第48卷第12期2020年12月
同济大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）
Vol.48No.12
Dec.2020
论
文
拓
展
介
谢壮宁，卢瑜，余先锋
（华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640）
摘要：对单个方形截面高层建筑底部区域12m范围内的行人高度风环境进行试验研究。研究了不同风向角下加速比、平均风速比等参数的分布与变化规律，并以广州为例，利用Lawson风环境评价准则对该区域处于强风下的风环境进行了评价。结果表明各风向角下的最大加速比大致相等，约为1.9，且均出现在建筑背风面角隅位置。平均风速比大于0.75的区域也出现在建筑背风面角隅，此处易引起行人风环境不适。建筑周围12m范围内风环境不适的区域面积在与墙面正交风向时达到最大，应重点关注下洗（Downwash）效应造成行人高度处风速增大的影响；在斜风向20°~70°范围内通风不利的区域面积较大，对空气污染物扩散不利。建筑迎风面和背风面角隅位置出现最大等效阵风风速，应当对建筑角隅区域行人活动加以限制或提醒。 关键词：高层建筑；行人风环境；风洞试验；风舒适性评估
中图分类号：TU023；TU317文献标志码：A Experimental Investigation on Pedestrian-level Wind Environment Around a High-rise Building
XIE Zhuangning，LU Yu，YU Xianfeng
（State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）
Abstract：The pedestrian level wind environment around a single square cross-sectional high-rise building（within 12meters of bottom area）was investigated in the wind tunnel，and the distribution and variation of the parameters such as speed-up ratio and R M（mean wind velocity ratio）at different wind direction angles were studied.Meanwhile，by employing the meteorological data of Guangzhou and the Lawson criterion of wind comfort，the pedestrian level wind environment under strong wind in this region was evaluated.The results show that the maximum speed-up ratios at different wind direction angles are approximately equal to1.9，and all appear at the corner of the leeward side of the building.The areas with the R M greater than0.75also appear at the corner of the leeward side of building，which is likely to cause pedestrian wind discomfort.Besides，the area of pedestrian wind discomfort is the largest when the wind direction is perpendicular to the wall.Attention should be paid to the increase of wind speed caused by the downwash effect at pedestrian level.In the wind direction angle range of20to70degrees，the area with unfavorable ventilation is quite large，which may cause adverse results in diffusion of air pollutants.The greatest gust equivalent mean wind speed appears at the corners of the windward and leeward sides of the b
uilding，and pedestrian activities in these areas should be restricted or reminded. Key words：high-rise building；pedestrian wind environment；wind tunnel test；wind comfort assessment 近年来，高层建筑底部区域的行人风环境问题日益受到关注。高层建筑的建成不可避免地改变了原空旷地块的风场特性，可能对行人舒适度甚至行人安全造成不利影响。
行人风环境作为建筑周围流场特性分析的一部分，近50年来取得了一些重要研究成果［1］。Wise［2］发现建筑迎风面部分高速气流会从建筑上部冲击至地面，造成建筑周围行人高度处的风速增大，进而影响行人舒适度和安全性。Beranek和Van Koten［3］通过矩形截面建筑模型风洞试验，分析了建筑周围流场的三维特性，指出建筑周围流场中风速受两种压力系统影响：第一种是由建筑迎风面驻点处高压区向四周低压区扩散，向下气流在地面高度形成驻涡并在建筑角部位置增大原有风速；第二种是由于迎风面高压区和背风面低压区之间的压差，使得建筑侧面风速增大，气流在近地面出现回流现象，导致靠
水培鱼缸文章编号：0253‐374X（2020）12-1726-07DOI
DOI：10.11908/j.issn.0253-374x.20197
收稿日期：2020-05-24
基金项目：广东省教育厅特创新项目（2018KTSCX004）；亚热带建筑科学国家重点实验室开放基金（2019ZB28）第一作者：谢壮宁（1963—），男，工学博士，教授，主要研究方向为结构风工程。E-mail：znxie@scut.edu
通信作者：余先锋（1985—），男，工学博士，讲师，主要研究方向为结构风工程。E-mail：ctxfyu@scut.edu.
cn
第12期谢壮宁，等：高层建筑底部区域行人风环境试验研究
近建筑背风面的两侧区域形成较大漩涡，从而增大了建筑角部风速。Tsang等［4］通过风洞试验表明，截面更宽的单体建筑造成的遮挡效应更加明显，低风速区域面积也更大，而更高的建筑有助于改善建筑周围的风速过低而造成的通风不利问题。Quan等［5］等采用计算机数值模拟方法并结合Lawson风环境评价准则对某体高层建筑风环境进行研究，结果表明在建筑角隅处5~10m范围内的过大风速会对行人安全有潜在隐患。Mittal和Sharma［6］利用数值模拟和风洞试验研究了建筑外角形状及朝向对行人风环境的影响，研究表明建筑外角及朝向的合理设置有助于改善建筑周围行人风环境，同时指出采用可实现的k⁃ε模型模拟结果中的高风速区域以及经修正湍流参数的标准k⁃ε模型模拟结果中的低风速区域与风洞试验结果较吻合。
综上所述，目前对建筑周围行人风环境的试验研究主要集中在由建筑影响造成的高、低风速区域分布，极少关注特定区域（如建筑周边10m左右范围）的行人风环境。事实上，建筑周边10m左右范围的特定区域是人们经常出入和活动最为集中的区域，其风环境评估是值得关注的重要问题。此外，风向角多以22.5°为增量进行设置［6-7］。随着计算机软硬件的发展，CFD（computational fluid dynamics）数值模拟逐渐兴起并成为行人风环境研究的重要手段之一，然而为了兼顾计算资源和计算
精度，通常采用RANS（Reynolds averaged navier-stokes）方法进行求解，在邻近建筑区域的风速会因选取模型的不同而被过高或过低估计。
文中针对单个方形截面超高层建筑为研究对象，风向角采用10°为间隔进行多工况风洞试验，研
究建筑底部区域12m范围内行人高度风速场分布，以期合理评估行人舒适度和行人安全。
1风洞试验概况
试验是在华南理工大学的大气边界层风洞中进行的，行人高度处风速采用Irwin探头测量，试验设置见图1。试验模型几何缩尺比为1：200，建筑模型高90cm，截面尺寸为15cm×15cm，最外侧风速探头距建筑模型立面为6cm，即模拟和测量高度为180m、截面尺寸为30m×30m的超高层建筑周围12m范围内的行人风环境。
风洞试验由两部分组成：在不同风向角下，测量单体建筑模型底部目标区域各测点行人高度处的风速场；测量无建筑模型时，相应风向角下目标区域各测点的风速分布。在建筑周围布置了44个欧文（Irwin）探头，探头的示意图和布置图分别见图2a和图2b。为防止Irwin探头之间气流相互干扰，探头布置满足纵向及横向分别不得小于12d和4d
的最小间图2Irwin探头及其布置
Fig.2Irwin probe and its arrangement(unit:
mm)
图1风洞试验设置
Fig.1Experimental setup
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距要求［8］。0°风向角方向如图2b 所示，初始来流由图正右向左，风向角采用10°为间隔按顺时针方向增大，试验结果分析所用图均采用此参考系。
按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）模拟B 类地貌的大气边界层流场，平均风速剖面和湍流度分布的模拟结果见图3，图中V r 为参考高度180m 处的平均风速。
测点处风速V 值由Irwin 提出的公式［9］
进行计算如下：
V =α+β
P 1-P 2
（1）
式中：P 1为高出地面探针测得的风压值；P 2为与地面平齐探头测得的风压值；α、β为系数，其值与Irwin 探
头的构造、风场特性等因素有关，须在试验前对探头进行标定而得出。鉴于Cobra 探头具有测量风速精度高，正常使用无需校准等优点，将它用于对本次试验Irwin 探头进行标定，标定的过程参照有关文
献［4，8，10］。现有文献及本试验标定的系数见表1。
试验采用PSI 公司的Measurement 系统进行同步瞬态风压测量，采样频率330Hz ，采样时长约62s 。参考高度处平均风速为10m ·s -1，无建筑模型时Irwin 探头测得风速约为5m ·s -1。
2试验结果分析
二硫化物
2.1
加速比分析
由于建筑模型及测点布置的对称性，仅在0°~90°风向角范围测得了有、无模型情况下的行人高度处风速场。引入加速比K 以表征建筑物的存在对周围行人高度处风速的影响，加速比［12］定义如下：
K i =V w
V n （2）
式中：V w 表示存在建筑时测点i 处的风速；V n 表示不存在建筑时测点i 处的风速。K i 值大于1，说明建筑的存在对该测点处风速有加速效应，反之则为减弱效应。
图4给出了0°~80°风向角下K 值的等值线分布，通过对等值线图进行编程识别可得加速区域的面积。从图4可知：各风向角下最大加速比K m 约为1.9，均出现在建筑背风面的角隅附近，说明该区域
受建筑影响而产生的加速效应最为明显，且K m 与风向角无关，因此高层建筑应避免在建筑角隅附近设置出口，并对该区域行人活动加以提醒或限制；风向
角为0°时，加速区域面积约为68%，而风向角为40°及50°时分别为36%和37%，即45°风向角附近的加速区域面积大于0°风向角下的结果，这与前人试验结果［7］（其研究范围大于本试验的12m 区域）是不同的。2.2
平均风速比分析
风环境评价准则多以平均风速值作为阈值划分行人在不同活动下的舒适度及安全性［13-14］。测点i 处平均风速比R M 定义为
R M =
V i
V r
毛毡带（3）
式中：V i 和V r 分别为测点i 处和参考高度处的平均风速。由于不同规范及评价准则中参考风速和阈值风速的选取不尽相同，文中以屋顶高度处平均风速作为参考风速。分别取风速7.6m ·s -1和1.5m ·s -1作为“不适”及“通风不利”的风速阈值［15-16］，即当R M 大于0.75为不适，小于0.15为通风不利。不同风向角下，目标区域的R M 值变化如图5所示。由图可见，各风向角下，建筑背风面角隅位置R M 值均出现大于0.75的情况，说明此区域风速过大，是风环境不利位置，这与加速比分析结果是一致的。
为进一步表征“不适”和“通风不利”区域的相对范围大小，分别以R M 大于0.75和小于0.15的面积与研究区域面积的比值R 1和R 2作为判断标准。R
1
图3风场拟合结果
Fig.3
Flow condition of approach flow:velocity profile and turbulence profile
表1
系数α和β的标定
Tab.1
Calibration on the coefficients αand β
现有文献小麦草榨汁机
Irwin ［9］
Wu 和Stathopoulos ［8］
强氧化剂
Tsang 等［4］
Tse 等［11］
本试验α
0.75
0.28
0.01
0.74-0.06
β1.57
1.591.661.911.88
Irwin 探头构造尺寸（mm ）
d =1.65，h =1.65d =1.65，h =5d =1.65，h =10d =1.65，h =10d =1.50，h =5
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和R 2值随风向角变化如图6所示，从图中可以看出，各风向角下75%以上的面积风环境处于可接受范围。在0°~10°及80°~90°范围内，R 1值较大，即风向与墙面近乎正交时，由于风速过大容易引起行人“不适”。在20°~70°范围内，R 2值较大，即斜风向较正交风向更易导致空气污染物扩散不利，所幸的是R 2值仅为9%左右，风速过小造成的“通风不利”对单体建筑风环境的影响有限。总体上来看，不同风向角下高、低风速区域的相对面积变化情况相反，但二者之和（约为25%）大致相同。2.3
强风对行人的影响
瞬时强风同样会影响行人的舒适度，因此风环境评估应考虑阵风效应。下文将以阵风等效平均风速V G 对风洞试验结果进一步分析。阵风等效平均风速的概念由Lawson 提出［17］，取“平均风速”与“3s 阵风风速除以1.85”中较大的值作为等效阵风风
速V G 。文献［4］指出建筑周围行人高度风速具有非高
斯性，因此本文将采用“最值平均法”［4］
求出等效阵
风风速V G ，主要步骤如下：对同工况多次测量，获得多个独立样本；分别求出各样本中出现的最大风速值；对上述最大风速值取平均作为等效阵风风速。
参考平均风速比的定义，将等效阵风风速V G 与参考高度平均风速V r 的比值称为等效阵风风速比，用以划分由强风导致的行人不适的区域。采用Lawson 风环境判别准则［17］对风环境舒适度进行评价，以阵风等效平均风速10m ·s -1，年超越概率5%作为行人快步行走舒适与否的界限。
以广州为例，通过NOAA （美国国家海洋和大气管理局）记录的2007—2016年广州气象资料，经统计可得各风向Weibull 参数，见表2。
结合二参数Weibull 概率分布公式，
则
图4不同风向角下K 值分布
Fig.4
Distribution of the K value under different wind direction angles
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P (V >Vo )=∑i =1
16
α(i )exp [-(Vo /c (i ))k (i )
]（4）
式中：i =1，2，3...16，为16个气象角；P 为i 方向上风速大于V o 的出现概率；
α(i )是i 方向上的风频；c (i
)图5不同风向角下RM 值分布
验光组合Fig.5Distribution of the RM value under different wind direction
angles
图6高、低风速区相对面积随风向角的变化
Fig.6
Relative area ratios of high and low wind speed zones varies with the wind direction angles
表2
广州各风向Weibull 参数值
Tab.2
Weibull parameters at each inflowing directions of Guangzhou
i 1
2345678910111213141516风向N （正北）
NNE （北东北）NE （东北）ENE （东东北）E （正东）ESE （东东南）SE （东南）SSE （南东南）S （正南）SSW （南南西）SW （西南）WSW （西西南）W （正西）WNW （西西北）NW （西北）NNW （北西北）α(i )/%
17.7012.33
6.968.4513.105.408.45
7.284.251.721.591.050.810.771.86
8.27c (i )/
（m·s -1）
3.863.751.691.59
1.821.70
2.222.712.862.582.432.371.991.622.20
3.37
k (i )/
（m·s -1）1.881.741.241.62
1.781.531.711.991.951.851.961.811.601.27
1.381.86
1730
