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通常由于這里所談的環境問題也常常涉及較大型建筑的內外空間,使得較為精確的計算及其試驗驗證在技術上實現起來相對比較困難,亦或不能在所需的時間或有限的費用內得以實現。因此,一個具有一定工程應用精度的模擬系統就可以在工程設計和應用中成為可以依賴和不可或缺的新手段。以計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics)為基礎的虛擬風洞試驗結合適當的實際物理風洞試驗驗證的工程技術方法的建立及其應用實踐已經證明,一個基于符合特別技術要求并具有與項目設計所適應的較高的準確度和生產效率的虛擬風洞已經能夠提供綠色建筑環境設計相關的絕大部分設計模擬的需求。它包括了新的國家綠色建筑評價標準GB/T50378-2014所要求的,以及新標準中尚未要求的,但在國際上先進綠色建筑設計中逐漸普遍采用的一些事項。其中包括風環境、環境熱舒適性、熱壓(煙囪)效應、自然通風的設計、空氣質量控制與排放擴散、火情下的熱流動與煙霧排放、煙霧條件下的室內可視度模擬和控制、大型玻璃幕墻的水汽凝結與控制等。綠色建筑評價標準的實施,無疑從另外角度上看也是對建筑質量和壽命的大大提高是一個極大的促進??梢灶A計,未來我國的建筑將逐漸告別過去適于較短使用壽命的低端質量建筑。建筑垃圾將大大減少,從時間跨度上和尺度上全面提高城鄉整體的環境質量。這里結合作者在近年來完成的近百項各類建筑環境模擬試驗的經驗,以表格的形式歸納了那些可以通過虛擬風洞試驗進行的國家綠色建筑評價標準所涉及的項目,以及基于這些項目并將環境設計進一步提高和拓展到更廣泛、更高質量的其他試驗項目的關系。通過它們之間的融合來解決三個層面上的現實任務:(1)綠色建筑評價標準達標,包括國標、地標和行業標準;(2)消除其他潛在的安全隱患或在可能的條件下把發生的可能性降至最低;(3)實現更全面、更先進的高質量環境設計。虛擬風洞試驗涉及不同應用方面的幾個實例。以虛擬風洞試驗結果與一個2013年歲末發生在挪威的阿萊桑德的街面大風的實際發生情況作為的有效性驗證的一個例子。行人在橫跨人行斑馬線試圖進入一幢購物中心大樓時非常努力地頂風前進的鏡頭。由于大風,當天市政府專門為這個馬路口派出了若干警察協助行人應付不測。虛擬風洞試驗得到的1.5米高度風速系數云圖以及與高風速區流動相關的來流三維矢量圖。試驗結果對應了當地機場氣象臺站記錄的當時的風速和風向。該圖清晰地驗證了該區域所遭遇的局部強風的大小和方向。特別是從圖上可以看出造成這一結果的原因是由于途徑相鄰的兩座中等高度的三層和五層的建筑屋頂加速后經大樓墻面的阻擋和反射的強烈下洗氣流加速所致。下洗氣流的方向正好對著斑馬線人行道,產生阻止行人從馬路對面進入商業大樓的較大的風阻力。這些信息為解決該問題提供了準確的依據。某輕軌項目的站臺及配樓等的風壓的云圖;其目的是研究自然通風和射流風機通風對站臺和車站內環境舒適性和排除站內聚集的交通車輛尾氣的能力和效率。地處夏暖冬冷地區某高層建筑的裙樓部分受由于室內外溫差所致的冬季熱壓(煙囪)效應的影響的流速分布云圖。目的是消除大樓內冬季時由于熱壓效應引起的門窗及電梯可能的操作困難或結構損壞。以及避免樓內冬季穿堂冷風導致的舒適性下降和熱能浪費。某地鐵項目在地下施工時施工機械與運輸機械的燃氣排放對周圍環境的影響的污染氣體擴、消散情況的研究所得到的相對擴散濃度的云圖。由于篇幅限制其他方面的模擬試驗不作一一列舉。鑒于黑白印刷的原因,該文的附圖不能清晰地表現彩色云圖的細節和完整信息,歡迎感興趣的讀者聯系作者索取彩色高精度原圖。
2早期重視、及早發現和解決環境問題的必要性
雖然近年來人們對于環境設計在建筑設計中的重要性的認識方面逐漸提高,并在實際應用中得以考慮。但由于種種原因,仍有一些現代建筑在建設完成之后遭遇到比較棘手的環境問題。有的甚至經過若干年的各種努力也未能較好地解決。事實上,對有些方面的問題,一旦時過境遷,要回過頭來再面對一些特定的環境問題,要么代價昂貴,要么技術上實現起來不現實,再要么就只好拆掉重來。
3結束語
以計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics)為基礎的虛擬風洞試驗結合適當的實驗室物理風洞試驗驗證的工程實踐已經證明:一個基于符合特別技術要求并具有與項目設計所適應的較高的準確度和生產效率的虛擬風洞已經能夠提供綠色建筑環境設計相關的絕大部分環境設計模擬需求??梢酝ㄟ^虛擬風洞試驗進行的國家綠色建筑評價標準所涉及的項目,以及基于這些項目并在將環境設計進一步提高和拓展到更廣泛、更高質量的其他試驗項目的關系,及其它們之間的融合來解決三個層面上的現實任務:(1)綠色建筑評價標準達標,包括國標、地標和行業標準;(2)消除其他潛在的安全隱患或在可能的條件下把發生的可能性降至最低;(3)實現更全面、更先進的高質量環境設計。環境問題前期重視、及時發現和解決是十分重要的。
作者:樓海燁 江清源 單位:廈門土木建筑學會