隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速和“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，綠色建筑與宜居環(huán)境成為城市發(fā)展的核心議題。“十四五”規(guī)劃明確提出“提升城市建設(shè)智慧化水平，發(fā)展智能建造”，對建筑能效與環(huán)境適應(yīng)性提出了要求。^[1]在這一背景下，建筑風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)正成為優(yōu)化人居環(huán)境、保障建筑安全的關(guān)鍵支撐。CAE風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)，通過高精度數(shù)值模擬還原真實風(fēng)場與建筑的相互作用，為建筑可持續(xù)設(shè)計提供科學(xué)決策依據(jù)。

圖源網(wǎng)絡(luò)

  文件《建筑設(shè)計環(huán)境準(zhǔn)則》明確要求建筑方案階段需進(jìn)行環(huán)境影響評估，涵蓋風(fēng)環(huán)境對行人安全、能耗、自然通風(fēng)的影響分析，并需提出優(yōu)化措施，同時強調(diào)節(jié)能設(shè)計，要求通過仿真優(yōu)化建筑布局降低熱島效應(yīng)，提升室外風(fēng)舒適性。^[2]

“熱島效應(yīng)” 圖源網(wǎng)絡(luò)

海南省《綠色建筑設(shè)計規(guī)程》文件，要求建筑群體布局長度超30米時，需設(shè)置通風(fēng)過街樓，并應(yīng)運用計算流體力學(xué)（CFD）手段對場地風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬預(yù)測，完成模擬報告，據(jù)此完成規(guī)劃設(shè)計。^[3] 

  可見，CAE風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)可在設(shè)計階段精準(zhǔn)預(yù)測建筑群風(fēng)場分布，為規(guī)劃布局與結(jié)構(gòu)安全提供科學(xué)依據(jù)。

  當(dāng)傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗面臨周期長、成本高的困境，建筑風(fēng)環(huán)境仿真的優(yōu)點在于：

（1）費用省、周期短、效率高；

（2）可方便探討各種參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)性能的影響；

（3）基本不受結(jié)構(gòu)尺度和構(gòu)造的影響，可盡可能真實地模擬實際結(jié)構(gòu)以及所處的環(huán)境，克服試驗中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難；

（4）數(shù)值模擬的結(jié)果可利用豐富的可視化工具，提供風(fēng)洞試驗不便或無法提供的繞流流場信息。^[4]

01 建筑風(fēng)環(huán)境仿真的關(guān)鍵技術(shù)

1.流體力學(xué)仿真

  計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)通過求解控制流體運動的納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），在計算機上對建筑物周圍風(fēng)流動所遵循的動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值模擬。^[5]在輸入精確的地理環(huán)境模型、建筑設(shè)計模型（BIM）、邊界層風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)后，CFD可計算整個三維流場內(nèi)所有點的關(guān)鍵物理量（壓力、速度、湍流動能），輸出建筑物表面的風(fēng)壓分布、區(qū)域內(nèi)通風(fēng)狀況、行人高度的風(fēng)速舒適度等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

  CFD揭示了風(fēng)力如何與建筑形態(tài)產(chǎn)生交互的最基本物理圖像，是風(fēng)環(huán)境仿真的基石。

Ansys Fluent 模擬描繪了格拉斯哥建筑環(huán)境周圍的風(fēng)向和氣流

2.流-固耦合仿真

  風(fēng)不僅作用于建筑表面產(chǎn)生壓力，更會引發(fā)結(jié)構(gòu)振動（如高層建筑的擺動、幕墻的變形、橋梁的顫振）。流體力學(xué)仿真（CFD）僅能計算風(fēng)力載荷，但要評估結(jié)構(gòu)在這些時變載荷下的動態(tài)響應(yīng)（應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性、振動頻率），則需要在CFD基礎(chǔ)上耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊（如FEA有限元分析），這種多物理場仿真技術(shù)稱之為流-固耦合仿真（FSI）。

  流-固耦合仿真（FSI）：計算流體域的流場壓力實時作用于固體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，結(jié)構(gòu)的變形或振動也反過來影響流體邊界的形狀及流動狀況。

  即在CFD模擬風(fēng)荷載的基礎(chǔ)上，將荷載數(shù)據(jù)傳遞至結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，計算建筑結(jié)構(gòu)（尤其是柔性構(gòu)件如幕墻、屋頂、索結(jié)構(gòu)）的變形與振動響應(yīng)；結(jié)構(gòu)變形反過來又影響周圍流場形態(tài)，形成雙向反饋循環(huán)。這種閉環(huán)反饋對于準(zhǔn)確分析風(fēng)致結(jié)構(gòu)變形、振動疲勞乃至極端風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要。^[6]

3.噪聲仿真

  氣流經(jīng)過鈍體如建筑物、橋塔、風(fēng)電機組時，會產(chǎn)生顯著的空氣動力學(xué)噪聲（氣動噪聲或風(fēng)噪聲）。此類噪聲源于復(fù)雜的流動現(xiàn)象，尤其是湍流及其相互作用（渦脫落、撞擊等）。準(zhǔn)確預(yù)測該噪聲涉及復(fù)雜的技術(shù)路徑：需利用CFD計算得到的非穩(wěn)態(tài)流場數(shù)據(jù)（速度、壓力脈動），作為聲學(xué)仿真的激勵源。通過求解聲波方程（如線性歐拉方程）或采用聲類比方法（如FW-H方程），模擬由湍流邊界層分離、旋渦脫落、氣流沖擊等引起的噪聲產(chǎn)生與傳播過程。

4.疲勞仿真

  建筑物在其全生命周期內(nèi)會承受數(shù)萬甚至數(shù)十萬次風(fēng)荷載循環(huán)作用。這種隨機、往復(fù)、幅度變化的風(fēng)致應(yīng)力會對關(guān)鍵受力構(gòu)件（如焊縫、螺栓節(jié)點、支撐結(jié)構(gòu)）造成累積損傷，可能導(dǎo)致材料在遠(yuǎn)低于靜力強度的應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂。

  疲勞仿真就是在結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析（特別是基于CFD模擬得到的載荷譜）基礎(chǔ)上，引入材料的疲勞性能數(shù)據(jù)（S-N曲線或斷裂力學(xué)模型），對關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞壽命評估。^[7]

“建筑材料環(huán)境” 圖源網(wǎng)絡(luò)

02 CAE風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用

1.抗震與抗風(fēng)分析

  通過計算流體動力學(xué)（CFD）和流-固耦合（FSI）仿真，精確模擬臺風(fēng)、強風(fēng)作用下的建筑整體及局部（如幕墻、屋頂）風(fēng)壓分布與風(fēng)致響應(yīng)。識別風(fēng)敏感區(qū)域（角區(qū)、女兒墻），優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置與阻尼系統(tǒng)設(shè)計，提升抗風(fēng)安全性。

Ansys Fluent 中的分析顯示了格拉斯哥建筑物周圍的風(fēng)速

2.通風(fēng)設(shè)計優(yōu)化

  宏觀尺度可針對建筑群體（街區(qū)、校園），微觀尺度聚焦單體建筑布局，建立詳細(xì)的CFD三維模型，輸入當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)。 結(jié)合不同風(fēng)況（主風(fēng)向、風(fēng)向頻率），精確模擬氣流通過開窗或特定通風(fēng)系統(tǒng)（如通風(fēng)塔、雙層幕墻風(fēng)道）的路徑與流量，評估通風(fēng)效率、空氣齡、污染物擴(kuò)散路徑。指導(dǎo)建筑形態(tài)與開窗策略設(shè)計、中庭設(shè)計、通風(fēng)口布局、機械輔助通風(fēng)系統(tǒng)配置，確保室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）達(dá)標(biāo)，尤其在人員密集場所（交通樞紐、醫(yī)院）。^[8]

圖源網(wǎng)絡(luò)

3.疲勞與耐久性評估

  基于風(fēng)荷載時程數(shù)據(jù)與材料S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線），運用疲勞分析算法（如雨流計數(shù)法）預(yù)測建筑構(gòu)件（螺栓、焊縫、玻璃夾具）在長期風(fēng)荷載作用下的累積損傷與壽命，發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)耐久性問題，并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運維方案制定，是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)長壽命與運營安全性的核心環(huán)節(jié)。

4.噪聲控制優(yōu)化

  預(yù)測建筑周邊及內(nèi)部風(fēng)噪聲分布，識別噪聲源（如百葉、通風(fēng)器）空間分布，及其在風(fēng)環(huán)境下產(chǎn)生噪聲的聲壓級大小，評估其對周邊敏感區(qū)域（如住宅、醫(yī)院、學(xué)校）的影響。指導(dǎo)選用低噪聲構(gòu)件、優(yōu)化幾何造型（如導(dǎo)流鰭片）、設(shè)置聲屏障，有效降低室內(nèi)外噪聲污染，提升聲環(huán)境舒適度。

03 神工坊^?應(yīng)用案例

• 基于swOpenFOAM的智慧風(fēng)場平臺

  某風(fēng)電整機領(lǐng)域的頭部企業(yè)，為實現(xiàn)對風(fēng)場風(fēng)機發(fā)電量的實時精準(zhǔn)評估，對風(fēng)資源分析的分辨率提出了極高的要求，并需要開展大規(guī)模的仿真分析。然而，現(xiàn)有的硬件和軟件資源無法滿足現(xiàn)場高效運作的需求。

  基于SimForge?平臺，該企業(yè)成功完成了仿真求解模塊的高性能改造及部署，整體性能得到顯著提升，提升了4.2倍。這一重要改進(jìn)為風(fēng)資源工程師提供了強大的支持，使他們能夠順利完成超過2000個風(fēng)資源項目的設(shè)計和評估任務(wù)。

  此外，該企業(yè)還依托超算平臺，自主研發(fā)了風(fēng)功率預(yù)報系統(tǒng)——孔明。該系統(tǒng)已正式發(fā)布并推廣，憑借其卓越的性能和實用性，已成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿應(yīng)用。

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  從保障結(jié)構(gòu)安全、延長建筑壽命，到營造健康舒適環(huán)境、降低運營能耗，CAE建筑風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)為建筑師與工程師提供了駕馭風(fēng)場、實現(xiàn)“人-建筑-氣候”和諧共生的科學(xué)手段。在“雙碳”目標(biāo)指引下，依托SimForge?高性能仿真云平臺，讓CAE仿真更高效地賦能綠色建筑規(guī)模化落地，提升宜居性與舒適度的同時，助力城市低碳轉(zhuǎn)型。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GB 50016-2023建筑設(shè)計環(huán)境準(zhǔn)則[EB/OL].https://www.360docs.net/doc/214767590.html

[3] 海南省 綠色建筑設(shè)計規(guī)程（2023試行）.[EB/OL].https://www.renrendoc.com/paper/295523407.html

[4] 薛祖杰. 基于CFD的復(fù)雜超高層建筑雙向流固耦合研究[D]. 重慶大學(xué),2012. DOI:10.7666/d.y2152722.

[5] 趙彬,林波榮,李先庭,等. 建筑群風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬仿真優(yōu)化設(shè)計[J]. 城市規(guī)劃匯刊,2002(2):57-58,61. DOI:10.3969/j.issn.1000-3363.2002.02.015.

[6] Kareem, Ahsan. "Dynamic response of high-rise buildings to stochastic wind loads." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 42.1-3 (1992): 1101-1112.

[7] 羅然. 疲勞損傷后Q460和Q690高強鋼力學(xué)性能研究[D]. 西南科技大學(xué),2022.

[8] Blocken B. Computational Fluid Dynamics for urban physics: Importance, scales, possibilities, limitations and ten tips and tricks towards accurate and reliable simulations. Building and Environment. 2015