本發(fā)明涉及一種高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法，具體涉及一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法，屬于建筑風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，(超)高層建筑大量涌現(xiàn)，且建筑形式日趨多樣化。近年來(lái)，一種新型的建筑形式——多塔連體高層建筑越來(lái)越受到建筑師們的青睞，它較好地滿足了建筑功能日益多變的要求。對(duì)于多塔連體高層建筑，各塔樓之間通常由高空露天平臺(tái)連接形成。由于塔樓之間的間距較小，氣流流經(jīng)高空平臺(tái)時(shí)存在“狹管效應(yīng)”，對(duì)局部風(fēng)速有放大作用；此外，來(lái)流風(fēng)速隨建筑高度的增加而增大，即高空平臺(tái)的來(lái)流風(fēng)速通常很大。因此，高空露天平臺(tái)可能存在嚴(yán)重的行人風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，易引起行人產(chǎn)生風(fēng)不舒適感、甚至發(fā)生危險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)高空露天平臺(tái)的行人風(fēng)環(huán)境進(jìn)行正確地預(yù)測(cè)及評(píng)估，并對(duì)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

CFD數(shù)值模擬是研究建筑風(fēng)環(huán)境的主要方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展、湍流模型的改進(jìn)和計(jì)算方法的進(jìn)步，CFD數(shù)值模擬方法在建筑風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已成為具有戰(zhàn)略意義的發(fā)展方向。相比于風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)成本低、周期短、效率高，且可精確控制流動(dòng)條件；(2)不受建筑模型尺寸和構(gòu)造的影響，可進(jìn)行全尺寸模擬，有效地解決了風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)中模型簡(jiǎn)化、縮尺比過(guò)小、測(cè)量點(diǎn)過(guò)少等問(wèn)題；(3)CFD數(shù)值模擬可利用豐富的可視化工具，能提供風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)不便或不能獲得的流場(chǎng)信息，有助于研究問(wèn)題的本質(zhì)和機(jī)理。

高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境的評(píng)估方法主要包括風(fēng)速比評(píng)估法、相對(duì)風(fēng)舒適度評(píng)估法和超越閾值概率評(píng)估法等。一般而言，風(fēng)速比評(píng)估法和相對(duì)風(fēng)舒適度評(píng)估法均存在評(píng)估結(jié)果精度較差的問(wèn)題，而超越閾值概率評(píng)估法則在考慮人的舒適性和安全性需求、及當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，采用最大容許超越概率的方式考慮了風(fēng)速的隨機(jī)特性，是目前最為準(zhǔn)確的評(píng)估方法。由于超越閾值概率評(píng)估法需要結(jié)合氣象資料，且算法相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受限。此外，基于超越閾值概率評(píng)估法的風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)較多，目前還沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一，在一定程度上也限值了其應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、模型簡(jiǎn)化、縮尺比過(guò)小，且現(xiàn)有風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法精度不足的問(wèn)題，進(jìn)而提出一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明所述評(píng)估方法的具體步驟如下：

步驟一、采用大型商業(yè)軟件ICEM CFD建立擬評(píng)估某多塔連體高層建筑的足尺數(shù)值計(jì)算模型，并依據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《城市風(fēng)環(huán)境的CFD數(shù)值模擬最佳實(shí)踐指南》COST Action 732中對(duì)最小計(jì)算域的要求來(lái)設(shè)置CFD數(shù)值模擬的計(jì)算域；采用混合網(wǎng)格來(lái)離散計(jì)算域，并采用邊界層網(wǎng)格對(duì)平臺(tái)附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密；

步驟二、制定CFD數(shù)值模擬的計(jì)算工況，研究不同氣動(dòng)措施對(duì)高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的改善效果；

步驟三、進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，獲得不同參數(shù)工況下多塔連體高層建筑模型的高空露天平臺(tái)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_i和風(fēng)速比U_i/U_r，并利用式①確定各風(fēng)向角下實(shí)際多塔連體高層建筑的高空露天平臺(tái)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_i,site與10m高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_10,site的比值r_M：

公式①中，U_r為CFD數(shù)值模擬的參考高度平均風(fēng)速；U_r,site表示實(shí)際高層建筑參考高度Z_ref處的小時(shí)平均風(fēng)速；α表示指數(shù)律風(fēng)剖面的地面粗糙度指數(shù)；

步驟四、基于風(fēng)速比r_M，將風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(本發(fā)明采用NEN 8100評(píng)估標(biāo)準(zhǔn))中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr轉(zhuǎn)換為實(shí)際高層建筑10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M：

公式②中，U_thr表示NEN 8100風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值；

步驟五、統(tǒng)計(jì)并分析擬評(píng)估多塔連體高層建筑的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，確定十六個(gè)風(fēng)向角下良態(tài)風(fēng)的風(fēng)向頻率及風(fēng)速概率分布函數(shù)；氣象資料包括10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向；θ風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過(guò)小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M的概率為：

公式③中，θ＝1，2，3，…，16，表示氣象學(xué)中常用的十六個(gè)風(fēng)向角編號(hào)，風(fēng)向角間隔為22.5°；A_θ為風(fēng)向角θ的風(fēng)向頻率；c_θ和k_θ分別為風(fēng)向角θ時(shí)Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；

步驟六、累加所有風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過(guò)小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M的概率，即該風(fēng)速閾值的超越概率：

步驟七、基于全風(fēng)向角下的超越概率P(U>U_thr,M)，并結(jié)合NEN 8100評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的最大容許超越概率P_max，評(píng)估高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性與安全性。

本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明的方法通過(guò)結(jié)合某多塔連體高層建筑的高空露天平臺(tái)行人高度的氣動(dòng)信息、當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料和具有一定保證率的風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等三方面，全方位、詳細(xì)地考慮了具有不同氣動(dòng)改善措施的高空露天平臺(tái)、不同地區(qū)差異和不同行人活動(dòng)的不同感受的影響，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多塔連體高層建筑的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境的準(zhǔn)確定量評(píng)估；2、本發(fā)明的風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法，可為高空露天平臺(tái)的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免行人通行時(shí)產(chǎn)生不舒適感或者發(fā)生危險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估流程圖，圖2是多塔連體高層建筑的CFD數(shù)值計(jì)算模型，其中圖2a是多塔連體高層建筑的整體模型示意圖，圖2b是多塔連體高層建筑的含塔樓的平臺(tái)截面尺寸示意圖，圖3是計(jì)算域大小示意圖，其中圖3a是計(jì)算域高和長(zhǎng)的示意圖，圖3b是計(jì)算域?qū)捄烷L(zhǎng)的示意圖，圖4是計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖，圖5是高空露天平臺(tái)表面的邊界層網(wǎng)格示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的具體步驟如下：

步驟一、采用大型商業(yè)軟件ICEM CFD建立擬評(píng)估某多塔連體高層建筑的足尺數(shù)值計(jì)算模型，并依據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《城市風(fēng)環(huán)境的CFD數(shù)值模擬最佳實(shí)踐指南》COST Action 732中對(duì)最小計(jì)算域的要求來(lái)設(shè)置CFD數(shù)值模擬的計(jì)算域；采用混合網(wǎng)格來(lái)離散計(jì)算域，并采用邊界層網(wǎng)格對(duì)平臺(tái)附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密；

步驟二、制定CFD數(shù)值模擬的計(jì)算工況，研究不同氣動(dòng)措施對(duì)高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的改善效果；

步驟三、進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，獲得不同參數(shù)工況下多塔連體高層建筑模型的高空露天平臺(tái)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_i和風(fēng)速比U_i/U_r，并利用式①確定各風(fēng)向角下實(shí)際多塔連體高層建筑的高空露天平臺(tái)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_i,site與10m高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_10,site的比值r_M：

公式①中，U_r表示CFD數(shù)值模擬的參考高度平均風(fēng)速；U_r,site表示實(shí)際高層建筑參考高度Z_ref處的小時(shí)平均風(fēng)速；α表示指數(shù)律風(fēng)剖面的地面粗糙度指數(shù)；

步驟四、基于風(fēng)速比r_M，將風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(本發(fā)明采用NEN 8100評(píng)估標(biāo)準(zhǔn))中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr轉(zhuǎn)換為實(shí)際高層建筑10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M：

公式②中，U_thr為NEN 8100風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值；

步驟五、統(tǒng)計(jì)并分析擬評(píng)估多塔連體高層建筑的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，確定十六個(gè)風(fēng)向角下良態(tài)風(fēng)的風(fēng)向頻率及風(fēng)速概率分布函數(shù)；氣象資料包括10m高度處的小時(shí)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向；θ風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過(guò)小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M的概率為：

公式③中，θ＝1，2，3，…，16，表示氣象學(xué)中常用的十六個(gè)風(fēng)向角編號(hào)，風(fēng)向角間隔為22.5°；A_θ為風(fēng)向角θ的風(fēng)向頻率；c_θ和k_θ分別為風(fēng)向角θ時(shí)Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；

步驟六、累加所有風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速U超過(guò)小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M的概率，即該風(fēng)速閾值的超越概率：

步驟七、基于全風(fēng)向角下的超越概率P(U>U_thr,M)，并結(jié)合NEN 8100評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的最大容許超越概率P_max，評(píng)估高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境的舒適性與安全性。

步驟二中針對(duì)3m擋風(fēng)板的不足之處，基于“擋”、“導(dǎo)”、“隔”的流動(dòng)控制思路，采用了5m高擋風(fēng)板、5m高擋風(fēng)板+1m高導(dǎo)流板、5m高擋風(fēng)板+1m高抑流板、雙層擋風(fēng)板、擋風(fēng)板+遮風(fēng)板等不同的氣動(dòng)控制措施，探究不同氣動(dòng)措施對(duì)高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的改善效果。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟一中采用的計(jì)算域依據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《城市風(fēng)環(huán)境的CFD數(shù)值模擬最佳實(shí)踐指南》COST Action 732中對(duì)最小計(jì)算域的要求來(lái)設(shè)置的，即計(jì)算域的輪廓尺寸滿足寬×高×長(zhǎng)＝5H×6H×20H，其中計(jì)算模型前方5H，后方15H的要求。計(jì)算域的阻塞率為0.48％。

計(jì)算域采用混合網(wǎng)格離散，即在計(jì)算模型周圍設(shè)置一個(gè)小計(jì)算域，小計(jì)算域內(nèi)部采用較小尺寸的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，而小計(jì)算域外部則采用較大尺寸的分塊均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。此外，為確保高空露天平臺(tái)行人高度處的數(shù)值計(jì)算精度，采用邊界層網(wǎng)格對(duì)平臺(tái)附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證高空露天平臺(tái)行人高度下方具有3層以上網(wǎng)格。不同參數(shù)工況下的網(wǎng)格總數(shù)約為500萬(wàn)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟三和步驟四中高空露天平臺(tái)行人高度的小時(shí)平均風(fēng)速U_i和風(fēng)速比U_i/U_r小時(shí)平均風(fēng)速比值r_M和小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr,M均為描述高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境的氣動(dòng)信息的參數(shù)，行人高度是指高空露天平臺(tái)以上2m高度。

步驟三中采用我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2012)中的B類地貌剪切流(包括平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面)，作為CFD數(shù)值模擬的入流邊界條件。采用Realizable k-ε湍流模型來(lái)封閉RANS方程，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式分別選用二階迎風(fēng)格式和二階中心差分格式，壓力速度耦合方程采用SIMPLE算法求解。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟五和步驟六中十六個(gè)風(fēng)向角下Weibull分布函數(shù)的參數(shù)，包括風(fēng)向頻率A_θ、尺度參數(shù)c_θ和形狀參數(shù)k_θ，是由多塔連體高層建筑所在地區(qū)的氣象資料統(tǒng)計(jì)分析得到的。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于CFD數(shù)值模擬的高空露天平臺(tái)行人風(fēng)環(huán)境評(píng)估方法的步驟四和步驟七中的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr和最大容許超越概率P_max均由荷蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NEN 8100給出。該風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)行人的不同感受將風(fēng)環(huán)境評(píng)估分為舒適性評(píng)估和危險(xiǎn)性評(píng)估，同時(shí)又根據(jù)行人的不同活動(dòng)進(jìn)行細(xì)分，對(duì)應(yīng)于不同的小時(shí)平均風(fēng)速閾值U_thr和最大容許超越概率P_max。通過(guò)比較各測(cè)點(diǎn)的超越概率P(U>U_thr,M)與最大容許超越概率P_max，實(shí)現(xiàn)對(duì)舒適性水平和危險(xiǎn)性水平的準(zhǔn)確定量評(píng)估。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。