间断型扭转形态对室外风环境的模拟分析

7.2.3.1　单元之间扭转角度

与连续型扭转形态相比，间断型扭转形态的风环境情况的变化产生于扭转单元之间的突变衔接处。间断型扭转形体表面气流同样可分为垂直气流和水平气流，垂直气流在向上或向下移动的过程中受到形体突变处的阻碍，不考虑垂直气流的作用，每段扭转单元都可以看做某一高度处的非扭转形体。单元之间的扭转角度决定了形体突变产生的位置和程度，是影响间断型扭转室外风环境的重要因素。扭转形体的突变会使得扭转形态局部的风环境状况加剧，因而将其与连续型扭转形态做对比，可以对比分析不同的扭转类型对室外风环境的影响 情况。

首先，建立扭转角度模拟分析的高层建筑扭转形态计算模型，设定模型的标准层面积为2 000 m2、标准层平面形状为正方形、正方形平面边长为44.72 m、建筑总高度为300 m，最下段单元到最顶段单元的整体扭转角度相同，均为90°，而扭转单元的数量和单元之间的扭转角度不同，当扭转单元数量为10个时，每个单元高30 m，单元之间的扭转角度为9°，扭转单元有8个时，每个单元高37.5 m，单元之间的扭转角度为11.3°，扭转单元有6个时，每个单元高50 m，单元之间的扭转角度为15°。同时，建立具有相同标准层面积、平面形状、建筑高度和整体扭转角度的连续型扭转形态模型作为对比计算模型（图7—40）。

图7—40　间断型单元扭转角度计算模型

将四个实体模型导入CFD分析软件Gambit中进行流道提取，建立分析网格和计算模型，设定入口边界条件模拟风速和风向，根据上海地区平均风速和风速随高度变化规律设定风速，风向设定为与模型底部正方形平面的一边垂直。然后运行Fluent求解器进行风环境模拟求解，并对求解结果进行后处理。对于求解结果，选取流场中的模型的纵向截面，可以获得平行风场的速度云图和压力云图，由此可以看出建筑形体对周边风环境的影响和前后表面风压差的变化。选取水平截面，改变每个扭转模型的截面高度，分别选取2 m、1/2处和约4/5处，分别可以获得高层建筑形体底部、中部和上部的速度云图，可以看到不同的截面高度处风速的变化情况。此外，分别选取间断型扭转形体中部和形体上部的两个扭转单元之间的形体突变处增加纵向截面，获得此处的速度云图，可以看到形体突变对周围风环境的影响。将不同单元扭转角度的间断型扭转形体的计算结果与连续型扭转形体的计算结果进行对比，分析两种扭转形态类型的风影区、风速和风压的差异，以及单元扭转角度的变化对于室外风环境状况的影响规律。

在间断型扭转形态的扭转角度模拟计算中，四个计算模型从左至右分别为连续型扭转、扭转单元的扭转角度为9°、11.3°和15°的间断型扭转。根据Fluent模拟计算结果，得出高层建筑对周边风环境、自然通风、自身风环境的影响。

1. 高层建筑对周边风环境的影响

根据平行风场的风速云图（图7—41），间断型单元扭转角度为9°时，其背风面风场恢复比连续型扭转更快，对周边风环境的影响小于连续型扭转形体。随着单元之间扭转角度的增加，背风面风场恢复减慢，因此对周边风环境的影响随之增强，且大于连续型扭转形体。

图7—41　间断型单元扭转角度平行风场速度云图

2. 高层建筑对自然通风的利用

根据平行风场的压力云图（图7—42），连续型扭转形体前后表面风压差小于间断型扭转形体，随着单元扭转角度的增加，前后表面风压差逐渐增大，当单元扭转角度为15°时，前后表面风压差最大，对自然通风最有利。连续型扭转形体上部1/2区段风压差较大，对于建筑中部和上部通风更有利，而间断型扭转形体上部1/3区段风压差较大，对于建筑上部通风更有利。

图7—42　间断型单元扭转角度平行风场压力云图

3. 高层建筑对自身风环境的影响

图7—43　间断型单元扭转角度建筑底部速度云图

根据不同截面高度的速度云图，在建筑近地面2 m高度处（图7—43），与连续型扭转相比，间断型扭转形体周围风速增大，背风面风影区范围减小，背风面形体外表面风速降低。在间断型扭转形体中，扭转单元形体突变处风向变化最显著，能量消耗最大，随着单元扭转角度的增加，到达近地面处的气流减少，建筑周围风速降低，迎风面风速降低，建筑两侧高风速区范围和风速均明显减小，而对于不同的单元扭转角度，背风面风影区范围和风速相差并不大。

在建筑形体中部150 m高度处（图7—44），与连续型扭转相比，间断型扭转形体变化多，对气流的阻碍作用强，垂直方向的下降气流减小，迎风面风速降低，水平气流在形体两侧形成边角强风，使得形体两侧高风速区范围和风速均增加，背风面风影区范围增大，风影区内风速减小。在间断型扭转形体中，随着单元扭转角度的增加，迎风面风速降低，建筑两侧高风速区范围和风速均减小，背风面风影区范围增加，风影区内风速降低。

图7—44　间断型单元扭转角度建筑中部速度云图

在建筑形体上部225 m高度处（图7—45），与连续型扭转相比，间断型扭转形体主要受到水平气流的作用，形体表面上升气流减小，建筑周围风速降低，形体两侧风速增加，背风面风影区范围增加风速明显减小。在间断型扭转形体中，随着单元扭转角度的增加，形体外表面风速降低。当单元扭转角度为9°时，形体外表面周围及形体两侧风速最大；当单元扭转角度为11.3°时，建筑背风面风影区范围最大，风影区内风速最小；当单元扭转角度为15°时，建筑背风面风影区 最小。

图7—45　间断型单元扭转角度建筑上部速度云图

图7—46　间断型单元扭转角度形体突变处放大速度云图

此外，根据间断型单元扭转角度形体突变处放大速度云图（图7—46）还可以看出，间断型扭转增加了单元突变处背风面的风速，减小了迎风面的风速。随着单元之间扭转角度的增加，单元突变处背风面的风速增大。由于形体突变气流中的能量被削弱，在间断型扭转形体的中部和上部，突变处上方风速均增大，下方风速均降低。

综上，根据不同截面高度处的不同风环境导向，将对自身风环境影响的计算结果进行归纳，如表7—7所示，不同单元扭转角度对不同高度处的风环境问题的影响利弊。从计算结果的分析中可以看出，在对自身风环境影响方面，连续型扭转比间断型扭转有利于减小对自身风环境的影响。

表7—7　间断型单元扭转角度自身风环境影响计算

7.2.3.2　建筑朝向与风向的角度

对于间断型扭转形态，建筑朝向与风向的角度不仅影响建筑表面的气流、迎风面面积、风影区范围、室内风速、室内通风量等，对于夏热冬冷地区，夏季和冬季主导风向不同，不同季节对风环境的导向不同，因而有不同的形态趋向。而间断型扭转形态因其形体的突变会造成扭转形态局部的风环境状况加剧，因而将其与连续型扭转形态做对比，可以对比分析不同的扭转类型对室外风环境的影响情况。建立标准层面积为2 000 m2、标准层平面形状为正方形、建筑高度为300 m、单元之间扭转角度为9°、建筑底部到建筑顶部整体扭转角度为90°、共10个扭转单元、扭转单元高度为30 m的高层建筑模型为间断型扭转角度模拟分析的计算模型，并建立与扭转形态模型具有相同标准层面积、平面形状、整体扭转角度和建筑高度的连续型扭转形态模型作为对比计算模型（图7—47）。

图7—47　间断型风向角度计算模型

将两个实体模型导入CFD分析软件Gambit中进行流道提取，建立分析网格和计算模型，设定入口边界条件模拟风速和风向，由于模型平面与风向所成的角度有一定的对称性，因此将模型正方形底面的一边与风向的角度分别设定为0°、22.5°、45°，通然后运行Fluent求解器进行风环境模拟求解，并对求解结果进行后处理。对于求解结果，选取流场中的模型的纵向截面，可以获得平行风场的速度云图和压力云图，由此可以看出建筑形体对周边风环境的影响和前后表面风压差的变化。选取水平截面，改变截面高度，将其设定为2 m、150 m和240 m，分别可以获得高层建筑形体底部、中部和上部的速度云图，可以看出不同的截面高度处风速的变化情况。此外，分别选取间断型扭转形体中部和形体上部的两个扭转单元之间的形体突变处增加纵向截面，获得此处的速度云图，可以看到形体突变对周围风环境的影响。在不同的风向角度下，分别将间断型扭转形体的计算结果与连续型扭转形体的计算结果进行对比，分析不同的风向角度下不同扭转类型的形体周围风环境的风影区、风速和风压的变化规律。

间断型扭转形态的建筑朝向与风向角度模拟计算选择整体扭转角度为90°的连续型扭转形体与单元扭转角度为9°的间断型扭转形体两个计算模型，改变入口边界条件中风向的角度，进行三次模拟计算。根据Fluent模拟计算结果，可得出高层建筑对周边风环境的影响，对自然通风的利用和对自身风环境的影响。

1. 高层建筑对周边风环境的影响

图7—48　间断型风向角度平行风场速度云图

根据平行风场速度云图（图7—48），当风向与建筑底面一边平行时，间断型扭转形体背风面风速较大，风场在间断型扭转形体的背风面恢复速度较快，对周边风环境的影响比连续型扭转形体小。当风向与建筑底面一边的夹角成22.5°时，连续型扭转形体底部和上部背风面风速较小，间断型扭转形体中部背风面风速较小，风场在两种扭转形体的背风面恢复速度相差不大，对周边风环境的影响程度差别也不大。当风向与建筑底面一边的夹角成45°时，间断型扭转形体背风面风影区范围较大，风速较小，风场在连续型扭转形体的背风面恢复较快，对周边风环境的影响比间断型扭转形体小。

2. 高层建筑对自然通风的利用

图7—49　间断型风向角度平行风场压力云图(www.xing528.com)

根据平行风场压力云图（图7—49），当风向与建筑底面的一边成0°、22.5°和45°时，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体前后表面风压差更大，更有利于形体的自然通风。连续型扭转形体对于建筑中部和上部通风更有利，而间断型扭转形体对于建筑上部通风更有利。对于间断型扭转形体，当风向角度为0°时，前后表面风压差最大，对自然通风最有利；当风向角度为45°时，前后表面风压差最小，对自然通风最不利。

3. 高层建筑对自身风环境的影响

图7—50　间断型风向角度建筑底部速度云图

根据不同截面高度处的速度云图，在建筑近地面2 m高度处（图7—50），当风向与建筑底面一边平行时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速增加，建筑两侧风速增加，背风面风影区范围减小，背风面形体外表面风速降低。当风向与建筑底面一边的夹角成22.5°时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体迎风面风速增加，建筑两侧风速降低，背风面风影区范围减小，风速增加。当风向与建筑底面一边的夹角成45°时，在建筑近地面2 m高度处，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围迎风面、建筑两侧和背风面风速明显 降低。

图7—51　间断型风向角度建筑中部速度云图

图7—52　间断型风向角度建筑上部速度云图

在建筑形体中部150 m高度处（图7—51），当风向与建筑底面一边平行时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体迎风面风速减小，建筑两侧风速增加，两侧的高风速区范围增大，风速明显增加，背风面风影区范围增大，风速明显减小。当风向与建筑底面一边的夹角成22.5°时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体迎风面风速增加，建筑两侧的高风速区范围明显减小，风速明显降低，背风面风影区范围增大，风速明显减小。当风向与建筑底面一边的夹角成45°时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速减小，建筑两侧的高风速区风速明显降低，背风面风影区范围增大，风速明显减小。

在建筑形体上部225 m高度处（图7—52），当风向与建筑底面一边平行时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速减小，迎风面风速减小，建筑两侧的高风速区风速增加，背风面风影区范围增大，风速明显减小。当风向与建筑底面一边的夹角成22.5°时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速减小，建筑两侧风速减小，两侧的高风速区风速无明显变化，背风面风影区范围增大，风速明显增大。当风向与建筑底面一边的夹角成45°时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速减小，迎风面风速增加，建筑两侧的高风速区风速明显增加，背风面风影区范围增大，风速明显增大。

夏热冬冷地区夏季和冬季主导风向不同，夏季和冬季对应的风环境导向也不同，在设计中应考虑夏季降温，冬季防寒。在夏季，在建筑的中部可以通过适当增加的外表面风速带走室内多余的热量，而在冬季过大的外表面风速则对建筑的保温不利。与连续型扭转形体相同，通过形体中部的速度云图（图7—52）可以看出，当风向角度为22.5°时扭转形体外表面风速最低，冬季时建筑朝向与冬季主导风向采取此角度对保温更有利，风向角度为0°时外表面风速最高，夏季时建筑朝向与夏季主导风向采取此角度对通风降温更有利。

综上，根据不同截面高度处的不同风环境导向，将对自身风环境影响的计算结果进行归纳，如表7—8所示，不同建筑朝向对不同高度处的风环境问题的影响利弊。从计算结果的分析中可以看出，在建筑底部，风向角度为0°时影响最小，建筑中部风向角度为45°时影响最小，建筑上部风向角度为22.5°时间断型影响最小。

表7—8　间断型建筑朝向自身风环境影响计算

7.2.3.3　建筑高度

间断型扭转形态类型的建筑高度同样与风速变化关系最为密切，随着建筑高度增加，周围风速也随之变大，建筑高度直接影响高层建筑外表面的风速和风压。建立以标准层面积为2 000 m2、标准层平面形状为正方形、建筑底部到建筑顶部整体扭转角度为90°、单元之间扭转角度为9°的高层建筑模型为扭转角度模拟分析的计算模型，模型共计10个扭转单元，因其建筑高度不同，扭转单元的高度并不相同，将模型高度分别设定为200 m、300 m和400 m，并建立与扭转形态模型具有相同标准层面积、平面形状、整体扭转角度和建筑高度的三个连续型扭转形态模型作为对比计算模型（图7—53）。

图7—53　间断型建筑高度计算模型

将六个实体模型导入CFD分析软件Gambit中进行流道提取，建立分析网格和计算模型，设定入口边界条件模拟风速和风向，风向设定为与模型底部正方形平面一边垂直。然后运行Fluent求解器进行风环境模拟求解，并对求解结果进行后处理。对于求解结果，选取流场中的模型的纵向截面，可以获得平行风场的速度云图和压力云图，由此可以看出建筑形体对周边风环境的影响和前后表面风压差的变化。选取水平截面，改变每个模型的截面位置，将其设定为距模型底部 2 m、模型总高度的1/2处和模型总高度的4/5处，分别可以获得高层建筑形体底部、中部和上部的速度云图，可以看到不同的截面高度处风速的变化情况，分别将不同建筑高度的间断型扭转形体的计算结果与连续型扭转形体的计算结果进行对比，分析不同高度下不同类型的扭转形态的风影区、风速和风压的变化规律。

间断型扭转形态的建筑高度模拟计算选取的计算模型分别是建筑高度为 200 m、300 m和400 m的连续型扭转形体和间断型扭转形体，并将计算结果分为三组进行对比分析。通过Fluent模拟计算结果可以得出以下结论。

1. 高层建筑形体对周边风环境的影响

根据平行风场速度云图（图7—54），随着建筑高度的增加，形体对周边风环境的影响增加。当扭转形态的建筑高度为200 m时，间断型扭转形态虽然在形体下部背风面风影区范围较大，风速较小，但在形体中上部背风面风速较大，风场在建筑背风面恢复速度比连续型扭转形态快，对周边风环境的影响更小。当建筑高度为300 m时，间断型扭转形态背风面风速较大，风场在建筑背风面恢复速度快，对周边风环境的影响更小。当建筑高度为400 m时，间断型扭转形态背风面风影区范围较小，风速较大，风场在建筑背风面恢复速度快，对周边风环境的影响更小。因此，间断型扭转形态对周边风环境影响较小。

图7—54　间断型建筑高度平行风场速度云图

2. 高层建筑形体对自然通风的利用

根据平行风场压力云图（图7—55），对于200 m、300 m和400 m高度的形体，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体前后表面风压差更大，更有利于形体的自然通风，随着建筑高度增加，前后表面风压差增大，对自然通风越有利，但400 m建筑高度上部风速过大，对实际开窗通风不利。其中，200 m高度形体中部1/2处前后表面风压差最大，形体中部自然通风最有利，300 m和400 m高度形体上1/3区段前后表面风压差更大，形体上部通风最有利。

3. 高层建筑形体对自身风环境的影响

根据不同截面高度处的速度云图，在建筑近地面2 m高度处（图7—56），当扭转形态的建筑高度为200 m时，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体周围风速降低，建筑两侧并无明显的高风速区，建筑背风面风影区范围增加，风速降低。当建筑高度为300 m时，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速增加，建筑两侧有风速较大的区域，建筑背风面风速减小。当建筑高度为400 m时，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体周围风速降低，建筑两侧并无明显的高风速区，建筑背风面风影区范围增加，风速降低。

在建筑形体中部（图7—57），当扭转形态的建筑高度为200 m时，在建筑形体中部100 m高度处，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体迎风面风速减小，建筑两侧风速增加且出现明显的高风速区，建筑背风面风影区范围减小，风速增加。当建筑高度为300 m时，在建筑形体中部150 m高度处，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体迎风面风速减小，建筑两侧风速增加，两侧的高风速区范围增大，风速明显增加，背风面风影区范围增大，风速明显减小。当建筑高度为400 m时，在建筑形体中部200 m高度处，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体迎风面风速增加，周围风速增加，建筑两侧风速略有增加，背风面风速增加。

在建筑形体上部（图7—58），当扭转形态的建筑高度为200 m时，在建筑形体上部160 m高度处，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体两侧风速降低，背风面风影区范围减小，风速增加。当建筑高度为300 m时，在建筑形体上部 250 m高度处，与连续型扭转形态相比，间断型扭转形体周围风速减小，迎风面风速减小，建筑两侧的高风速区风速增加，背风面风影区范围增大，风速明显减小。 当建筑高度为400 m时，在建筑形体上部320 m高度处，与连续型扭转形体相比，间断型扭转形体周围风速增加，建筑两侧出现风速极高的区域，背风面风速 增加。

图7—55　间断型建筑高度平行风场压力云图

图7—56　间断型建筑高度建筑底部速度云图

图7—57　间断型建筑高度建筑中部速度云图

图7—58　间断型建筑高度建筑上部速度云图

综上，根据不同截面高度处的的不同风环境导向，将对自身风环境影响的计算结果进行归纳，如表7—9所示，可以表示出不同建筑高度对不同高度处的风环境问题的影响利弊。从计算结果的分析中可以看出，在对自身风环境影响方面，建筑高度越低，形体对自身风环境的影响越小。

表7—9　间断型建筑高度自身风环境影响计算