在传统的建筑设计中，建筑师仅以日照时间作为建筑间距的衡量因素，很大程度上以主观造型为主，缺乏对其他自然环境因素的定量计算。随着我国城市化进程不断加快，人们对居住品质的要求逐渐提高，建筑风环境问题逐渐凸现出来。近年来计算机技术的不断发展，CFD技术逐渐成熟，为建筑风环境定量计算提供了有利条件，对于建筑形体优化设计具有重要意义。国外很多国家已经较早开始将CFD技术应用到建筑设计中来，如法国弗朗西斯·阿拉德采用CFD技术对建筑自然通风相关领域做出了大量基础研究；英国雷丁大学哈兹米·奥比等人研究了建筑通风与人体舒适性、房间气流组织设计、多元通风和低能耗通风等多个方面。在国内，谢振宇、杨讷归纳了高层建筑对室外风环境的不利影响，结合CFD技术提出了改善建筑风环境的建筑形体优化策略；陈晓扬对大体量建筑的单元分区自然通风策略进行了研究。

本文选取深圳万科第五园多层住宅局部建筑作为研究对象，采用CFD技术对该地块内不同建筑形体室外风环境进行模拟与对比，探究建筑形体对室外风环境的影响，进而从风环境角度指导建筑形体优化设计。

1 项目简介

深圳万科第五园位于深圳市龙岗区，该居住小区由南向北依次分为公建会所区、联排别墅区、情景洋房区、多层住宅区四个部分（图1）。据多家媒体报道，该小区临近垃圾处理场与屠宰场，小区内通风不畅，大大降低了居住品质。本文仅选取多层住宅区的局部建筑进行研究，通过调整建筑形体来改善室外通风不畅的状况。该区域位于万科第五园东南部，南侧紧邻环城南路，东侧为坂雪岗大道，北侧为联排别墅区，西侧为联排别墅区和情景洋房区，共包含一座L形建筑和三座Z形建筑。每座建筑均由住宅和活动室组成，共六层，建筑高度均为18m，简化后如图2所示。

 2 研究方法

采用现场实测的方法对建筑室外风环境进行测量数据偶然性较大，且浪费大量人力物力，消耗时间也较多；采用风洞试验的方法虽然可以在实验室内准确控制气流的速度、压力、温度等各种实验条件，但对实验室设备要求较高，投入成本较大； CFD模拟技术集合了流体力学、计算机图形学等多个学科，采用该方法对建筑室外风环境进行模拟操作简便、耗时短、投入成本低，而且模拟结果为风速、风压等量化图形，便于直观比较与分析。CFD技术较前两者有较大优势，且在建筑室外风环境领域的应用已经较为成熟。本文选取CFD中的Air-pak软件对不同形体的建筑室外风环境进行模拟，通过比较分析模拟得到的量化图片来得出相关结论。

3 研究模型

在CFD模拟计算中，建筑室外空气属于不可压缩的低速湍流流场，k-ε湍流模型比大涡模拟模型（LES）等其它模型操作更简便，波动小，网格自适应性强，因此本文采用RNG k-ε模型进行建模计算。本项目紧靠城市主干道路和学校操场，迎风向无高大建筑遮挡，周围基本都为低层或多层建筑，室外环境温差较小，忽略热压通风干扰，自然通风主要考虑风压因素的影响。模型入口边界按照理想大气边界层设置，出口边界按照压力边界设置，地面设置为固定无滑移的壁面，天空设置为自由滑移表面，建筑采用控制粘性系数的方法设置。计算域的边界尺寸对于模拟结果有重要影响，如果边界尺寸设置过大，则网格划分数量过多，模拟计算耗时较长；如果边界尺寸设置过小，则导致网格数量较少，模拟的结果可能不收敛。根据相关取值经验，本次模拟计算域尺寸均设置为建筑长、宽、高尺寸的5倍，即3500m×3500m×200m。深圳市属于典型夏热冬暖气候区，夏季主导风向为东南风，主导风向的基准高度10m处平均风速为2.2m/s，以此作为本次模拟的计算域边界处风向、风速。

基于该小区室外通风不畅的状况，综合考虑到住宅朝向、日照等因素，在原有“Z”形建筑基础上，提出“匚”形、“工”形、“Z”形转角处一层局部架空三种优化方案。建筑室外人行1.5m高度处的风环境具有重要意义，下面主要对以上四种方案在该高度处建筑室外风环境进行分析。

4  模拟结果与方案评价

4.1 模拟结果

详细模拟结果如表1所示。

4.2 方案评价

根据以上模拟结果，将四种方案不同位置的平均风速、风速放大系数、迎风面与背风面风压差整理汇总，分别得到以下图表。

在以上四种建筑形体方案中，所研究的多层住宅局部建筑均摆脱了其前方建筑风影区的影响，自然风直接作用于前排建筑的迎风面，前排建筑风速相差不大。前三种方案中，由于受到前排建筑的遮挡，气流到达前排与后排建筑之间时已经有较大衰减，导致人体舒适度较差，也不利于室外气体污染物及时扩散。前排建筑迎风面为较大的正压，背风面风压转为零或负压，前后风压差较大，有利于促进底层建筑室内形成良好的自然通风；后排建筑迎风面与背风面风压均为负值且大小相差不多，前后风压差都在2Pa以下，不利于促进底层建筑室内形成良好的自然通风。在“匚”形、“工”形方案中，建筑形体存在凹口，由于凹口的开口方向与气流的方向基本垂直，自然风难以进入凹口内，凹口内外风压差较小，在凹口位置处风速较小且形成了涡流区。“匚”形方案凹口的长宽比约为1:1，“工”形方案凹口深度减小，凹口的长宽比约为2:1，通过比较发现此处凹口深度减小后凹口内风速更小且形成更明显的涡流区。

第四种方案在原有“Z”形建筑基础上将转角处底层局部架空，充分利用“巷道效应”原理，通过建筑局部洞口将自然风加速，然后将自然风引入到后排建筑周围。在建筑转角处底层局部架空方案虽然在原方案基础上建筑形体改动较小，但明显改善了后排建筑风速与风压差过小的状况，提高了室外人体舒度，提升了该居住小区的居住品质。

5、结语

本文采用CFD软件对深圳万科第五园原有建筑以及三种建筑优化方案进行了室外风环境模拟与比较，发现原有“Z”形后排建筑通风不畅且易形成涡流区。“匚”形、“工”形两种方案难以改善后排建筑通风不畅的问题，而且涡流区更加明显。“Z”形转折处局部架空方案较以上三种方案有明显优势，后排建筑风环境明显改善并消除了涡流区的影响。

基于风环境对建筑形体进行优化，为建筑师在建筑方案阶段提供了验证、改进设计的有效手段，弥补了长久以来建筑师在方案阶段难以用可视化的手段量化分析室外风环境的不足。