基于室外风环境CFD模拟的建筑规划设计
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摘要：建筑规划设计人员在实践过程中应对小区建筑的整体区域环境进行准确判断与计算，会相应的增加计算成本，但是如果计算区域不足，则会严重影响规划设计的质量及准确性，因此，如何选择计算区域逐渐成为建筑规划设计人员需要重点关注的问题，本文主要对室外风环境下cfd模拟的建筑设计要素进行探究，结合CFD模拟设计案例进行分析与研究，为我国今后的室外风环境CFD模拟规划与设计工作提供可行性参考。
关键词：室外；风环境；CFD模拟；建筑规划
0.引言
CFD具体指的是计算流体力学的一种模拟测算与设计方式，这种方式近似于方程求解的计算方式。随着我国商用软件的不断开发与应用，CFD模拟计算技术在工程界逐渐发挥出越来越大的实际作用。本文主要对室外风环境下CFD模拟的建筑设计要素进行探究，结合CFD模拟设计案例进行分析与研究，为我国今后的室外风环境CFD模拟规划与设计工作提供可行性参考。
1.室外风环境下的CFD模拟建筑设计机理
1.1选取有效的数学参考模型
在我国常见的建筑小区内部，室外风环境的流动特征具有不可压缩性与低速湍流性。常用的数学模型具体分为大涡模拟模型及标准k-ε模型等多种形态。其中大涡模拟模型旨在利用非稳定状态的NS方程式来直接模拟大尺度涡，通过这种方式对区域环境内的CFD模拟情况进行准确测算与记录[1]。大涡模拟模型在使用过程中不会直接计算小尺度涡，对计算机的速度与内存要求较高，往往还需要计算很长时间，在使用过程中需要根据实际情况进行准确选择。标准k-ε模型的使用成本较低，其数值波动较小，但计算结果以及精密度较高，在低速湍流数中的应用效果显著。建筑规划设计人员在实践工作中应根据不同模型的实际特征，准确选择相应的数学参考模型进行计算。
1.2选择正确的计算区域及物理模型
随着我国建筑形式的不断发展与变化，当下社会在建筑风格设计的多样性与功能性上出现了极大的改变，小区建筑在正常规划与设计的过程中更需要切实满足住户的是要求，在规模形态的设计与要求上更需要符合整体区域环境的特征，切实保证小区建筑的整体性与功能性[2]。小区建筑在使用过程中风场作用的范围较大，因此，建筑规划设计人员在实践过程中应对小区建筑的整体区域环境进行准确判断与计算，如果过分增大计算区域，则会相应的增加计算成本，但是如果计算区域不足，则会严重影响规划设计的质量及准确性，因此，如何选择计算区域逐渐成为建筑规划设计人员需要重点关注的问题。同样，建筑规划设计人员在选择小区模型的过程中，一般都应该选用AUTCAD来进行设计，以此提高建筑模型的精准程度，但在某些特殊情况下，为减小计算的节点、加快模型制作的速度，建筑规划设计人员往往需要忽略实际建筑群当中的微小凹凸处，直接选用与实际建筑接近的模型，通过计算结果进行准确分析。
1.3确定CFD模拟计算的边界条件
建筑规划设计人员利用CFD进行小区风环境建筑物模拟试验的过程中，首先应确定CFD模拟计算的边界条件，通过对风环境图进行准确分析，根据风速风向等情况，确定区域环境内的风环境情况。建筑规划设计人员应明确建筑入口处的风速分布情况，根据气流穿过不同区域环境地带的情况，准确判断气流与风速降低的数值。在明确建筑入口处风速分布情况的过程中，建筑规划设计人员应对地面以上300M范围内的风速及风向情况进行统计，根据风的实际变化做出指数分布统计。
2.室外风环境下CFD模拟的建筑设计案例分析
结合2014年8月深圳某小区室外风环境下的建筑规划设计情况进行分析，该小区的建筑规划设计由16栋商业用房、高层建筑以及小学所组成，其中商业用房层高16.5m，会所层高15.4m，高层住宅层高3.5m。在小区建筑的西南方有约40m高的山体结构，在东边与南偏西有若干10层左右的建筑物。本文主要对该建筑设计案例进行分析，省略既有山脉与建筑。
2.1小区建筑设计的分析结果
案例区域属于深圳南部某小区，该地区处于亚热带海洋性气候，夏日较长，冬天时间较短，该地区的平均气温始终、气候温和，年平均气温约为23.1℃，区域内最高气温约为39.7℃。小区环境内的年平均风速约为2.9m/s，主导风向以东南风居多，受区域环境及气候特点的影响，室外风在夏季较为明显。
通过上述分析探究可知，该小区的室外通风情况受小区建筑群的影响，小区内风速在2m/s-4m/s的区域内较小，小区北侧建筑群内的风速普遍在1m/s以下，由此可知，该建筑的整体通风情况较差，建筑设计人员应对小区的整体建筑规划设计方案进行适当的调整。
2.2小区建筑设计方案调整
通过对该小区的设计方案调整情况进行探究，可以清晰的看出各部分建筑的不同之处，根据图中建筑的实际情况，准确判定不同建筑之间的调整距离与调整位置。
（1）在不影响小区通风情况的前提下，对中间低层会所与高层商业用房的位置进行调整，通过增加高层的方式，进一步改善小区内的通风情况。
（2）在小区建筑的优化设计过程中，应对区域内的建筑进行适当的调整，齐排建筑改变为带有弧度的建筑型体，有效增加建筑之间的距离差。
（3）在小区建筑的优化设计过程中，应对区域内的建筑进行相互调整，有效增加建筑之间的距离，改善建筑之间的通风情况。
在整个设计方案中，该小区的建筑高度调整变化不大，主要是对商业用房以及学校建筑的体型进行相应的调整，以此满足合理性建筑设计的实际需要。在调整的过程中，对于每栋建筑的架空距离都有严格的要求与规定，通常约为4.5m。为有效提高高层建筑物的通风效果，建筑规划设计人员应重点对高层建筑的体型进行适当的调整，并且对高层建筑低层进行架空处理，充分发挥优化设计的作用。
2.3小区建筑设计结果对比分析
根据该小区建筑群内不同区域内的室外风环境，在小区内室外通风较差的区域设置A、B、C、D、E5个标记点，分别在5个标记点进行风力测算，根据风力的等级以及区域内的空气情况，有效评估小区整体的室外空气质量状况。
通过对该小区实际情况进行观察与分析，不难看出该小区的室外通风情况经过建筑规划设计调整后得到了明显改善（A、B、C、D、E等区域为建筑群区域，区域内室外空气流动性较差）。在优化设计方案当中，小区2m高度的风速获得了明显的提升，这一情况充分说明了该小区建筑群内的室外通风情况已经获得了明显的改善与提高，相较于调整之前的情况，现阶段该小区的室外空气流动性较好，空气品质获得了较大的改善，更加适宜人们居住与生活。
3.结语
综上所述，在室外风环境下开展CFD模拟的建筑规划设计，能够有效提高建筑群的整体功能特性，提高建筑物之间的空气质量，为住户营造更加优质的生活环境。
【参考文献】
[1]龚波.自然通风的设计策略及模拟分析[J].建筑热能通风空调，2013，12（09）：23-24.
[2]杨建坤，张旭，刘东，黄艳.自然通风作用下中庭建筑热环境的数值模拟[J].暖通空调，2012，23（07）：23-25.