關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；綠色建筑；風(fēng)環(huán)境；數(shù)值模擬

前言

隨著全球氣候變化的加劇和人們對可持續(xù)發(fā)展理念的深入認識，綠色建筑已成為現(xiàn)代建筑設(shè)計的重要趨勢。綠色建筑不僅關(guān)注建筑的功能性和美觀性，更注重在全生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響和資源的高效利用。其中，風(fēng)環(huán)境設(shè)計作為綠色建筑的關(guān)鍵組成部分，對于提高建筑的能效、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、減少能源消耗具有重要意義。然而，綠色建筑的設(shè)計和實施過程中，風(fēng)環(huán)境的影響往往被忽視。實際上，風(fēng)環(huán)境對建筑能耗、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量以及綠色植物的生長等方面有著重要的影響。因此，將風(fēng)環(huán)境因素納入綠色建筑的設(shè)計中，是實現(xiàn)綠色建筑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。計算流體力學(xué)（ComputationalFluid Dynamics，CFD）作為一種數(shù)值模擬分析手段，能夠模擬空氣流場，預(yù)測建筑圍護結(jié)構(gòu)的各項熱工與空氣動力性能，為綠色建筑與風(fēng)環(huán)境設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。因此，在這一背景下，研究創(chuàng)新性地將計算流體力學(xué)模擬技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑與風(fēng)環(huán)境的融合設(shè)計中，并對綠色建筑周圍的空氣流動進行精細模擬，以研究風(fēng)環(huán)境對建筑熱環(huán)境、空氣質(zhì)量以及植物生長的影響。同時，研究開展參數(shù)化分析，討論建筑幾何形態(tài)、開窗位置等因素對室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的影響規(guī)律，以期提高綠色建筑的生態(tài)效益。

1基于綠色建筑與風(fēng)環(huán)境的融合設(shè)計

1.1綠色建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響

風(fēng)環(huán)境是指建筑物周圍或室內(nèi)外的空氣流動狀況，它對建筑物的環(huán)境舒適、視線景觀、建筑空間利用等各方面都產(chǎn)生重要影響。風(fēng)環(huán)境問題主要涉及風(fēng)速過大、氣流組織不良、風(fēng)向問題等，如果不注意風(fēng)環(huán)境，可能會影響人們的舒適感和健康。因此，在建筑設(shè)計中，需要綜合考慮各種因素，設(shè)計合理的風(fēng)環(huán)境，以提高人們的生活質(zhì)量。風(fēng)速與行人舒適度的相關(guān)性見表1。

從建筑選址的微觀角度考慮，為了實現(xiàn)冬季防風(fēng)和夏季及過渡季節(jié)的通風(fēng)舒適，應(yīng)選擇地形和周邊環(huán)境優(yōu)良的選址，通過道路、綠地、湖泊和河流等空間將風(fēng)引向建筑區(qū)域內(nèi)部，以避免地形等因素導(dǎo)致的空氣滯留或風(fēng)速過大。另外，空氣流動受溫差的影響很大，因此，可以通過適當(dāng)配置建筑周圍不同表面溫度的區(qū)域，比如水面、綠地等不同的地面覆蓋物。除了考慮建筑周邊的環(huán)境，建筑地形的選擇也對建筑選址和風(fēng)環(huán)境營造有著緊密的關(guān)系。在條件優(yōu)越的地形條件下，可以通過最大化地優(yōu)化建筑布局來實現(xiàn)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計。

1.2融合綠色建筑與風(fēng)環(huán)境的設(shè)計

1.2.1融合綠色建筑水面與風(fēng)環(huán)境的設(shè)計

水體因其獨特的熱容特性在建筑環(huán)境中扮演著重要角色。由于水體與建筑區(qū)域內(nèi)其他物體形成不同的溫度場，這就導(dǎo)致周圍空氣產(chǎn)生熱壓差，進而影響氣流。在陽光輻射強烈的白天，水體的熱容量大于石頭和土壤，導(dǎo)致建筑和地面快速升溫。這會在地面上方形成密度較小的熱空氣，使得水體上方的空氣向地面流動，形成水陸風(fēng)。到了夜晚，水體的降溫速度小于建筑和地面，地面上密度較大的空氣便會向水體流動。這種由水體形成的水陸風(fēng)，不僅影響了建筑的風(fēng)環(huán)境，還調(diào)節(jié)了建筑周圍的溫度場。水面對建筑選址以及風(fēng)環(huán)境的影響主要有兩方面：一是水面對空氣濕度的調(diào)節(jié)作用；二是水面對地面氣溫的調(diào)節(jié)作用。水面的蒸發(fā)能夠增加空氣濕度，從而改善干燥的氣候環(huán)境。同時，水面具有巨大的熱容量，可以在日間吸收大量熱量，夜間慢慢釋放，從而調(diào)節(jié)地面氣溫，減小地面與空氣之間的溫差，改善風(fēng)環(huán)境。因此，綠色建筑設(shè)計時需要充分考慮水體的存在，利用對風(fēng)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，改善建筑的微氣候環(huán)境。例如，可以在建筑附近設(shè)置水體，如湖泊、池塘、噴泉等，或者在建筑的屋頂或陽臺設(shè)置綠色屋頂和雨水收集系統(tǒng)，以利用雨水對建筑進行冷卻和濕度調(diào)節(jié)。

1.2.2融合綠色建筑地形與風(fēng)環(huán)境的設(shè)計

地形，如山地和坡地等非平原地形，在風(fēng)環(huán)境的影響中起著重要的角色。這種影響主要體現(xiàn)在兩個方面：主導(dǎo)風(fēng)向與地形的關(guān)系以及山地?zé)釅翰钚纬傻纳焦蕊L(fēng)效應(yīng)。對于山地來說，常常可以區(qū)分為迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡。迎風(fēng)坡是面向主導(dǎo)風(fēng)向的山坡，這里的風(fēng)速通常大于背風(fēng)坡，并在山脊處達到峰值。這是由于氣流被截面擠壓，進而增加壓力，導(dǎo)致風(fēng)速加快。山脊因其截面面積小，從而導(dǎo)致氣流速度增大，這就是文丘里現(xiàn)象。反之，背風(fēng)坡位于主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，這里通常會形成渦流區(qū)。與此同時，山地也會與水體一樣，受到陽光和地形的綜合影響，形成熱壓差。這就導(dǎo)致了所謂的山谷風(fēng)效應(yīng)。白天，向陽坡受到太陽輻射的影響，溫度升高，氣流順著山坡向高處移動，形成上升山谷風(fēng)。而在夜晚，由于缺少太陽輻射，地表降溫，山坡上方的冷空氣順勢下沉至山谷，形成下降山谷風(fēng)。在綠色建筑的設(shè)計和選址中，地形的影響是不能忽視的。一方面，地形可以形成風(fēng)向和風(fēng)速的變化，這有助于空氣污染物的擴散和遷移，保證建筑的室內(nèi)空氣質(zhì)量。另一方面，利用地形變化，可以節(jié)省土方工程，形成高低錯落的優(yōu)美布局，提高建筑的觀賞性，符合綠色建筑的理念。因此，充分融合地形與風(fēng)環(huán)境的設(shè)計，是實現(xiàn)綠色建筑與環(huán)境和諧共處的重要手段。

2基于流體力學(xué)模擬的融合綠色建筑與風(fēng)環(huán)境設(shè)計的驗證

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種運用數(shù)值分析和算法來研究和解決流體動力學(xué)問題的科技手段。在建筑領(lǐng)域，CFD可以模擬和分析建筑物群體及其周邊環(huán)境的風(fēng)場情況，預(yù)見風(fēng)速、風(fēng)向和渦流等特性，為建筑設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。因此，此研究將采用CFD模擬技術(shù)，模擬并分析不同設(shè)計方案下的風(fēng)環(huán)境效應(yīng)，從而驗證設(shè)計方案的合理性和優(yōu)勢。研究選擇了并列式、錯列式、斜列式、圍合式和自由式五種建筑布局方式作為五種不同的工況，通過CFD技術(shù)模擬出了各工況下的風(fēng)環(huán)境，并進行了比較。不同工況下的風(fēng)環(huán)境對比如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，在五種不同的工況下，平均風(fēng)速都低于1.02m/s，這屬于人體舒適的風(fēng)速范圍。在自由式的布局中，最大風(fēng)速比達到1.94，相較于并列式、錯列式、斜列式和圍合式的布局方式，分別提升了6.18%、8.24%、7.21%和4.63%。從圖l（b）中可以看出，在自由式布局中，舒適風(fēng)區(qū)面積的占比最大，達到了71.02%，相較于并列式、錯列式、斛列式和圍合式的布局方式，分別提升了12.64%、15.78%、11.15%和18.95%。綜上所述，從舒適性的角度考慮，在綠色建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計中，自由式建筑布局的表現(xiàn)最佳。

為了分析驗證地形對風(fēng)環(huán)境的影響，針對四種不同的建筑布局：行列式、錯列式、斜列式和圍合式，研究設(shè)置了平原地形和山地地形兩種場景，模擬了在這些不同地形下的風(fēng)速，不同地形下的風(fēng)速相對變化比如圖2所示。從圖2中可以看出，平均風(fēng)速的曲線與室外風(fēng)速放大系數(shù)的曲線幾乎一致。其中錯列式地形的平均風(fēng)速相對變化比最大，達到了31.25%。與行列式、斜列式以及圍合式地形相比，分別提高了6.88%、6.25%和11.58%。從最大風(fēng)速角度來看，錯列式地形的最大風(fēng)速相對變化比也是最大的，為28.50%。相較于行列式、斜列式以及圍合式地形，分別提高了1.70%、5.74%和8.83%。

為了更清晰地觀測不同地形影響下建筑布局的風(fēng)環(huán)境，研究對各地形下建筑布局的風(fēng)速進行了統(tǒng)計，不同地形下的建筑布局風(fēng)速對比如表2所示。從表2中可以看出，在山地地形中，無論是平均風(fēng)速、最大風(fēng)速還是室外風(fēng)速放大系數(shù)，都顯著大于平坦地形。對于平均風(fēng)速，以圍合式地形在山地環(huán)境中的風(fēng)速最為明顯，達到了1.35m/s。而在最大風(fēng)速方面，行列式地形在山地環(huán)境中的風(fēng)速最大，數(shù)值為2.36m/s。在室外風(fēng)速放大系數(shù)方面，圍合式地形在山地環(huán)境中的放大系數(shù)最高，值為1.23。因此，考慮平均風(fēng)速和室外風(fēng)速放大系數(shù)，在山地環(huán)境中的圍合式地形將是更合適的選擇。

3結(jié)束語

為了優(yōu)化綠色建筑的性能和生態(tài)效益，分析了綠色建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響。針對水面和地形與風(fēng)環(huán)境的關(guān)聯(lián)進行研究，使用了CFD進行模擬驗證。結(jié)果顯示，自由式布局在風(fēng)速方面表現(xiàn)最佳，最大風(fēng)速比達到1.94，較其他布局方式提升了4.63%至8.24%。舒適風(fēng)區(qū)面積占比最大，達到71.02%，較其他布局方式提升了11.15%至18.95%。在所有地形中，錯列式地形的風(fēng)速相對變化比最大，平均風(fēng)速相對變化比達到31.25%，最大風(fēng)速相對變化比達到28.50%，分別較其他地形提升了1.70%至11.58%。圍合式地形在山地環(huán)境中的風(fēng)速表現(xiàn)優(yōu)異，平均風(fēng)速最大，達到1.35m/s；室外風(fēng)速放大系數(shù)最高，達到1.23。行列式地形在山地環(huán)境中的風(fēng)速最大，達到2.36m/s。綠色建筑與風(fēng)環(huán)境設(shè)計的融合，對提升風(fēng)環(huán)境的舒適度和安全性有積極效果。