绿色建筑设计分享——室外风场模拟软件应用分析

绿色建筑设计分享——室外风场模拟软件应用分析

王阳

王阳

广东博意建筑设计院有限公司

摘要：近些年来，绿色建筑设计的概念被越来越多的人所了解，并在建筑行业逐渐深入，为建筑领域的发展做出较大贡献。《民用建筑绿色设计规范》指出我们应该依靠计算机模拟辅助设计来解决建筑复杂布局条件下风环境的评估和预测。基于此，论文对室外风场模拟软件在项目绿色建筑中的应用进行分析。

关键词：绿色建筑；计算机模拟；室外风环境

1、前言

1.12012年4月7日国家建设部和财政部联合发布《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》，其中政府部门对绿色建筑发展提出各种强制性要求和激励政策；

1.2BIM技术的兴起和推广，不但带来建筑设计行业的革新，甚至掀起整个建筑行业向数字化信息迈进的一次革命；

1.3计算机行业多年来从未停歇的迅猛发展。

拥有计算机技术作为支撑，数值模拟技术被越来越广泛的应用于建筑设计行业，其优越性显而易见且无容置疑。在绿色设计和BIM技术中就明确要求利用计算机模拟技术解决实际工程中的复杂问题。下面本人在详细介绍现行最前沿的模拟技术应用于实际工程项目的同时，介绍此模拟软件的使用方法。

2、工程概况

本项目为综合商业区，本商业区由四层裙房商业、四栋高层住宅、一栋高层公寓和一栋超高层办公楼组成。各栋高层建筑依靠裙房商业区连接起来，裙房商业区设计为商业街和临街商铺形式。本项目总用地面积约54亩，总建筑面积约32万平米。

3、软件简介

本款计算机模拟软件Stream_V10为日本Cradle公司于2012年开发并研制成功（绿建规范中也推荐参考日本建筑学会风工程研究小组的研究成果进行风环境模拟），属于新型产品，适用于室内外各种流体运动状态的模拟，并生成可视化结果供分析、研究。目前为全英文环境，尚无汉化版本；且目前没有任何有关本软件使用方法方面的书籍、文献或视频演示；甚至互联网上有关Stream_V10的信息也仅限于对此软件发展历史的简介。

4、设计内容

现根据《民用建筑绿色设计规范》JGJ/T229-2010（亦称绿建规范）第5.4.2条对室外风环境的要求，本人将应用Stream_V10软件对本商业区室外风场进行模拟，利用最直观的模拟计算结果分析本项目室外风环境优劣性，从而判断本商业区（或其中某个单体项目）是否符合绿建规范和《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006的相关条文。

5、室外风场模拟

本人通过一段时间的摸索和研究，对Stream_V10这款模拟软件的使用方法有所心得。下面我将结合上述综合商业区项目，详细介绍这款新型软件的使用方法，并展示部分模拟结果。

5.1建立物理模型

在进入Stream_V10模拟软件主操作界面之前，我们首先需要建立一个被研究项目的物理模型。其中值得注意的有两点。一，物理模型应该按一定比例建立，且模型包括的范围不能只是被研究区域或单体本身，应该有一定延伸，需将周边的道路和建筑囊括入内。因为我们研究的是风环境，哪怕是一个小小的凉亭或一株树木对风速和风向都会带来一定影响；二，物理模型需要通过AutoCAD中的三维建模方式完成，这是Stream_V10软件本身的要求，而利用我们熟知的3DMAX或SketchUP建立的模型将被默认为不可读。数学模型（算法）的建立包含于软件本身，本文不做介绍。

5.2边界条件的设置

模型建立后就可以进入Stream_V10的主操作界面，利用Stream_V10的前处理器（Preprocessor）打开模型。首先设置计算区域。正如我们建模时不能只建立单体本身的模型，应该包括一定的周边环境一样，计算区域在x/y/z方向上也应该有一定的延伸。延伸范围可参看绿建规范第5.4.2条条文解释，也可根据以后网格划分数量来调整（如网格数量过多即可相应减小计算区域延伸范围）。然后根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012中附录A（气象参数）和项目所在地来设置模型周围的风向、风速和当地大气压力等参数。就本综合商业区而言，风向设置为ENE，计算区域最高点风速设置为40m/s（项目所在地：西安，商业区最高建筑约150m，计算区域顶点设置为180m）。最后选择一个气流贯穿的紊流模型，且暂不考虑热岛效应的影响。

5.3网格的划分

划分网格是所有数值模拟软件使用过程中的最关键步骤，其直接影响模拟计算过程的效率和计算结果的可信度。虽然绿建规范对网格的划分有一定的规定和指导，实际上划分网格是没有定式的，基本上依靠设计人员对被模拟对象的理解和认识。网格划分的原则视主要研究对象而定。虽然我们的研究对象是室外风环境，归根结底还是研究风环境对人的影响，且绿建规范中对行人区的风速和建筑物周围的压差有明确规定。那么设计人员在划分网格的时候就需要以人为本，综合多方面的因素来考虑划分网格的方法。如建筑布局形成的无风区会影响室外散热、其形成的涡旋区不利于污染物的排放，在可能形成无风区或涡旋区的局部我们应该划分细密的网格，那么在最后的模拟计算结果中才能清晰的发现这些不利区域，从而调整建筑布局或采用其他方法（如增设凉亭等小品来改变上游风参数从而消除当地涡旋）来消除上述不利影响。

Stream_V10的网格是自动生成的，只需要设计人员设置网格尺寸范围即可。对于单体建筑，一般可选择较细的网格，如最大网格尺寸0.5m×0.5m×0.5m，最小网格尺寸为0.05m×0.05m×0.05m；就本综合商业区而言，其包括多栋高层建筑和一片商业步行街，区域面积较大，我选择Ma×=1m×1m×1m，Min=0.1m×0.1m×0.1m的网格范围，总网格数约167000个。值得注意的是，Stream_V10不支持网格划分个数＞300000个的情况，软件自动提醒网格数目过大的情况下，我们可以适当调整网格尺寸或计算区域大小来平衡网格数量。实际上网格过密会导致计算机处理及分析负担太大，影响设计效率，而对于过于精密的模拟结果也没有实际的必要。

5.4模拟计算

模拟计算由软件自身运行完成。

5.5模拟结果分析

利用模拟计算结果我们可以进行模拟结果分析。首先进入Stream_V10的后处理（Postprocessor）操作界面。后处理操作界面较复杂，选项较多，经过本人多次试用和摸索，就本项目而言，发现其中最常用也最需要经过设计人员设置并调试的两个选项：平面（Plane）和矢量（Vector）。

在“平面”界面中，我们可以查看整个计算域的模拟结果，也可以选择单独查看其中较为重要的平面模拟情况。这时只需要设置一个重要平面的高度值即可。本人认为应该在1.5m-2.0m的人行区高度范围内设置重要平面，则其显示结果正好可以解决设计项目是否符合《民用建筑绿色设计规范》JGJ/T229-2010第5.4.2条要求“建筑物周围行人区1.5m处风速小于5m/s”的问题。就本综合商业区项目而言，裙房屋面以上还有行人游览及休息区，那么只需要再设置一个h=22.5m（裙房高度约21m）的模拟演示平面即可。

在“矢量”界面中，我们可以选择需要研究的对象，如温度、风速、压力等。“平面”和“矢量”两个选项实际上是联合作用于模拟结果的。如果我们选择研究对象为压力且查看整个计算域的模拟情况，然后不断调整观察角度，则其显示结果正好可以解决设计项目是否符合《民用建筑绿色设计规范》JGJ/T229-2010第5.4.2条要求“冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa”的问题。

5.6模拟结果输出

在Stream_V10软件的后处理阶段，设计人员可以任意设置需要了解的参数且多角度观察设计项目的室外环境。我们可以根据绿建规范条款有目的的选择其控制参数然后用Postprocessor/Camera命令输出其演示图片以说明问题，这样就有效的达到了“利用计算机模拟辅助设计以解决建筑复杂布局条件下风环境评估和预测”的目的。限于篇幅，本文在附录中仅展示本综合商业区项目部分模拟结果供大家参考。

6、小结

到此为止，模拟计算过程全部结束。模拟计算结果可以作为建筑设计符合绿色设计的佐证，也可以参考模拟结果调整或修改设计方案。就本综合商业区项目而言，利用附录所示模拟结果，可以做出如下简单分析：1，由于裙房对上游风的遮挡，商业街风速很小，风环境较好，进出口甬道风速稍大，有改进余地；2，由于高层对上游风的遮挡，裙房顶上行人休闲区风速较小；3，高层建筑顶层附近和超高层建筑上部至顶部区域其“建筑物前后压差”比较大，但此情况气候性较强，不会经常出现，且暂时无法避免或改进此类情况，可不予考虑。

参考文献：

1.民用建筑绿色设计规范JGJ/T299-2010

2.绿色建筑评价标准GB/T50378-2006