基于CFD的夏热冬暖地区高校校园室外风环境模拟分析与设计优化——以汕头大学东校区项目（三期）规划设计方案为例

郭嘉 李贤泽

1 华南理工大学建筑设计研究院有限公司

2 华南理工大学建筑学院

室外风环境是大学校园环境评估非常重要的一环，我国南方夏热冬暖地区长夏无冬，夏季高热高湿的气候特点很大程度限制了学生的户外活动。如何在校园规划设计阶段科学合理地利用室外空气流动带走多余热量，提高行人级（1.5m高处）人体舒适度具有很高的研究价值。同时，通过对既有大学校园规划设计理论研究和众多校园规划分析后发现，一个校园的规划设计格局更多取决于校园自身的决定性因素，而风环境不作为影响校园规划设计格局的决定性因素。所以，针对校园风环境的模拟研究应该在保证用地指标和校园整体规划设计格局理念不变的前提下进行，这才会对提高校园风环境相关模拟研究方法的普适性有重要的实用意义。

1 项目概述

研究围绕汕头大学东海岸校区（三期）规划设计展开，项目位于广东省汕头市华侨经济文化合作试验区东海岸新城塔岗围片区，校区紧临汕头东外海湾。根据《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005），汕头地区为夏热冬暖，夏季温高湿重是普遍特点。校园前期规划西侧为教学区，东侧为开放共享区，其间打造为校园中心景观区（图1，2）。规划格局在设计之初就得到了校方的高度认可，也成为了贯通整个项目设计过程的核心理念。

1 校园前期规划设计总平面图

2 校园规划分区示意

2 数值模拟及评价标准

2.1 计算标准及校园模型的建立

研究根据初期校园规划设计方案，利用Rhino建模软件建立整体校园模型，然后将模型导入Phoenics2015软件中进行计算设置。根据《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449—2018）中关于物理建模的要求，将三期校园建筑群周边1H～2H（模拟校园建筑群特征高度定义为H）范围内的二期生活区部分楼宇也纳入建模范围，以提高模拟计算的准确性。

2.2 计算区域及网格划分

网格的划分与计算区域范围的大小与计算结果的准确性有很大关系。本研究以模拟校园建筑群特征高度H，确定了模拟计算区域范围，计算域尺寸为1 500m×1 500m×350m，满足规范要求（图3）。计算区域设定后，需要进行网格的划分。为了节省计算时间并提高准确性，计算模型沿x、y轴方向采用了非均匀的渐变网格布置方式，网格膨胀率设置为1.2，最终形成外疏内密的网格布置结构（图4）。

3 校园整体模型计算区域示意

4 网格划分示意

2.3 边界条件设置

研究中，夏季典型工况气象参数参考《民用建筑绿色性能计算标准》附录B：夏季盛行西南风偏西风（WSW），风速为3.3m/s。湍流计算模型采用标准k-ε模型，流入边界条件符合高度方向上的风速梯度分布，其变化规律采用指数律作为风速剖面的表达式（式1）。由于校园区位属于近海地区及城市郊区，场地较空旷且平坦，根据《民用建筑绿色性能计算标准》，风速梯度分布幂指数(α)取值为0.12（表1）。

式中：V为高度为Z处的风速，VR、ZR为标准高度10m处的平均风速和标准高度。α为地面粗糙度指数，项目位于近海地区，α值取0.12。

表1 风速梯度分布幂指数（α）

2.4风环境评价标准

我国目前还没有关于风速标准的详细规范，研究通过参考《绿色校园评价标准》（GB/T 51356—2019）、《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）、《绿色建筑评价技术细则》（GB 50378—2014），整理出以下行人高度的风环境重要评价标准：1）冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区距地高1.5m处风速低于5m/s，户外休息区、活动区风速小于2m/s，且室外风速放大系数小于2；2）夏季典型风速和风向条件下，校园场地内人活动区无涡旋或无风区。

此外，通过对Simiu E、吴恩融、邹芳、叶青[1-4]等众多学者的文献研究及整理相关研究成果，本文将采取以行人风速相对舒适度（表2）和热舒适度（表3）为主要判断标准的判断评价方法对模拟结果进行评判。同时，通过研究易晓列、沈建钰[5-6]等人的文献发现，在目前风环境评价体系中还有通过比较风速比（式2）指标来评价风环境是否优劣。相关研究人员认为由于在实际环境中，风速是不断变化的，若以单一瞬时风速来评判风环境优劣存在局限性，因此引入风速比的概念，用于描述风速在建筑影响下的变化情况，反映风环境通风性能的优劣[7]。

R=风速比，Vs=测点风速，v=初始风速

Tetsu Kubotaa通过研究得到以下结论：室外的 R＞2.0时，过大的风速会使人感到不舒适；当R＜0.5时，该地区的风速太低，不利于气体流动，进而对整个风环境造成不利影响[7]。

3 最初版规划方案模拟结果分析

最初版规划布局方案中，校园被分为教学区（校园西侧科研教学组团）、开放共享区（图书馆、学习中心、师生活动中心组团）及中心景观区。整体而言，在夏季主导WSW风向和3.3m/s风速的情况下，校区风速范围为0.024～6.036m/s。除了在校前区的教学楼和行政办公楼建筑转角处风速达到了6m/s，校园大部分地区风速都处于5m/s以下，满足行人安全需求。

此外，通过风速矢量分布图（图5b）分析，在教学科研组团背风面出现了较大面积的无风区和涡旋区（图5b红框内），图5a中现状风速云图显示一部分中心景观区风速处于1.0m/s以下，其中部分区域（图5a点1～4）风速小于0.3m/s，风速比小于0.5。按照人体热舒适度与风速关系表，该区域属于滞风区，行人基本感受不到空气的流动。校园中心景观区作为教学区与开放共享区的沟通纽带，是校园师生重要的户外交流活动场所，夏季时间长、温高湿重的气候特点势必会影响在其中活动师生的热舒适度，导致场所的使用频率下降，不符合《绿色校园评价标准》中关于夏季典型风速和风向条件下校园场地内人活动区无涡旋或无风区的评价要求标准。

5 最初版规划方案模拟结果

原始规划布局出现这些不利的结果，主要是因为建筑布局方案有不太完善的地方，如教学区南部（图5b箭头处）两栋科研教学楼间距偏小，导致整体中心景观区迎风面开口偏小，致使无风区和涡旋区面积较大。

4 组团层级优化调整

4.1 几何模型调整

针对不理想的模拟结果，需要对规划布局进行优化。在不改变上层规划理念及功能分区布局的大前提下，对校园规划进行组团层级调整优化：1）在保证用地指标不变的情况下，取消原校园前广场西侧公共实验教学楼，重新梳理教学区各建筑布局，结合用地指标调整组团建筑层数并根据相关规范和设计柱网关系调整各建筑间距，使得中心景观区获得更大的迎风区开口空间；2）开放共享区建筑整体往北移，将高层行政楼布局于校园最北侧，从而退让出校前区主入口广场，调整后得到优化版规划方案（图6）。

6 优化版规划方案

4.2 模拟结果分析

优化版规划方案中，校园中心景观区行人高度室外风环境对比最初版方案有了较大的改善，其无风区和涡旋区范围明显缩小（图7a红框处）。同时，根据风速矢量分布图显示（图7b），在夏季主导风向下，优化后的中心景观区形成了西南吹东北的良好通风通道（图7b所示）。此外，由于将高层行政楼调整至校园场地北侧，使得高层的风影区落在了校园用地范围外侧，减少了风影区在校园范围的投影面积（图7b红框处）。

7 优化版规划方案模拟结果

表2 行人舒适度与风速关系

表3 人体热舒适度与风速关系

8 建筑单体调整后效果图

9 剖面关系示意

10 优化版规划方案模拟结果

5 建筑单体层级进一步优化调整

5.1 几何模型调整

优化版规划方案仍存在一些问题：1）教学区建筑群组团背风区在中心景观区仍然形成了较大面积的无风区和涡旋区，普遍风速小于0.3m/s（图7b点1～4）；2）各教学实验楼单体建模未考虑形体的导风设计，而是形成简单围合封闭的“回”字形，导致各教学区建筑单体中庭模拟结果反馈均是静风区。通过对郭卫宏、王婕[8-9]等文献研究，建筑单体首层架空和形体立面开洞等设计手法均能有效引导自然通风，从而改善建筑楼群的风环境。以上均仍未达到《绿色校园评价标准》《绿色建筑评价标准》等规范规定的要求，因此需要从建筑单体层面进一步优化。

在保证建筑容积率和主要建筑形体不变的情况下，尝试对教学实验楼单体进行形体调整（图8，9）：1）建筑主体总面宽由73m调整为63m，同时建筑主体位置西移；2）在原教学实验楼主体建筑东侧（容易产生背风区的区域）布置2层高的阶梯教室、报告厅及共享游廊交通空间；3）在建筑形体的迎风面采取局部首层架空处理。

5.2 模拟结果分析

经建筑单体层级的进一步优化后，校园中心景观区的风环境有了明显改善，无风区和涡旋区已大幅度减少（图10a红框位置），整个校园形成了由西南向东北的良好通风通道（图10b），中心景观区风速大约1.01～3.01m/s，风速比0.3～0.91。同时，由于教学实验楼的迎风面设计为首层局部架空，模拟结果显示中庭内的静风区明显减少，风环境质量明显有所提升。通过对模拟计算结果整体分析并按照行人风速相对舒适度和热舒适度评估分类，师生们在夏季校园中心景观区及其他重要室外活动场地都能获得比较舒适且利于室外活动的风环境，证明了针对建筑单体层面的系列优化调整均有效。

6 结语

本文通过 CFD数值模拟软件对汕头大学东海岸校区（三期）规划设计方案风环境进行仿真模拟，将模拟结果反馈校园规划设计布局及建筑单体形体设计，从而在规划设计阶段有效预测并改善校园室外风环境质量，为其他夏热冬暖地区校园规划或改造设计、校园风环境优化及校园空间环境质量的提升提供重要的设计参考。

图片来源

表1～3来源于《民用建筑绿色性能计算标准》；图1～3，6，8，9为自绘；图4，5，7，10为计算模拟软件导出。