建筑风环境与绿色建筑设计优化分析

在绝大部分地区，为了提高建筑节能效果，创造良好的建筑室内外环境，在建筑的室内外空间设计上，既要满足夏季良好的自然通风，又要避免冬季室外风速过大，并优化建筑散热保温效果，从而降低建筑运营能耗。本文结合建筑所在地区气候特点，对建筑风环境模拟在绿色建筑设计中起到的作用进行探讨。特别是在建筑设计前期的方案推敲与优化阶段，建筑风环境模拟技术以其独特的优势，在绿色建筑的优化设计方面起到了比较重要的作用。本文将结合建筑设计案例从以下两方面来探讨建筑风环境模拟分析与绿色建筑前期设计的关系。

1.风环境模拟分析与建筑形体布局对比

本文以中国整形外科医院改扩建竞标方案作为案例分析，该方案位于北京市石景山区,基地东西长约300米，南北长约160米，占地面积为62923平方米（面积计算准确吗？我计算是48000），用地内地势平坦，基地周围交通便利。地块东侧临八大处路，西临疗养院路，南侧为永定河引水渠，北侧为院区家属院和协和医科大学护理学院。在该建筑设计前期，主要有两个概念方案，各有其特色，但其建筑形体布局有着较大不同。现以北京的自然气候条件为基础，从绿色建筑理念出发，以国家绿色建筑评价标准中对风环境的要求作为参考，运用流体模拟软件Airpak，对整形外科医院的两个方案进行冬夏两季室外风环境的仿真模拟，从而为整形医院取得良好的建筑通风，减少建筑能耗，避免污染物扩散，创造舒适的室外环境提供模拟成果及理论支持，为建筑方案的对比和筛选提供依据；同时，该模拟结果可以用来指导该医院建筑布局的优化以及室外景观的合理布置，为患者创造一个更加适宜的休养康复环境。北京冬季主导风向是西北风，夏季是东南风。石景山区，4月平均风速为全年之最4.7m/s。在建筑风环境模拟过程中，取风速为5m/s，测试建筑室外风环境；本文将分别模拟以下两个设计方案的冬季和夏季风环境，来对比探讨不同建筑方案的自然通风，行人舒适度、污染源扩散、气压差值等方面的问题。

1.1方案一模拟分析

方案一示意，该方案南北对称式，南北各有东西向条状住院楼，中间为门诊医技楼，它们共同围合的空间为一个下沉庭院，适于患者在其中休息与交流；垃圾处理和动物实验区域在西南角，设计中要充分考虑其污物和废气对院内的影响；人行道和院落分布在建筑体块之间。此方案冬夏两季的建筑室外风环境模拟结果如下：分析方案一模拟分析图可以得出以下结论：

（1）院内风速：分析冬夏两季1.5m高处的速度矢量可以看出：冬季风从西北角吹来，风速为5m/s，经过院内建筑再从东南角离开，风速减小幅度较大；分析速度云图可以看出，院内风速均匀，人行道路上没有超过5m/s的不适风速，也无静风区；在图2中分析夏季风速度矢量图和云图，可以看出，夏季风从东南侧吹过来，院内的几大围合区域如东侧入口广场、西侧内院皆有一定的风速，并且绝大部分区域气流通畅，没有涡流区和静风区，整体来说通风气流条件较好。

（2）污流排散：医院内主要污染源为垃圾处理处和动物实验区域，它们位于基地西南角。分析冬夏两季1.5m高处的速度矢量可以看出，冬夏季污浊气体的方向都是背离医院散去，不会吹入院内，并且没有产生漩涡区，污浊气体不会滞留，从而不会影响院内清洁。

（3）气压差值：冬季1.5m处气压图可以看出，作为西北角第一排的两栋建筑迎风和被风两面气压差大于5pa之外，应做好建筑防风，比如加强建筑构件防风处理或者种植常青树种在其北侧；除此之外的其余部分，如南北住院部的气压差值都较小，可以减少冬季大气压值引起的热量流失及额外的能源消耗。中夏季1.5m处气压图所示，南边住院部气压差值大于5pa,北边建筑可开启外窗室内外表面的气压差都大于1pa，都优于绿色建筑评价标准，有利于室内自然通风，在提高室内舒适度的同时,减低了空调使用带来的能耗。

1.2方案二模拟分析，该方案西北角为两栋住院楼，并且围合成一个室外休息西北庭院，西南角为主要污染气体来源：科研楼、动物实验楼，东部为门诊医技等，东西建筑之间为一条南北向开敞的主要景观轴，建筑之间用连廊连接，该方案建筑风环境模拟结果如下：分析方案二模拟分析图可以得出以下结论

（1）院内风速：中冬季1.5m高处速度矢量图，可以看到冬季风从西北角吹来，在住院部围合的西北庭院中，虽无风速过大情况，但是形成了一定的回旋涡流，不利于保证空气洁净；冬季1.5m高处速度云图，科研楼与住院部之间的走道空间，冬季风速较大，近一半面积处于3m/s—5m/s之间，不适合患者在此行走和休息活动，同时建筑表面寒风过大容易过多地带走建筑物热量。夏季1.5m高处速度矢量和云图，可以看出夏季西北庭院被南边建筑阻隔，庭院内风速较小，不利于通风散热，在夏季也不适合休息活动。从风速分布角度来看方案一优于方案二。

（2）污流排散：院内主要污染源为科研教学中动物实验区域，位于基地西南角，冬夏两季速度矢量图来看，夏季的污浊空气对院内影响不大，背离医院散去；但是在冬季，污浊气体将会由实验楼与住院部形成的狭长走道中吹向住院部，影响院内清洁，由此比较，方案一要优于方案二。

（3）气压差值：从图3中冬季1.5m处气压图可以看出，冬季南北住院部气压差值相对方案一要大一些，且最北住院部与迎风面第二排的医技楼气压差都大于5pa,显然容易引起的热量流失及额外的能源消耗。夏季1.5m处气压图，看出夏季南北住院部气压差值都较大,有利于室内自然通风，通过冬夏两季气压差值的对比，方案一要略优于方案二。综上所述，通过建筑风环境模拟，对两方案中院内风速风向、污染气体流向、建筑室内外气压差值等方面的全面比较，建筑方案一优于建筑方案二，结合其他建筑设计要点，该医院最终设计方案选取为方案一。

2.风环境模拟分析与建筑形体布局优化

以建筑风环境模拟的结果为基础，尽可能保持方案一大体不变而进行局部微调，方案一的不足主要表现为：在夏季，若干建筑室外空间局部通风不佳，下面将提出具体问题，并对建筑形体布局的进行适当优化，得出方案三；最后将方案三与方案一进行模拟对比：

2.1方案一的问题及优化方式

（1）问题一：西边的下沉内庭院，有一半面积在冬夏两季特别是夏季的通风效果不佳，此处冬季休息活动基本符合要求，但夏季宜有良好的通风，否则内院一半面积风环境不适于夏季室外活动，气流不畅。优化方式为：在方案三中，将门诊主楼与南边住院部的连廊一层做成开敞式的，冬季连廊两侧关闭；夏季底层连廊打开后走廊形成通风带，激活内院气流，利于通风。

（2）问题二：东侧主入口广场及其北侧走道冬季在北边住院楼的庇护下，室外风速不大，冬季风环境较好；但是两处夏季风速都很小，空气流动受阻，再加上人流量较大的因素，此处在夏季宜有更加良好通风。优化方式为：在方案三中，将东南角住院部底层架空两跨度15米，做成水池及花园，优化通风效果和微气候的同时，营造了一处乘凉避暑的室外休闲空地；另外，将门诊主楼与东北住院部的连廊一层做成开敞式，这样夏季东南风大量吹如门诊广场，北边走道亦有良好通风。

2.2方案一与方案三夏季风环境模拟结果对比

方案一与方案三夏季风速度矢量图与云图可以看出：相对于方案一，优化后的方案三使内院、门诊入口广场、北部走道的通风效果有了较大改善，使夏季整个院区近35%的室外风环境得到优化，改善了室外环境的舒适度、室外景观等微气候，夏季优越的通风效果也降低了空调能耗，符合绿色建筑设计要求。

以上研究仅适合在建筑概念与方案设计阶段，通过风环境的计算机模拟寻找优化设计方法，模拟精度满足建筑师在此阶段的方案决策即可。通过本研究不难发现，以国家绿色建筑评价标准中对风环境的要求作为参考，以绿色建筑设计理论作为指导，充分利用好建筑风环境模拟技术，能很好地为绿色建筑构思、建筑布局、建筑形体等前期设计提供客观、科学的评判和优化依据，从而对不同的建筑方案进行对比分析和调整优化，使得建筑具有更合理舒适的室外风环境，良好的自然通风效果，改善建筑的隔热保温、避寒散热性能，从而降低建筑运营能耗，践行绿色建筑的理念。