建筑与风环境的关系及案例分析.ppt

建筑与风环境的关系及案例分析,目录 Contents,(一).收集并分析2-3个通过设计、规划手段改善外部风环境的实例。（风环境案例）,(二).收集并分析2-3个通过设计、规划手段改善城市热岛效应的实例。（热岛效应案例）,(四).参考文献,(三).寻找西工大新校区室外风环境的不利地点，并从规划及设计的角度，提出改进的意见和建议。（校园风环境）,风对建筑室内外环境，人员舒适度都有重要的影响。一个设计完善的建筑规划设计应该能够充分利用自然通风，改善区域的微气候，周密的规划布局以及合理的建筑空间设计可以达到良好的风环境。自然通风同时也是一种最简便和容易实现的节能技术，其主要作用包括提供新鲜空气，生理降温，释放建筑结构中蓄存的热量，通过改善通风条件提高人员的舒适度和建筑品质。 建筑群和构筑物会显著改变近地面风的流程。近地风的速度，压力和方向与建筑物的外形，尺度，建筑物之间的相对位置及周围地形地貌有着很复杂的关系。再有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风，如果强风出现在建筑物入口，通道，露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适，甚至形成风灾。 因此，需要分析建筑之间位置与室外风环境的影响。同时，室外风环境影响室内风环境，特别是对建筑防风和自然通风有着决定性影响。冬季建筑防风，有效减少气流渗透，降低采暖能耗，而夏季与过渡季节的自然通风则能有效降低空调能耗。,(一).风环境案例 Wind Environment,考虑冬夏季主导风向建筑布局,不同建筑布局方式的风影示意,1.1. 场地设计对风向的考虑,(一).风环境案例 Wind Environment,1.2. 高层建筑和室外风环境的关系,(一).风环境案例 Wind Environment,高层建筑周围风环境的形成机理: 由于高层建筑阻挡了主要风向的流动，在和高层建筑碰撞时， 一部分风越过高层顶部和侧边，流向建筑后部。另外一部分风向下 流动，形成下冲风，下冲风风速较快，会对地面人行高度处风环境 产生影响，同时形成迎风面涡流区。同时建筑周边不同区域形成了 风压差：在迎风面上由于空气流动受阻，速度降低，风的部分动能 变为静压，使建筑物迎风面上的压力大于大气压，从而形成正压； 在背风面、侧风面(屋顶和两侧)由于气流曲绕过程形成空气稀薄现 象，该处压力小于大气压从而形成负压，这两种气压差造成气流快 速流动。换句话说，高层建筑物较大程度改变了建筑物周围的局地 风场，从而形成高层风。(图1)。,高层建筑风根据气流流动方向大体可分为两大类型：分流风和回流风。其中分流风又可分为边角侧风、下冲风、开口部风、穿堂风。回流风又可分为迎风面逆风和风影区涡流(表1)。,(图1) 风环境的形成机理,(表1) 高层建筑风分类,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,（一）削弱“边角强风”优化设计策略: 边角强风发生在建筑的边角处，会产生涡漩分流的现象，造成建筑物边角两侧有较强的风速。削弱“边角强风”的根本在于通过高层建筑边角的形态优化来弱化气流或者增加表面阻尼。以下是在此基础上提出的一些优化策略。,RWE AG大楼,1. 建筑边角圆润化 从弱化气流的角度出发，并且外界微气候环境最小影响程度来说，建筑边界越是圆润，光滑，建筑背风向形成的压力越趋于稳定，边角强风影响程度也就越小。例如RWE AG大楼，边角圆润的形体能较大的削弱强风，降低风荷载。 高层建筑应具有符合空气动力学的圆弧状轮廓，并尽可能将窄边面向冬季的主导风向或与其成一定的角度。杨经文、罗斯福、福斯特等利用生物气候原理进行设计的建筑师，他们常用的高层平面形式大都呈圆形、椭圆形等。,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,2. 设置遮风板 为化解高层建筑角部的强气流，增加建筑边角处阻尼，可以在转角部位阳台的角部设置遮风板，可以有效地减弱边角风的强度。图2为未设置遮风板和在建筑的转角部位设置遮风板时的气流模拟比较。图中可以看出，未设置遮风板时阳台内出现强风，而在设置遮风板后，建筑转角附近的风速大幅度下降，设置遮风板是非常有效的防强风对策。 另外重视建筑细部的处理。如建筑物的墙面利用、阳台或线脚的凹凸变化等，也可以减弱边角强气流的干扰。,图2 转角处阳台内部气流CFD模拟 （左：无挡风板，右：有挡风板）,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,3. 扭转的形体 扭转的形体可以引导边角强气流的走向，依附于形体盘旋上升，从而化解了周边的强气流对于建筑的冲击。通过剖面风速模拟，可以看到经过扭转后的形体风速明显小于未扭转的形体，同时，越是表面圆滑，越是能化解边角强风。 比较典型的案例是上海中心的形体设计。上海中心位于浦东陆家嘴中心区域，金茂大厦，环球金融中心三者的空间关系形成较大的风压。经试验数据可知，上海中心的主体部分的扭转可以减小三者之间的风阻影响。具有柔和轮廓120的扭转形态不仅具有动态的美感，同时和通常的方锥体相比，还可减少24%的风荷载，不管对于上海中心本身化解边角强风还是和其他两个建筑之间的风环境关系，是比较好的形体选择。,上海中心分解图,上海中心周边环境,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,4. 切割的形体 根据风环境的研究结果显示，折线的切割方式比直线更能有效的弱化风速，切割的形体能使迎面吹来的强风折向不同的方向，化解气流的过于集中，切割的形体同时也具有一定的导风作用，对化解边角强风比较有利。 Al Hamra Firdous Tower(哈姆拉菲尔杜斯大厦)高度达412m，是目前科威特最高的建筑。功能包含了办公空间、健身俱乐部、剧院、美食广场的高端商业中心的商业综合体。Al Hamra塔地处科威特半岛中心的黄金地段。沿着海岸线感受城市全景，超高层塔楼的形象强烈地突出于城市的天际线。 在规划阶段，设计师根据基地边界，设定了60mX60m的塔楼平面，采用旋转削减25%周边楼板的方法满足了对建筑面积的控制要求。太阳能分析的结果表明建筑应切掉西南转角，而风环境的研究结果显示折线的切割方式能有效地缓和风速，化解强气流的干扰。因此，建筑的最终形式是在底层平面西南角切除楼板1/4的面积，并渐变至顶层平面的东南角，这是由风环境模拟分析过程推导而来的最优化设计。,哈姆拉菲尔杜斯大厦,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,（二）化解“迎风面涡旋”优化设计策略: 化解“迎风面涡旋”的根本在于使位于迎风面的建筑形体呈错落状，来达到缓冲下冲涡旋气流的目的。,韩国汉城综合贸易中心,1. 迎风面为外凸的平面形式 建筑迎风面的平面形式是外凸或者内凹，将会产生不同的涡旋气流走向。如果高层建筑迎风面的平面是外凸的形式，将把更多的高层建筑周围的气流转移开来，化解一部分迎风面涡旋的气流。 2. 台阶状形体 为了减小上部风受到高层建筑界面阻挡后下行，对地面及街道造成的影响，高层建筑的形体还可以依据高度做退台处理。相关城市规划法规中规定，沿街建筑高度应依据街道宽度而定，满足一定的比例关系。随着建筑不断增高，形体上应做退台处理，减小高层建筑对街道形成的压抑感。这种退台处理缓解了高层建筑迎风面涡漩气流，下风向的能量，在退台处风力不断的受阻，进而能量不断衰竭。高层上部退台后，街道底部峡谷风力有所减弱，并化解了街道上不利的风环境状况。 韩国汉城综合贸易中心是单面台阶体形的实例。作为综合贸易中心主体建筑的贸易大厦，高达228m，建筑面积约10.8万m2。建筑的形态设计采用了一侧为阶梯状的设计造型，并将阶梯部分分为两条，该立面面向城市主干道，从风环境的角度，弱化了高层下冲气流对于主要街道的干扰，同时建筑的退台状设计也不会让街道显得压抑。,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,3. 半开敞竖向庭院 半开敞竖向庭院作为软质景观引入建筑，形成多方位、多层次的绿化系统。绿化的引入增加高层建筑表面对气流的阻尼，粗糙的建筑表面质感增加了建筑对气流运动的摩擦阻力，使气流朝各不同方向反射，对高层建筑上部水平向强气流具有一定的缓冲作用，化解部分迎风面涡流，使风速及风压在室内空间满足人的生活及工作需求。半开敞竖向庭院的引入也赋予了高层建筑特定的外形特征，如立面强烈的虚实对比，大平台的出现等。 福斯特设计的位于德国法兰克福的Commerz Bank Headquaters(法兰克福商业银行)，平面是三角形的，以其竖向绿化的引入和拔风效应为整座建筑提供自然通风。福斯特自称这一设计是“世界上第一座活着的，能自由呼吸的高层建筑”。同时这座建筑也可以有效化解“迎风面涡旋”。,法兰克福商业银行平面图,法兰克福商业银行中庭,法兰克福商业银行,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,(三) 减小“建筑物风影区”优化设计策略 建筑风影区平面范围的大小与高层建筑的平面特征、建筑体量高宽比、气流的流向等有关。以下是相应的一些优化策略。,横滨标志性塔楼,1. 倾斜面形体 利用倾斜面造型也是高层建筑体形塑造的常用手段。斜面所带来的动感和韵律感可以使建筑外观舒展、流畅而富有个性。高层建筑高度较高，但是考虑到消防分区的面积要求，标准层平面尺寸相对较为固定，所以利用一定的斜面处理可以减小高层建筑的体量感。倾斜面体形一般采取下大上小，随着高度的增加逐渐减小平面的特点，整个建筑的形体形成内收的特征，这样所形成的建筑物风影区范围也相应的减小。 横滨标志性塔楼高70层，它的倾斜方式又有所不同，由正方形平面在四个边的中间挖槽，切割形成平面上突出的四个角，方形的塔身分三段向中心退台，每段的标准层平面不变，底下一二段的四个凸角向内收进，形成倾斜面。这一组合减小了建筑的风影区的范围，同时在造型上形成收束的效果，简洁中有变化。,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,高层形体周边气流走向,2. 贯通的洞口 高层建筑随着高度和宽度的加大，会受到风振效应和背部涡流区等众多不良风环境的影响，为了避免高层建筑由于过于封闭的形体而造成强大气流的互相混合，可以在高层建筑形体处理上预留出贯通整个建筑的洞口，又可称之为“掏空”的处理，化解从正面各个方向吹来的风力，弱化了强风对高层建筑的破坏力，同时也缩减了高层建筑背面风影区的范围，加强了空气的流动。 日本的NEC总部大楼是一个很好的案例，该大楼由日本现代主义建筑师丹下健三设计，建于1970年代的日本电信大厦形体经过反复推敲，对风环境的考虑成为建筑方案最终敲定的关键因素，建筑体量关系分为上下两部分，以斜面形体过渡处理上下体量之间的联接，上部体量的缩小是在综合评定几种体量关系所造成的风环境状况后做出的最后选择，中部斜面的处理成为上部气流下行的缓冲并顺势改变了气流运动方向，减弱上部气流对下部体量中屋顶带来的压力。方案中最为典型的是在建筑的下部体量中部挖出一个极大的透空门洞，透空处理一方面相当于减小了建筑垂直于迎风面的跨度，减小体量过大造成的风影区范围及对下风向建筑通风带来的影响，通过建筑底层下部空间的屋顶开洞，创造了一个有顶光的多层地下大厅，使建筑物地下空间通风更通畅。,NEC总部大楼,1.3. 高层建筑形态优化设计策略,(一).风环境案例 Wind Environment,3. 平面布局的优化设计 针对基本几何形体关系，可以进行以下的布局优化策略：,高层建筑平面布局优化策略,1.4. 常见的防止强风的措施,(一).风环境案例 Wind Environment,1.使高大建筑物的小表面朝向盛行风向 图1 2.建筑物之间的相互位置要合适 3.改变平面形状 4.设防风围墙 图2 5.种植树木于高层建筑周围 图3 6.在高楼的底部周围设底层部分 图4 7.在近地面的下层处设置挑棚等,图1,图3,图2,图4,城市热岛效应(Urban heat island effect),就是因城市化的发展,导致城市中气温高于外围郊区的现象。在近地面大气等温线图上(图1),郊外的广阔地区气温变化很小,如同一个平静的海面,而城区则是一个明显的高温区,如同突出海面的岛屿, 由于这种岛屿代表着高温的城市区域,所以就被形象地称为城市热岛。,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,城市热岛效应示意图,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,2.1. 成都活水公园,活水公园位于成都市内的府河边，是世界上第一座城市的综合性环境教育公园。从1997年春天活水公园破土动工， 到目前工程初步完成， 投资达3000万元人民币，占地24000多平方米。,成都活水公园鸟瞰,成都活水公园小径池塘,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,2.1. 成都活水公园,设计理念： 活水公园以表现水为主题，以东方“天人合一”的理念，追求“精心的自然式”的设计。取鱼水难分的象征意义，将鱼形剖面图融入公园的总体造型，喻示人类，水和自然的依存关系，“鱼水难分”。这条大鱼长525m，宽75m，每一处设计都妙趣天成。“水环境生命”这个永恒的主题始终贯穿于其中，并展现得淋漓尽致。,成都活水公园总平面图,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,2.1. 成都活水公园,活水公园依次流经厌氧池、流水雕塑、兼氧池、植物塘、植物床、养鱼塘等水净化系统，向人们演示了水与自然界由“浊”变“清”、由“死”变“活”的生命过程。 活水公园不光是对于水资源的处理尤为独到，在植物配置上也是相当的适时适地。活水公园再现了四川成都峨眉山风景区自然地森林景观。将山地的林带景观搬移到城市之中，并对与周边的环境起到了一定的生态保护，生态系统的微观调节的作用，具有改善城市热岛效应的效果，可以说是中看又中用。 林荫道、茂密的树，清澈的水、碧绿的草坪，令市民尽情呼吸新鲜甜美的空气，享受大自然的惠泽。 活水园最重要的使命在于透过每一个设计要素，增强市民的环境保护意识。设计师并不是再建自然，而是将公共环境艺术揉合于保护自然之中。目前活水公园的日处理污水能力为300吨，是整个成都市的“绿肺”之一。,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,规划提出，都市区内部规划形成“一带、十字、双环、多楔”大生态安全网络，连通城市与周边生态资源，降低城市热岛效应。“一带”即都市区西部太行山生态保育带，规划新增林地面积30平方公里，森林覆盖率达40%以上，封龙山龙泉寺风景区、抱犊寨风景区、野生动物园区森林覆盖率达60%以上。 “十字”是都市区内部的横纵绿轴，起到串联城市绿色游憩空间的作用。横轴为滹沱河及两岸的生态绿地，纵轴为京珠高速两侧7001500米的生态绿地控制带 . “双环”是都市区整体形成的两条生态环。外环为都市区生态绿地环，由北部的石津高速，东部的京珠高速复线，等高速围合而成，总面积200平方公里。 多楔”指多条始于山前地区和滹沱河水域并通向中心城区的绿契。,2.2.石家庄都市生态服务体系规划,石家庄都市生态服务体系规划图,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,现代建筑大师勒柯布西耶提倡的“现代建筑的五个原则”之一的屋顶花园，近年由于地球的温暖化和城市热岛效应等日趋严重，大家对屋顶花园的作用重新加以审视，倍受注目。 位于新宿的伊势丹屋顶庭园，建成于2006年，约2050平方米，耗资2亿5000万日元，种植了花草200多种，据说每年能吸收7吨的二氧化碳。 屋顶绿化具有以下功能： 1.改善城市环境面貌，提高市民生活和工作环境质量； 2.缓解大气浮尘，净化空气； 3.保护建筑物顶部，延长屋顶建材使用寿命； 4.缓解城市热岛效应； 5.保温隔热，减少空调的使用，节约能源； 6.消弱城市噪音； 7.增加空气湿度，净化水源； 8.提高国土资源利用率； 9.可种植瓜果蔬菜，形成城市菜园、果园； 10.可根据喜好建立简单休闲娱乐设计。,2.3. 伊势丹屋顶庭园,伊势丹屋顶庭园,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,2.4. 常见的防止城市热导效应的措施,从绿化城市及周边环境方面: 1.选择高效美观的绿化形式、包括街心公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置，可有效地降低热岛效应，获得清新宜人的室内外环境。 2.居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制并且建立相关的地方性行政法规，以保证绿化用地。 3.要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集的地区的绿化，营造绿色通风系统，把市外新鲜空气引进市内，以改善小气候。 4.应把消除裸地、消灭扬尘作为城市管理的重要内容。除建筑物、硬路面和林木之外，全部地表应为草坪所覆盖，甚至在树冠投影处草坪难以生长的地方，也应用碎玉米秸和锯木小块加以遮蔽，以提高地表的比热容。 5.建设若干条林荫大道，使其构成城区的带状绿色通道，逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局，减弱热岛效应。,(二).热岛效应案例 Urban Heat Island Effect,2.4. 常见的防止城市热导效应的措施,在现有的条件上，应考虑: 1、控制使用空调器，提高建筑物隔热材料的质量，以减少人工热量的排放；改善市区道路的保水性性能。 2、建筑物淡色化以增加热量的反射。 3、提高能源的利用率，改燃煤为燃气。 4、此外，“透水性公路铺设计划”，即用透水性强的新型柏油铺设公路，以储存雨水，降低路面温度。 5、形成环市水系，调节市区气候。 因为水的比热大于混凝土的比热，所以在吸收相同的热量的条件下，两者升高的温度不同而形成温差，这就必然加大热力环流的循环速度， 而在大气的循环过程中，环市水系又起到了二次降温的作用，这样就可以使城区温度不致过高，就达到了防止城市热岛效应的目的。 此外，市区人口稠密也是热岛效应形成的重要原因之一。所以，在今后的新城市规划时，可以考虑，在市中心只保留中央政府和市政府、旅游、金融等部门，其余部门应迁往卫星城，再通过环城地铁连接各卫星城,与此同时，建筑布局结合气流，风向考虑，形成良好的气流循环。 综上所述，热岛效应给人们带来的危害的确不小，但若能够正确的利用已有的技术，控制城市的过快发展，合理规划城市，这个问题并非不可解决。,(三).校园风环境 Wind Environment of Campus,3.1 西工大图书馆,问题总结： 1.图书馆此处前有较开敞的广场，无遮挡物，冬季易形成强风聚集，加之底层门窗气密性不好，易造成较多的冷空气渗入 2.图书馆此三角通高空间两面全是封闭的玻璃幕墙，风不易流通，容易造成涡流，严重时会导致建筑表面装饰物脱落，易给学生造成人身安全,改进设计策略： 1.增加告示牌（如“注意安全CAUTION DANGER!”） 2.在入口广场种植适宜的绿化，阻挡一定的风速 3.入口南侧适当的安装防风围墙,(三).校园风环境 Wind Environment of Campus,3.2 教学西楼通道,问题总结： 1.教学西楼此处通道前后通透，都是较为开敞的广场，冬季易形成穿堂风和开口部风，风速比较大 2.风速比较大时，会导致一定的地面垃圾灰尘乱飞，影响环境,改进设计策略： 1.在前后广场上适宜的种植绿化，阻挡一定的风速 2.增加广场绿化树木的种类，在合适的位置种植适当高度的“落叶”和“常青”树木，使夏季能够正常的通风，冬季也能够阻挡一定的寒风 3.清洁地面卫生，保证空气清新干净,(三).校园风环境 Wind Environment of Campus,3.3 数字化大楼西面广场,问题总结： 1.此处广场的西面为操场，南面为教学西楼的绿化广场，都比较开阔开敞，冬季的风速比较大 2.风速比较大时，会导致一定的地面垃圾灰尘乱飞，影响环境,改进设计策略： 1.冬季适当增大沿道路布置灌木的尺度，使其能够阻挡一定程度的寒风 2.沿道路边缘布置合适的“常青”树木，使冬季能够阻挡一定的寒风，但又不影响夏季能够正常的通风 3.清洁地面卫生，保证空气清新干净,(四).参考文献 References,参考文献：,1刘加平；城市环境物理M；中国建筑工业出版社; 2011年 2时光; 引入风环境设计理念的住区规划模式研究 M;长安大学；2010年 3 陈飞. 建筑与气候夏热冬冷地区建筑风环境研究M. 北京：中国建筑工业出版社，2009. 4 涂逢祥. 建筑节能M. 北京：中国建筑工业出版社，2009. 5 李华东. 高技术生态建筑M. 天津：天津大学出版社，1998. 6 日 村上周三. CFD 与建筑环境设计M朱清宇译北京：中国建筑工业出版社，2007. 7 Aybars Asci. Al Hamra 塔，科威特J. 建筑技艺，2011(5-6) ：78.,THANKS,