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计算区块划分方法-城市中心风环境与空间形态耦合机理及优化设计

时间:2023-09-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:3DCAD建模完成以后,由于整个中心区的建筑规模十分庞大难以直接导入CFD软件,仍需要进一步划分形成若干块,分块来完成风环境模拟。区块的划分,既要考虑模拟的准确性,又要考虑软件所能承受的计算量的合理性。图2-4本书区块尺度及建模域、计算域标准*资料来源:作者自绘结合选取的建模域和计算域标准来进一步确定整个中心区模型的区块划分。

计算区块划分方法-城市中心风环境与空间形态耦合机理及优化设计

3DCAD建模完成以后,由于整个中心区的建筑规模十分庞大难以直接导入CFD软件,仍需要进一步划分形成若干块,分块来完成风环境模拟。区块的划分,既要考虑模拟的准确性,又要考虑软件所能承受的计算量的合理性。为了确保风环境模拟的准确性和合理性,部分研究组织和研究项目都提出了CFD技术进行风环境模拟分析的技术导则和方法。欧洲科技研究领域合作组织(European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research,简称COST)通过总结诸多研究者的研究成果提出了一系列的技术导则,日本建筑师协会(Architectural Institute of Japan,简称AIJ)则通过大量现场实测、风洞实验以及CFD数值模拟来研究不同计算参数对模拟结果的影响,也提出了相应的技术导则。同时,香港规划署主持的《香港空气流通评估方法可行性研究》以及上海地方标准《上海市建筑环境数值模拟技术规程》中都对城市风环境模拟提出相应的指导意见。

本书将其中关于建模域及计算域的相关内容进行整理如表2-1所示。对建模域的要求中,除COST导则无明确要求以外,其他三个标准的差距不是很大。AIJ导则中建议目标建筑1-2H半径范围内建筑需要详细建模(H为目标建筑高度),评价区域外每个方向仍需至少扩大一个街区建模;《香港空气流通评估方法可行性研究》中建模域建议为以目标建筑为中心、2H为半径的圆形区域,当研究对象为建筑群时建模域则为从地块边界算起扩展2H的区域,其中以1H为半径的区域可作为风环境准确评估的范围;《上海市建筑环境数值模拟技术规程》中建议建模域为目标建筑(群)各方向外扩1H的矩形区域,并为了避免浪费网格,同时保证模拟精度,对H的取值进行了不同规定,当模拟对象为公共建筑群或住宅小区时,H取值为区域长度、区域宽度和建筑最大高度的最大值。总体来说,三个标准对建模域的要求基本相近,建模域为圆形或矩形区域对模拟并无影响,而扩展距离则应按照研究对象的尺度来进行选择,本书研究对象尺度较大,为了避免单一区块建模区域过大影响计算,因此本书建模域选择以研究区域边界外扩1H的矩形区域,且H=Max{区域长度、区域宽度、单体建筑最大高度}(图2-4)。

表2-1 城市风环境模拟建模域和计算域的参数标准整理

注:以上“H”指目标建筑高度,或基地内最高建筑物高度(有些情况下,可将H界定为基地内较高的建筑区群组的平均高度);以上“W”指建筑群区域的长度和宽度的最大值。
资料来源:作者绘制

对计算域的要求中,AIJ和COST导则多为针对单一建筑模型的参数要求,对于较大尺度的建筑群并没有提出较为明确的要求,并且其建议的取值在针对较大尺度的城市空间研究时会增加庞大的计算网格,较难实现。《上海市建筑环境数值模拟技术规程》针对不同研究对象的H取值,对于本书较大尺度研究对象来说,计算域尺度的确定更为明确。同时考虑到城市风环境研究要进行多个不同方向的模拟分析,会导致来流边界和出流边界发生切换,需要重新构建计算域,出于简化实验的目的,本书计算域水平方向边界至研究区域边界均取3H的距离,垂直方向高度取3H,且H=Max{区域长度、区域度、单体建筑最大高度}(图2-4)。

(www.xing528.com)

图2-4 本书区块尺度及建模域、计算域标准

*资料来源:作者自绘

结合选取的建模域和计算域标准来进一步确定整个中心区模型的区块划分。中心区空间的基本单元为城市街区,而城市街区内流场分布也是描述中心区风环境的重要内容,因此在区块划分当中应尽量保证重要街区的完整性,确保其模拟结果的连续性。所以可以参照中心区内街区尺度、主次干道的间距来确定区块划分的大小,本书选取500m×500m的正方形区域作为区块划分的标准,该范围能够容纳中心区核心地段几个街区形成的完整建筑群,也能够覆盖中心区边缘较大的城市街区。同时按照建模域标准3H×3H为1 500 m×1 500m,计算域标准水平方向7H×7H为3500m×3500m、垂直方向3H为1500 m,这两个尺度规模的计算量对于scSTREAM软件基本可以接受。按照500m×500m的区块对整个中心区模型进行划分共得到24个模拟区块(图2-5),区块在划分时首先要求重要街区应尽量完整处于一个区块内;其次不能以主要城市道路作为区块边界,主要道路应包含部分两侧建筑分段处于若干区块内;最后区块与区块之间应有部分的重合区域,来作为后期图纸拼合的参考。划分好模拟区块以后,应单独删除每个区块建模域(1500m×1500m)以外的建筑,然后即可从3DCAD中导出sat文件,转化为CFD软件可读取的模型数据。

图2-5 南京新街口中心区的模拟区块划分

*资料来源:作者自绘

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