福建沿海历史街区风荷载特性数值模拟与风险防控方法

任兰红，曾 坚，曾穗平，刘 祥

(1.天津大学 建筑学院，天津 300072；2.天津城建大学 建筑学院，天津 300384；3.同济大学 建筑与城市规划学院博士流动站，上海 200092)

地处我国东南沿海的福建是台风灾害易发的区域之一，由于历史街区是宝贵的历史文化资源，对福建沿海历史街区台风风险防控的研究具有重要的理论意义与实践价值。

已有文献对福建沿海历史街区的研究主要侧重于空间与场所特征、建筑修复[1]等，鲜有台风灾害层面的研究。国内外对建筑风场与风荷载特性的研究取得长足进展，基于计算流体力学(CFD)定量研究建筑(群)的风荷载特性是其重要的研究方向之一。殷志祥[2]运用Fluent模拟、分析不同干扰因素对体育场馆建筑群屋面风荷载干扰机理，研究表明270°风向角时体育馆屋面受到的干扰影响最显著，体育场开口较无开口时屋面风荷载放大干扰现象显著。LI Gang[3]通过数值模拟提出高度相同的低矮建筑檐口处的干扰效应最显著，串联干扰程度最大，其次为交错布置，再次是并行布置。Hatem[4]对9个不同尺寸的大型低矮建筑不同风向的风荷载进行分析，研究表明建筑尺寸对屋面风荷载影响显著，建议对于大尺寸的低矮建筑风荷载进行特殊计算，着重考虑屋面边缘与角落区。GA Kopp[5]提出扰流板式与空隙式女儿墙能显著降低屋面整体风荷载，升高女儿墙角部区域高度可减小屋面整体风荷载。汪汛等[6]运用ANSYS Fluent软件对传统的重檐歇山顶的风压与风场进行数值模拟，提出迎风面重檐转角位置产生最大负压系数，相对曲面屋顶，直线斜坡屋面降低屋面和重檐处气流速度，但将增大重檐间气流速度，同时给出了重檐歇山屋面和重檐抗风设计的风荷载体型系数建议值。单文姗[7]从风压分布与作用机理角度分析屋面举折、屋脊高度、重檐等典型中国古建形体特征对双坡与四坡屋面风荷载的影响规律。因此，运用CFD对传统建筑进行风荷载特性数值模拟是一个可拓展的研究方向，具有实际应用意义。

上述研究对象通常为建筑单体或简单的数个建筑组合，当前对较大范围的街区尺度的风荷载特性研究鲜有涉及，为此本文采用得到广泛应用的CFD求解器之一ANSYS Fluent 17.0对福建沿海典型的历史街区的风压特性进行数值模拟，对其抗风性能进行研究，以期为风灾敏感的历史街区的抗风优化设计提供参考。

1 研究区概况和历史街区特点分析

福建沿海位于亚热带海陆过渡带，地理特点是“依山傍海”，90%的面积是丘陵。气候为亚热带海洋性季风气候，7-9月的台风季是受热带气旋影响最集中的时段。

福建沿海的地理位置特征、地形特色、特定的气候以及传统的多元文化共生与近现代中西文化交融的共同作用，促使福建沿海历史街区具有多元、鲜明的地域特征。以影响街区空间形态及风荷载的重要因素之一的路网体系为标准提取两种历史街区类型：方格路网历史街区与不规则路网历史街区(表1)作为本文研究对象。

表1 福建沿海历史街区按路网类型分类

2 数据来源与模拟方法

2.1 计算公式与研究对象

(1)模型选取

本研究选用RNGk-ε湍流模型进行数值模拟，通过修正湍流黏度，并且考虑平均流动中的旋转以及旋流流动可以更加好地处理高应变率以及流线弯曲度较大的流动，进而使得数值模拟的结果更加准确。RNGk-ε湍流模型对建筑风场研究的适用性已经被多位学者[6-7]验证，其流体控制微分方程为：

(1)

(2)

(2)风压系数

风压系数是无量纲常数，不同垂直面上所形成的风压与按建筑物高度上的风速计算所得的动压之比为风压系数。以模型屋檐高度H处的风压作为无量纲化的参考风压，则某一点的风压系数为：

(3)

式中：pw,m为模型表面某一点的风压；ρα为空气的质量密度；vH为屋檐H高度处的平均风速。

(3)研究模型

文中涉及到的研究对象模型共3个(表2)。

表2 CFD数值模拟模型汇总

2.2 计算域与网格设置

计算域高度取7倍建筑高度，长度、宽度均为建筑群体边长的6倍，建筑物位于流域前1/3处，以保证尾流充分发展，所有模型控制阻塞比不超过3%。该计算区域的网格划分采用非结构化四面体网格，采用由疏到密的网格划分方法，对建筑和近地面区域进行适当加密，其它区域网格逐渐稀疏。

2.3 风速与风向选取

魏应植[8]提出登台入闽型是发生频率最高的路径，雷鹰[9]对登台入闽、登陆地点为的厦门的台风风场的风向进行实测得到台风风向主要为NNE22.5°与ENE67.5°，即本文数值模拟的风向。据厦门气象统计得出超强台风在登录台风中比例最大，因此以超强台风的最低值51.0 m/s为确定风速的依据。

2.4 边界条件设置

气体选用不可压缩的常密度空气模型，地面粗糙度选B类地区，为0.16；来流入口边界条件采用速度入口，出口边界条件采用完全发展的出流边界条件；计算域顶部以及两侧采用自由滑移的壁面条件；建筑表面与地面采用无滑移的壁面条件；采用残差小于10-4时作为收敛判断标准。

3 结果与分析

影响街区风荷载的因素主要包括建筑密度、高度、街道形态(高宽比、走向)、路网形式及风向，根据三坊七巷和云霄和平路历史街区现状，排除两者共同的高密度、低矮建筑的因素外，以下主要从表征街区形态重要特性的街道形态(高宽比、走向)和路网形式(方格路网、不规则路网)两个方面探讨风压系数，尤其是对建筑造成破坏的屋面极值负压系数(屋面是建筑中易损部位，其损坏原因通常是由于极值负压在屋盖表面产生的强大吸力)的空间分布特征进行分析。

图1 3种典型高宽比街道不同风向下风压系数分布

3.1 街道形态对风压系数的影响

街道走向对风压系数的影响主要包括街道高宽比及街道与风向所成夹角。Oke提出风垂直于街道时，不同高宽比的街道产生孤立粗糙流、尾流扰流与爬越流[10]三种气流结构。Chang[11]获取了3种不同高宽比的流场机理：风垂直于街道时，街道高宽比0.17、0.25、1分别对应产生孤立粗糙流(建筑之间产生的旋涡基本不存在相互作用)、尾流扰流(上风向建筑背风面产生的旋涡与下风向建筑迎风面产生的旋涡产生相互作用)和爬越流(大部分气流从屋面略过)。

以下选取两个街区中产生上述3种气流结构的单一街道(见表2)，兼顾不同风向角，即包含0°、22.5°、45°、67.5°及90°风向(正北方向为0°，顺时针为正，下同)，探讨不同高宽比的街道在不同风向下建筑表面极值风压系数的分布特征。

图2 3种典型高宽比街道不同风向下极值负压系数变化

图3 3种典型高宽比街道内部不同风向下极值负压系数变化/(°)

(4)不同高宽比街道极值正压系数特征。街道极值正压系数与风向和迎风面面积相关(图4)，当风向垂直于建筑时，0°风向的迎风面积较大面(北立面)产生的正压峰值远大于90°风向时面积较小面(东立面)的正压峰值(A0、B0、C0大于A2、B3、C3)。风向小于45°时，产生尾流干扰的高宽比街道(高宽比0.25)极值正压系数最小，高宽比最小时(高宽比0.17)极值正压系数最大；风向逐渐接近90°，即与街道平行时，极值正压系数的产生与高宽比成正比(建筑距离越近，加剧迎风面正压)，高宽比为1.33的街道产生最大极值正压系数(B3)。高宽比为0.25和1.33均在45°风向产生最小极值正压系数(B1和C1)，高宽比为0.17则在67.5°时达到最低值(A1)，可知最小高宽比的极值正压系数降低幅度最大。

图4 3种典型高宽比街道不同风向下极值正压系数变化

3.2 方格路网与不规则路网的街区风压系数特性分析

三坊七巷与和平路历史街区均为高密度低矮街区，街区内建筑高度差异小，除少量主干道与局部开敞空间外，街巷高宽比以大于1为主(风向与建筑垂直时气流主要从屋面掠过，即爬越流)，风压系数极值主要受到历史街区邻近区域高层建筑、开敞空间和道路走向的影响(图5、图6)。以下结合图5、图6对两个历史街区中容易产生极值风荷载，即易受到风致破坏的极值风压系数特征进行分析。

图5 NNE、ENE风向下三坊七巷建筑风压系数

图6 NNE、ENE风向下和平路历史文化街区风压系

图7 测点极值风压系数

图8 不同历史街区街道走向与风向分析

3.2.1 高层建筑影响下的极值风压系数特征

结合图5可知，三坊七巷在ENE67.5°风向时②区域产生极值正压系数，对建筑破坏最大，其形成的原因，首先是风向与高层建筑的关系：将作用于北侧U形高层的风分解为垂直及平行于U形高层东立面的两个分量，由于垂直于U形高层东立面的分量较大，因此ENE67.5°风向较NNE22.5°风向作用在高层东立面产生的下行风强度高、影响范围大。其次，历史街区北侧U形高层为18层建筑，是历史街区周围最高的建筑，高层与历史街区高差显著、距离近，且迎风面积大，产生的下行风强度高，导致临近高层的街区受下行风影响产生正压系数极值。同理，三坊七巷东南区域③，其南侧为20m左右的多层建筑，NNE22.5°风向时，受到南侧多层建筑产生的下行风影响，产生较大的正压系数极值。另外，三坊七巷北侧U形高层南部的①区域在NNE22.5°风向时产生最高负压系数绝对值，由于风向在垂直U形高层北立面的分量最大，①区域受到U形高层风影区负压旋涡的作用，使屋面负压吸力显著增大。

和平路历史街区北侧高层附近区域①在NNE22.5°风向时，垂直于高层北立面的分量大，高层背风面形成较强旋涡，产生极值负压系数(图6)。ENE67.5°风向在垂直高层北立面的分量小，因此高层临近历史街区产生负压影响不明显。

3.2.2 道路走向与极值风压系数关系

由于影响三坊七巷与和平路历史街区风压系数的主要因素包括：建筑高度(街区周围)、开敞空间与街区道路走向，在单一变量基础上，选取不受高层建筑与开敞空间影响的区域(图5、图6)布置均匀测点，探讨三坊七巷与和平路历史街区在不同风向下道路走向对测点极值风压系数的影响(图7)。

3.2.2 开敞空间影响下的极值风压系数特征

气流与多排高密度低矮建筑、且高度一致的建筑垂直时，开敞空间处第一排建筑迫使气流向上抬升，前排建筑产生极值风荷载(如图6中②区域)，下风向的建筑处在由前面的建筑形成的气流盲区(弱气流区)，受到风致破坏强度低。而开敞空间处(较宽的道路、广场)由于上风向缺少建筑阻挡，致使建筑产生极值风荷载。以下以图5中不受高层影响区域的建筑至上风向建筑的距离与建筑高度比为自变量，以建筑极值负压系数为因变量，利用SPSS 软件得出极值负压系数与建筑间距/建筑高度的关系(图9)。

对应方差分析(ANOVA)

平方和自由度均方F显著性回归0.10620.530.000残差0.002100.000总计0.10812246.658

拟合曲线：y=0.013x2-0.213x+0.272(3.5

R2=0.980y=-5.8(x>5.8)

对应方差分析(ANOVA)

平方和自由度均方F显著性回归0.05920.0290.000残差0.00190.000总计0.16011252.801

拟合曲线：y=0.0088x2-0.147x-0.033(3.5

R2=0.983y=-6.5(x>5.8)

图9 极值风压系数与建筑间距/高度的关系

此外，历史街区中位于开敞空间处且建筑高度高于周围建筑的区域，如和平路历史街区沿街建筑③在两种风向下屋面均产生较高的极值负压系数绝对值，为不利抗风区域。

3.2.3 无高层、开敞空间影响同一风向下街区极值风压系数特征

排除高层建筑、开敞空间与不同风向的影响，考察固定风向条件下街道走向与极值风压系数的分布特征，利用SPSS软件中的双变量相关性分析对满足条件(和平路的街道在两种风向下以及22.5°风向时三坊七巷的街道与风向夹角均为固定单一值，不予考虑)的67.5°风向时三坊七巷不受高层、开敞空间影响的区域的街道走向和风向夹角(0°或90°，两个变量)与极值风压系数(正/负)的相关性进行求解(表3)。

由表3可得在风向为67.5°时，街道与风向夹角所形成的0°或90°两种变量对极值正压系数与极值负压系数的显著性分别为0.413和0.447，即不会对极值风压系数产生影响。因此，当风向与方格路网垂直时，高密度低矮建筑的风荷载极值与建筑所在的道路走向(平行或垂直)不相关。

4 讨 论

4.1 基于生态防风的历史街区绿化设计策略

(1)缓减开敞空间过大风荷载

由于开敞空间处的建筑通常为风荷载较大区域，可在建筑上风向设置绿化降低风荷载，已有学者[12]通过定量研究得出树木疏透率为30%～40%、树木高度与建筑一致，距建筑为2倍树木高度范围内对建筑风荷载的遮挡效应最佳。

(2)缓减高楼风

在高层与历史街区之间产生下冲风、角隅强涡处配置乔木和灌木，由高层至历史街区乔木高度由高到低，靠近历史街区的乔木高度与其建筑高度基本一致，可使下冲气流沿乔木形成的阶梯坡面依次下落而从历史街区屋面掠过，降低屋面风荷载。

4.2 基于布局防风的建设控制地带建筑优化方法

(1)高度控制

历史街区周围的高层对其风致破坏显著，因此要严格控制历史街区周围建筑高度，建设控制地带的建筑高度与历史街区建筑高度一致为最佳。当历史街区周围有较高的建筑时应进行CFD风荷载计算和评估，通常毗邻历史街区的高层至历史街区的距离至少为5倍高层建筑的高度[13]。

(2)建筑布局

临近历史街区的建筑布局可采用横向错列式或联排多进院落式，可避免街区周围建筑产生狭管效应而使下风向的风荷载增大；避免采用风向一致易产生狭管效应的喇叭口布局、贯通的行列式建筑布局。

5 结 论

(1)对于单一街道，全风向下高宽比(1.33)产生爬越流时极值负压系数绝对值最大，最大负压系数绝对值产生于风向与街道垂直且高宽比最大的条件下；随着风向由垂直于街道变为平行整体的负压系数绝对值和较大值范围均大幅度降低，同一高宽比街道的极值负压系数最大降低64.74%，平均降低了43.93%对缓减台风灾害有利。

(2)对三坊七巷与和平路历史街区造成风致破坏的最重要因素是临近历史街区的高层建筑带来的极值正压与负压系数，其次为开敞空间与街区道路走向。

(3)多条街道相交与单一街道走向与极值风压系数的耦合关系一致：当风向与道路夹角较小时，极值负压系数绝对值较小，利于防风；相反，当风向与主要道路夹角越接近90°时，极值负压系数绝对值越大，容易产生风荷载极大值。

表3 三坊七巷67.5°风向时街道和风向夹角(0°/90°)与极值风压系数(正/负)的双变量相关性

(4)极值负压系数绝对值在建筑间距/高度3.5-5.8时成正相关，拟合曲线为抛物线，在建筑间距/高度大于5.8时极值负压系数绝对值均趋于稳定值。

(5)当风向与方格路网垂直时，高密度低矮建筑的风荷载极值与建筑所在的道路走向(平行或垂直)不相关。

(6)福建沿海历史街区风灾防控的策略可从历史街区绿化配置和建设控制地带建筑与环境优化两方面建构。