陳 凱，何連華，武 林

（中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

基于日最大風速記錄的建筑群風環(huán)境評估方法

陳 凱，何連華，武 林

（中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

提出將各風向的風速比與日最大風速概率分布相結(jié)合，進行風環(huán)境評估，并按照風速大小劃定建筑功能區(qū)域的基本方法。首先利用地面風速探頭在風洞中對建筑群周邊區(qū)域的風場進行定量測量，得出不同風向下各測點的風速比。再根據(jù)多年日最大風速記錄和廣義極值分布函數(shù)族，得出不同風向的日最大風速概率分布參數(shù)。由此即可求出各測點日最大風速超過風速閾值的概率。參照風環(huán)境評估準則，可對各區(qū)域的舒適度進行定量評估，并對其進行功能分區(qū)。通過對某高層建筑群的實驗研究，驗證了該方法的有效性和簡便性，研究結(jié)果對建筑設(shè)計有直接的指導(dǎo)意義。

風環(huán)境；日最大風速；廣義極值分布；地面風速探頭；舒適度評估準則

0 引 言

風在繞經(jīng)城市中的高大建筑群落時，常會改變運動方向和速度大小，形成加速繞流、下洗流、角區(qū)渦旋、尾流等各種流動形態(tài)，在局部區(qū)域出現(xiàn)強風，造成過往行人不適，這就是所謂的“行人高度風環(huán)境”問題。發(fā)達國家對風環(huán)境問題非常重視，2000年歐洲科學(xué)和技術(shù)研究合作組織（COST）發(fā)起了“風對城市活動與建筑環(huán)境的影響”行動計劃，對行人風環(huán)境問題開展了系統(tǒng)研究［1］。部分國家還制定規(guī)范，對建筑群的風環(huán)境舒適度作出要求。近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟水平的發(fā)展，風環(huán)境的研究也日漸受到重視［2］。

復(fù)雜建筑群落的行人風環(huán)境問題，可采用風洞試驗［3］或者數(shù)值模擬［4］的方法進行研究。國內(nèi)以往關(guān)于風環(huán)境的研究通常僅取風速比作為衡量舒適度的指標［4］，或者僅對主導(dǎo)風向下的風速分布進行考察［3］。略為深入一些的研究，則引入舒適度評估準則，結(jié)合風速分布情況進行半定量分析［5］。行人風環(huán)境評估的主要目的是為建筑設(shè)計服務(wù)。而風環(huán)境舒適度是和當?shù)貧庀髼l件有關(guān)的，脫離當?shù)貧庀髼l件討論建筑群行人風環(huán)境的優(yōu)劣既不合理，也難以對建筑規(guī)劃設(shè)計提出具有針對性的建議。

文獻［6］是少數(shù)結(jié)合氣象資料，根據(jù)風速風向聯(lián)合頻率表進行風環(huán)境舒適度評估的研究工作。從理論上講，根據(jù)風速風向聯(lián)合概率分布可以較為完整準確的進行風環(huán)境評估。但在工程實踐中，該方法的可操作性欠佳。一是因為風速風向聯(lián)合概率分布缺乏恰當?shù)母怕誓Ｐ兔枋?，一般仍以極值分布的概率模型（如Weibull分布）來代替；二是風速風向聯(lián)合概率分布考慮的是各時刻點風速的超越概率，當結(jié)合以天為單位的舒適度評估準則進行研究時，需要引入一定的假設(shè)進行分析（如文獻［6］假定一次大風持續(xù)時間為2h）。另外，風速風向聯(lián)合概率分布的計算，需要統(tǒng)計每小時的風速記錄，不但完整的數(shù)據(jù)不易獲得，且數(shù)據(jù)量也很大。

因此，研究更為科學(xué)合理、切實可行的風環(huán)境定量評估方法，使評估方法易于操作、評估結(jié)論便于工程應(yīng)用，具有重要意義。

鑒于此，筆者提出一種新的風環(huán)境定量評估方法。采用各風向的日最大風速概率分布代替風速風向聯(lián)合概率分布，得出各點超過風速閾值的重現(xiàn)期，再根據(jù)評估準則劃分不同區(qū)域的舒適度等級。以某高層建筑群為例，闡述了對風環(huán)境區(qū)域進行評估和分級的基本過程。

1 分析方法

1.1 氣象資料統(tǒng)計方法

根據(jù)極值統(tǒng)計理論，極值分布函數(shù)可以表達為普適的形式，稱為廣義極值分布函數(shù)（Generalized Extreme Value Distribution，簡稱GEV分布函數(shù)族）。如下式

其中，ξ，μ和σ分別是分布函數(shù)的形狀參數(shù)、位置參數(shù)和尺度參數(shù)。當形狀參數(shù)大于和小于0時，該函數(shù)分別對應(yīng)極值II型（Frechet）和極值III型（Weibull）分布。而當ξ趨近于0時，GEV收斂于極值I型（Gumbel）分布函數(shù)，即

首先將氣象臺站的日最大風速記錄按風向分為16組，然后分別對每組記錄采用最大似然估計法，得出其GEV函數(shù)分布族的基本參數(shù)，從而給出概率分布函數(shù)的表達式［7－8］。定義GEV的最大對數(shù)似然函數(shù)

其中G′（U；μ，σ，ξ）為 GEV 分布函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，即GEV的概率密度函數(shù)；Uk為日最大風速值，求和上限m則為樣本數(shù)量（總的天數(shù)）。如果最大對數(shù)似然函數(shù)l（μ，σ，ξ）在某組參數(shù)（）處取得最大值，則稱該組參數(shù)為（μ，σ，ξ）的最大似然估計。當ξ接近0時，可參考式（3）得出Gumbel分布的最大對數(shù)似然函數(shù)，再求?。é?，σ）的最大似然估計值。

對于常見概率分布，如指數(shù)分布、正態(tài)分布等，可令其最大對數(shù)似然函數(shù)的一階偏微商等于0得到似然方程組，再通過求解方程組得出各參數(shù)的解析解。

GEV分布函數(shù)的形式較為復(fù)雜，似然方程組的解析解不存在。因此通?；跇颖军cUk，采用數(shù)值優(yōu)化方法得出使l（μ，σ，ξ）最大的參數(shù)估計值（，）。常用數(shù)學(xué)軟件都包含各類數(shù)值優(yōu)化函數(shù)，例如可采用數(shù)學(xué)軟件Matlab的數(shù)值優(yōu)化函數(shù)Fminsearch求出使－l（μ，σ，ξ）出現(xiàn)最小值的參數(shù)估計值。

各風向的日最大風速概率分布描述了在特定風向下風速超過特定值的概率。為計算各種風向超過特定風速的概率，尚需獲得日最大風速在各風向下的出現(xiàn)頻率，這可以通過對歷史記錄的經(jīng)驗統(tǒng)計獲得。

1.2 試驗數(shù)據(jù)分析方法

本項研究中采用地面風速探頭測量地面風速。這種傳感器由彼此不相通的兩根細管構(gòu)成，外管的出口和地面平齊；內(nèi)管垂直地面，出口高出地面一定高度。實驗時通過測量內(nèi)外管的壓力差，并根據(jù)事先獲得的壓力差－速度校準曲線，來獲得內(nèi)管出口高度處的風速。因為該傳感器對于垂直內(nèi)管的來流具有相同的敏感性，因此比較適合測量近地面方向不定的流動。

地面風速傳感器的基本思想最早是由Irwin［9］提出的。該探頭的基本思路是利用湍流邊界層中貼近壁面的區(qū)域，其風速與壓力差存在一定的關(guān)系來進行近地面風速的測量，公式如下：

其中u為h高度處的風速，Δp為地面與h高度處的探頭的壓力差。A、B為常數(shù)，通過風洞校準試驗獲得。試驗時，采集每個探頭的壓力時序，根據(jù)（4）式計算風速時程。

在獲得各測點的平均風速之后，為方便比較，引入風速比作為衡量地面風速大小的指標。風速比UR定義為

其中，Up為測點處行人高度風速大小，U∞為標準地貌下的行人高度風速大小。

試驗中，U∞取為未安裝模型時測點高度的來流風速（若非標準地貌則還應(yīng)乘以地貌調(diào)整系數(shù)），Up則為測點處的風速。對應(yīng)到實際條件，則當氣象臺站的風速為U∞時，測點處的行人高度風速將為Up。

由此可見，式（5）描述了測點處相對于標準地貌區(qū)域的風速放大比例，反映了不同區(qū)域風速的相對大小。再結(jié)合氣象資料，即可獲得該位置風速超過給定值的概率，從而可對其進行舒適度評價。

1.3 風環(huán)境評估準則及評估方法

行人高度風環(huán)境的舒適度是一個較為主觀的概念。通常采用反向指標來定義它，即根據(jù)設(shè)計用途、人的活動方式、不舒適的程度，結(jié)合當?shù)氐娘L氣象資料，判斷大風天氣的發(fā)生頻率。如果發(fā)生頻率過高，則認為該區(qū)域的不舒適性是不可接受的。界定可接受的發(fā)生頻率就是通常所說的“舒適性評估準則”。

如何評估風環(huán)境對行人的影響，到目前為止并沒有一致的標準。但原則上，無論采用何種評估方法，都應(yīng)當明確：（1）適當?shù)男腥耸孢m性風速分級標準，（2）各級風速標準的容許發(fā)生頻率。文獻中有各種不同的風速分級標準和對發(fā)生頻率的不同規(guī)定［10－11］。

國內(nèi)使用較廣的評估準則如表1所示［5，12］。

表1 舒適度評估準則Table 1 Comfort criteria

由表1可見，不同的活動性、適用區(qū)域?qū)τ陲L環(huán)境的要求各不相同。當按給定的功能進行設(shè)計時，可以認為1～4類區(qū)域都滿足舒適度要求。比如4類區(qū)域用作人行道時滿足舒適度要求，但若作為其他功能使用（如室外餐廳、廣場等），則不滿足舒適度要求。此外，如果某區(qū)域的風速不滿足1～4類區(qū)域的要求，則應(yīng)歸入第5類，即該區(qū)域不能作為行人活動區(qū)域使用。可接受準則由于涉及風速概率問題，因此應(yīng)當結(jié)合當?shù)氐臍庀筚Y料進行研究。

對某個測點而言，首先通過風洞試驗獲得該點在不同風向的風速比。在某風向下，測點達到風速閾值U0時，氣象站的風速為U0／URi（URi為風向i下測點的風速比）。因此該風向下測點日最大風速超過U0的概率為1－Gi（U0／URi），從而測點超過該風速的總的概率為

其中αi為日最大風速在各個風向出現(xiàn)的頻率。由于Gi（U）代表風向i的日最大風速概率分布，因而式（6）計算的就是測點日最大風速超過U0的概率，從而風速U0的重現(xiàn)天數(shù)可按下式計算：

按照蒲福風級確定不同風級的風速閾值后，可根據(jù)式（7）計算得出各點的風速重現(xiàn)期（以天計），進而就可以結(jié)合表1對該點的舒適度進行評估和分級。

2 分析實例

2.1 試驗概況

濟南某建筑群包含3幢高層建筑，其南側(cè)有較大范圍的裙房（參見圖1），中間的塔樓超過200m。利用Irwin探頭在風洞中測量了建筑群北側(cè)區(qū)域的行人高度風速。

試驗在中國建筑科學(xué)研究院風洞實驗室進行。風洞試驗段截面尺寸4m×3m。模型縮尺比1∶200，共布置了風速探頭30個，在B類地貌下進行實驗。用DSM3400壓力測量系統(tǒng)對探頭的壓力進行測量，根據(jù)標定曲線獲得各測點的水平方向風速。所有探頭在使用前逐個進行了校準。

圖1 模型在風洞中的照片F(xiàn)ig.1 Model in wind tunnel

2.2 氣象資料統(tǒng)計結(jié)果

與逐時的風速資料相比，日最大風速資料較易獲得。利用國家氣象信息中心的“中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”提供的濟南氣象站1991～2010年20年間的逐日最大風速記錄，首先根據(jù)最大風速出現(xiàn)的風向得出風玫瑰圖，再根據(jù)極值分布統(tǒng)計方法對不同風向的風速資料進行統(tǒng)計分析，得出概率分布參數(shù)。

圖2為20年間濟南日最大風速的風玫瑰圖。濟南地區(qū)日最大風速最常出現(xiàn)的風向為SSW（西南南）風向，該風向也是濟南地區(qū)的主導(dǎo)風向。

圖2 日最大風速風玫瑰圖Fig.2 Wind rose of daily maximum wind speed

采用最大對數(shù)似然估計法，得出了各個風向的日最大風速概率分布參數(shù)，如表2所示。表2中的風向序號參照氣象觀測的一般約定，從北風開始，按順時針方向以22.5°間隔遞增。10號風向為SSW風向。

表2 各風向日最大風速概率分布參數(shù)Table 2 Probability model parameters for daily maximum wind speed of different wind directions

由表2可見，除了少數(shù)風向外，大部分風向下ξ值為負值，說明更符合 Weibull分布。另一方面，某些風向下的ξ值很接近0，說明這些風向的日最大風速概率分布接近兩參數(shù)的極值I型分布（Gumbel分布）。圖3為SSW風向下不同重現(xiàn)期的日最大風速值，橫軸代表的是重現(xiàn)期，縱軸為風速大小。圖中同時繪制了由最大對數(shù)似然估計法得出的GEV分布和Gumbel分布，GEV模型的結(jié)果明顯優(yōu)于Gumbel模型。證明了GEV概率模型的有效性。

2.3 測點風速比

風在流經(jīng)高層建筑時，會在兩側(cè)分離區(qū)域形成加速流動。因此一般情況下建筑周邊區(qū)域總會在特定風向出現(xiàn)局部強風，很難保證在各種風向下都能將風速比控制在較低水平。

圖4給出了所有測點的最大風速比。中間高樓兩側(cè)區(qū)域的風速比最高，達到1.9；東側(cè)高樓局部區(qū)域也出現(xiàn)1.9的風速比；西側(cè)高樓的風速比稍小，但也達到了1.6。所有測點的最大風速比都超過了1.0，不同程度出現(xiàn)了加速效應(yīng)。因而僅以最大風速比對風環(huán)境進行評價，難免得出大部分區(qū)域均不滿足舒適度要求的過于保守的結(jié)論，對建筑設(shè)計也缺乏指導(dǎo)意義。事實上，這些區(qū)域的高風速并非在同一風向下出現(xiàn)的，因此如果結(jié)合氣象資料討論，將給出更為科學(xué)合理的結(jié)論。

圖3 不同重現(xiàn)期的年最大風速值（SSW風向）Fig.3 Return level plot for daily maximum wind speed of SSW wind direction

圖4 各測點的最大風速比Fig.4 Maximum wind speed ratios at measurement points

如果僅以主導(dǎo)風向下的風速比進行評估，也只能部分反映風環(huán)境的舒適度情況。圖5給出了SSW風向的風速比分布。SSW風向時，3幢高層建筑南邊的裙房阻擋了來流（參見圖1），建筑群北邊大部分區(qū)域的風速比都很低。只有西邊通道受到加速繞流的影響，出現(xiàn)高于1.0的風速比。

2.4 風環(huán)境評估和區(qū)域分類結(jié)果

結(jié)合2.2節(jié)得出的各風向日最大風速概率分布，計算了各測點對于給定風速的超越概率。以西邊通道的測點A為例（圖5中虛線橢圓位置），按以下過程計算該點日最大風速超過5級風（取中值9.4m／s）的概率。

在SSW風向時，測點A的風速比為1.3，則當測點A 風速出現(xiàn)9.4m／s風速時，遠處來流為9.4／1.3＝7.2m／s。該風速為測點高度2m處的風速，需要調(diào)整至10m高度（氣象觀測高度）。實驗在B類地貌下進行，因此2m高度出現(xiàn)7.2m／s風速時，10m高度的風速為7.2×（10／2）0.16＝9.3m／s。

圖5 SSW風向的風速比Fig.5 Wind speed ratio at SSW wind direction

SSW風向的日最大風速服從 Weibull分布（見表2），則有

從而SSW風向下日最大風速超過閾值的概率為Pi（U ＞U0）＝αi（1－Gi（U0／URi））＝0.116×0.1007＝0.0117。

其中0.116為日最大風速在SSW風向出現(xiàn)的頻率。同理可得出其他風向下的超越概率，從而根據(jù)式（6）可求得日最大風速超過5級風的總概率為0.035，因此測點A處平均約有28天便會出現(xiàn)超過5級的大風。取不同的風速閾值，即可得出測點A不同風速的重現(xiàn)期。計算結(jié)果如表3所示。

表3 測點A日最大風速的重現(xiàn)期（天）Table 3 Return period（day）of daily maximum wind speed at point A

根據(jù)表3，測點A基本上每天的最大風速都會超過3級，因此不能歸入1類區(qū)域；而4級風大致是4天一次，也不滿足2類區(qū)域的舒適度要求。而5級、6級和8級風的出現(xiàn)次數(shù)滿足表1中3類區(qū)域的舒適度要求，因此該區(qū)域適合行人慢步行走，建筑規(guī)劃時可設(shè)置為公園或人行通道。

對建筑群周邊區(qū)域的分級結(jié)果見圖6。計算結(jié)果表明，所有測點至少都可歸入4類區(qū)域。因此可認為該建筑群滿足舒適度要求，但應(yīng)按劃分的功能區(qū)域進行設(shè)計。其中有兩個位置被歸入4類區(qū)域，這兩處都只應(yīng)作為行人通道使用，而不應(yīng)用作其他用途。被歸入3級的區(qū)域大部分位于建筑群西北方向，在設(shè)計時應(yīng)注意避免在這些位置設(shè)置休息區(qū)。

圖6 建筑群周邊分區(qū)結(jié)果Fig.6 Different comfort levels around buildings

將圖4的最大風速比和圖6對比可以發(fā)現(xiàn)，由于考慮了風速風向的概率分布，得出的區(qū)域分級和最大風速比并不一致。結(jié)合氣象資料給出的結(jié)果更加明確、更具有針對性，對建筑設(shè)計有直接的指導(dǎo)作用。

3 結(jié) 論

提出了基于日最大風速記錄的建筑群風環(huán)境評估方法。與以往的分析方法相比，該方法有以下幾個優(yōu)點：

（1）相比計算風速風向聯(lián)合概率分布所需的逐時風速記錄，日最大風速記錄更易獲得，且服從廣義極值分布；

（2）基于日最大風速概率分布得出的風速超越概率，無需引入附加假定，即可直接轉(zhuǎn)換為以天計的特定風速的重現(xiàn)期；

（3）由本方法得出的分析結(jié)果可給出各區(qū)域的舒適度分級，給出明確的設(shè)計建議。對建筑的規(guī)劃設(shè)計有直接的指導(dǎo)作用。

分析實例表明，如果不考慮氣象因素，僅用所有風向的最大風速比，或者主導(dǎo)風向的風速比進行風環(huán)境評估，難以全面、準確的把握行人風環(huán)境的優(yōu)劣程度。因而在進行行人風環(huán)境評估時，應(yīng)當結(jié)合氣象資料進行計算分析。

該方法具有較好的可操作性，且分析過程的物理意義明確、分析結(jié)果的針對性強，可在行人風環(huán)境評估研究中推廣使用。

［1］STATHOPOULOS T.Pedestrian level winds and outdoor human comfort［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2006，94：769－780.

［2］張伯寅，桑建國，吳國昌.建筑群環(huán)境風場的特性及模擬［J］.力學(xué)與實踐，2004，26（3）：1－9.

［3］王勛年，李征初，張大康，等.建筑物行人高度風環(huán)境風洞試驗研究［J］.流體力學(xué)實驗與測量，1999，13（1）：54－58.

［4］符龍彪，夏育穎，肖從真.北京當代 MOMA風載及風環(huán)境數(shù)值模擬研究［J］.土木工程學(xué)報，2008，41（3）：71－74.

［5］朱海，彭興黔，高志飛，等.低矮異型建筑風環(huán)境的數(shù)值模擬［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31（S2）：187－192.

［6］姜瑜君，桑建國，張伯寅.高層建筑的風環(huán)境評估［J］.北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，42（1）：68－73.

［7］STUART C.An introduction to statistical modeling of extreme values［M］.Berlin：Springer－Verlag，2007.

［8］陳凱，金新陽，錢基宏.考慮地貌修正的基本風壓計算方法研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，31（1）：13－19.

［9］HPAH I.A simple omnidirectional sensor for wind－tunnel studies of pedestrian－level winds［J］.J.Wind Eng.Ind.Aerodyn.，1981，7：219－239.

［10］RATCLIFF M A，PETERKA J A.Comparison of pedestrian wind acceptability criteria［J］.J.Wind Eng.Ind.Aerodyn.，1990，36：791－800.

［11］SANZ－ANDRES A，CUERVA A.Pedestrian wind comfort：feasibility study of criteria homogenization［J］.J.Wind Eng.Ind.Aerodyn.，2006，94：799－813.

［12］DAVENPORT A G.An approach to human comfort criteria for environmental wind conditions［C］／／Colloquium on Building Climatology，Stockholm，1972.

陳 凱（1976－），男，四川人，副研究員。研究方向：風工程。通訊地址：北京市北三環(huán)東路30號中國建筑科學(xué)研究院主樓10層（100013），電 話：010－84280389－810，E－mail：chenk＠pku.org.cn

Evaluation method of wind environment around buildings based on daily maximum wind records

CHEN Kai，HE Lian－h(huán)ua，WU Lin
（China Academy of Building Research，Beijing 100013，China）

A comprehensive method is proposed to evaluate wind environment comfort and distinguish the regions into different architecture purposes based on the wind speed ratio and probability of daily maximum wind speed under different wind directions.The wind speed ratios around buildings are measured by surface wind sensors in the wind tunnel and the probability model parameters are derived from the daily maximum wind records and generalized extreme value distribution.The exceed probability of the daily maximum wind speed at a certain level is accordingly obtained.Consequently the wind environment comfort is deduced and the regions for different architecture purposes are also distinguished according to the comfort criteria.It was verified by a wind tunnel test of a high－rise building group that this method was valid and feasible.The straightforward and useful suggestions for the architecture design can be made with this method.

wind environment；daily maximum wind speed；generalized extreme value distribution；surface wind sensor；comfort criteria

TU972

A

1672－9897（2012）05－0047－06

2011－09－15；

2011－12－26

國家自然科學(xué)基金 （50878202）