第1章.绪论
1.1引言
高层建筑出现会改变建筑物所在区域的气候环境，包括风速、风向、污染物、日照等各种因素，这改变的程度取决于建筑物的体型、朝向及建筑物之间的相互干扰作用。不舒适的风环境很容易对新建建筑造成不利的影响[3]。如果在城市规划和建筑设计中忽略了风环境问题，就有可能给城市环境带来不利影响，或者影响建筑本身的某些功能，或者在建筑物周围造成风害。例如，高层建筑的建成或者建筑群排列不当导致人行高度处的风环境恶劣会给行人带来不舒适性，更有甚者会危害到行人的安全（图1.1)。城市中心区域建筑密度迅速增加，建筑法规的落实存在严重的滞后性，没有从整体宏观角度来审视规划建设，空间布局上的原因产生的风害越来越普遍。1982年11月5日，一位叫罗丝.斯皮尔波盖尔的女性在纽约世贸中心建筑前广场上被一阵强风吹倒而受伤，为此，她以设计未进行风洞试验为由告上法庭，要求赔偿，最后法院的判决以设计符合城市规划法规，未进行风洞试验是一种欠妥行为，而非必要行为驳回原告上诉。这一事件是对规划法规及建筑设计的一次警示，明确提出了高层建筑设计中对风环境问题重视的必要性[4]。Wise[5]报道过一些由于风环境状况不佳导致商店流失顾客的实例。Lawson和Peirwarden[6]在其文献中讲述了 1972年两位老人在高层建筑附近因为被刮倒致死的案例。
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1.2建筑风环境研究现状
对于处于规划中的拟建建筑物进行的预评估通常采用数值模拟和风动试验两种方法，其中风洞试验是使用最早、目前应用最频繁的风环境研究手段。White于1992年阐述了利用风洞试验进行风环境测试的详细过程和可行性。此后风洞试验被广泛应用于建筑风环境研究。Stathopoiilos开发了用于建筑风环境初步设计的KBES系统，这一系统在上世纪90年代风工程领域中扮演了重要角色。而这一系统中进行预评估的重要运动参数和动力学参数正是总结了大量前任关于单体建筑和建筑群的风环境试验研究结果以及大量文献资料而来。Tetsu等用试验的方法研究了建筑物密度对人行高度处平均风速的影响。该研究采用了日本某城市内的22个相邻住宅小区的模型（图1-2)，进行了大量的风洞试验及参考日本几个主要地区的气象条件，证明了建筑物密度与小区建筑人行高度处风环境有很大的联系。常规风环境试验一般通过布置测点并进行测试，但是目前也涌现出一些新的试验技术。Yamada等使用红外热线感应图像技术研究行人高度处的风环境[18]，Liu等采用激光粒子成像速度场测试系统（PIV)(图1-3)，模拟了街谷存在地面加热时的流场特征，并且讨论了环境风场的影响[19]。王宝民等利用刷独技术对北京商务中心进行了风环境试验。近年来，随着高性能计算机的发展，采用数值模拟风洞的虚拟风洞试验方法也被大量应用于风环境研究中。较为典型的有Blocken等对某个体育场周围风环境采用CFD计算并进行评价，其精细的网格划分、与实测相结合的CFD模拟及吻合度很高的实测与模拟比较结果都令人印象深刻。网格划分是数值模拟中的最为重要的一个部分，国内外学者通过对网格划分技术的研究给出了建议。其中比较系统的是Yoshihide研究小组通过对7个案例的数值计算、风洞试验和实测结果分析比较建议了 CFD计算中网格划分的一些原则[22]。
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第2章.风洞试验
2.1试验模型的设计与制作
首先对没有高层建筑时的住宅小区的风环境进行了研究，以了解没有高层时的住宅小区风环境，为后续的比较研究提供基础资料。图2-1给出了无高层建筑时各风向角下住宅小区建筑内部及其周围的风速比分布图，从图中可以看出，在住宅小区上游迎风面与下游尾流区风速比都相对较小，0°及180°风向角下，迎风向的拐角区域及纵向通道入口处风速较大，背风向的拐角区域及纵向通道出口处风速较小，45°、90°及135°三个风向角下，迎风向的通道入口处风速比较小，而背风向出口处的风速比较大。在人口密集的城市，可利用的土地资源非常有限，所以越来越多的髙层建筑拔地而起。髙层建筑对大气运动有较大的阻挡作用，由此引起近地风场的变化，而风速和风压的不同会在建筑物周边形成调潋区，对人和环境带来影响。尤其是在老城区，髙层建筑会对周围人口密集的住宅小区建筑人行高度处风环境产生多大影响是一个非常值得研究的问题。而髙层建筑的对住宅小区人行高度处的影响如何，这方面的研究较少，因此本文的研究比较有意义。
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2.2测点布置
为进行风环境试验，重新设计了 一个风环境风洞试验转盘，以便于Irwin风速探头的安装。各个测点的风速采用风环境测试中常用的无风向Irwin风速探头测定1471。图2-4所示为装上了Irwin风速探头的风洞试验转盘。该风速探头尺寸较小，测点高度为1cm,实物图如2-5所示。在试验前，采用热线风速仪对现该风速探头进行了标定试验。为了方便试验更加有精确、有效的进行，如图2-6所示布置无风向风速探头。图中虚线部分的板可作移动。没有建筑模型时，共采用136个测点，测点均勻布置，各个测点之间的尺寸如图2-7所示。由于加入了附加的风环境风洞试验转盘，对转盘处的风场有所影响，因此首先对没有建筑时的近地面（离地1.5m高）的风场进行了测试，所获得的风速的平面分布等值线图如图2-6所示。由图可见，风场基本均匀，可用于风环境的试验。无建筑时的风场数据将用于代表来流风速，以进行下面的风速比计算。根据试验工况，需在转盘上放置建筑。住宅小区及高层建筑的模型放置如图2-7~图2-8所示。相应的测点编号也列于图2-7?图2-8中。图中长方形虚框为可置换地面，建筑进深方向的边缘离可置换地面边缘为5cm，即模型居中放置在该可置换地面上。对于1:1长宽比的建筑，由于建筑进深改为了 40m,因此缩尺以后仍保持进深方向的建筑边缘距离可置换地面的边缘为5cm,此时的可置换地面靠近小区一侧离小区的距离仍与非1:1长宽比工况时保持一致。
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第3章.髙层建筑对住宅小区的室外风环境的影响....... 19
3.1住宅小区的风环境 ....... 19
3.2置入高层建筑对小区风环境的影响....... 25
3.3小区风环境的参数敏感性分析 .......27
3.3.1小区风环境与高层建筑的高度....... 28
3.3.2小区风环境与高层建筑高距比 .......35
3.3.3小区风环境与高层建筑宽度....... 38
3.3本章小结 .......65
第4章.住宅小区对高层建筑室外风环境的影响....... 66
4.1高层建筑周围的风环境....... 66
4.2住宅小区与高层建筑风环境....... 79
4.3高层建筑风环境的参数敏感性分析....... 81
4.3本章小结....... 108
第5章.结论与展望....... 109
5.1本文主要结论....... 109
5.2本文的不足与展望....... 110
第4章.住宅小区对高层建筑室外风环境的影响
4.1高层建筑周围的风环境
首先对没有住宅小区时的高层建筑风环境特征进行研究，图4-1给出了仅有高层建筑时各风向角下高层建筑周围的风速比分布图，从图中可以看出，由于其对称性，仅考虑0°、45°、90°三个风向角即可。0°风向角下，两侧拐角区域风速较大，前面区域及背面区域风速较小。45°风向角下，高层建筑迎风面及背风面区域风速比都小于无建筑时的场地风速，垂直风向的两个拐角区域风速较大，而前面区域及背面区域风速依旧较小。90°风向角下，迎风向拐角区域的风速较大，前面区域及背面区域风速较小，另外由于建筑迎风向宽度较小，高层建筑尾流区域靠近建筑物并且风速减小幅度较小。总的来说，高层建筑宽度比对高层建筑周围人行高度处风环境的影响不是特别明显，高层建筑易受住宅小区风环境影响的区域主要为拐角区域及背面区域，本节研究中发现，当高层建筑宽度越大时，拐角区域的风速比随高距比变化的离散度也越大。当宽度比为0.83时，背面区域的风速比随高距比变化的离散度最大，而这也可能是由于此宽度比时该高层建筑的侧面刚好位于住宅小区纵向通道风向出口的原因。而要选择合适宽度比的高层建筑，应该要考虑拐角区域和背面区域两个区域的风环境都达到要求。
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结论
本文通过一系列的风洞试验，通过高层建筑的高度、宽度及高层建筑与住宅小区建筑的距离的参数化的定量分析来研究住宅小区与高层建筑相互影响。研究表明：A.高层建筑对住宅小区人行高度处风环境的影响:
1)选取住宅小区内承担交通要道及可能会出现风环境问题的拐角区域、横向通道、纵向通道三个区域为住宅小区人行高度处风环境的研究对象。引入风速比的平均值、变异系数及最大值来研究三个研究对象风环境变化依据。
2)研究表明，对于住宅小区单体，当风向角为0°及180°时，拐角区域及纵向通道的风环境相应较差。
3)随着高层建筑高度的增大，除了 90°风向角时变化不明显，其余风向角下，住宅小区建筑周围的风速比都有明显的增大。
4)当高距比不大于4.17时，住宅小区内人行高度处的风速比及变异系数均随着高层建筑高距比的增大而增大，当高距比在4.17-5.56之间变化时，住宅小区内人行高度处的风速比及变异系数均随着高层建筑高距比的增大而减小，当高距比大于5.56时，住宅小区内人行高度处的风速比及风速梯度都处在较大水平。
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参考文献（略）