并适当对该区域行人活动加以提醒或限制。

需要指出的是，上述研究结论仅适用于方形截面的单体超高层建筑，是其他截面形式以及复杂周边干扰环境下超高层建筑行人高度风环境研究的基础。