高塔与裙楼之间的空隙区域内的行人可感知风环境：核心几何形状与风向的影响

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Pedestrian-level wind environment within the intervening space between elevated towers above a podium: Effects of core geometry and wind direction

　　

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  研究了 podium 上方空隙中的行人风环境。
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  提升式建筑设计的效果会随着风向的不同而变化。
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  $K_{\mathit{max}}$ 的相对变化为高耸塔楼设计提供了定量评估。
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  稳态雷诺平均纳维（Steady RANS）模型无法准确预测低风速的情况。

引言

由于来流气流与下方建筑布局之间的复杂相互作用，风环境已成为城市研究中的一个重要课题。有限的土地资源促使人们建造高层建筑，用于商业和住宅用途。城市景观的多样性显著影响了城市冠层内的气流，尤其是在地面附近，这通常会导致城市热岛（UHI）效应加剧、空气质量恶化以及行人风（PLW）舒适度降低。

行人风环境（PLWE）的评估是风工程中的一个关键方面，它评估了人们在建筑环境中的实际体验。包括下洗效应、转角加速、相邻建筑物之间的气流通道效应以及尾流相互作用在内的流动现象，可能导致地面附近平均风速和湍流强度的显著增强。对超高层建筑（400米级）的各种形状的全面研究表明，与200米级建筑相比，风速增强效果翻了一番，这凸显了在行人层面进行风风险评估的必要性（Xu等人，2017年）。这些影响可能超出行人可接受的舒适阈值，在极端情况下甚至会危及安全。为了改善行人的通行条件，建筑师和城市规划师经常考虑修改建筑设计，包括转角处理、建筑布局和提升策略。

对建筑转角的改造（尖锐、圆形、凹陷和倒角）可以改善PLWE，而且这种效果会随着风向的不同而变化，表明风向和来风速度之间存在相关性（Uematsu等人，1992年；Xu等人，2017年）。在两座狭长建筑并排排列且长度方向垂直于风向的情况下，建筑物外侧转角和中央通道处的风速增强最为明显（Blocken等人，2007年）。此外，采用发散布局的建筑比采用收敛布局的建筑具有更高的风速（Allegrini和Lopez，2016年；Blocken等人，2008年；Li等人，2015年）。

提升式建筑（Du等人，2019年；Du和Mak，2018年；Li等人，2024年；Nevers等人，2024年）的设计越来越多地应用于高密度开发项目中，以提高地面渗透性、保持行人连通性，并提供半开放空间用于公共活动和行人通行。通过抬高建筑的一部分，这些设计改变了来流气流与建筑结构的相互作用，可能影响建筑周围的风速分布。对采用不同建筑设计的提升式建筑的PLW进行综合评估后发现，提升概念对PLW条件有积极影响；然而，改善的程度取决于来風的方向（Chen和Mak，2021年；Du等人，2017年）。包含中央核心的提升策略表明，较低的核心高度可能会促进高风速（HWS）条件的形成，而较宽的中央核心则会通过产生更大的低风速（LWS）区域而对气流产生负面影响（Tse等人，2017年；Zhang等人，2018年）。此外，对中央核心形状的修改（倒角、圆形和凹陷）也被证明是有益的，尤其是对于高而细长的提升式建筑而言，凹陷的转角最有利于改善提升区域内的舒适度（Zhang等人，2017年）。对带有顶部建筑群的抬高式 podium 的研究表明，提升设计对 podium 下方的不适区域和风速影响不大（Xia等人，2015年）。

在住宅塔楼底部集成 podium 结构已成为一种越来越普遍的策略，这种结构可以设置商业空间或停车场，并在顶部提供半封闭的公共活动区域。Podium 结构可以通过减弱下洗效应和减少街道层面高风速（HWS）区域的范围和程度来显著改善 PLWE（Murakami等人，1979年）。然而，这种遮蔽效应也可能限制建筑综合体下部的气流。Podium 对 PLW 流体的遮蔽效果明显，导致上游和下游近场区域的风速降低，从而对周围环境的自然通风产生负面影响（Tsang等人，2012年）。增加 podium 的深度可以降低转角区域的最大风速，并将 HWS 位置从原有建筑移远（van Druenen等人，2019年）。此外，在超高层建筑下方设置 podium 可以改善 PLWE，因为 podium 宽度的增加降低了风速和 HWS 区域的范围（Zhang和Xu，2019年）。

尽管对提升式建筑和 podium 结构进行了广泛研究，但它们对 PLWE 的影响主要集中在传统的街道层面。特别是，提升策略主要被研究为改变地面以上建筑下方的气流，而 podium 结构则主要关注其对周围街道层面风环境的遮蔽效果。在现代高密度开发项目中，住宅塔楼通常位于 podium 上方，从而形成了可用于行人和公共活动的高架空隙。这些区域对于促进人口密集城市环境中的社交互动至关重要，同时还能改善自然采光、通风以及居民的视觉和听觉隐私。 podium 级别空隙内的风环境可能受到 podium 和相邻塔楼综合空气动力学效应的影响，这种影响比对传统街道层面的影响了解得更少。

在这种背景下，本研究调查了一种双塔配置，这种配置位于 podium 上方，特别关注塔楼之间空隙内的 PLWE。将建筑抬高到 podium 上方与传统直接将建筑质量抬高到地面以上的提升设计在概念上是不同的。因此，本文描述的配置被称为高耸塔楼（ET），以区别于传统的地面提升概念。尽管以往关于提升式建筑的研究为了解高耸建筑和中央核心的空气动力学效应提供了有价值的见解，但这些发现是否适用于 podium 上方的 ET 配置尚不明确。特别是，双塔之间空隙内的 PLWE 及其中央核心几何形状的影响尚未得到充分研究。这促使我们系统地研究它们的空气动力学效应。

本研究的结构如下：第2节介绍了研究方法，包括风洞实验、被研究建筑的详细信息，以及包含域设计、湍流模型、网格敏感性分析和验证的 CFD 仿真。第3节展示了研究结果，第4节总结了当前研究的发现和局限性。

章节片段

来流条件

风洞实验在日本东京工艺大学的风工程研究中心进行。风洞长度为19米，宽度为2.2米，高度为1.8米。图1展示了用于本研究的风洞示意图。上游区域包含了不同立方体尺寸（90毫米、60毫米和30毫米）的尖塔、障板和粗糙要素，以及用于生成来流剖面的人造草皮

0° 风向下的流场特性

图10显示了在不同中央核心配置下，Podium 上行人层面的风速比 $K$ 的空间分布，来流方向为 $\theta =0°$。红色虚线方块表示感兴趣的区域（ROI），而两个黄色虚线方块表示高耸塔楼下方的区域。对于参考建筑（RB）（图10(a)），空隙内的气流大致对称，表现出明显的通道效应

结论

本研究调查了九种（9种）高耸塔楼设计（ET1至ET9）对 PLWE 的影响，这些设计的中央核心尺寸（长度〈em>l、深度〈em>d 和高度〈em>h）各不相同，研究对象是位于 podium 上方两座塔楼之间的空隙区域（ROI）。此外，还考察了四种来流方向（0°、30°、60° 和 90°），以评估行人风环境与参考建筑（RB）相比的变化情况。

CRediT 作者贡献声明

Azerai Ali Rahman:撰写初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析。Chiyoko Hirose:撰写与编辑、方法论。Naoki Ikegaya:撰写与编辑、方法论、资金获取、概念化。Ryuichiro Yoshie:撰写与编辑、资金获取。Mohd Faizal Mohamad:撰写与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了 JST FOREST 计划（JPMJFR205O）的支持。风洞实验在 东京工艺大学 的风工程研究中心进行，实验是在联合使用/研究资助下进行的（分配编号：24242012）。仿真使用的是 Malaysian University of Science and Technology （UiTM）的风工程与建筑物理（WEBP）实验室的高性能计算机。

Azerai Ali Rahman|Chiyoko Hirose|Naoki Ikegaya|Ryuichiro Yoshie|Mohd Faizal Mohamad