基于PKPM軟件的某綠色建筑室外環境模擬分析

吳玲,祝磊,王東紅

(1.合肥學院 城市建設與交通學院,合肥 230601;2.安徽省建筑設計研究總院股份有限公司,合肥 230031)

0 引言

近年來,為推動綠色建筑進一步發展,踐行綠色建筑理念,我國制定了具體的綠色建筑評價標準和認證體系,2022年住房和城鄉建設部印發的《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》明確提到,加強高品質綠色建筑建設,倡導建筑綠色低碳的設計理念,充分利用自然通風、天然采光來降低建筑能耗。人們的生活品質在不斷地提高,打造一個健康、舒適的環境是迫切所求,在注重室內環境舒適性的同時,人們也越來越關注室外環境質量,因此室外環境評價成為綠色公共建筑的重要指標之一。

室外風環境和聲環境質量對室外環境評價影響較大,良好的風環境有利于室外活動的舒適。影響建筑自然通風的因素較多,馬劍等[1]分析了8種不同的建筑群布列形式,認為當建筑群呈圍合式或并列式時風環境較好,而Y型或U型的排列方式易出現巷道效應和風速加快的現象。李珊珊等[2]采用Airpak軟件研究回字形建筑對風環境的影響,認為回字形建筑能夠營造良好的風環境,但應避免建筑內部存在狹長通道。郭衛宏等[3]指出可以利用建筑形體導風,采用分散體量、架空和開洞等方式形成通道風,必要時引入中庭、天井和冷巷等空間形式利用熱壓通風?？傮w來講,學者們主要從建筑布局、建筑形體和圍護界面3個方面來研究對室外風環境的影響。

室外聲環境質量主要受交通噪聲和生活噪聲的影響,其中交通噪聲所占的比重達60%以上,當環境噪聲高于65 dB(A)時,就會出現情緒煩躁,對人的生理、心理產生危害。劉濤[4]認為可以采用多孔性瀝青鋪設路面,達到降噪效果,這種路面的孔隙率高達15%～20%,比普通水泥路面產生的摩擦噪聲降低了6～7 dB(A)。丁亞超等[5]通過對8處林帶的降噪效果進行測試,認為林帶密度、寬度、高度和長度是比枝葉大小和枝干特性更有效的降噪因子,且灌木和喬木同時種植,可使林帶產生更好的降噪效果。

本文以合肥市某中學的建筑群為例,采用PKPM綠色建筑軟件對該中學的室外風環境和聲環境進行模擬分析,提出優化措施,為師生創造良好的工作、學習環境,并為設計綠色的校園室外環境提供參考。

1 項目概況

本項目位于合肥經開區新橋科技創新示范區,總用地面積約145 333 m2,總建筑面積約181 500 m2,容積率為1.03,主要包括教學綜合樓、文化交流中心、藝體中心、食堂和宿舍等設施。建筑整體采用集中式布局,建筑體型系數較小,節約用地、造價的同時又降低了能耗。北側生活區、中心教學區和南側對外開放區3區之間自然形成較大的開敞區間,3棟教學樓均設置下沉庭院、立體綠化和內天井來改善氣候環境,且高三教學樓底層架空的設計能夠有效避免大面積的背風區。

2 模型建立

使用PKPM室外風模塊進行區域建模,能直接讀取bdl、bdls和stl建筑模型,可精準識別天正模型和斯維爾模型,也可單體入總,即將多棟單體模型導入并定位到總圖上,選擇單體轉體量,完成模型的建立。室外建模比室內建模簡單,主要是區域建模中拉伸體量、疊加體量、空心體量和體量加窗等建模操作,道路、景觀和場地等依CAD圖紙依次完成。在拉伸體量時,可選擇同一圖層輪廓線,或者采用沿建筑輪廓繪制閉合多段線的方式完成體量建模。當建筑物輪廓局部出現尖角、凹槽和凸起時,需對模型進行簡化處理,這樣既不影響目標建筑流場的分布,又能加快計算收斂速度[6]。除對用地紅線內的目標建筑完成基礎建模外,還需考慮周邊建筑對其氣流分布的影響,因此還需根據項目周邊的設施合理設置建筑單體模型。本項目主要針對教學樓、文化交流中心、藝體中心、食堂和宿舍進行基礎建模,建筑平面示意圖如圖1所示,同時根據建筑底圖繪制道路和戶外休息區,最終簡化的室外模型圖如圖2所示。

圖1 某中學建筑平面示意圖

圖2 某中學簡化室外模型圖

3 室外風環境模擬分析

3.1 風場計算域

進行室外風場計算前,需要確定參與計算的風場的大小,這在流體力學中稱為計算域。當計算域過大,會造成劃分的網格數目過多而增加模擬計算時間;當計算域過小,會導致流場失真,影響模擬結果的真實性。綜合溫昕宇[7]、楊潔等[8]和王菲等[9]的研究,得出計算域的范圍設置大部分是高度為建筑高度的3倍、寬度為建筑寬度的6倍、入流方向為建筑寬度的3倍、出流方向為建筑寬度的10倍。本項目建筑高度為校園建筑群中最高建筑物的高度:30 m,其計算域范圍設置為一個包圍校園建筑群的長方體,風場計算域范圍設置見表1。

表1 風場計算域設置 單位:m

3.2 網格劃分

利用PKPM軟件的CFD模塊對建筑的風環境進行評價分析時,建筑幾何模型的建立以及計算域的網格劃分非常重要,個別建筑局部出現凹槽或凸起時,需對模型進行簡化處理,有助于網格劃分。網格劃分會影響計算的精確程度,網格密集則計算時間長、精度高,反之則可能導致計算結果不夠精準,因此需要根據區域的不同來設置不同的網格方案[10]。本項目采用加密方案,對近場地面的網格做加密處理、遠場地面的網格做稀疏處理,靠近地面和建筑以外的網格則采用普通網格,貼近地面的附面層數做加密3層處理。

3.3 邊界條件

氣流穿過不同的地區和地形帶時會受到地面粗糙度的影響,從而降低風速。本項目所在區域屬于有密集建筑的大城市區,越接近地表的風速越小,梯度風示意圖如圖3所示。在近地面的來流方向上,建筑群內的風速會隨高度的增加而逐漸增大,來流風因為地面粗糙度的影響,其沿高度方向的速度分布滿足式(1)[11]:

圖3 梯度風示意圖

(1)

式中:Vh為高度為h處的風速,m/s;V0為高度為h0處的風速,取10 m處的風速,m/s;n為地面粗糙度指數,取值0.2。

側面出口邊界設置為環境壓力出口邊界,將地面和頂面均設為固定不動無滑移的壁面條件[12]。

3.4 湍流模型

湍流模型反映了流體流動的狀態,在流體力學數值模擬中,不同的流體流動應該選擇合適的湍流模型才會最大限度地模擬出真實的流場數值。本項目室外風的流動屬于不可壓縮、低速湍流,計算精度不高且只關注1.5 m的高度流場,因此選用《綠色建筑評價技術細則》推薦的標準k-ε湍流模型進行室外流場計算。

3.5 工況設置

安徽省合肥市,北緯117.20°,東經31.90°,位于安徽省中部,地處中緯度地帶且位于江淮之間,全年氣候夏熱冬冷、春秋溫和、季風明顯、雨量適中,年日照時間為2 000～2 300 h,常年平均氣溫為15.6 ℃。根據合肥當地的氣象參數確定冬季、夏季以及過渡季3個典型工況,各工況的具體風向和風速設置見表2。

表2 合肥市工況設置

3.6 風環境模擬計算結果分析

3.6.1 冬季工況結果分析

本項目冬季工況的入口邊界風速為2.39 m/s,風向為東北風,圖4～7分別為距地面1.5m高度處的風速云圖、風速放大系數云圖、迎風面風壓圖和背風面風壓圖。從圖4中可以看出,流場分布大致均勻,風速在0～1 m/s的人行區域面積占總面積的41.7%,風速在1～2 m/s的人行區域面積占總面積的48.2%,風速在2～2.6 m/s的人行區域面積占總面積的10.0%,無滯風區域。從圖5中可見,人行區域的最大風速放大系數為1.7,達到GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》(簡稱綠色評價標準)中“風速放大系數<2”的要求[13]。由于高一教學樓和高三教學樓是體量較大的圍合式建筑,對風的阻擋作用較大,導致在文化交流中心一側有大范圍風影區的存在(圖4紅色方框標記處),此處風影區風速<1 m/s,當學生經過時,舒適度較低。女生宿舍樓3的平均風壓差最大(圖6紅色方框標記處),迎風面風壓為-2 Pa,背風面風壓為1.2 Pa,雖風壓差達到3.2 Pa,但仍滿足“建筑均滿足壓差≤5 Pa”的要求,避免了冬季寒風通過建筑圍護結構縫隙進入室內,提高了室內環境保溫效果。通過冬季工況分析可知,校園建筑布局較為合理,滿足綠色評價標準中冬季工況的要求。

圖4 冬季工況1.5 m平面高度處風速云圖

圖5 冬季風速放大系數云圖

圖6 冬季工況迎風面風壓圖

圖7 冬季工況背風面風壓圖

3.6.2 夏季、過渡季工況結果分析

3.6.2.1 無風區、渦旋區計算分析

本項目夏季工況的入口邊界風速為2.90 m/s,風向為南風;過渡季工況的入口邊界風速為2.47 m/s,風向為東風。圖8～11分別為夏季和過渡季在1.5 m平面高度處的風速云圖和風速矢量圖?？梢钥闯?夏季、過渡季的人行區僅存在較小的無風區域,其面積比分別為3.9%和2.6%,均達到了綠色評價標準中“場地內人行活動無風區”的要求;根據圖9和圖11的風速矢量圖可見,人行區均未產生渦旋,且面積比達到100%,滿足綠色評價標準的要求。從場地的夏季、過渡季的風環境來看,整體效果較好,但高三教學樓的南側活動廣場受藝體中心的影響,存在部分陰影區(圖8紅色方框標記處),此處風速<1 m/s,不適合師生在戶外活動,特別是夏季易造成悶熱感。

圖8 夏季工況1.5 m平面高度處風速云圖

圖9 夏季工況1.5 m平面高度處風速矢量圖

圖10 過渡季工況1.5 m平面高度處風速云圖

圖11 過渡季工況1.5 m平面高度處風速矢量圖

3.6.2.2 外窗內外表面風壓差達標分析

室內自然通風需要較好的風壓驅動,以此改善室內舒適度。當外窗內外表面形成風壓差且>0.5 Pa時,空氣便從高氣壓一側流向低氣壓一側,則形成室內通風的條件。本項目中夏季、過渡季窗口內外表面風差如圖12～13所示,其風壓差>0.5 Pa的面積分別占可開啟總面積的64.78%和80.45%,均達到了綠色評價標準中超過50%的要求,這有助于教室的空氣置換,保持良好的室內清潔度。

圖12 夏季工況窗口內外表面風壓壓差示意圖

圖13 過渡季工況窗口內外表面風壓壓差示意圖

通過模擬分析,結合綠色評價標準的評判要求,本項目現有建筑布局基本符合標準中對公共建筑室外風環境的要求。冬季、夏季以及過渡季的整體風環境較為良好,在開窗情況下,可有效地提高室內空氣質量,達到通風換氣的效果。后期還可結合景觀來進行輔助改善,如在迎風側和背風側合理布置綠化植被,在風速放大系數較大的區域布置灌木叢或景觀花叢等限制學生在該區域的活動,合理設置室外活動場地。對于冬季和夏季風環境中存在的陰影區,可在建筑轉角處設置導風板,改變風的方向和流速,從而減小陰影區的范圍,提高師生在戶外活動的體驗感和舒適感。

4 室外聲環境模擬計算分析

4.1 聲環境模擬參數設置

本項目建成后室外噪聲污染源主要是城市交通噪聲,校園屬于Ⅰ類聲環境功能區,其噪聲限值為晝間<55 dB(A),夜間<45 dB(A)。在圖2建筑模型的基礎上進行噪聲源、監測點以及網格劃分的設置。本項目主要考慮周邊道路產生的噪聲影響,對學校周邊的4條道路的晝夜車流量和平均車速進行實測,數值見表3。在每棟單體樓距地面高度1.2 m,距建筑輪廓1.2 m處設置監測點,共設置了417個典型監測點。模型計算時,按照平面網格間距200 mm、平面高度1.2 m和立面網格間距200 mm進行劃分,依據GB 3096—2008《聲環境質量標準》[14](簡稱聲環境標準),分析場地內聲環境是否滿足標準。

表3 道路噪聲源實測數值

4.2 聲環境模擬計算結果分析

圖14～15為校園晝間和夜間立面噪聲分析圖,從圖中紅色方框標記處可知場地聲環境部分超標,文化交流中心和藝體中心靠近道路一側的監測點噪聲值超過了聲環境標準的限值,見圖16～17紅色方框標記處。噪聲會影響師生的日常工作、學習和休息,因此需采取合理的降噪措施。從噪聲源角度來說,可在學校附近的道路設置減速帶和禁止鳴笛警示牌,控制車速以降低噪聲;從噪聲傳播途徑來說,校園內種植茂盛的喬木可以增加聲波在葉面間的反射,起到減弱聲波傳遞的作用,從而降低噪聲水平。這種做法既可改善校園環境還有助于凈化空氣。在道路兩側設置聲屏障也是降低噪聲的常用措施之一,聲屏障高度一般設置在3～6 m,其可以減少噪聲水平5～12 dB(A)。這樣可以在一定程度上阻隔道路噪聲的傳播,減少對校園內部的干擾。此外,對建筑本身圍護結構的材料進行優化也是有效的降噪方法,如教室、宿舍等室內門窗可采用隔聲性能好的材料并采取有效的密封措施,可以有效地減少噪聲的傳遞。本項目宜在靠近道路一側種植高大的喬木,或者將部分矮小的灌木叢更換為茂盛的喬木進行降噪。優化后的文化交流中心和藝體中心監測點噪聲值如圖18～19所示,僅有較少監測點噪聲值超出聲環境標準的限值(紅色方框標記處),可見此降噪措施對提高聲環境質量有顯著作用。

圖14 晝間立面噪聲分析圖

圖15 夜間立面噪聲分布圖

圖16 文化交流中心監測點噪聲值示意圖

圖17 藝體中心監測點噪聲值示意圖

圖18 優化后文化交流中心監測點噪聲值示意圖

圖19 優化后藝體中心監測點噪聲值示意圖

5 結語

踐行綠色建筑理念,在規劃設計階段,對室外環境進行模擬分析,能夠及時發現問題,并根據模擬分析結果采取優化措施,可降低后期的維修和改造費用,達到國家綠色建筑標準規范要求,創造良好生活環境。